电学元件伏安特性研究

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1、——中国石油大学（华东）现代远程教育实验报告课程名称：大学物理(二)实验名称：电学元件伏安特性研究实验形式：在线模拟+现场实践提交形式：提交书面实验报告学生姓名：学号：年级专业层次：网络秋高起专学习中心：习中心提交时间：2014年4月26日———一、实验目的1．学会测绘未知物理量之间的关系曲线。2．学会建立经验公式的基本方法。3．学习正确选用测量电路来减小系统误差的方法。4．掌握测量电学元件伏安特性的基本方法，测绘金属膜电阻、半导体二极管和小灯泡的伏安特性曲线。二、实验原理1．线性元件与非线性元件　　通过电学元件的电流与两端电压之间的关

2、系称为电学元件的伏安特性。一般以电压为横坐标、电流为纵坐标作出元件的电压～电流关系曲线，称为伏安特性曲线，如图1所示。伏安特性曲线为直线的元件称为线性元件，如碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻等一般电阻元件；伏安特性曲线为非直线的元件称为非线性元件，如二极管、三极管、光敏电阻、热敏电阻等。从伏安特性曲线遵循的规律，可以得知元件的导电特性，从而确定元件在电路中的作用。这种通过测量伏安特性曲线研究元件特性的方法称为伏安法，主要用于非线性元件特性的研究。图1　伏安特性曲线　　当一个元件两端加上电压、元件内有电流通过时，电压与电流之比称为元件电阻。

3、线性元件和非线性元件的电阻不同。线性元件的伏安特性曲线是一条直线，通过元件的电流I与加在元件两端的电压U成正比，电阻R为一定值，即。非线性元件的伏安特性曲线不是一条直线，通过元件的电流I与加在元件两端的电压U不成线性关系变化，电阻随电压或电流的变化而变化。因此，分析非线性元件的电阻必须指出其工作状态（电压或电流）。对于非线性元件，电阻可以用静态电阻和动态电阻两种方法表示，静态电阻（也称直流电阻）等于工作点的电压和电流之比；动态电阻（也称特性电阻）等于工作点附件的电压改变量和电流改变量之比，即工作点切线的斜率。如图1所示，工作点Q的静态电

4、阻为　　　　　　　　———                                       　　　（1）　　动态电阻为　　　　　　　　                            （2）　　显然，非线性元件的电阻是工作状态的函数。2．二极管的伏安特性　　半导体二极管根据所用材料的不同可分为硅二极管和锗二极管等。二极管最重要的导电特性就是PN结的单向导电性。当外加正向电压时，二极管呈现的电阻值很小，能够通过很大的电流。当外加反向电压时，二极管所呈现的电阻则很大，流过的电流却很小。二极管的电流随电压变化的规律常用伏安特

5、性曲线描述，某种二极管的伏安特性曲线如图2所示。在二极管的正端接高电位、负端接低电位（正向接法）的条件下，两端电压不到1V时，电流就可达400mA。在二极管的负端接高电位、正端接低电位（反向接法）条件下，两端电压小于100V时，反向电流很小；但电压超过110V时，反向电流就会急剧增加。根据二极管正向电流和正向电压的对应关系作图，就可以得到正向伏安特性曲线；根据二极管反向电流和反向电压的对应关系作图，就可以得到反向伏安特性曲线。图2　某种二极管的伏安特性曲线　　由伏安特性曲线可以看出，当二极管为正向接法时，随着电压U的逐渐增加，电流I也增

6、加。但是，在开始一段，由于外加电压很低，PN结的内电场对载流子的运动仍起阻挡作用，基本上没有电流流过PN结，这一段称为死区。硅管的死区电压约0～0.5V之间，锗管的约为0～0.2V之间。当外加电压U超过死区电压以后，电流随电压的上升就增加得很快，但电流和电压并不成正比。———　　当二极管反向接法时，只能有少数载流子形成反向电流，电流值很小，一般硅管反向电流小于几十微安，锗管小于几百微安。由于载流子数量少，所以电流值基本上不随反向电压变化而变化。但是，当反向电压增加到一定数值时，外电场将把半导体内被束缚的电子强行拉出来，造成反向电流突然增

7、加，这种现象称为反向击穿。对于普通二极管，反向击穿可导致管子发热被烧毁，这是由于普通二极管最大耗散功率不够，无法在反向击穿区工作。稳压二极管一般能承受较大的工作电流和耗散功率，可以工作在反向击穿区。　　2CW型硅稳压二极管的伏安特性曲线如图3所示。当反向电压加到A点时，管子开始击穿，如果进一步增加输入电压，则稳压管两端的电压几乎不再增加，只是反向电流从A点增到B点达到C点，因此起到了稳压作用。稳压二极管在反向击穿区工作时，只要不超过最大工作电流和最大耗散功率，一般是不会烧毁的。图3　2CW型硅稳压二极管的伏安特性曲线3．伏安特性的测量　

8、　用伏安法测量元件的伏安特性时，常有两种电路连接方法，分别是电流表内接法和电流表外接法，如图4所示。简化处理时直接采用电压表读数U和电流表读数I之比得出被测元件电阻R，由于电压表和电流表都有一定的内阻，所以