(完整版)实验3半导体二极管伏安特性的研究
实验3 半导体二极管伏安特性的研究
世界上的物质种类繁多，但就其导电性能来说，大体上可分为导体、绝缘体和半导体三类。某些物质，如硅、锗等，它们的导电性能介于导体和绝缘体之间，被称为半导体。半导体之所以引起人们极大的兴趣，原因并不在于它具有一定的导电能力，而在于它具有许多独特的性质。同一块半导体材料，它的导电能力在不同的条件下会有非常大的差别，比如，在很纯的半导体中掺入微量的其他杂质，它的导电性能将有成千上万倍地增加，并且可以根据掺入杂质的多少来控制半导体的导电性能。人们正是利用半导体的这种独特的性质做出了各种各样的半导体器件。
本实验通过对常用的半导体器件—二极管特性的研究，了解PN结的特性、结构和工作原理，并测量二极管的部分参数。
【实验目的】
1、了解PN结产生的机理和它的作用。
2、学习测量二极管伏安特性曲线的方法。
3、通过实验，加深对二极管单向导电特性的理解。
【仪器用具】
HG61303型数字直流稳压电源、GDM-8145型数字万用表、滑线变阻器、FBZX21型电阻箱、C31-V型电压表、C31-A型电流表、FB715型物理设计性实验装置、可调电阻及导线若干、普通二极管、发光二极管、稳压二极管等
【实验原理】
1.电学元件的伏安特性
在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与其两端电压之间的关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，称为该元件的伏安特性曲线。
对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流与加在元件两端的电压成正比，即其伏安特性曲线为一通过原点的直线，这类元件称为线性元件，如图3-1的直线a。至于半导体二极管、稳压管、三极管、光敏电阻、热敏电阻等元件，通过元件的电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线，这类元件称为非线性元件，如图3-1的曲线b、c。伏安法的主要用途是测量研究非线性元件的特性。一些传感器的伏安特性随着某一物理量的变化呈现规律性变化，如温敏二极管、磁敏二极管等。因此分析了解传感器特性时，常需要测量其伏安特性。
图 3–1 电学元件的伏安特性
在设计测量电学元件伏安特性的线路时，必须了解待测元件的规格，使加在它上面的电压和通过的电流均不超过元件允许的额定值。此外，还必须了解测量时所需其他仪器的规格（如电源、电压表、电流表、滑线变阻器、电位器等的规格），也不得超过仪器的量程或使用范围。同时还要考虑，根据这些条件所设计的线路，应尽可能将测量误差减到最小。
测量伏安特性时，电表连接方法有两种：电流表外接和电流表内接，如图3-2所示。
（a ）电流表内接；（b ）电流表外接
图 3–2 电流表的接法
电压表和电流表都有一定的内阻（分别设为R v 和R A ）。简化处理时可直接用电压表读数U 除以电流表读数I 来得到被测电阻值R ，即R=U/I ，但这样会引进一定的系统性误差。使用电流表内接时，R 实测值偏大；使用电流表外接时，R 实测值偏小。通常根据待测元件阻值及电表内阻，选择合适的电表连接方法以减小接入误差的影响：测量小电阻时常采用电流表外接；测量大电阻时常采用电流表内接。如果已知电压表和电流表的内阻，利用下列公式可以对被测电阻R 进行修正。
当电流表内接时：
A R I
U R -=
（3-1） 当电流表外接时： V
R U I R 11-= （3-2） 测量电学元件特性应注意以下几点：
(1) 要了解元件的有关参数、性能特点，实验中应保证元件安全使用、正常工作。加在元件上的电压及通过它的电流都应小于其额定数值。
(2) 安排测量电路时，电位器（或滑线变阻器）电路的选择应考虑到调节方便，能满足测量范围的要求。实验中经常采用分压电路，电路图见图3-3。为调节方便，一般电位器阻
值应小于负载电阻，但是电位器阻值过小会加重电源的负担。如细调程度不够，可以采用两个电位器组成二级分压（或限流）电路或粗、细调电路。
图 3–3 分压电路
(3)使用指针式电表选取电表量程时，既要注意测量值不得超量程以保证仪表安全，又
要使读数尽可能大以减小读数的相对误差。测量前应注意观察记录电表的机械零点。如零点不对，可小心调节调零螺丝，或记下零点值，进行系统误差修正。
(4)确定测量范围时，既要保证元件安全，又有覆盖正常工作范围，以反映元件特性。
根据测量范围选定电源电压。
(5)合理选取测量点可以减小测量值的相对误差。测量非线性元件时，选择变化较大的
物理量作为自变量较为方便，可以等间隔取测量点，在测量值变化较大时可适当增加测量点。
(6)在正式测量之前，应对被测元件进行粗测，以大致了解被测元件特性、物理规律及
变化范围，然后再逐点测量。
2.PN结的形成
根据半导体物理学理论，在一块纯净半导体上，掺以不同的杂质，使一边成为N型（电子型）半导体，另一边成为P型（空穴型）半导体，如图3-4所示，那么，在两者的交界面处就会形成一个PN结。在这个PN结的两边，由于电子和空穴（统称为载流子）密度差的存在，使得电了从N区向P区扩散，空穴从P区向N区扩散。
图3-4 PN结示意图
靠近N区界面处的电子扩散到P区，并与P区空穴复合，而在N区界面处，剩下不能移动的施主正离子，构成一个带正电的空间电荷区；靠近P区界面处的空穴扩散至N区，并与N区电子复合，而在P区界面处，剩下不能移动的受主负离子，构成一个带负电的空间电荷区，由此而产生一个电场，称为PN结的内电场，其方向自N区指向P区，如图所示。显然，这个电场的方向与载流子的扩散方向相反，其作用是使得结内及其附近的载流子向扩散的逆方向运动（即漂移运动），当PN结的内电场增强到使得漂移运动和扩散运动的作用相等时，就达到了动态平衡，于是，在交界面处形成了稳定的空间电荷区，这就是PN结。
由于PN结内电场的作用，使结内缺少载流子，结内电阻很高，因此，PN结是一个高阻区，也称阻挡层。PN结很薄，一般约为0.5μm。
3.PN结的单向导电性
PN结有一个很重要的特性，就是单向导电性，电流只能从一个方向流通。如图3-5所示，如果给PN结加上一个正向电压，即电源的正极接P区，负极接N区。由于这个外加的电源电压产生的电场方向从PN结内电场的方向相反，其效果将使结内电场减弱，空间电荷区变窄，PN结的电阻变小，扩散运动的作用超过漂移运动的作用，这样，扩散运动就连续不断地进行下去，有更多的载流子越过PN结，形成较大的正向电流I F。
如果给PN结加上一个反向电压，则反向电压的电场与PN结内电场的方向相同，空间电荷区变宽，PN结的电阻变大，在电场作用下的漂移运动超过扩散运动，这样，扩散无法进行，多数载流子受PN结的阻挡，无法流动，流过PN结的电流是漂移电流。而漂移电流是少数载流子的运动产生的，由于半导体中少数载流子的密度很小，所以PN结反向电流I R很弱，当温度不变时，随着PN结反向电压的增加，反向电流也略有增加，但很快就达到饱和，在一定的温度和电压条件下，硅管的反向饱和电流（用I S表示）约为μA数量级（不过，如果温度变化，则反向电流将作较大变化）
图3-5 PN结的单向导电性
4.半导体二极管
（1）二极管的伏安特性
二极管是由一个PN结，加上接触电阻、引线和管壳构成的，常用下图所示的符号表示。
图3-6 二极管的表示符号
二极管的一个重要特性，就是它的单向导电性—即正向导通，反向截止。理论分析表明，二极管的伏安特性可表达为：
I D=I S[exp(eU D/kT)-1] (3-3)
式中，I D为通过二极管的电流；I S为二极管的反向饱和电流，U D为二极管两端的外加电压；e为电子电荷（e=1.6×10-19C），k为波尔兹曼常数（k=1.38×10-23J/K），T为热力学温度（室温下，取T=300K），由于1eV=1.6×10-19J,kT/e具有电压的量纲，kT/e=0.26V。
1)正向特性
图3-7给出了硅二极管的伏安特性曲线图从图中电流的变化规律，可以发现，在二极管正向特性的起始部分，由于正向电压较小，外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电流非常微小，二极管呈现出很大的电阻；当正向电压增加到一定数值时，内部电场大为削弱，二极管的电阻变得很小，电流才开始显著上升，这个电压称为二极管的门槛电压
U th。一般来说，硅二极管的门槛电压为0.5～0.8V，为便于应用，通常把正向特性较直部分延长交于横坐标的一点，定为门槛电压值。直流电阻R D：二极管两端电压与流过二极管的电流比。
图3-7 硅二极管的伏安特性曲线
2)反向特性
当给二极管加上反向电压时，便产生反向电流，反向电流很小，它是由少数载流子形成的。反向电流有两个特点：
a)随温度的增加而增加很快，这是由于半导体中少数载流子的数量随温度增加而按指数规律迅速增长的缘故；
b)反向电流基本上不随反向电压改变，当温度一定时，稍微加一点反向电压，就可以使全部少数载流子参与导电，再加大反向电压，反向电流也不会再增加，即达到饱和，故这个电流称为反向饱和电流。
从式（3-3）可知，在反向接法下，U D<0,当︱U D︱>0.1V时，exp(eU D/kT)<<1,此时，由式（3-3）得到反向电流为
I D=-I S（3-4）
此时，U D对I D几乎不起控制作用。
如果是锗二极管，其伏安特性曲线与硅管相比，正向曲线的上升部分要平缓一些，锗二极管U th值为0.2～0.4V，反向饱和电流比硅管大，锗管的反向特性也不完全呈水平。
（2）二极管的主要参数
①最大整流电流
指二极管长时间工作时，允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结要引起管子发热，电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。例如1N4007二极管的最大整流电流为1A。
②最大正向工作电压
指二极管长时间工作时，二极管两端允许加上的最大正向电压值。1N4007的最大正向工作电压为1V。
③反向击穿电压
指二极管反向击穿时的电压值。击穿时，反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而被烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电压要低于击穿电压，以确保管子安全运行。例如1N4007最高反向工作电压为1000V。
④反向电流
指管子未击穿时的反向电流，其值得愈小，则管子的单向导电性愈好。由于温度增加，反向电流会急剧增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。1N4007在T=25℃时反向电流为5uA。
另外，二极管的参数还包括二极管的直流电阻、极间电容等。直流电阻R D定义为加于二极管两端的电压与流过二极管的电流之比，它随工作点电流的增大而减少，平时用万用表测得的二极管电阻，就是直流电阻R D；二极管的极间电容，是由于二极管加上电压后，管内电荷的堆积而形成的，极间电容的存在，限制了二极管的工作频率。
5.发光二极管
发光二极管（Light-emittimg diode,简称LED）。是由Ⅲ～Ⅳ化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料制成的，其核心是PN结，因而它具有PN 结的一般特性，即正向导通，反向截止，在一定条件下，它还具有发光特性。
⑴ LED发光的机理
我们知道，发光是一种能量转换现象。当系统受到外界激发后，会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态。当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，如果多余的能量以光的形式辐射出来，就产生发光现象。半导体发光二极管利用注入PN结的少数载流子与多数载流子复合，从而发出可见光，是一种直接把电能转化为光能的发光器件。
发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压之后，电子和空穴分别注入P区和N区，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之发生复合，电子和空穴消失的同时产生了一个光子（即复合将以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能）。电子和空穴之间的能量差（带隙）越大，产生的光子的能量就越高，光子的能量高低决定辐射光的频率高低，即决定了辐射光的颜色。在可见光的频谱范围内，蓝色光和紫色光携带的能量较多，桔色光和红色光携带的能量较少，不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。现在己有红外、红、橙、绿（包括黄绿、纯绿等）及蓝光发光二极管。
目前，发光二极管主要用做：
①显示器件。如各类仪器仪表、家用仪器的电源指示灯，各种仪器仪表指示器的文字、数字及其他符号的显示等，红外光LED常被用于电视机、录像机等的遥控器中；
②短距离、低速率的光纤通信用光源等。目前，高亮度GaN(氮化镓)发光管正在工业化，人类离十分节省能源的LED照明时代己为期不远。
发光二极管有很多优点：工作电压点，耗电量少，性能稳定，寿命长（一般为10万到1000万小时）；抗冲击，耐振动性强；重量轻，体积小，成本低。
（2）发光二极管主要的参数
①允许功率
允许加于LED两端正向电压与流过LED电流之积的最大值，超过此值，LED发热，损坏。
②最大正向工作电流
允许加于LED两端最大正向工作电流，超过此值，二极管将损坏。
③最大反向电压
允许加的最大反向电压，超过此值，二极管可能被击穿损坏。
另外，LED的参数还有它的峰值波长，发光强度等等。
发光二极管的伏安特性曲线与普通二极管相似，但是加在LED两端的正向电压一般大于1.2V，电流才有明显增加，LED才开始发光。
【仪器介绍】
1. GDM—8145型数字万用表
图 3–8 数字万用表
仪器面板主要分为两大部分，左边部分为测试杆插口，右边部分为测量选择安键和测量结果LED显示窗口。
GDM—8145型数字万用表主要性能
⑴直流电压测量
档位：200mV，2V，20V，200V，1000V共5档
准确度：±（0.03%读值+4位数）
输入阻抗：10MΩ
⑵交流电压测量
档位：200mV，2V，20V，200V，1000V共5档
准确度：20Hz ~ 45Hz：±（1%读值+15位数），45Hz ~ 2kHz：±（0.5%读值+15位数），2kHz ~ 10kHz：±（1%读值+15位数）
输入阻抗：10MΩ
⑶直流电流测量
档位：200μA，2mA，20mA，200mA，2000mA，20A共6档
准确度及内阻：200μA~200mA 共4档：±（0.2%读值+2位数），内阻为0.3V/档位（即1500Ω、150Ω、15Ω、1.5Ω）；2000mA~20A共2档：±（0.3%读值+2位数），内阻为0.9V/档位（即0.45Ω、0.045Ω）
⑷交流电流测量
档位：200μA，2mA，20mA，200mA，2000mA ,20A共6档
准确度：45Hz ~ 2kHz：±（0.5%读值+15位数），2kHz ~ 10kHz：±（1%读值+15位数），10kHz ~ 20kHz：±（2%读值+15位数）
⑸电阻测量
档位:200Ω,2kΩ,20kΩ,200kΩ,2000kΩ,20MΩ共6档
准确度：200Ω档：±（0.1%读值+4位数），2kΩ~2000kΩ共4档：±（0.1%读值+2位数），
20M Ω档：±（0.25%读值+2位数）
⑹二极管测量
2. GDM —8145型数字万用表使用方法
测量时须注意：待测量与对应的量程已在图5-7中用虚线框框上，另外，如果显示屏上LED 先搜的是闪烁的“00000”，表示待测量值超过了所选的量程范围，应该改换较大的量程进行测量。
⑴测量电阻（包括二极管）
将表的黑色的测试插入测试杆负极插口2，红色测试杆插入电压与电阻测量插口1，交直流测量选择按键5弹起按下电阻（包括二极管）测量按键8，然后根据待测量电阻大学的估算值，按下测量量程选择按键9~14中的某一个，就可以从测量值显示屏16上方读出待测量电阻的阻值了。例如：按下按键8和按键9，表示可测量电阻值在200欧姆内的未知电阻，如待测量电阻超过200欧姆，则显示屏上出现闪烁的“00000”，应该改换较大的量程测量。 ⑵测量电压
将表的黑色的测试插入测试杆负极插口2，红色测试杆插入电压与电阻测量插口1，使交直流选择按键5置于合适的位置（按下时测量交流电压，弹起时测量直流电压），按下电压测量按键6，然后根据待测电压大小的估算值，按下测量量程选择按键9~14中的某一个，就可以从测量值显示屏16上读出待测电压的大小了。
⑶测量电流
将表的黑色的测试插入测试杆负极插口2，根据待测电流的大小，将红色测试杆插入电流测量插口3或者4，使交直流测量选择按键5置于合适位置（按下时测量交流电流，弹起时测量直流电流），按下电压流测量按键7，然后根据待测电电流大小的估算值，按下测量量程选择按键9~14中的某一个，就可以从测量值显示屏16上读出待测电流的大小了。
3．直流电表
实验室常用的直流电表多为磁电式仪表，目前数字式仪表的应用也日趋广泛。
直流电表的主要规格指量程，准确度等级和内阻。量程指电表可测的最大电流或电压值，电表内阻一般在仪器表盘上标出（或由实验室给出），电表的准确度等级给出了电表的误差，国家标准规定，电表准确度等级一般分为7个级别，即0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0,电表出厂时已将级别标在表盘上。电表的误差可分为基本误差和附加误差两部分，由于附加误差考虑起来比较困难，教学实验中，一般把仪器的基本误差取做仪器误差限，不计算附加误差。
电表的基本误差m r 用它的最大绝对误差x ?m 和量程m x 之比来表示，即
%100??=m
m m x x r （3-5） 如果电表的准确值等级为a 级（简称为a 级电表），在规定的工作条件下使用该电表测量，则有：
%100%??≥m
x x a （3-6） 仪表的误差限（误差极限）为：%.a x x m m =? （3-7） 读数时先按照式（3-7）确定仪器的误差限，估计位就读到该误差限所在位上。
电表的表盘常用一些符号表示电表的技术性能和指标，这些标识符号代表的意义如图
3-9所示．
图3-9 电表标识符号
电表使用时，应按照仪表表盘上的“ "或“”标志竖直或水平放置仪表，接线时，注意表的“+”极接高电位端，表的“－"极接低电位端，电流表与待测电路串联，电压表与待测电路并联，根据待测电流或电压的大小选择合适的量程，读数时，眼睛要正对指针，1.0级以上的电表都配有镜面，读数时要使眼睛、指针及指针的像三者成一直线，以尽量减小由于读数而产生的附加误差。
(1)直流电压表
C31-V 型直流电压表的面板如图3-10a 所示，仪表准确度等级为0.5级，从45mV ～600V 共有l0个量程，通过插塞插在不同的量程插孔中实现量程转换，图中所用量程为15V ，仪器误差限为15V*0.5%=0.075V ，则读数为2.24V 。
电压表量程不同，其内阻也不相同，电压表内阻计算公式为：
内阻=量程×每伏欧姆数 （3-8）
C31-V 型直流电压表45mV 量程内阻为v R ≈15Ω，75mV 量程内阻为．v R ≈30Ω，3～
600V 量程内阻为v R =量程×500V
Ω。 (2)直流电流表
C31-A 型直流电流表的面板如图3-10b 所示，仪表准确度等级为0．5级，从7．5mA ～30A 共有l2个量程，通过插塞插在不同的量程插孔中实现量程转换，图中所用量程为7.5mA ，仪器误差限为7.5mA*0.5%=0.0375mA ，则读数为5.78mA 。
图3-10 直流电压表和电流表C31一A型直流电流表内阻由实验室给定：
A 45mv
R
量程
（3-9）
4．直流电源：
1）为稳流稳压电源，2）电流调节为保护电流设定，不能为零，否则仪器认为保护电流为零，电压不能输出。3）按“复位/输出”按键，选择电压输出。4）为电路提供的电压应从0V缓慢增加。
5．滑线变阻器
滑线变阻器的用途是控制电路中的电压和电流，其结构如图3-11所示，均匀电阻丝密绕在绝缘瓷管上，电阻丝的两端分别固接在瓷管两端的A、B接线柱上，滑键D则通过弹簧片与电阻丝紧密接触，滑键D可沿金属杆滑动，并通过金属杆与接线柱C相连，因此，改变滑键D的位置，就可以改变AC(或BC)之间电阻的大小。电路中滑线变阻器的符号如图3-12所示，滑线变阻器的主要技术指标有额定电流(或额定功率)、全电阻(A、B间电阻丝的电阻值)。
图3-11 滑线变阻器
图3-12滑线变阻器的符号及在电路中的连接方式
滑线变阻器在电路中有两种用法：
(1)作限流器用
将滑线变阻器接成图3-12b 所示的电路，即构成限流电路。AD 部分电阻丝被串联进电路中，当移动滑键D 时，R AD 随之改变，因而使电路中的电流也发生变化。
(2)作分压器用
将滑线变阻器接成图3-12c 所示的电路，即构成分压电路。AB 两端的电压即为电源的输出电压，DB 两端的电压即为滑线变阻器分出去的电压，当滑键D 从B 滑向A 时，DB 两端的电压可从零连续增大到等于电源的输出电压。
【实验内容和要求】
1. 测量普通二极管的正向伏安特性
正向伏安特性采用电流表外接法，测量一个硅普通二极管的正向伏安特性。实验时，根据实验验需要自行调节电阻（或电源输出电压）大小，电流表，电压表选择合适的量程。
从零开始逐渐增加电源电压，读取二极管两端电压值U 和流过它的电流值I ，测量范围 U D ：0~0.80V ，I D ：0~150mA 。
起始阶段，测量点电压间隔0.1V ；电流显著上升阶段，测量点间隔0.02V 。将全部测量数据填入下列数据表格中（表格中的电压用指针式电压表3V 档位测量），并对电压表引入的系统误差进行修正，I 为电流表读数，I D 为修正后的电流0I R U I I V
D D --=，U D 为电压表读数减去零点读数（一般需要调零）。
数据记录：
待测元件： ，型号 。
电压表：型号 ，准确度等级为 ，档位为 V ，仪器误差限为 ，内阻R V 为 ，零点读数= 。
电流表：型号 ，准确度为 ；量程为 mA 的内阻为 ；量程为 mA 的内阻为 。
U D
（V ）
0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.62 0.64 电流表
反向伏安特性采用电流表内接法，根据实验需要自行调节电阻的大小，电流表、电压表选择合适的量程。测量范围U D：0~-5V，测量点间隔0.5V。一共测读10组数据，将全部测量数据填入自拟的数据表格（参考上表）中，因为二极管的反向电阻远远大于电流表的内阻，故电流表引入的系统误差可以忽略。反向伏安特性如采用电流表外接法，必须考虑电压表内阻分流引起的系统误差。
3 .数据处理
绘制普通二极管正反向伏安特性曲线，正反向坐标可取不同的单位长度。从曲线求1）门槛电压U th，2）分别求5mA,30mA处直流电阻R D。通过本实验，加深对二极管单向导电特性的理解。
4. 测量发光二极管的正、反向伏安特性
参照上面的测量方法测量一个发光二极管的正、反向伏安特性。注意普通的二极管和发光二极管门槛电压差异较大，测量时U D间隔要取合适。将全部测量数据填入自拟的数据表格中。绘制发光二极管伏安特性曲线，并从曲线计算出门槛电压和5mA、10mA处的直流电阻R D。
5. 测量稳压二极管的正、反向伏安特性
6. 比较上面三种二极管的特点异同点
【注意事项】
1.连接实验电路时，先将电源输出电压调至最小的位置，测量时再逐步增加电源电压。
2.电路中串联的电阻箱阻值应调节合适。
3.密切注意电流表的读数，使流过普通二极管的电流不要超过200mA，并注意二极管上的消耗的功率不能超过它的允许功率，否则二极管将有可能烧坏。
4.不可用万用表的电流电阻档测量电压，否则会损坏万用表。
【思考问题】
1、硅二极管正向导通的正向电压降大致等于多少？实验中所用的发光二极管呢？
2、PN结的单向导电性有什么作用？试举出及个生活或工作中的几个例子说明之。
3、测量正向伏安特性曲线时你采用了哪种电表接法，为什么？
二极管的伏安特性曲线详细说明
二极管的伏安特性曲线图解 二极管的性能可用其伏安特性来描述。在二极管两端加电压U，然后测出流过二极管的电流I，电压与电流之间的关系i=f(u)即是二极管的伏安特性曲线，如图1所示。 图1 二极管伏安特性曲线 二极管的伏安特性表达式可以表示为式1-2-1 其中iD为流过二极管两端的电流，uD为二极管两端的加压，UT在常温下取26mv。IS为反向饱和电流。 1、正向特性 特性曲线1的右半部分称为正向特性，由图可见，当加二极
管上的正向电压较小时，正向电流小，几乎等于零。只有当二极管两端电压超过某一数值Uon时，正向电流才明显增大。将Uon 称为死区电压。死区电压与二极管的材料有关。一般硅二极管的死区电压为0.5V左右，锗二极管的死区电压为0.1V左右。 当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流将迅速增大，电流与电压的关系基本上是一条指数曲线。由正向特性曲线可见，流过二极管的电流有较大的变化，二极管两端的电压却基本保持不变。通过在近似分析计算中，将这个电压称为开启电压。开启电压与二极管的材料有关。一般硅二极管的死区电压为0.7V左右，锗二极管的死区电压为0.2V左右。 2、反向特性 特性曲线1的左半部分称为反向特性，由图可见，当二极管加反向电压，反向电流很小，而且反向电流不再随着反向电压而增大，即达到了饱和，这个电流称为反向饱和电流，用符号IS 表示。 如果反向电压继续升高，当超过UBR以后，反向电流急剧增大，这种现象称为击穿，UBR称为反向击穿电压。
图2 二极管的温度特性 击穿后不再具有单向导电性。应当指出，发生反向击穿不意味着二极管损坏。实际上，当反向击穿后，只要注意控制反向电流的数值，不使其过大，即可避免因过热而烧坏二极管。当反向电压降低后，二极管性能仍可能恢复正常。 3、温度对二极管伏安特性的影响 温度升高，正向特性左移，反向特性下移；室温附近，温度每升高1℃；正向压降减少2-2.5mV；室温附近，温度每升高10℃，反向电流增大一倍。二极管的温度特性如图2所示。
电路元件特性曲线的伏安测量法实验报告
学生序号6 ` 实验报告 课程名称：电路与模拟电子技术实验指导老师：冶沁成绩：__________________ 实验名称：电路元件特性曲线的伏安测量法实验类型：电路实验同组学生：__________ 一、实验目的和要求（必填）二、实验容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1.熟悉电路元件的特性曲线； 2.学习非线性电阻元件特性曲线的伏安测量方法； 3掌握伏安测量法中测量样点的选择和绘制曲线的方法； 4.学习非线性电阻元件特性曲线的示波器观测方法。 二、实验容和原理 1、电阻元件、电容元件、电感元件的特性曲线 在电路原理中，元件特性曲线是指特定平面上定义的一条曲线。例如，白炽灯泡在工作时，灯丝处于高温状态，其灯丝电阻随着温度的改变而改变，并且具有一定的惯性；又因为温度的改变与流过 灯泡的电流有关，所以它的伏安特性为一条曲线。电流越大、温度越高，对应的灯丝电阻也越大。一 般灯泡的“冷电阻”与“热电阻”可相差几倍至十几倍。该曲线的函数关系式称为电阻元件的伏安特性， 电阻元件的特性曲线就是在平面上的一条曲线。当曲线变为直线时，与其相对应的元件即为线性电阻 器，直线的斜率为该电阻器的电阻值。电容和电感的特性曲线分别为库伏特性和韦安特性，与电阻的 伏安特性类似。 线性电阻元件的伏安特性符合欧姆定律，它在u-i 平面上是一条通过原点的直线。该特性曲线各点斜率与元件电压、电流的大小和方向无关，所以线性电阻元件是双向性元件。非线性电阻的伏安特 性在u-i平面上是一条曲线。 普通晶体二极管的特点是正向电阻和反向电阻区别很大。正向压降很小正向电流随正向压降的升高而急骤上升，而反向电压从零一直增加到十几伏至几十伏时，其反向电流增加很小，粗略地可视为 零。可见，二极管具有单向导电性，如果反向电压加得过高，超过管子的极限值，则会导致管子击穿 损坏。稳压二极管是一种特殊的半导体二极管，其正向特性与普通二极管类似，但其反向特性则与普 通二极管不同，在反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但当反向电压增加到某一数值时（称 为管子的稳压值，有各种不同稳压值的稳压管）电流将突然增加，以后它的端电压将维持恒定，不再 随外加的反向电压升高而增大。 上述两种二极管的伏安特性均具属于单调型。电压与电流之间是单调函数。二极管的特性参数主要有开启电压V th，导通电压V on，反向电流I R，反向击穿电压V BR以及最大整流电流I F。 2、非线性电阻元件特性曲线的逐点伏安测量法 元件的伏安特性可以用直流电压表、电流表测定，称为逐点伏安测量法。伏安法原理简单，测量方便，但由于仪表阻会影响测量的结果，因此必须注意仪表的合理接法。 采用伏安法测量二极管特性时，限流电阻以及直流稳压源的变化围与特性曲线的测量围是有关系的，要根据实验室设备的具体要求来确定。在综合考虑测量效率和获得良好曲线效果的前提下，测量 点的选择十分关键，由于二极管的特性曲线在不同的电压的区间具有不同的性状，因此测量时需要合
半导体二极管伏安特性的研究(可编辑修改word版)
半导体二极管伏安特性的研究 P101 【实验原理】 1.电学元件的伏安特性 在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与其两端电压之间的关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，称为该元件的伏安特性曲线。 对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流与加在元件两端的电压成正比，即其伏安特性曲线为一通过原点的直线，这类元件称为线性元件，如图3-1 的直线a。至于半导体二极管、稳压管、三极管、光敏电阻、热敏电阻等元件，通过元件的电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线，这类元件称为非线性元件，如图3-1 的曲线b、c。伏安法的主要用途是测量研究非线性元件的特性。一些传感器的伏安特性随着某一物理量的变化呈现规律性变化，如温敏二极管、磁敏二极管等。因此分析了解传感器特性时，常需要测量其伏安特性。 图 3–1 电学元件的伏安特性 在设计测量电学元件伏安特性的线路时，必须了解待测元件的规格，使加在它上面的电 压和通过的电流均不超过元件允许的额定值。此外，还必须了解测量时所需其他仪器的规格（如电源、电压表、电流表、滑线变阻器、电位器等的规格），也不得超过仪器的量程或使用范围。同时还要考虑，根据这些条件所设计的线路，应尽可能将测量误差减到最小。 测量伏安特性时，电表连接方法有两种：电流表外接和电流表内接，如图3-2 所示。 （a）电流表内接；（b）电流表外接 图 3–2 电流表的接法 电压表和电流表都有一定的内阻（分别设为R v和R A）。简化处理时可直接用电压表读
二极管伏安特性曲线的研究
二极管伏安特性曲线的研究 一、实验目的 通过对二极管伏安特性的测试，掌握锗二极管和硅二极管的非线性特点，从而为以后正确设计使用这些器件打下技术基础。 二、伏安特性描述 对二极管施加正向偏置电压时，则二极管中就有正向电流通过(多数载流子导电)，随着正向偏置电压的增加，开始时，电流随电压变化很缓慢，而当正向偏置电压增至接近二极管导通电压时(锗管为0.2V左右，硅管为0.7V左右)，电流急剧增加，二极管导通后，电压的少许变化，电流的变化都很大。 对上述二种器件施加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，其反向电压增加至该二极管的击穿电压时，电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭力避免出现击穿观察，这很容易造成二极管的永久性损坏。所以在做二极管反向特性时，应串入限流电阻，以防因反向电流过大而损坏二极管。 二极管伏安特性示意图1-1，1-2 图1－1锗二极管伏安特性图1－2硅二极管伏安特性 三、实验设计 图1-3 二极管反向特性测试电路 1、反向特性测试电路 二极管的反向电阻值很大，采用电流表内接测试电路可以减少测量误差。测试电路如图1-3，电阻选择510Ω
2、正向特性测试电路 二极管在正向导道时，呈现的电阻值较小，拟采用电流表外接测试电路。电源电压在0～10V内调节，变阻器开始设置470Ω，调节电源电压，以得到所需电流值。 图1-4 二极管正向特性测试电路 四、数据记录 见表1-1、1-2 表1-1 反向伏安曲线测试数据表 U(V) I(A u) 电阻计算值(KΩ) 表1-2 正向伏安曲线测试数据表 正向伏安曲线测 试数据I(A m) U(V) 电阻直算值(KΩ) 注意：实验时二极管正向电流不得超过20mA。 五、实验讨论 1、二极管反向电阻和正向电阻差异如此大，其物理原理是什么？ 2、在制定表1－2时，考虑到二极管正向特性严重非线性，电阻值变化范围很大，在表1－2中加一项“电阻修正值”栏，与电阻直算值比较，讨论其误差产生过程。
二极管伏安特性曲线的测定
实验四二极管伏安特性曲线的测定 【一】实验目的 电路中有各种电学元件，如碳膜电阻、线绕电阻、晶体二极管和三极管、光敏和热敏元件等。人们常需要了解它们的伏安特性，以便正确的选用它们。通常以电压为横坐标，电流为纵坐标作出元件的电压—电流关系曲线，叫做该元件的伏安特性曲线。如果元件的伏安特性曲线是一条直线，说明通过元件的电流与元件两端的电压成正比，则称该元件为线性元件（例如碳膜电阻）；如果元件的伏安特性曲线不是直线，则称其为非线性元件（例如晶体二极管、三极管）。本实验通过测量二极管的伏安特性曲线，了解二极管的单向导电性的实质。 【二】实验原理 晶体二极管是常见的非线性元件，其伏安特性曲线如图1所示。 当对晶体二极管加上正向偏置电压，则有正向电流流过二极管，且随正向偏置电压的增大而增大。开始电流随电压变化较慢，而当正向偏压增到接近二极管的导通电压（锗二极管为0.2左右，硅二极管为0.7左右时），电流明显变化。在导通后，电压变化少许，电流就会急剧变化。 当加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，但不是完全没有电流，而是有很小的反向电流。该反向电流随反向偏置电压增加得很慢，但当反向偏置电压增至该二极管的击穿电压时，电流剧增，二极管PN结被反向击穿。
二极管一般工作在正向导通或反向截止状态。当正向导通时，注意不要超过其规定的额定电流；当反向截止时，更要注意加在该管的反向偏置电压应小于其反向击穿电压。但是，稳压二极管却利用二极管的反向击穿特性而恰恰工作于反向击穿状态。本实验用伏安法测定二极管的伏安特性，测量电路如图2所示。 测定二极管的电压与电流时，电压表与电流表有两种不同的接法。如图2，电压表接A 、D 两端叫做电流表外接；电压表接A 、D ′端叫做电流表内接。电流表外接时，其读数为流过二极管的电流I D 与流过电压表电流I V 之和，即测得的电流偏大；电流表内接时，电压表读数为二极管电压V D 与电流表电压V A 之和，即测得的电压偏大。因此，这两种接法都有测量误差。这种由于电表接入电路而引起的测量误差叫做接入误差。接入误差是系统误差，只要知道电压表的内阻R V 或电流表的内阻R A ，就可以把接法造成的测量误差算出来，然后选用测量误差较小的那种接法。电流表外接，造成的电流测量误差为： V D D V D D R R I I I I ==? 电流表内接，造成的电压测量误差为： D A D A D D R R V V V V ==? 其中R D 、R V 、R A 、分别是二极管的内阻，电压表的内阻和电流表的内阻。测量时究竟选用哪种接法，要看R D 、R V 、R A 的大小而定。显然，若R D /R V ＞R A /R D 应选用电流表内接，反之则选用电流表外接。 【三】 实验装置 直流稳压电源、直流电压表2个、直流电流表2个、滑线变阻器、待测二极管、开关、导线等。 注意事项： 1． 为保护直流稳压电源，接通或断开电源前均需先使其输出为零；对输出调节旋钮的调节 必须轻而缓慢。 2． 更换测量内容前，必须使电源输出为零，然后再逐步增加至需要值，以免损坏元件。 3． 测定2AP 型锗二极管的正、反向伏安特性曲线时，注意正向电流不要超过20mA ，反向 电压不要超过25V 。
二极管伏安特性曲线
模拟电子技术课程设计 本文档只需通过world文档繁转简工具，即可以把它 转化成简体字。 二極體伏安特性曲線的研究 一、設計目的 電路中有各種電學元件，如晶體二極管和三極管，光敏和熱敏元件等。人們通常需要瞭解它們的伏安特性，以便正確的選用它們。通常以典雅為橫坐標，電流為縱坐標作出元件的電壓——電流關係曲線，叫做該元件的伏安特性曲線。該設計通過測量二極體的伏安特性曲線，瞭解二極體的導電性的實質，使我們在設計電路時能夠準確的選擇二極體。 二、設計原理 1、二極體的伏安特性 （1）二極體的伏安特性方程為： 式中，Is為反向飽和電流，室溫下為常數；u為加在二極體兩端電壓；UT 為溫度的電壓當量，當溫度為室溫27℃時，UT≈26mV。 當PN結正向偏置時，若u≥UT，則上式可簡化為：IF≈ISeu/UT。 當PN結反向偏置時，若︱u︱≥UT，則上式可簡化為：IR≈－IS。可知- IS 與反向電壓大小基本無關，且IR越小表明二極體的反向性能越好。 對二極體施加正向偏置電壓時，則二極體中就有正向電流通過，隨著正向偏置電壓的增加，開始時，電流隨電壓變化很緩慢，而當正向偏置電壓增至接近其
導通電壓時，電流急劇增加，二極體導通後，電壓少許變化，電流的變化都很大。 對上述二種器件施加反向偏置電壓時，二極體處於截止狀態，其反向電壓增加至該二極體的擊穿電壓時，電流猛增，二極體被擊穿，在二極體使用中應竭力避免出現擊穿觀察，這很容易造成二極體的永久性損壞。所以在做二極體反向特性時，應串入限流電阻，以防因反向電流過大而損壞二極體。 二極體伏安特性示意圖1、2所示。 圖1鍺二極體伏安特性圖2矽二極體伏安特性 2、二極體的伏安特性曲線 下面我們以鍺管為例具體分析，其特性曲線如圖3所示，分為三部分： 圖3 半導體二極體(矽管)伏安特性
二极管伏安特性曲线测量方法
二极管伏安特性曲线 测量方法 电路中有各种电学元件，如碳膜电阻、线绕电阻、晶体二极管和三 极管、光敏和热敏元件等。人们常需要了解它们的伏安特性，以便正确 的选用它们。通常以电压为横坐标，电流为纵坐标作出元件的电压一电 流关系曲线，叫做该元件的伏安特性曲线。如果元件的伏安特性曲线是 一条直线，说明通过元件的电流与元件两端的电压成正比，则称该元件 为线性元件（例如碳膜电阻）；如果元件的伏安特性曲线不是直线，则 称其为非线性元件（例如晶体二极管、三极管）。本实验通过测量二极 管的伏安特性曲线，了解二极管的单向导电性的实质。 1实验原理 晶体二极管是常见的非线性元件，其伏安特性曲线如图1所示。 当对晶体二极管加上正向偏置电压，则有正向电流流过二极管， 且随正向偏置电压的增大而增大。开始 电流随电压变化较慢，而当正向偏压增到接近二极管的导通电压（锗二 极管为0.2左右，硅二极管为0.7左右时），电流明显变化。在导通 后，电压变化少许，电流就会急剧变化。 当加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，但不是完全没有电 流，而是有很小的反向电流。该反向电流随反向偏置电压增加得很 慢，但当反向偏置电压增至该二极管的击穿电压时，电流剧增，二 极管PN结被反 向击穿。 2、实验方法 2.1伏安法 IN4007 Re 电流表外接法：如图2.1.1所示（开关K打向2位置）⑴，此时电压表的读数等于二极管两端电压U D ;电流表的读数I是流过二极管和电压表的电流之和（比实际值大），即I = |D +lv。
匸V/Rv+V/ R D(1.1)由欧姆定律可得:
用V、I所作伏安特性曲线电流是电压表和二极管的电流之和，显然不是二极管的伏安特性曲线, 所用此方法测量存在理论误差。在测量低电压时，二极管内阻较大，误差较大，随着测量点电压升高，二极管内阻变小，误差也相对减小；在测量二极管正向伏安曲线时，由于二极管正向内阻相对较小，用此方法误差相对较小。 2.1.1 电流表内接法：如图2.1.1所示(开关K打向1位置)，这时电流表的读数I为通过二极管D的电流，电压表读数是电流表和二极管电压之和，U = U D + U A o 由欧姆定律可得：U =I ( R D+ R A) 此方法作曲线所用电压值是二极管和电流表电压之和，存在理论误差，在测量过程中随着电压 U提高，二极管的等效内阻R D减小，电流表作用更大，相对误差增加；小量程电流表内阻R A较大, 引起误差较大。但此方法在测量二极管反向伏安特性曲线时，由于二极管反向内阻特别大，故误差较小。 2.1.2 表2.1.3 此次测量在上图作标纸中绘出伏安曲线 采用伏安法测量时由于电压或电流总有其一不能准确测得，结果总存在理论误差，测量结果较粗略，但此方法电路简单，操作方便。 2.2补偿法 补偿法测量基本原理如图 2.2.1 所示[2]o
实验一、伏安法测二极管的特性(优.选)
1 / 3word. 实验一、伏安法测二极管的特性 一、实验目的 1、学习用伏安法测量二极管的伏安特性的方法 2、理解伏安法电路中电流表内接和外接两种方法 3、了解二极管的伏安特性 二、实验仪器和用具 直流稳压电源、直流电流表、直流电压表、滑线变阻器、可变电阻箱、微安表、开关、待测二极管． 三、实验原理 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该元件的电阻，以电压 V 为横坐标 ，以电流 I 为纵坐标， 作出 _V I 图线， 叫该元件的伏安特性曲线，若一个元件两端的电压与通过它的电流成比例，则伏安特性曲线为一条直线，这类元件称为线性元件。若元件两端的电压与通过它的电流不成比例，则伏安特性曲线不再是直线，而是一条曲线，这类元件称为非线性元件。 二极管就是一种非线性元件，二极管伏安特性 曲线上各点的电压和电流的比值并不是一个常量。 显然，此时说这个元件的阻值是多少意义是不明确 的，只有电压和电流均为确定值时，才有确定的意 义。或者说，任何一个阻值都不能表明这个元件的 电阻特性。故一般均用伏安特性曲线来反映非线性 元件的这种特性。 二极管的伏安特性曲线可用图1所示特性 曲线来描绘。 2、二极管伏安特性的测定 用伏安法测量二极管的特性实验操作线路图如图2和图3所示, 2R 是为分压器，1R 既是分压器又是限流器，改变滑线变阻器1R 、2R 的阻值可改变二极管两端的电压,用电压表测出二极管两端的电压，同时用电流表测出流过该二极管的电流,实验中可以测出一系列对应值V 与 I ，以电压 V 为横坐标 ，以电流 I 为纵坐标， 作出 _V I 图线， 叫二极管的伏安特性曲线。 3、电流表的连接和接入误差 图1 二极管伏安特性曲线 K E 3=图2 正向伏安特性接线电路图 mA 表从75mA 开始 K E 30=图3 反向伏安特性接线电路图 μA 表:15μA 或50μA
二极管的伏安特性
1 二极管的伏安特性 1.2Vdc D1 仿真结果如下： V_V2 0V 0.2V 0.4V 0.6V 0.8V 1.0V 1.2V 1.4V 1.6V 1.8V I(D1) 0A 0.4A 0.8A 1.2A 2 电阻的分压特性 PARAMETERS: L1 C10.5u 设置如下
在这里电阻值是一个变量 仿真结果如下： R 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 V(L1:2) 2.5V 3.0V 3.5V 3 光耦的传输特性 在库文件special.olb 中找到PARAM ，编辑其属性，点击NEW ROW ，设置R ，1K 放置原理图如下： 仿真结果如下：
R 1K 2K 3K 4K 5K 6K 7K 8K 9K 10K V(U2:c) 0V 4V 8V 12V 当输入电流大于2.17/0.8=2.7mA 时，输出低电平；即在输入电压不变下，输入电阻应小于0.8K ； 如果输出上拉电压由24V 减小到5V ，输出低电平的电阻阻值会右移至2.6K 左右。 即最高电压下输出低电平都能够满足的话，当电压降低时，也必然满足； 1）输出上拉电压24V 时，
12V 8V 4V 0V 01K2K3K4K5K6K7K8K9K10K V(U2:c)V(R6:2) R 三极管导通曲线拐点出现在电阻1K左右的位置； 2）输出上拉电压12V时， 8.0V 6.0V 4.0V 2.0V 0V 01K2K3K4K5K6K7K8K9K10K V(U2:c)V(R6:2) R 三极管导通曲线拐点出现在电阻2.4K左右的位置；
二极管的伏安特性
二极管的伏安特性 伏安特性是指加在二极管两端的电压u与流过二极管的电流，之间的关系，即，I=f(U)。2CPl2(普通型硅二极管)和2AP9(普通型锗二极管)的伏安特。 (1)正向特性。二极管伏安特性曲线的第一象限称为正向特性，它表示外加正向电压时二极管的工作情况。在正向特性的起始部分，由于正向电压很小，外电场还不足以克服内电场对多数载流子的阻碍作用，正向电流几乎为零，这一区域称为正向二极管的伏安特性曲线死区，对应的电压称为死区电压。硅管的死区电压约为0．5V，锗管的死区电压约为0.2V。 当正向电压超过某一数值后，内电场就被大大削弱，正向电流迅速增大，二极管导通，这一区域称为正向导通区。二极管一旦正向导通后，只要正向电压稍有变化，就会使正向电流变化较大，二极管的正向特性曲线很陡。因此，二极管正向导通时，管子上的正向压降不大，正向压降的变化很小，一般硅管为o．7V左右，锗管为0．3V左右。因此，在使用二极管时，如果外加电压较大，一般要在电路中串接限流电阻，以免产生过大电流烧坏二极管。 (2)反向特性。二极管伏安特性曲线的第三象限称为反向特性，它表示外加反向电压时二极管的工作情况。在一定的反向电压范围内，反向电流很小且变化不大，这一区域称为反向截止区。这是因为反向电流是少数载流子的漂移运动形成的；一定温度下，少子的数目是基本不变的，所以反向电流基本恒定，与反向电压的大小无关，故通常称其为反向饱和电流。 当反向电压过高时，会使反向电流突然增大，这种现象称为反向击穿，这一区域称为反向击穿区。反向击穿时的电压称为反向击穿电压，用％R表示。各类二极管的反向击穿电压从几十伏到几百伏不等。反向击穿时，若不限制反向电流，贝,J--极管的PN结会因功耗大而过热，导致PN结烧毁。
实验3-1 伏安法测晶体二极管特性.
实验3-1 伏安法测晶体二极管特性 给一个元件通以直流电，用电压表测出元件两端的电压，用电流表测出通过元器件的电流。通常以电压为横坐标、电流为纵坐标，画出该元件电流和电压的关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。这种研究元件特性的方法称为伏安法。伏安特性曲线为直线的元件称为线性元件，如电阻；伏安特性曲线为非直线的元件称为非线性元件，如二极管、三极管等。伏安法的主要用途是测量研究线性和非线性元件的电特性。 非线性电阻总是与一定的物理过程相联系，如发热、发光和能级跃迁等，江崎玲、於奈等人因研究与隧道二极管负电阻有关的现象而获得1973年的诺贝尔物理学奖。 【实验目的】 1．具体了解和分析二极管的伏安特性曲线。 2．学会分析伏安法的电表接入误差，正确选择电路使其误差最小。 3．学会电表、电阻器、电源等基本仪器的使用。 【仪器用具】 安培计、伏特计、变阻器、转盘电阻箱、甲电池、待测二极管、导线、双刀双掷倒向开关、单刀开关 【实验原理】 半导体二极管的核心是一个PN结，这个PN结处在一小片半导体材料的P区与N区之间（如图3-1-1），它由这片材料中的P型半导体区域和N型半导体区域相连所构成。连接P 型区域的引出线称为P极，连接N型区域的引出线称为N极。当电压加在PN结上时，若电压的正端接在P极上，电压的负端接在N极上（如图3-1-2），称这种连接为“正向连接”；反之，档PN结的两极反向连接到电压上时为“反向连接”。正向连接时，二极管很容易导 图3-1-1 图3-1-2 通，反向连接时，二极管很难导通。我们称二极管的这种特性为单向导电性。实验工作中往往利用二极管的单向导电性进行整流、检波、作电子开关等。 二极管电流随外加电压变化的关系曲线称为伏安特性曲线。二极管的伏安特性曲线如图3-1-3和图3-1-4所示。这两个图说明了二极管的单向导电性。由图可见，在正向区域，锗管和硅管的起始导通电压不同，电流上升的曲线斜率也不同。
非线性电阻伏安特性曲线实验
线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线 【教学目的】 1、测绘电阻的伏安特性曲线，学会用图线表示实验结果。 2、了解晶体二极管的单向导电特性。 【教学重点】 1、测绘电阻的伏安特性曲线； 2、了解二极管的单向导电特性。 【教学难点】 非线性电阻的导电性质。 【课程讲授】 提问：1.如何测绘伏安特性曲线？ 2.二极管导电有何特点？ 一、实验原理 常用的晶体二极管是非线性电阻，其电阻值不仅与外加电压的大小有关，而且还与方向有关。下面对它的结构和电学性能作一简单介绍。 图1线性电阻的伏安特性图2晶体二极管的p-n结和表示符号晶体二级管又叫半导体二极管。半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。如果在纯净的半导体中适当地掺入极微量的杂质，则半导体的导电能力就会有上百万倍的增加。加到半导体中的杂质可分成两种类型：一种杂质加到半导体中去后，在半导体中会产生许多带负电的电子，这种半导体叫电子型半导体 (也叫n型半导体)；另一种杂质加到半导体中会产生许多缺少电子的空穴(空位)，这种半导体叫空穴型半导体 (也叫p型半导体)。 晶体二极管是由两种具有不同导电性能的n型半导体和p型半导体结合形成的p-n结构成的。它有正、负两个电极，正极由p型半导体引出，负极由n型半导体引出，如图2(a)所示。p-n结具有单向导电的特性，常用图2(b)所示的符号表示。 关于p-n结的形成和导电性能可作如下解释。
图3 p-n结的形成和单向导电特性 如图3(a)所示，由于p区中空穴的浓度比n区大，空穴便由p区向n区扩散；同样，由于n区的电子浓度比p区大，电子便由p区扩散。随着扩散的进行，p区空穴减少，出现 了一层带负电的粒子区(以?表示)；n区的电子减少，出现了一层带正电的粒子区(以⊕表示)。 结果在p型与n型半导体交界面的两侧附近，形成了带正、负电的薄层，称为p-n结。这个带电薄层内的正、负电荷产生了一个电场，其方向恰好与载流子(电子、空穴)扩散运动的方向相反，使载流子的扩散受到内电场的阻力作用，所以这个带电薄层又称为阻挡层。当扩散作用与内电场作用相等时，p区的空穴和n区的电子不再减少，阻挡层也不再增加，达到动态平衡，这时二极管中没有电流。 如图3(b)所示，当p-n结加上正向电压(p区接正，n区接负)时，外电场与内电场方向相反，因而削弱了内电场，使阻挡层变薄。这样，载流子就能顺利地通过p-n结，形成比较大的电流。所以，p-n结在正向导电时电阻很小。 如图3(c)所示，当p-n结加上反向电压(p区接负，n区接正)时，外加电场与内场方向相同，因而加强了内电场的作用，使阻挡层变厚。这样，只有极少数载流子能够通过p-n 结，形成很小的反向电流。所以p-n结的反向电阻很大。 晶体二极管的正、反向特性曲线如图12-4所示。从图上看出，电流和电压不是线性关系，各点的电阻都不相同。凡具有这种性质的电阻，就称为非线性电阻。 图4晶体二极管的伏安特性图5测电阻伏安特性的电路 二、实验仪器 直流稳压电源，万用表（2台），电阻，白炽灯泡，灯座，短接桥和连接导线，实验用 九孔插件方板。
电桥法精确测二极管特性
电桥测非线性元件的伏安特性曲线 物理学二班成贵林学号201333010206 指导教师 【摘要】本次实验的重点是用电桥法测量二极管的伏安特性和热敏电阻的温度特性，并且绘制出相应的曲线，以及了解半导体温度计的结构及使用方法。 【关键词】惠斯通电桥法非平衡电桥法二极管热敏电阻温度计【英文摘要】This key point of this experiment is to use a bridge to measure volt-ampe re characteristic of diode and thermistor temperature characteristic, and draw the corresponding curve, and understand the structure and using method of semiconductor thermometer. 引言 普通物理实验中都是用伏安法测二极管特性, 存在较大的系统误差。笔者对惠斯登电桥略加改进后用以侧二极管特性, 试脸结果比伏安法更灵教, 更精确, 更直观。 实验原理及理论法分析 一、电桥法侧二极管的伏安特性曲线 半导体二极管：半导体二极管的特性是单项导电性。即当外加正向电压时，它呈现的电阻（正向电阻）比较小，通过的电流比较大，当外加反向电压时，它呈现的电阻（反向电阻）很大，通过的电流比很小，（通常可以忽略不计）。反应二极管的电流随电压变化的关系曲线，叫做二极管的伏安特性。 测量二极管的伏安特性通常需要交替使用电流表的内接和外接法，才能减少电流表和电压表的接入影响所造成的系统误差。 但在实际测量中，由于二极管的正向压降很小，而通常低量程的直流电压表内阻Rv不是很大，电流表的内阻Ra也不太小，它们接入后对电路的影响仍然比较明显，因而测量误差的结果很难降低较多。 位置准确地测量二极管的伏安特性，必须有效的降低电流表，电压表的接入影响。 利用电桥平衡原理测二极管的伏安特性的电路如图1所示电流表和电压表分别作为直流电桥的一个桥臂。构成桥式电路，图中G为检流计，Rw3
伏安特性实验报告
伏安特性实验报告 篇一：电路元件伏安特性的测量(实验报告答案) 实验一电路元件伏安特性的测量 一、实验目的 1．学习测量电阻元件伏安特性的方法； 2．掌握线性电阻、非线性电阻元件伏安特性的逐点测试法； 3．掌握直流稳压电源和直流电压表、直流电流表的使用方法。 二、实验原理 在任何时刻，线性电阻元件两端的电压与电流的关系，符合欧姆定律。任何一个二端电阻元件的特性可用该元件上的端电压U与通过该元件的电流I之间的函数关系式I＝f(U)来表示，即用I－U平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为电阻元件的伏安特性曲线。根据伏安特性的不同，电阻元件分为两大类：线性电阻和非线性电阻。线性电阻元件的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，如图1-1（a）所示。该直线的斜率只由电阻元件的电阻值R决定，其阻值R为常数，与元件两端的电压U和通过该元件的电流I无关；非线性电阻元件的伏安特性曲线不是一条经过坐标原点的直线，其阻值R不是常数，即在不同的电压作用下，电阻值是不同的。常见的非线性电阻如白炽灯丝、普通二极管、稳压二极管等，它们的伏安特性曲线如图1-1（b）、（c）、（d）所示。
在图1-1中，U ＞0的部分为正向特性，U＜0的部分为反向特性。 (a)线性电阻 (b)白炽灯丝 绘制伏安特性曲线通常采用逐点测试法，电阻元件在不同的端电压U作用下，测量出相应的电流I，然后逐点绘制出伏安特性曲线I＝f(U)，根据伏安特性曲线便可计算出电阻元件的阻值。 三、实验设备与器件 1.直流稳压电源 1 台 2.直流电压表1 块 3.直流电流表1 块 4.万用表 1 块 5.白炽灯泡 1 只 6. 二极管1 只 7.稳压二极管1 只 8.电阻元件 2 只 四、实验内容 1．测定线性电阻的伏安特性按图1-2接线。调节直流稳压电源的输出电压U，从0伏开始缓慢地增加（不得超过10V），在表1-1中记下相应的电压表和电流表的读数。 2 将图1-2中的1kΩ线性电阻R换成一只12V，0.1A的灯泡，重复1的步骤， 在表1-2中记下相应的电压表和电流表的读数。 3 按图1-3接线，R为限流电阻，取200Ω，二极管的型号为1N4007。测二极
电路元件特性曲线的伏安测量法 实验报告
实验报告 课程名称：电路与模拟电子技术实验指导老师：张冶沁成绩：__________________ 实验名称：电路元件特性曲线的伏安测量法实验类型：电路实验同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1.熟悉电路元件的特性曲线； 2.学习非线性电阻元件特性曲线的伏安测量方法； 3掌握伏安测量法中测量样点的选择和绘制曲线的方法； 4.学习非线性电阻元件特性曲线的示波器观测方法。 二、实验内容和原理 1、电阻元件、电容元件、电感元件的特性曲线 在电路原理中，元件特性曲线是指特定平面上定义的一条曲线。例如，白炽灯泡在工作时，灯丝处于高温状态，其灯丝电阻随着温度的改变而改变，并且具有一定的惯性；又因为温度的改变与流过灯泡的电流有关，所以它的伏安特性为一条曲线。电流越大、温度越高，对应的灯丝电阻也越大。一般灯泡的“冷电阻”与“热电阻”可相差几倍至十几倍。该曲线的函数关系式称为电阻元件的伏安特性，电阻元件的特性曲线就是在平面上的一条曲线。当曲线变为直线时，与其相对应的元件即为线性电阻器，直线的斜率为该电阻器的电阻值。电容和电感的特性曲线分别为库伏特性和韦安特性，与电阻的伏安特性类似。 线性电阻元件的伏安特性符合欧姆定律，它在u-i 平面上是一条通过原点的直线。该特性曲线各点斜率与元件电压、电流的大小和方向无关，所以线性电阻元件是双向性元件。非线性电阻的伏安特性在u-i平面上是一条曲线。 普通晶体二极管的特点是正向电阻和反向电阻区别很大。正向压降很小正向电流随正向压降的升高而急骤上升，而反向电压从零一直增加到十几伏至几十伏时，其反向电流增加很小，粗略地可视为零。可见，二极管具有单向导电性，如果反向电压加得过高，超过管子的极限值，则会导致管子击穿损坏。稳压二极管是一种特殊的半导体二极管，其正向特性与普通二极管类似，但其反向特性则与普通二极管不同，在反向电压开始增加时，其反向电流几乎为零，但当反向电压增加到某一数值时（称为管子的稳压值，有各种不同稳压值的稳压管）电流将突然增加，以后它的端电压将维持恒定，不再随外加的反向电压升高而增大。 上述两种二极管的伏安特性均具属于单调型。电压与电流之间是单调函数。二极管的特性参数主要有开启电压V th，导通电压V on，反向电流I R，反向击穿电压V BR以及最大整流电流I F。 2、非线性电阻元件特性曲线的逐点伏安测量法 元件的伏安特性可以用直流电压表、电流表测定，称为逐点伏安测量法。伏安法原理简单，测量方便，但由于仪表内阻会影响测量的结果，因此必须注意仪表的合理接法。 采用伏安法测量二极管特性时，限流电阻以及直流稳压源的变化范围与特性曲线的测量范围是有关系的，要根据实验室设备的具体要求来确定。在综合考虑测量效率和获得良好曲线效果的前提下，测量点的选择十分关键，由于二极管的特性曲线在不同的电压的区间具有不同的性状，因此测量时需
伏安法测二极管特性曲线大学物理实验预习报告(完整版)
用伏安法测量时地误差考虑. 学习半导体二极管地伏安特性. 二，实验仪器： 安培计，伏特计，变阻器（或电位器），直流电源，待测二极管（型），开关等 三，实验原理： 二极管简介： 半导体二极管地核心是一个结，这个结处在一小片半导体材料地区与区之间（如图），它由这片材料中地型半导体区域和型半导体区域相连所构成.连接型区域地引出线称为极，连接型区域地引出线称为极.当电压加在结上时，若电压地正端接在极上，电压地负端接在极上（如图），称这种连接为“正向连接”；反之，档结地两极反向连接到电压上时为“反向连接”. 正向连接时，二极管很容易导个人收集整理勿做商业用途 图图 通，反向连接时，二极管很难导通.我们称二极管地这种特性为单向导电性.实验工作中往往利用二极管地单向导电性进行整流、检波、作电子开关等.个人收集整理勿做商业用途 二极管地伏安特性曲线 二极管电流随外加电压变化地关系曲线称为伏安特性曲线.二极管地伏安特性曲线如图和图所示.这两个图说明了二极管地单向导电性.由图可见，在正向区域，锗管和硅管地起始导通电压不同，电流上升地曲线斜率也不同.个人收集整理勿做商业用途 图图 利用绘制出地二极管地伏安特性曲线，可以计算出二极管地直流电阻及表征其它特性地某些参数.二极管直流电阻（正、反向电阻）等于该管两端所加地电压与流过它地电流之比，即.是随地变化而变化地.我们通常用万用表所测出地二极管地电阻为某一特定电压下地直流电阻.个人收集整理勿做商业用途 四，实验内容和步骤： 用伏安法正向特性曲线和反向特性曲线进行测量 测定正向特性曲线 打开电源开关,将电源电压调到最小，然后接通线路，逐步减少限流电阻，直到毫安表显示为止，记下相应地电流和电压.然后调节电流和限流电阻，将电压表地最后一位读数调为，记录电压，电流；以后按每降低测一次数据,直至伏特表读数为为止,正向电流不用修正.个人收集整理勿做商业用途
最新二极管伏安特性曲线的研究
二极管伏安特性曲线的研究 1 2 3 一、设计目的 4 电路中有各种电学元件，如晶体二极管和三极管，光敏和热敏元件等。人们5 通常需要了解它们的伏安特性，以便正确的选用它们。通常以典雅为横坐标，6 电流为纵坐标作出元件的电压——电流关系曲线，叫做该元件的伏安特性曲线。7 该设计通过测量二极管的伏安特性曲线，了解二极管的导电性的实质，使我们8 在设计电路时能够准确的选择二极管。 9 10 二、设计原理 11 1、二极管的伏安特性 12 （1）二极管的伏安特性方程为： 13 式中，Is为反向饱和电流，室温下为常数；u为加在二极管两端电压；UT 14 15 为温度的电压当量，当温度为室温27℃时，UT≈26mV。 16 当PN结正向偏置时，若u≥UT，则上式可简化为：IF≈ISeu/UT。 17 当PN结反向偏置时，若︱u︱≥UT，则上式可简化为：IR≈－IS。可知- IS 18 与反向电压大小基本无关，且IR越小表明二极管的反向性能越好。 19 对二极管施加正向偏置电压时，则二极管中就有正向电流通过，随着正向偏置电压的增加，开始时，电流随电压变化很缓慢，而当正向偏置电压增至接近 20 21 其导通电压时，电流急剧增加，二极管导通后，电压少许变化，电流的变化都
很大。 22 23 对上述二种器件施加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，其反向电压增24 加至该二极管的击穿电压时，电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭25 力避免出现击穿观察，这很容易造成二极管的永久性损坏。所以在做二极管反26 向特性时，应串入限流电阻，以防因反向电流过大而损坏二极管。 27 二极管伏安特性示意图1、2所示。 28 29 图1锗二极管伏安特性图2硅二极管伏安特性 30 31 2、二极管的伏安特性曲线 下面我们以锗管为例具体分析，其特性曲线如图3所示，分为三部分： 32 33
伏安法测二极管的特性
实验三 伏安法测二极管的特性 电路中有各种电学元件，如线性电阻、半导体二极管和三极管，以及光敏、热敏和压敏元件等。知道这些元件的伏安特性，对正确地使用它们是至关重要的。利用滑线变阻器的分压接法，通过电压和电流表正确地测出它们的电压与电流的变化关系称为伏安测量法（简称伏安法）。伏安法是电学中常用的一种基本测量方法。 1、教学目标 （1）了解分压器电路的调节特性； （2）掌握测量伏安特性的基本方法； （3）了解二极管的正向伏安特性。 2、实验原理 2.1 电学元件的伏安特性 在某一电学元件两端加上直流电压，在元件内就会有电流通过，通过元件的电流与端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。在欧姆定律U=IR 式中，电压U 的单位为V ，电流I 的单位为A ，电阻R 的单位为Ω。一般以电压为横坐标和电流为纵坐标作出元件的电压－电流关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。 对于碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻等电学元件，在通常情况下，通过元件的电流与加在元件两端的电压成正比关系变化，即其伏安特性曲线为一直线。这类元件称为线性元件。半导体二极管、稳压管等元件，通过元件的电流与加在元件两端的电压不成线性关系变化，其伏安特性为一曲线。这类元件称为非线性元件，如图1所示为某二极管元件的伏安特性。 在设计测量电学元件伏安特性的线路时，必须了解待测元件的规格，使加在它上面的电压和通过的电流均不超过额定值。此外，还必须了解测量时所需其它仪器的规格（如电源、电压表、电流表、滑线变阻器等的规格），也不得超过其量程或使用范围。根据这些条件所设计的线路，可以将测量误差减到最小。 2.2 二极管测量电路的比较与选择 电路的比较和说明可参考教材p56自己分析。 3、实验室提供的仪器和用具 直流电源，滑线变阻器（1A ，190Ω），直流电压表（0.5级，1.5-15V 四量程），直流电流表（0.5级，25-50mA 二量程），两个电阻箱（ZX21型），直流检流计（AC5型），待测二极管，单刀双掷开关及导线若干等。 4、实验内容 测定二极管正向伏安特性，并作出伏安特性曲线 主要步骤： 图1 非线性元件的伏安特性 图2测晶体二极管正向特性 图3测晶体二极管正向
测定半导体二极管的伏安特性
测定半导体二极管的伏安特性 1 背景知识 电子器件的伏安特性 电子器件的伏安特性是指流过电子器件的电流随器件两端电压的变化特性,测定出电子 器件的伏安特性，对其性能了解与其实际应用具有重要意义。在生产和科研中，可用晶体管特性图示仪自动测绘其曲线，在现代实验技术中，可用传感器及计算机进行测定给出测量结果。如果手头没有现成的自动测量仪器，提出应用电流表和电压表进行人工测量的方法，进行应急的测量是很有用的。 半导体二极管 半导体二极管是具有单向导电性的非线性电子元件，其电阻值与工作电流（或电压）有关。二极管的单向导电性就是PN结的单向导电性：PN结正向偏置时，结电阻很低，正向电流 甚大（PN结处于导通状态）；PN结反向偏置时，结电阻很高，反向电流很小（PN结处于截止 状态），这就是PN结的单向导电性。 （正向偏置）；（反向偏置）。 二极管的结构：半导体二极管是由一个PN结，加上接触电极、引线和管壳而构成。按内 部结构的不同，半导体二极管有点接触和面接触型两类，通常由P区引出的电极称为阳极，N 区引出的电极称为阴极。 二极管的伏安特性及主要参数：二极管具有单向导电性，可用其伏安特性来描述。所谓 伏安特性，就是指加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线，如下图所示。这个特性曲线可分为正向特性和反向特性两个部分。 图1 二极管的伏安特性曲线 （1）正向特性 当二极管加上正向电压时，便有正向电流通过。但是，当正向电压很低时，外电场还不
能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，故正向电流很小，二极管呈现很大的电阻。当正向电压超过一定数值（硅管约，锗管约）以后，内电场被大 大削弱，二极管电阻变得很小，电流增长很快，这个电压往往称为阈电压UTH(又称死区电压：0-U0)。二极管正向导通时，硅管的压降一般为，锗管则为。 导通以后，在二极管中无论流过多大的电流（当然是允许范围之内的电流），在极管的两端将始终是一个基本不变的电压，我们把这个电压称为二极管的“正向导通压降”。（2）反向特性 二极管加上反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。反向 电流有两个特性：一是它随随温度的增加而增长得很快，这是由于少数载流子的数量随随温度增加而按指数规律迅速增长的缘故；二是在反向电压不超过某一范围时，反向电流不随反向电压改变而达到饱和，故这个电流IBO称为反向饱和电流。 当加二极管的反向电压过高时，反向电流突然急剧增大，二极管失去单向导电性， 这种现象称为电击穿，这个电压URB称为反向击穿电压。发生击穿的原因是外加的强电场强制地把原子的外层价电子拉出来使载流子数目急剧上升。而处于强电场中的载流子又因获得很大的能量，而将其它价电子撞击出来，产生更多的载流子，如此连锁反应，使反向电流迅速增大，这种现象称为雪崩击穿。因此，当二极管的反向电压接近或超过击穿电压URB，又没有适当的限流措施时，将会因电流大，电压高而使管子造成永久性的损坏。 （3）主要参数 1、最大整流电流IOM 最大整流电流是指二极管能够允许通过的最大正向平均电流值。当电流超过这个允 许值时，二极管会因过热而烧坏，使用时务必注意。 2、反向击穿电压URB与最高反向工作电压URM URB是指二极管反向击穿时的电压值。击穿后，其反向电流剧增，二极管的单向导 性被破坏，甚至管子因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向击穿电压URM约为 反向击穿电压的一半或三分之二，经确保管子安全运行。 3、最大反向电流IRM