理科实验报告精品非线性元件伏安特性测量 实验报告.doc

理科实验报告非线性元件伏安特性测量 实验报告姓 名： 班 级：学 号：实验成绩：同组姓名：实验日期：2021-4-12指导老师：助教02批阅日期：非线性元件伏安特性的测量【实验目的】1学习测量非线性元件的伏安特性,针对所给各种非线性元件的特点，选择一定的实验方法，援用配套的实验仪器，测绘出它们的伏安特性曲线。2.学习从实验曲线获取有关信息的方法。【实验原理】1、非线性元件的阻值用微分电阻表示，定义为 R = dU/dI。2、如下图所示，为一般二极管伏安特性曲线3、测量检波和整流二极管，稳压二极管，发光二极管的伏安特性曲线，电路示意图如下(1)检波和整流二极管检波二极管和整流二极管都具有单向导电作用，他们的差别在于允许通过电流的大小和使用频率范围的高低。(2)稳压二极管稳压二极管的特点是反向击穿具有可逆性，反向击穿后，稳压二极管两端的电压保持恒定，这个电压叫稳压二极管的工作电压。(3)发光二极管发光二极管当两端的电压小于开启电压时不会发光，也没有电流流过。电压一旦超过开启电压，电流急剧上升，二极管发光，电流与电压呈线性关系，直线与电压坐标的交点可以认为是开启电压使用公式 计算光的波长。【实验数据记录、实验结果计算】1、整流二极管正向：表一 测量整流二极管的正向伏安特性数据编号12345678910U测(V)0.380.410.440.480.510.540.560.620.630.65I(mA)0.0080.0210.0360.0990.2100.4250.6601.0762.1422.866编号11121314151617181920U(V)0.670.680.700.730.740.780.800.830.860.89I(mA)3.6914.0045.2246.5277.0029.90211.10413.32315.71018.169根据图像去掉了几个异常点得到图像如下:图1整流二极管正向伏安特性曲线及线形拟合直线拟合直线方程：I = 72.56604 _U 46.6435令I = 0，得 U0 = 0.642 (V)则整流二极管的开启电压U0 = 0.642(V)反向：表二 测量整流二极管的反向伏安特性数据编号12345678910U(V)-1.00-3.00-5.00-7.00-9.00-11.00-13.00-15.00-17.00-19.00I(A)0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000根据数据得到图像如下:图2 整流二极管反向伏安特性曲线及线性拟合直线在测量范围（I20mA)内，电压恒为0。可见整流二极管反向耐压很高。2、稳压二极管表三 测量稳压二极管的反向伏安特性数据编号12345678910U(V)-3.522-3.771-3.907-4.168-4.483-4.741-4.939-5.003-5.035-5.061I(mA)-0.005-0.010-0.014-0.028-0.066-0.137-0.262-0.335-0.382-0.431编号11121314151617181920U(V)-5.093-5.124-5.138-5.166-5.185-5.191-5.197-5.204-5.217-5.241I(mA)-0.506-0.600-0.657-0.834-1.117-1.305-1.790-2.634-5.469-11.239根据数据得到图像如下:图3 稳压二极管反向伏安特性曲线及线形拟合直线拟合直线方程：I = 233.54778 _U + 1212.82776令I = 0，得 U工作 = 5.19 (V)则稳压二极管的工作电压U工作 = 5.19 (V)3、发光二极管表四 发光二极管的伏安特性数据（红光）编号12345678U(V)1.38201.48761.50981.52201.53121.55411.56551.5667I(mA)0.0030.0320.0510.0640.0800.1310.1700.174编号9101112131415U(V)1.58301.58881.71321.74071.76581.78171.7922I(mA)0.2550.2936.0469.90114.15317.37719.528根据上述表格数据得到图像如下：图4 发光二极管正向伏安特性曲线（红光）及线形拟合直线拟合直线方程：I = 170.82762 _U 287.03695 令I = 0，得 U0 = 1.68 (V)则稳压二极管的开启电压U0 = 1.68 (V)代入公式 = 7.39 _10-7 (m) = 739 (nm)查资料得，红光波长范围780630，所以测得的正常。表五 发光二极管的伏安特性数据（黄光）编号12345678U(V)1.43521.60001.59411.63181.66241.68751.69851.7092I(mA)0.0010.0040.0050.0080.0180.0320.0410.051编号9101112131415U(V)1.71991.73551.74691.77001.85481.87511.9290I(mA)0.0650.0900.1130.2171.4962.64210.294根据上述表格数据得到图像如下：图5 发光二极管正向伏安特性曲线（黄光）及线性拟合直线拟合直线方程：I = 123.37364 _U 227.90903 令I = 0，得 U0 = 1.86 (V)则稳压二极管的开启电压U0 = 1.86 (V)代入公式 = 6.32 _10-7 (m) = 632 (nm)查资料得，黄光波长范围600570，所以测得的偏大，问题分析p 见后。表六 发光二极管的伏安特性数据（蓝光）编号12345678U(V)2.0232.2142.2222.2382.2442.2522.2802.288I(mA)0.0010.0040.0050.0060.0070.0080.0090.011编号9101112131415U(V)2.3132.4742.5862.6332.7052.8252.908I(mA)0.0150.1390.5520.8661.5823.4435.280根据上述表格数据得到图像如下：图6 发光二极管正向伏安特性曲线（蓝光）及线性拟合直线拟合直线方程：I = 22.13253 _U 59.0814 令I = 0，得 U0 = 2.67 (V)则稳压二极管的开启电压U0 = 2.67 (V)代入公式 = 4.65 _10-7 (m) = 465 (nm)查资料得，蓝光波长范围470420，所以测得的正常。【对实验结果中的现象或问题进行分析p 、讨论】一、现象分析p 现象：整流二极管正向工作时，当电压较小时电流几乎没什么变化，在电压达到某一值后突然急剧变化。反向工作时，电流几乎为零。分析p ：整流二极管的PN结，其P区的载流子是空穴，N区的载流子是电子，在P区和N区间形成一定位垒。当外加电压使P区相对N区为正时，此时即能通过大量电流，所以在从零到外加电压抵消位垒阶段，电压增大，电流几乎为零且变化缓慢。抵消位垒时外加电压即应是开启电压U0。而过了开启电压，电流变化十分剧烈。而加相反的电压，位垒增大，流过极小的反向电流，直至击穿。现象：稳压二极管反向工作时，当电流较小时电压变化很剧烈，当电流达到一定值时电压变化急速变缓，最后维持在某一特定值左右波动。分析p ：稳压二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在反向临界击穿点上，反向电阻降低到一个很小的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定。其工作原理与其他二极管不同，但内部结构类似于整流二极管。稳压二极管工作于反向击穿状态。加在稳压二极管两端的反向电压达到一定数值时，将可能有大量载流子遂穿PN结的位垒，形成大的反向电流，此时电压基本不变，称为隧道击穿。现象：发光二极管在电流较低时，电压变化很剧烈，然而在电流达到一定值后，电压变化又急剧减缓。且在电压较小且变化很快时，二极管不发光或光很弱，电压变化缓慢后二极管发光。分析p ：电压变化快慢的转折点即为发光二极管的开启电压，此时二极管导通并发光。4、现象：开启电压 U蓝 > U黄 > U红波长 蓝 < 黄 < 红分析p ：辐射色光的过程即是电子能级跃迁。由于紫光能量大，需要的跃迁能量最大，所以需要的开启电压高，而红光则最低。紫光能量大的原因是波长小，频率大，所以能量大。同理，随波长增大，色光能量减小。示波器：纯电阻：正弦曲线整流二极管：正弦曲线的上半检波二极管：正弦曲线的上半 + _轴下方有较小的正弦波稳压二极管：稳压值内为正弦曲线，稳压值外的都被截去发光二极管：波峰红光高于黄光高于蓝光分析p ：所加电压为交流电，因而纯电阻波形为正弦曲线；整流二极管单向导通，因而只有正弦曲线的_轴上方部分；检波二极管反向耐压低，因而有一小部分_轴下方的正弦波；稳压二极管稳压值内导通，稳压值外不通；发光二极管波长越长，波峰越高，这可能与各色光开启电压有关。在开启电压后，发光二极管的电阻都很小，可以看做大致相等，所以电流大小的变化只取决于开启电压。红光开启电压小，故电流早增大，当达到电压最大时，红光二极管的 电流最大，紫光最小。二、误差分析p 在测量发光二极管的正向伏安特性时, 三次测量数据点选择普遍偏小。红光还好，只是电流急剧变化阶段数据点较少，对开启电压的计算尚未造成太大影响；而对黄光和蓝光，问题就显得比较严重了，在线性拟合时，由于导通区数据点过少，我不得不只选取两个数据点进行拟合，这样做的误差显然是非常大的；最严重的黄光，甚至测得的U0偏小，导致计算所得的波长较理论值偏大，究其原因，我觉得主要是右数第二个数据点其实还处于电流急剧上升阶段而不是导通区，如果导通区能再取几个数据点来线性拟合应该可以解决这个问题。而为什么我们组会把数据点选择的那么小呢，因为我们认为既然是开启电压附近二极管导通并发光，我们只需用肉眼观察二极管是否发光，然后在发光的电压两边取值即可。考虑到肉眼观察不精确，可能二极管以及更发光了却没有被我们的视力所捕获，我们特地在看到发光前取了9个点，看到发光后只取6各点，且在发光点附近取值较密。然而事实证明我们错了，我们所见的发光点都比开启电压小很多，我不明白为什么，望老师解答。本实验误差还有一个重要来，即电表分压（分流）。主要体现在第一个实验测量整流二极管伏安特性上，因为此时二极管正向电阻不大，电流表分压作用较为明显。本来应该按照U = U测 - IRA算得二极管两边的实际电压，然后进行数据处理。但是我发现好几个电压经换算后都变成了相等的，而它们对应的电流不同，很难作图，因而最终我没有换算。我设想的解决办法是把这些相等电压对应的电流取平均值，请问老师是否可取，还是有什么更好的方法。三、思考题1、试总结各非线性元件的伏安特性。答：整流二极管：工作在一、三象限。当所加电压较小时，电流很小，当到达开启电压后，电流急剧上升。反向电压到达击穿电压后，电流也急剧上升，但由于反向耐压高，在有限的实验器材下，并未获得特征曲线。稳压二极管：工作在第三象限的击穿区。反向工作电压加到一定值时，电流突然急剧增大，在此基础上再加电压时，电流变化非常剧烈。发光二极管：其工作原理与整流二极管正向伏安特性相似，当电压超过其开启电压时，发光二极管导通并开始发光。可以根据公式计算出各种可见光的波长。四、心得体会1、在每一次完整的测量过程中，电流表的量程不可改变，因为不同倍率的量程其内阻也有很大差别，会对测量造成误差。2、关于电流表内外接：当二极管正向接通时，电阻较小，小比较而言，电流表的分压作用比电压表的分流作用明显，故采用电流表外接法；当二极管反向接通时，电阻很大，电压表分流作用明显，为了减小实验误差，故采用电流表内接法。3、实验过程中，我们组的稳压二极管工作电压不在5V左右，而是3V左右，后经万用表的二极管档和电阻档检查，该二极管已损坏。4、本次实验不难，关键在于数据点选取上。5、由于数据非常多，在处理数据时，需要耐心和细致。6、与partner的分工合作，我调电表，partner记录数据，使实验进展很快。7、感谢助教和同组的姚振旭同学，使实验得以顺利完成。第 18 页 共 18 页