非线性元件伏安特性测量.ppt

Click to edit Master text styles,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,Click to edit Master title style,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,非线性元件伏安特性测量,我们的实验室,物理实验设计与应用,三 非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用,四 温度传感器的温度特性测量及应用,五 光敏传感器的光电特性测量及应用,非线性元件伏安特性 发光二极管,目的要求,实验仪器,实验原理,实验内容,思考题,目的要求,掌握非线性元件伏安特性的测量方法、基本电路、误差计算,掌握普通二极管、稳压二极管、发光二极管的基本特性。准确测量其正向导通阈值电压、反向击穿电压，根据发光二极管的正向工作电压估算出它的峰值波长,画出以上三种元件的伏安特性曲线,实验仪器,非线性元件伏安特性实验仪 的组成：,直流稳压电源,数字电压表,数字电流表,可变电阻器,普通二极管、稳压二极管、发光二极管,待测电阻 等,实验原理,1.,伏安特性,2.,半导体二极管,3.,稳压二极管,4.,发光二极管,(LED),1.,伏安特性,(1),（,1,）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。以电压为横坐标、电流为纵坐标，画出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,U,I,0,1.,伏安特性,(2),（,2,）伏安特性曲线为直线的元件称为线性元件，如电阻,（,3,）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,U,I,0,U,I,0,1.,伏安特性,(3),（,4,）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,（,5,）有些元件伏安特性除了与电压、电流有关，还与某一物理量的变化呈规律性变化，例如温度、光照度、磁场强度等，这就是各种物理量的传感元件,1.,伏安特性,(4),根据欧姆定律，电阻,R,、,电压,U,、,电流,I,关系为,R=U/I,由电压表和电流表的示值计算可得待测元件的阻值,非线性,元件的,R,是一个,变量,，分析它的阻值必须指出其,工作电压,（或,电流,）,非线性元件的电阻有两种方法表示,R,D,静态电阻,（或称为直流电阻）,r,D,动态电阻,，等于工作点附近的,电压改变量,与,电流改变量,之比,1.,伏安特性,(5),图中,Q,点的,静态电阻,R,D,=,U,Q,/,I,Q,动态电阻,r,D,=,U,/,I,U,I,0,I,Q,U,Q,I,Q,U,2.,半导体二极管,半导体二极管,是一种常用的,非线性元件,由,P,型、,N,型半导体材料制成,PN,结,经欧姆接触引出电极封装,两个电极分别为,正极,、,负极,二极管的结构,电路图中的常用符号,2.,半导体二极管,二极管的电流,I,和电压,U,满足下式,I,=,I,s,(e,qU/kT,1),在常温条件下，且,U,时，可近似为,I,=,I,s,e,qU/kT,q,10,-19,C,电子电量,k,10,-23,J/K,玻尔兹曼常数,T,绝对温度,I,s,反向饱和电流,e=2.71828,自然常数,2.,半导体二极管,二极管的主要特点是单向导电性,伏安特性曲线,U,D,正向导通阈值电压,I,s,反向饱和电流,U,B,反向击穿电压,2.,半导体二极管,正向电压和反向电压较小时，电流都较小,正向电压加大到某一数值,U,D,时，正向电流明显增大,随着电压加大，电流急剧增大，伏安曲线趋近一直线，将此段直线反向延长与横轴相交，交点,U,D,称做,正向导通阈值电压,硅二极管,U,D,=,0.6 0.8 V,，,锗二极管,U,D,=,0.2 0.3 V,反向电压较大时，电流趋近极限值,I,s,，,反向饱和电流,反向电压超过某一数值,U,B,时，电流急剧增大，这种情况称做,击穿,，,U,B,称做,反向击穿电压,2.,半导体二极管,主要参数,正向导通阈值电压,U,D,最大整流电流,I,f,即二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流,最大反向电压,U,br,一般取反向击穿电压,U,B,的一半,反向电流,I,r,在漏电流可以忽略时，是反向饱和电流,I,s,的额定值,2.,半导体二极管,应用：（二极管具有单向导电性）常用于,整流,检波,限幅,元件保护,以及在数字电路中作为开关元件 等,3,稳压二极管,稳压二极管是一种特殊的半导体二极管,符号,伏安特性曲线,3,稳压二极管,正向伏安特性曲线与普通二极管的类似,只是达到反向击穿电压之后，在稳压值附近一个很宽的电流范围内（如图中的,I,min,I,max,段），伏安特性曲线十分陡直，在这个区域内，改变外加电压，仅引起通过稳压二极管的电流变化，而稳压管的端,电压,将维持,恒定,，一般取电流,所对应的电压值,U,w,作为稳压二极管的,稳压值,3,稳压二极管,稳压二极管,工作,在,反向击穿区,。与一般二极管不同，稳压管的反向击穿是,可逆,的，即去掉反向电压，稳压管又恢复正常。当然，如果反向电流超过允许范围，稳压管同样会因热击穿而烧坏,稳压二极管的主要参数：稳定电压,U,w,、动态电阻,r,D,，最小稳定电流,I,min,和最大稳定电流,I,max,等,稳压二极管经常用在 稳压、恒流 等电路中,4,发光二极管,(LED),由,III-V,族化合物，如：,GaAs,（砷化镓）、,GaP,（磷化镓）、,GaASP,（磷砷化镓）等 半导体材料制成,核心是,PN,结,，具有一般,PN,结的伏安特性,即：,正向导通,、,反向截止,、,击穿,特性,LED,的表示符号，如图,4,（,a,）,工作的基本原理，如图,4,（,b,）,4,发光二极管,(LED),LED,的表示符号,LED,工作的基本原理,4,发光二极管,(LED),具有,发光特性,，工作的基本原理：,在正向电压下,电子由,N,区注入,P,区，空穴由,P,区注入,N,区,进入,P,区的电子和,P,区的空穴复合,进入,N,区的空穴和,N,区的电子复合,以发光的形式辐射出多余的能量,发光仅在靠近,PN,结面 数,m,以内产生,4,发光二极管,(LED),光的峰值波长,与发光区域的半导体禁带宽度,Eg,有关,即,1240,/,Eg(nm),Eg,的单位为电子伏特（,eV,）,若能产生的可见光波长在,380nm(,紫,),780nm(,红）,半导体材料的,Eg,应在,1.63 eV,之间,目前已有 红外、红、黄、绿、白、蓝光等发光二极管,(,比红光波长长的光为红外光,),4,发光二极管,(LED),发光二极管,(LED),的主要参数：,最大正向电流,I,Fm,：允许的最大正向直流电流，,超过此值,LED,损坏,正向工作电流,I,F,：正常发光时的正向电流值,在实际使用中应根据亮度需要选择,I,F,在,0.6,I,Fm,以下,正向工作电压,V,F,：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下测得的，一般是在,I,F,=20 mA,时测得的，在,3 V,4,发光二极管,(LED),最大反向电压,V,Rm,：允许的最大反向电压,超过此值,LED,可能被击穿损坏,允许功耗,P,m,：允许加在,LED,两端正向直流电压与 流过它的电流之积的最大值,超过此值,LED,发热损坏,伏安特性：图,5,表示,光谱分布和峰值波长：某一个,LED,所发的光并不是单一波长，其波长大体按图,6,所示,4,发光二极管,(LED),由图,I/mA,U/V,0,1,2,3,1,2,3,4,5,0.1,0.2,0.3,0.4,-5,-10,-15,4,发光二极管,(LED),峰值波长,：,LED,所发之光中某一波长,0,的,光强最大,光谱半宽度,：,1,/,2,峰值,光强所对应两波长之,间隔,表示,LED,的,光谱纯度,（发光强度,I,V,、半值角,1/2,和 视角等指标也很重要,但本实验不作研究）,实验内容,实验,1(a),限流和分压电路实验,实验,1(b),限流和分压电路实验,实验,2,测量普通二极管的正向、反向伏安特性,实验,3,测量稳压二极管的正向、反向伏安特性,实验,4,测量发光二极管的正向、反向伏安特性,实验,1(a),限流和分压电路实验,用伏安法测量电阻阻值，了解电阻分压电路原理,分压电阻,R,x1,可调，分压保护电阻,R,2,限流电阻,R,x2,可调，限流保护电阻,R,3,待测电阻,R,1,C,A,5V,R,x1,R,2,B,A,R,3,R,x2,R,1,V,实验,1(a),限流和分压电路实验,R,x1,=,0-1K,可调，,R,2,=100,R,x2,=,0-1K,可调，,R,3,=100,待测电阻,R,1,100,C,A,5V,R,x1,R,2,B,A,R,3,R,x2,R,1,V,实验,1(a),限流和分压电路实验,调节,R,x1,，测量,U,CA,，记录电压,U,CA,变化范围,调节,R,x2,，测量,I,，,记录电流,I,变化范围,用伏安法测量待测电阻的阻值，即,R,1,=,U,R,1,/,I,C,A,5V,R,x1,R,2,B,A,R,3,R,x2,R,1,V,实验,1(b),限流和分压电路实验,用分压、限流原理使原,0-2V,的数字电压表,能测试,0-20V,的电压,图中：,R,1,=900,K,R,2,=100,K,0-2V,0-20V,R,2,R,1,0-2V,数字电压表,实验,2,测量普通二极管的正向、反向伏安特性,正向特性：,电压从最小开始调节，观察正向电流,当开始有正向电流时，即,很慢,地调节,R,x1,使电压,缓慢变化,正向电流达到,10mA,时实验结束,记录,I U,关系数据,在作图纸上描出正向伏安特性曲线,实验,2,测量普通二极管的正向、反向伏安特性,R,1,C,A,5V,R,x1,R,2,B,A,R,3,R,x2,V,GaASP（磷砷化镓）等 半导体材料制成,稳压二极管工作在反向击穿区。,rD=U/I,当反向电流开始增大时必须特别注意，立即用电,设计一种方法，判断红、绿、蓝三基色发光二极管各自发光的波长范围。,在作图纸上描出正向伏安特性曲线,非线性元件的 R 是一个变量，分析它的阻值必须指出其工作电压（或电流）,(比红光波长长的光为红外光),所对应的电压值Uw作为稳压二极管的稳压值,4 发光二极管(LED),光的峰值波长与发光区域的半导体禁带宽度 Eg 有关,稳压二极管工作在反向击穿区。,GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、,rD 动态电阻，等于工作点附近的电压改变量与电流改变量之比,工作的基本原理，如图 4（b）,71828 自然常数,当开始有正向电流时即用电压微调调节电压，记下它们导通电压（点亮电压）,稳压二极管是一种特殊的半导体二极管,实验,2,测量普通二极管的正向、反向伏安特性,R,x1,=,0-1K,可调，,R,2,=100,R,x2,=,0-1K,可调，,R,3,=100,D,正向,C,A,5V,R,x1,R,2,B,A,R,3,R,x2,V,D,正向,实验,2,测量普通二极管的正向、反向伏安特性,反向击穿特性：,电压从最小开始调节，观察反向电流,当反向电流开始增大时必须特别注意，立即用电,压微调开始,慢慢调节,并注意观察反向电流,当反向电流有,突变,趋势并,20mA,时，必须立即,调,小电压,，否则二极管有可能被烧坏,记录数据，并在图纸上描出反向伏安特性曲线,注意限流保护，反向击穿电压最高做到,24V,正、反向分二次做,实验,2,测量普通二极管的正向、反向伏安特性,V,C,A,5V,R,x1,R,4,B,A,R,5,R,x2,D,正向,实验,2,测量普通二极管的正向、反向伏安特性,R,x1,=,0-1K,可调，,R,4,=100,R,x2,=,0-1K,可调，,R,5,=1 K,D,反向,C,A,5V,R,x1,R,4,B,A,R,5,R,x2,D,反向,V,实验,3,测量稳压二极管的正向、反向伏安特性,正向特性：,电压从最小开始调节，观察正向电流,当开始有正向电流时，即,很慢,地调节,R,x1,使电压,缓慢变化,正向电流达到,10mA,时实验结束,记录,I U,关系数据,在作图纸上描出正向伏安特性曲线,实验,3,测量稳压二极管的正向、反向伏安特性,反向击穿特性（稳压特性）：,测出反向电流达,10 mA,时稳压二极管的,反向击穿电压（稳定电压）,用伏安法求出稳压二极管的动态电阻,说明动态电阻的大小对稳压特性的影响,记录数据，并在作图纸上描出反向伏安特性曲线,实验,4,测量发光二极管的正向、反向伏安特性,发光二极管的正向伏安特性与一般二极管相似，它的导通电压即为发光二极管的点亮电压,它的峰值波长与半导体材料禁带宽度,Eg,有关，故不同材料制成的发光二极管会发出不同峰值波长的光，且导通电压也会因半导体材料禁带宽度不同而不同,本实验提供红、黄、绿三种发光二极管，分别测出它们的导通电压，并根据导通电压估算出它们的峰值波长,实验,4,测量发光二极管的正向、反向伏安特性,正向特性,电压从最小开始调节，观察正向电流,当开始有正向电流时即用电压微调调节电压，记下它们导通电压（点亮电压）,正向电流达到,10mA,时结束,(,正向电流最大不能超过,20mA,，否则,LED,可能烧坏,),在作图纸上描出正向伏安特性曲线,应用：（二极管具有单向导电性）常用于,4 发光二极管(LED),(比红光波长长的光为红外光),（A）R3R1/R2,当反向电流开始增大时必须特别注意，立即用电,稳压二极管工作在反向击穿区。,以电压为横坐标、电流为纵坐标，画出电流和电压的关系曲线，称为该元件的伏安特性曲线。,当开始有正向电流时即用电压微调调节电压，记下它们导通电压（点亮电压）,（B）R2/R3R1,GaASP（磷砷化镓）等 半导体材料制成,电压从最小开始调节，观察反向电流,什么是静态电阻和动态电阻，说明二者区别？,设计一种方法，判断红、绿、蓝三基色发光二极管各自发光的波长范围。,准确测量其正向导通阈值电压、反向击穿电压，根据发光二极管的正向工作电压估算出它的峰值波长,当开始有正向电流时，即很慢地调节 Rx1 使电压,实验,4,测量发光二极管的正向、反向伏安特性,反向击穿特性,当反向电流开始增大时必须特别注意，立即用电压微调开始慢慢调节并注意观察反向电流，当反向电流有突变趋势并,5mA,时必须立即调小电压，否则发光二极管有可能被烧坏。在作图纸上描出反向伏安特性曲线,(,注意限流保护，正、反向分二次做,),思考题,1.,为什么测量二极管正、反向特性时电压表的接法不同？为什么,R,x2,和,R,x4,的保护电阻选择的值也不一样？,2.,什么是静态电阻和动态电阻，说明二者区别？,3.PN,结正向伏安特性曲线的函数形式可能是什么类型？写出其标准形式。从实验数据求出二极管（,PN,结）,I U,关系的经验公式。,4.,设计一种方法，判断红、绿、蓝三基色发光二极管各自发光的波长范围。,模拟试题,1.,用直流电桥法测量电阻时，若四个桥臂上各有一个电阻，从左下角开始，逆时针用,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,符号来表示，被测电阻为,R,4,，当电桥达到平衡时，被测电阻,R,4,等于（）。,（,A,）,R,3,R,1,/,R,2,（,B,）,R,2,/,R,3,R,1,（,C,）,R,2,R,3,/,R,1,（,D,）,R,2,R,1,/,R,3,C,谢谢观看！,