实验七 线性和非线性电学元件伏安特性的测量

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1、实验七线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线电阻是电学中常用的物理量。利用欧姆定律求导体电阻的方法称为伏安法，它是测量电阻的基本方法之一。为了研究材料的导电性，通常作出其伏安特性曲线，了解它的电压与电流的关系。伏安特性曲线是直线的元件称为线性元件，伏安特性曲线不是直线的元件称为非线性元件。这两种元件的电阻都可用伏安法测量。但由于测量时电表被引入测量线路，电表内阻必然会影响测量结果，因而应考虑对测量结果进行必要的修正，以减少系统误差。【实验目的】1．通过对线性电阻伏安特性的测量，学习正确选择和使用伏安法测电阻的两种线路。2．通过对二极管伏安特性的测量，了解非线性电学元件的导电特

2、性。3．习按电路图正确地接线，掌握限流电路和分压电路的主要特点。4．学会用作图法处理实验数据。【实验仪器】欧姆定律实验盒直流稳压电源滑线变阻器（2个）单刀开关数字电流表数字电压表保护电阻【实验原理】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。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。一般金属导体的电阻是线性电阻，它与外加电压的大小和方向无关，其伏安特性是一条直线（见图1），从图上看出，直线通

3、过一、三象限。它表明，当调换电阻两端电压的极性时，电流也换向，而电阻始终为一定值，等于直线斜率的倒数R=V/I。常用的半导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。为了了解半导体二极管的导电特性，下面对它的结构和电学性能作一简单介绍。I（mA）p-n结R=－1.02.01.0－4.0－2.02.04.0V(v)pn＋－(b)(a)图1线性电阻的伏安特性图2半导体二极管的p-n结和表示符号6半导体二极管又叫晶体二极管。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

4、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）。半导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结所构成的。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。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

5、样，由于n区的电子浓度比p区大，电子便由n区向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型半导体交界的两侧附近，形成了带正、负电的薄层区，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。pnpnpn内电场方向内电场方向内电场方向扩散运动

6、方向外电场方向外电场方向正向电流(较大)反向电流(很小)(a)(b)(c)图3p-n结的形成和单向导电特性如图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。10080604020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，外加电场与内电场方向相同，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。I（毫安）B半导体二

7、极管的正、反向特性曲线如图四正向所示。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，-20-40就称为非线性电阻。-50-25二极管的伏安特性是非线性的，如图4所示。死区A00.40.8第一象限的曲线为正向伏安特性曲线，第三象限V（伏）的曲线为反向特性曲线。由曲线可看出，二极管击穿电压的电阻值（曲线上每一点的斜率）随U、I的变反向（微安）C化在很大的范围内变化（称为动态电阻）。当二极管加正向电压时，在OA段正向电流随电压的变化图4半导体二极管的伏安特性6缓慢，电阻值较大。在AB段二极管的电阻值随