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】Thiskeypointofthisexperimentistouseabridgetomeasurevolt-amperecharacteristicofdiodeandthermistortemperaturecharacteristic,anddrawthecorrespondingcurve,andunderstandthestructureandusingmethodofsemiconductorthermometer.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为限流电阻。调整Rw1、Rw2使电桥平衡。则此时电流表上的电流即为流过二极管D上的电流Id，电流表所测的电压即为二极管两端的电压Vd，选定不同的Vd值，记录相应的Id。图一（电桥法侧二极管的伏安特性曲线）二、热敏电阻温度计的原理当RT在某一温度下，将电桥调平衡后。改变RT所处的温度，RT的阻值将发生变化，从而电桥失去平衡，这时检流计的示数将是RT处温度增量的函数。如果测出检流计的示数与RT温度的关系，就可利用此非平衡电桥去测量处未知温度之值，此既是热敏电阻温度计的原理。图二（热敏电阻温度计的原理）E为直流电源，K1为工作开关（N调零，M校正，P测量），RT为热敏电阻，G为微安表，KG为检流计开关，KE为电源开关。若此温度计的测量范围为t1-t2(°c)，则电阻RN的阻值等于RT在t1时之值，RM等于RT在t2时之值。RN,RM用于校正温度计。三、半导体热敏电阻的特性的研究热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻，它具有许多独特的优点，如能测出温度的微小变化，能长期工作，体积小，结构简单等。它在自动化，遥控，无线电技术，测温技术等方面都有广泛的应用。热敏电阻的基本特性是温度特性。在半导体中原子核对价电子的要比金属中的大，因而自由载流子数较少，故半导体的电阻率较高而金属的电阻率低，由于半导体中载流子数目是随着温度升高而按指数激烈地增加，载流子的数目越多，导电能力越强，电阻率就越小，因而热敏电阻随着温度升高它的电阻率将按指数规律迅速减小。这和金属中自由电子恰好相反，金属的电阻率是随温度上升而缓慢增大的。图6-1是热敏电阻和金属铂电阻随温度而变化的特性曲线。由实验可知，当温度有0℃变到300℃时，金属铂的电阻值总共变化一倍，而一般的热敏电阻值变化可达1000倍左右，所以半导体的电阻温度系数远远大于金属。实验表明，在一定的温度范围内，半导体的电阻率p和绝对T之间的关系可用下式表示：0eb/t（1）式中0和b为常量，其数值与材料的物理性质有关。热敏电阻的阻值，根据电阻定律可写成RT=l/s=α0eb/tl/s=aeb/t(2)式中l为电极间的距离，s为热敏电阻的横截面积，a=α0l/s,常量a,b可用实验的方法求出。将式（6-2）两侧取对数，得lnRT=lna+b/T(3)令x=1/T,Y=lnRT,A=lna,则式（3）写成y=A+bx(4)式中x,y可由测量值T,RT求出，利用n组测量值，可用图解法，计算法或最小二乘法求出参数A,b之值，又可由A求出a值，注意温度T的热力学温度（k）。热敏电阻RT在不同温度时的电阻值，可由惠斯通电桥测得，测量电路如图6-2所示。图中RT为热敏电阻，R0,R1,R2均为电阻箱，E为直流电源，G为检流计，当电桥平衡时RT=R1R0/R2(5)即可由R0及比值R1/R2算出RT之值。调节RP可以影响测量的精确度。当开始调平衡时RP宜取得大些，随平衡要求的提高，可逐渐减小其值。当RP减小时，电桥的灵敏度增加，测得的R0的有效位数增多。图三（半导体热敏电阻的特性的研究）实验仪器1、电源、开关、灵敏电流计、电压表、电流表、二极管、滑动变阻器、导线若干2、电源、开关（2）、灵敏电流计、滑动变阻器、电阻箱（3）、热敏电阻、导线若干。3、直流电源、开关、选择开关、热敏电阻、微安表、滑动变阻箱、电阻箱、导线若干、加热瓶、温度计。三、实验数据记录及处理1、Rv=650()U/v0.760.750.730.720.710.700.690.680.67I/A19.818.210.47.66.24.23.82.82.4数据一（电桥法侧二极管的伏安特性曲线）图一（电桥法侧二极管的伏安特性曲线）2、热敏电阻温度计定标T/℃25.42829.13032.23537.74042.34547.55052.65557.560I(μA)00.611.561.883.43.924.484.9666.487.68.28.89.4410数据二（热敏电阻温度计）图二（热敏电阻温度计）3、测热敏电阻的阻值RT/℃T/K1/TlnRTRT（计算值）RT的相对误差682.029.4302.40.00330687836.5250296578705.37695953%657.033.0306.00.00326797396.4876840185651.7816636-1%628.035.4308.40.00324254226.4425401665618.9674946-1%05101520250.660.680.70.720.740.760.78电压U/V电流I/A系列1608.037.0310.00.00322580656.4101748820598.2801975-2%569.039.9312.90.00319590926.3438804341563.0294737-1%554.041.3314.30.00318167366.3171646867546.9823161-1%528.043.1316.10.00316355586.2690962837527.21885820%499.045.3318.30.00314169026.2126060958504.31563461%465.048.4321.40.00311138776.1420374056474.21072512%数据三（半导体热敏电阻的特性的研究）图三（半导体热敏电阻的特性的研究）b=2031.2lna=-0.1582a=0.853684.结果分析与结论由于实验本身是存在系统误差的，这是由实验仪器不精准，虽然是因为各方面的因素引起的，但本身难免会存在误差。再者由于实验环境及其lnRT=A+b*(1/T)y=2031.2x-0.15826.00000000006.05000000006.10000000006.15000000006.20000000006.25000000006.30000000006.35000000006.40000000006.45000000006.50000000006.55000000006.60000000006.65000000006.70000000000.00295000000.00300000000.00305000000.00310000000.00315000000.00320000000.00325000000.00330000000.00335000001/TlnRTlnRT线性(lnRT)操作者操作实验的不规范，造成了不可避免的偶然误差，这也是由多方米娜因素所引发，也是难免会存在的。如图所示：这是实验时读数时不规范所造成的，是可以缩小误差的。只需要读数时读数的同学认真仔细就行了。虽然误差是不可能消除的，但是我们可以尽量的减小误差，只需要我们做实验时更加规范一些，读数时更加仔细，认真一些就行。总体来说，我们本次实验还是比较成功的，老师也对我们的帮助很大，总是在我们毫无思绪的时候恰当的提点我们，确实让我们受益匪浅。通过这几次的实验很好的锻炼了我们自己动手及独立思考的能力，很感谢我的伙伴，敬爱的老师。05101520250.660.680.70.720.740.760.78电压U/V电流I/A系列1物理实验论文电桥测非线性元件的伏安特性曲线专业班级：2013级物理学（2）班姓名：成贵林学号：201333010206