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ID与流过电压表电流IV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VD与电流表电压VA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RV或电流表的内阻RA，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：VDDVDDRRIIII电流表内接，造成的电压测量误差为：DADADDRRVVVV其中RD、RV、RA、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RD、RV、RA的大小而定。显然，若RD/RV＞RA/RD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。4．开始实验时，作为分压器的滑线变阻器的滑动触头C应置于使输出电压为最小值处。【四】实验内容一、必做内容1．确定电流表的接法，参照图1，选取测量二极管正向伏安特性和反向特性时所用的电压表和电流表的量程。在该电表上查与所选量程相应的内阻RV和RA值。因二极管的正、反向电阻都随外加电压而变化，只能给出一大致的数值，在正常使用范围内，对2AP型二极管，正向时RD可取1000，反向时取100K。由所选用的RD、RV、RA值用判定式确定电流表的接法。2．按照所选用的正确接法接线，测定2AP型锗二极管的正、反向伏安特性曲线。测正向特性时，电源电压可取3伏；测反向特性时，电源电压可取20伏。滑动一下滑线变阻器的滑动触头，看一看电压和电流的大致变化范围，以及电表的选择是否合适。3．电压与电流均从零开始测量，然后让滑线变阻器的滑动触头C点向输出电压增大方向缓缓移动，按照电压和电流的实际变化范围选取数据点，记下电流表和电压表读数（不要超过二极管额定值）。对正向及反向的ID-VD关系都要测10个以上的点，并注意在曲线的弯曲部分，点应密些，在平直部分，点可稀些。4．自拟表格记录实验数据，用毫米方格纸作2AP型二极管的正向及反向伏安特性曲线。因正、反向电压电流相差很大，作图时可选用不同单位。二、选做内容1．已知加在灯泡上的电压与通过灯丝的电流之间的关系为nKUI型，其中K，n是与灯泡有关的常数，试通过实验确定K和n，得出I随U变化的经验公式。注意：小灯泡的工作电压不超过6伏。2．分别用内接法和外接法来测定二极管的正向伏安特性曲线，并画在同一坐标系中进行比较，然后对两种方法所得结果都进行修正，再做比较。思考题伏安特性曲线的斜率的物理意义是什么？用伏安法测二极管特性曲线产生的误差属什么性质的误差？为何会产生这种误差？能否消除或作修正？方法如何？在测定二极管反向特性时，有同学发现所加电压还不到1伏，微安表指示已超量程。你认为原因是什么？若要用量程为2.5V，内阻20K/V的电压表和量程为250mA，内阻400的电流表测定阻值约为400、4K和40K的三只电阻，试确定其电表的连接方式，并画出电路图。