非线性电阻伏安特性曲线实验

【教学目的】

1、测绘电阻的伏安特性曲线，学会用图线表示实验结果。 2、了解晶体二极管的单向导电特性。

【教学重点】

1、测绘电阻的伏安特性曲线； 2、了解二极管的单向导电特性。

【教学难点】

非线性电阻的导电性质。

【课程讲授】

提问：1.如何测绘伏安特性曲线？

2.二极管导电有何特点？

一、实验原理

常用的晶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。下面对它的结构和电学性能作一简单介绍。

图1线性电阻的伏安特性 图2晶体二极管的p-n结和表示符号

晶体二级管又叫半导体二极管。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)。

晶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。

图3 p-n结的形成和单向导电特性

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；同样，由于n区的电子浓度比p区大，电子便由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Ө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型半导体交界面的两侧附近，形成了带正、负电的薄层，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。

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。

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。

晶体二极管的正、反向特性曲线如图12-4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，就称为非线性电阻。

图4晶体二极管的伏安特性 图5测电阻伏安特性的电路

二、实验仪器

直流稳压电源，万用表（2台），电阻，白炽灯泡，灯座，短接桥和连接导线，实验用九孔插件方板。

三、实验步骤

(一)测绘金属膜电阻的伏安特性曲线

1.按图5接好线路，图中R>>RA (RA毫安表的内阻)。注意将分压器的滑动端调至电压为零的位置；电表的量限要选择得适当。

2.经教师检查线路后，接通电源，调节滑线变阻器的滑动头，从零开始逐步增大电压(例加取0.00V，0.50V，1.00V，1.50V，…)，读出相应的电流值。

3.将电压调为零，改变加在电阻上的电压方向(可将电阻R调转180°连接)，取电压为0.00V，-0.50V，-1.00V，-1.50V，…，读出相应的电流值。

4.将测量的正、反向电压和相应的电流值填入预先自拟的表格。以电压为横坐标，电流为纵坐标，绘出金属膜电阻的伏安特性曲线。 (二)测绘晶体二极管的伏安特性曲线

测量之前，先记录所用晶体管的型号(为测出反向电流的数值，采用锗管)和主要参数(即最大正向电流和最大反向电压)，再判别晶体管的正、负极。

1.为了测得晶体二极管的正向特性曲线，可按照图6所示的电路联线。图中R为保护晶体二极管的限流电阻，电压表的量限取1伏左右。经教师检查线路后，接通电源，缓慢地增加电压，例如，取0.00V，0.10V，0.20V，…(在电流变化大的地方，电压间隔应取小一些)，读出相应的电流值。最后断开电源。

图6测晶体二极管正向伏安特性的电路 图7测晶体二极管反向伏安特性的电路

2.为了测得反向特性曲线，可按图7联接电路。将电流表换成微安表，电压表换接比1伏大的量限，接上电源，逐步改变电压，例如，取0.00V，1.00V，2.00V，…，读出相应的电流值。确认数据无错误和遗漏后，断开电源，拆除线路。

3.以电压为横轴，电流为纵轴，利用测得的正、反向电压和电流的数据，绘出晶体二极管的伏安特性曲线。由于正向电流读数为毫安，反向电流读数为微安，纵轴上半段和下半段坐标纸上每小格代表的电流值可以不同，但必须分别标注清楚。

四、注意事项

1.测晶体二极管正向伏安特性时，毫安表读数不得超过二极管允许通过的最大正向电流值。 2.测晶体二极管反向伏安特性时，加在晶体管上的电压不得超过管子允许的最大向电压。

实验时，如果违反上述任一条规定，都将会损坏晶体管。

五、思考题

1.在图6和图7中，电表的接法有何不同?为什么要采用这样的接法?

2.如何作出伏欧特性曲线(VR曲线)?金属膜电阻和晶体二极管的伏欧特性曲线各具有什么特性?

3.有一个12伏、15瓦的钨丝灯泡，已知加在灯泡上的电压与通过热灯丝的电流之间的关系为IKVn其中K、n是与该灯泡有关的常数，现在要用实验方法确定K、n。(1)请画出实验的线路图；(2)请简述如何用作图法求出K和n值，最后得到I随V变化的经验公式。