华中科技大学：物理实验教学资源（讲义课件）电子元件伏安特性

电子元件伏安特性本实验包括两部分：第一部分为伏安特性的测量，第二部分为PN结的温度特性测试。其中标注为选做的内容（第一部分中的三极管的输出特性测量与全部第二部分）可不写实预习报告，如完成了选做实验，需要提交数据处理与分析，写在必做内容后面。预习报告不超过实验报告两小面，篇幅不宜过多第一部分电子元件的伏安特性【实验目的】1.了解线性电阻、非线性电阻的伏安特性：2.掌握用伏安法测电阻时电流表内接、外接的条件：3.掌握指针式电表量程的选择及读数。【预备问题】1、查阅资料，了解常用电压表、毫安表、微安表内阻的量级。2.常用的电工电子仪表上都有一些标识符号，这些符号都表示什么？3.电阻上的色环表示什么？4.内接法和外接法产生误差的原因分别是什么？在实际测量中怎样减小误差的影响？【实验背景】流过电子元件的电流与其两端电压的关系曲线称伏安持性曲线。从伏安特性曲线所遵循的规律，即可得知该元件的导电特性。若元件的伏安特性曲线呈直线，称为线性电阻：若呈曲线，称为非线性电阻。非线性电阻的伏安特性所反映出来的规律总是与一定的物理过程相联系的，利用非线性元件的特性可以研制各种新型的传感器、换能器，这些器件在温度、压力、光强等物理量的检测和自动控制等方面都有广泛的应用。对非线性电阻伏安特性的研究，有助于加深对有关的物理过程、物理规律及其应用的理解和认识。【实验原理】一、伏安特性曲线

电子元件伏安特性 本实验包括两部分：第一部分为伏安特性的测量，第二部分为 PN 结的温度特性测试。 其中标注为选做的内容（第一部分中的三极管的输出特性测量与全部第二部分）可不写实预 习报告，如完成了选做实验，需要提交数据处理与分析，写在必做内容后面。 预习报告不超过实验报告两小面，篇幅不宜过多。 第一部分 电子元件的伏安特性 【实验目的】 1. 了解线性电阻、非线性电阻的伏安特性； 2. 掌握用伏安法测电阻时电流表内接、外接的条件； 3. 掌握指针式电表量程的选择及读数。 【预备问题】 1. 查阅资料，了解常用电压表、毫安表、微安表内阻的量级。 2. 常用的电工电子仪表上都有一些标识符号，这些符号都表示什么？ 3. 电阻上的色环表示什么？ 4. 内接法和外接法产生误差的原因分别是什么？在实际测量中怎样减小误差的影响？ 【实验背景】 流过电子元件的电流与其两端电压的关系曲线称伏安持性曲线。从伏安特性曲线所遵循的规 律，即可得知该元件的导电特性。若元件的伏安特性曲线呈直线，称为线性电阻；若呈曲线，称 为非线性电阻。非线性电阻的伏安特性所反映出来的规律总是与一定的物理过程相联系的，利用 非线性元件的特性可以研制各种新型的传感器、换能器，这些器件在温度、压力、光强等物理量 的检测和自动控制等方面都有广泛的应用。对非线性电阻伏安特性的研究，有助于加深对有关的 物理过程、物理规律及其应用的理解和认识。 【实验原理】 一、伏安特性曲线

1 4.BI(mA)R=UlYU0U(V)'D图1线性电阻伏安特性曲线图2晶体二极管伏安特性曲线常用的线绕电阻、炭膜电阻和金属电阻等，它们都具有以下的共同特性：加在电阻两端的电压U与通过它的电流1成正比（忽略电流热效应对阻值的影响），元件的伏安特性曲线呈直线，如图1所示。具有这种特性的电阻元件称为线性电阻元件。而热敏电阻、晶体二极管等元件就不太一样，这类元件的特点是：加在元件两端的电压U与通过它的电流I的比值不是一个定值，元件的伏安特性不是直线，如图2所示。这类电阻元件称为非线性电阻元件。非线性电阻元件的电阻有两种定义方式，一种称为静态电阻或直流电阻，其定义为：_UR=(1)1另一种为动态电阻或交流电阻，其定义为：R=du(2)dl一般来讲，动态电阻和静态电阻是不相等的。晶体二极管是典型的非线性元件，通常用符号一→十表示。它的正反两方向的电阻差异很大，其正向电阻只有几欧姆到几百欧姆，而反向电阻却在几千欧姆以上。如图2所示，当二极管加正向电压时，在OA段，外加电压不足以克服PN结内电场对多数载流子的扩散所造成的阻力，正向电流较小，二极管的电阻较大。在AB段，外加电压超过阈值电压（管约为0.3V，硅管约为0.7V）后，内电场大大削弱，二极管的电阻变得很小（约几十欧姆），电流迅速上升，二极管呈导通状态。若二极管加上反向电压，当电压较小时，反向电流很小，在曲线OC段，管子呈高阻状态（截止）。当电压继续增加到该二极管的击穿电压（本实验所用硅管大致在U=5.1V左右）时，电流剧增（CD段），二极管被击穿，此时电阻趋于零值。二、测伏安特性曲线的两种接线方式及其系统误差（电表的接入误差）的修正。图3是电流表外接法，图4是电流表内接法，图中Ro是限流电阻。由于电流表和电压表内阻的影响，两种接线方式都有系统误差。在外接电路中，电压表测得的是电阻R两端的电压，但电流表测得的就不只是通过电阻R的电流，而是流过电压表的电流Iv和流过电阻的电流Ix之2

2 图 1 线性电阻伏安特性曲线 图 2 晶体二极管伏安特性曲线 常用的线绕电阻、炭膜电阻和金属电阻等，它们都具有以下的共同特性：加在电阻两端的电压 U 与通过它的电流 I 成正比（忽略电流热效应对阻值的影响），元件的伏安特性曲线呈直线，如图 1 所示。具有这种特性的电阻元件称为线性电阻元件。而热敏电阻、晶体二极管等元件就不太一 样，这类元件的特点是：加在元件两端的电压 U 与通过它的电流 I 的比值不是一个定值，元件 的伏安特性不是直线，如图 2 所示。这类电阻元件称为非线性电阻元件。非线性电阻元件的电阻 有两种定义方式，一种称为静态电阻或直流电阻，其定义为： U R I = (1) 另一种为动态电阻或交流电阻，其定义为： d dU R dI = (2) 一般来讲，动态电阻和静态电阻是不相等的。 晶体二极管是典型的非线性元件，通常用符号 表示。它的正反两方向的电阻差异很大， 其正向电阻只有几欧姆到几百欧姆，而反向电阻却在几千欧姆以上。 如图 2 所示，当二极管加正向电压时，在 OA 段，外加电压不足以克服 PN 结内电场对多数 载流子的扩散所造成的阻力，正向电流较小，二极管的电阻较大。在 AB 段，外加电压超过阈值 电压（锗管约为 0.3V，硅管约为 0.7V）后，内电场大大削弱，二极管的电阻变得很小（约几十欧 姆），电流迅速上升，二极管呈导通状态。若二极管加上反向电压，当电压较小时，反向电流很小， 在曲线 OC 段，管子呈高阻状态（截止）。当电压继续增加到该二极管的击穿电压(本实验所用硅 管大致在 U =5.1 V 左右）时，电流剧增（CD 段)，二极管被击穿，此时电阻趋于零值。 二、测伏安特性曲线的两种接线方式及其系统误差（电表的接入误差）的修正。 图 3 是电流表外接法，图 4 是电流表内接法，图中 R0 是限流电阻。由于电流表和电压表内 阻的影响，两种接线方式都有系统误差。在外接电路中，电压表测得的是电阻 Rx两端的电压，但 电流表测得的就不只是通过电阻 Rx 的电流，而是流过电压表的电流 IV 和流过电阻的电流 Ix 之

R.R.图3电流表外接电路图4电流表内接电路和，用Rv表示电压表的内阻，则I =I +I, =I +(U|R)(3) 实验测得的电阻值应是U+RR :R1+(4)I +(U/R)R由此可见，采用电流表外接法测得的R值比电阻的真值R偏小，这种误差显然是由测量方法造成的系统误差。由方程（4）可以看出，当Ry>>R时，RUII，所以电流表外接法适合测低值电阻。在电流表内接电路中，电流表测出的是通过电阻R的电流，而电压表读出的却是电阻Rx两端电压U和电流表两端电压UA之和，用RA表示电流表的内阻，则(5)U=U,+UA=U,+IRA实验测得的电阻值应是：R=U+UA=R1+R)(6)1R.由方程（6)可见，采用电流表内接法测得的R值比电阻的真值Rx偏大。只有当R<<R时才有R~UII，所以电流表内接法适合测高值电阻。由上面的讨论可知，电压表和电流表内阻的存在，将给电阻的测量引入系统误差。若准确地知道RA和Rv值，则可根据电路连接的方式，分别由（4）式或（6）式算出Rx的值，将系统误差加以修正。从修正公式可以看出，Rv越大，RA越小，其内阻对测量结果的影响也就越小。3.晶体三极管的输出特性曲线和晶体三极管的电流放大系数（选做）3

3 图 3 电流表外接电路 图 4 电流表内接电路 和，用 RV 表示电压表的内阻，则 ( ) x V x V I I I I = + = + U R (3) 实验测得的电阻值应是 ( ) 1 ·1 / x x x V V U R R R I U R R −   = = +   +   (4) 由此可见，采用电流表外接法测得的 R 值比电阻的真值 Rx偏小，这种误差显然是由测量方法造成 的系统误差。由方程 (4) 可以看出，当 RV >> Rx 时， Rx ≈ U/I，所以电流表外接法适合测低值电 阻。 在电流表内接电路中，电流表测出的是通过电阻 Rx 的电流，而电压表读出的却是电阻 Rx 两 端电压 Ux和电流表两端电压 UA之和，用 RA表示电流表的内阻，则 U U U U IR = + = + x A x A (5) 实验测得的电阻值应是： 1 x A A x x U U R R R I R +   = = +     (6) 由方程 (6) 可见，采用电流表内接法测得的 R 值比电阻的真值 Rx 偏大。只有当 RA<<Rx 时才有 Rx ≈ U/I，所以电流表内接法适合测高值电阻。 由上面的讨论可知，电压表和电流表内阻的存在，将给电阻的测量引入系统误差。若准确地 知道 RA 和 RV 值，则可根据电路连接的方式，分别由 (4) 式或 (6) 式算出 Rx的值，将系统误差 加以修正。从修正公式可以看出， RV越大， RA越小，其内阻对测量结果的影响也就越小。 3. 晶体三极管的输出特性曲线和晶体三极管的电流放大系数（选做）

负载RhnIheeNPN型PNP型图5晶体三极管图6NPN型三极管共发射极接法晶体三极管是由两个PN结构成的非线性元件。晶体三极管的基本功能是放大电流作用，通过输入一个小电流信号，可以产生大得多的电流输出。根据PN结结构的不同，晶体三极管可分为PNP型和NPN型，其表示符号如图5所示。图中c为集电极，e为发射极，b为基极。为了实现晶体三极管的放大作用，必须给三极管施以正确的外加电压，使发射结正向偏置，集电结反向偏置。具体的电路接法有几种，图6为其中一种，称为共发射极接法。三极管的放大作用可以用电流放大系数β定量的表示，其定义为集电极电压Uce一定的条件下，集电极电流增量△l。与基极电流增量△b之比，即A.B=(7)A.晶体三极管（共发射极）的输出特性是指在基极电流1维持不同定值的情况下，晶体管集电极一发射极之间的电压Uce与集电极电流l。的关系，输出特性的数学表达式为1,= f(Ib,U)l(8)晶体三极管输出特性的测量电路如图7所示。电位器Rul和R2分别用于调节基极电流I和集电极电压Uce，调节Rw1，使基极电流Ib为某一值，通过调节Rv2改变集电极电压Uce，测量不同Uce对应的集电极电流I的一组数据，改变基极电流Ib值，又测出Uce~l。的另一组数据，如此类推。将这些数据作图，便得到一个输出特性曲线簇。利用输出特性曲线，可以得出晶体管（在某状态下）的共发射极电流放大系数β，如图8所示。I(mA) 1b=100uAIb=80μAIp=60μAI=40μAl,=0Uce(M)图7晶体三极管输出特性的测量电路图8共发射极输出特性曲线

4 图 5 晶体三极管 图 6 NPN 型三极管共发射极接法 晶体三极管是由两个 PN 结构成的非线性元件。晶体三极管的基本功能是放大电流作用，通 过输入一个小电流信号，可以产生大得多的电流输出。根据 PN 结结构的不同，晶体三极管可分 为 PNP 型和 NPN 型，其表示符号如图 5 所示。图中 c 为集电极， e 为发射极， b 为基极。 为了实现晶体三极管的放大作用，必须给三极管施以正确的外加电压，使发射结正向偏置，集电 结反向偏置。具体的电路接法有几种，图 6 为其中一种，称为共发射极接法。三极管的放大作用 可以用电流放大系数 β 定量的表示，其定义为集电极电压 Uce 一定的条件下，集电极电流增量 ∆Ic 与基极电流增量 ∆Ib 之比，即 | ce c U b I I   =  不变 (7) 晶体三极管（共发射极）的输出特性是指在基极电流 Ib 维持不同定值的情况下，晶体管集 电极－发射极之间的电压 Uce 与集电极电流 Ic 的关系，输出特性的数学表达式为 ( , )| b c b ce I I f I U = (8) 晶体三极管输出特性的测量电路如图 7 所示。电位器 Rw1 和 Rw2 分别用于调节基极电流 Ib 和 集电极电压 Uce，调节 Rw1, 使基极电流 Ib 为某一值，通过调节 Rw2 改变集电极电压 Uce，测量 不同 Uce 对应的集电极电流 Ic 的一组数据，改变基极电流 Ib 值，又测出 Uce~Ic 的另一组数据， 如此类推。将这些数据作图，便得到一个输出特性曲线簇。利用输出特性曲线，可以得出晶体管 （在某状态下）的共发射极电流放大系数 β，如图 8 所示。 图 7 晶体三极管输出特性的测量电路 图 8 共发射极输出特性曲线

【实验仪器】本实验中需要用到的仪器包括直流电源、九孔板、元件模块、微安表，毫安表，电压表，导线等。1.电表本实验中，我们会用到电压表、毫安表、微安表。电表的额定误差可用公式AK%计算，其中Am为m档的量程，K为该电表的精度等级。精度等级可以在表盘上的标识符号中读出，一般分为0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5和5.0七个级别。在测绘伏安特性曲线时，除了要考虑电表的接入所引起的系统误差外，还必须考虑电表本身的仪器额定误差。以电流表为例来说明，例如要利用0.5级毫安表测电流、当选用15mA量程时，仪器的额定误差为：Nm=15mA×0.5%=0.075mA而选用30mA的量程时Nm=30mA×0.5%=0.15mA一般对于同一精度等级的表，量程越小额定误差越小。精度高的电表在刻度线盘上都附有反光镜，在读数时视线应垂直于标度盘表面，当指针在镜中的像与指针重合时，才可以读数。读数时，可以先读格数（注意要估读），然后换算成电压、电流值即可。在换算的过程中，有效数字要保留到电表额定误差的发生位。例如0.5级、15mA量程的毫安表额定误差为0.0754m4，这个额定误差的发生位在百分位，那么换算后的电流值就应该保留到百分位，例如10.00mA。2.九孔板和元件模块2图9实验用九孔板图10电位器模块九孔板面板上布满了由插孔构成的九宫格（图9），插孔可以用来插元件和导线，一个九宫格内5

5 【实验仪器】 本实验中需要用到的仪器包括直流电源、九孔板、元件模块、微安表，毫安表，电压表，导 线等。 1. 电表 本实验中，我们会用到电压表、毫安表、微安表。电表的额定误差可用公式 AmK% 计算，其 中 Am 为 m 档的量程，K 为该电表的精度等级。精度等级可以在表盘上的标识符号中读出，一般 分为 0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5 和 5.0 七个级别。在测绘伏安特性曲线时，除了要考虑电表的接 入所引起的系统误差外，还必须考虑电表本身的仪器额定误差。 以电流表为例来说明，例如要利用 0.5 级毫安表测电流、当选用 15mA 量程时，仪器的额定 误差为：  =  = I mA mA max 15 0.5% 0.075 而选用 30mA 的量程时  =  = I mA mA max 30 0.5% 0.15 一般对于同一精度等级的表，量程越小额定误差越小。 精度高的电表在刻度线盘上都附有反光镜，在读数时视线应垂直于标度盘表面，当指针在镜 中的像与指针重合时，才可以读数。读数时，可以先读格数（注意要估读），然后换算成电压、电 流值即可。在换算的过程中，有效数字要保留到电表额定误差的发生位。例如 0.5 级、15mA 量程 的毫安表额定误差为 0.0754mA ，这个额定误差的发生位在百分位，那么换算后的电流值就应该 保留到百分位，例如 10.00mA。 2. 九孔板和元件模块 图 9 实验用九孔板 图 10 电位器模块 九孔板面板上布满了由插孔构成的九宫格(图 9)，插孔可以用来插元件和导线，一个九宫格内