物理实验设计与应用物理实验设计与应用（高中）（高中）朱炯明朱炯明上海师范大学上海师范大学 数理信息学院数理信息学院我们的实验室我们的实验室物理实验设计与应用物理实验设计与应用三三 非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用四四 温度传感器的温度特性测量及应用温度传感器的温度特性测量及应用五五 光敏传感器的光电特性测量及应用光敏传感器的光电特性测量及应用 三三非线性元件伏安特性非线性元件伏安特性 发光二极管发光二极管l 目的要求目的要求l 实验仪器实验仪器l 实验原理实验原理l 实验内容实验内容l 思考题思考题目的要求目的要求 掌掌握握非非线线性性元元件件伏伏安安特特性性的的测测量量方方法法、基基本本电电路路、误差计算误差计算 掌掌握握普普通通二二极极管管、稳稳压压二二极极管管、发发光光二二极极管管的的基基本本特特性性。准准确确测测量量其其正正向向导导通通阈阈值值电电压压、反反向向击击穿穿电电压压，根根据据发发光光二二极极管管的的正正向向工工作作电电压压估估算算出出它的它的峰值波长峰值波长 画出以上三种元件的画出以上三种元件的伏安特性曲线伏安特性曲线实验仪器实验仪器非线性元件伏安特性实验仪非线性元件伏安特性实验仪 的组成：的组成：l 直流稳压电源直流稳压电源l 数字电压表数字电压表l 数字电流表数字电流表l 可变电阻器可变电阻器l 普通二极管、稳压二极管、发光二极管普通二极管、稳压二极管、发光二极管l 待测电阻待测电阻 等等实验原理实验原理1. 伏安特性伏安特性2. 半导体二极管半导体二极管3. 稳压二极管稳压二极管4. 发光二极管发光二极管 ( LED )1. 伏安特性伏安特性 (1)（1）给给一一个个元元件件通通以以直直流流电电，用用电电压压表表测测出出元元件件两两端端的的电电压压，用用电电流流表表测测出出通通过过元元器器件件的的电电流流。以以电电压压为为横横坐坐标标、电电流流为为纵纵坐坐标标，画画出出电电流流和和电电压压的的关关系系曲曲线线，称称为为该该元元件件的的伏伏安安特特性性曲曲线线。这这种种研研究究元元件特性的方法称为件特性的方法称为伏安法伏安法UI01. 伏安特性伏安特性 (2)（2）伏伏安安特特性性曲曲线线为为直直线线的的元元件件称称为为线线性性元元件件，如如电阻电阻（3）伏安特性曲线为）伏安特性曲线为非直线非直线的元件称为的元件称为非线性元件非线性元件， 如二极管、三极管等如二极管、三极管等UI0UI01. 伏安特性伏安特性 (3)（4）伏安法的）伏安法的主要用途主要用途是测量研究线性和非线性元是测量研究线性和非线性元件的电特性件的电特性（5）有些元件伏安特性除了与电压、电流有关，还）有些元件伏安特性除了与电压、电流有关，还与某一物理量的变化呈规律性变化，例如与某一物理量的变化呈规律性变化，例如温度温度、光光照度照度、磁场强度磁场强度等，这就是各种物理量的传感元件等，这就是各种物理量的传感元件1. 伏安特性伏安特性 (4)根据欧姆定律，电阻根据欧姆定律，电阻 R、电压电压 U、电流电流 I, 关系为关系为 R = U / I l 由电压表和电流表的示值计算可得待测元件的阻值由电压表和电流表的示值计算可得待测元件的阻值l 非非线线性性元元件件的的 R 是是一一个个变变量量，分分析析它它的的阻阻值值必必须须指指出其出其工作电压工作电压（或（或电流电流）l 非线性元件的电阻有两种方法表示非线性元件的电阻有两种方法表示 RD 静态电阻静态电阻（或称为直流电阻）（或称为直流电阻） rD 动动态态电电阻阻，等等于于工工作作点点附附近近的的电电压压改改变变量量与与电流改变量电流改变量之比之比1. 伏安特性伏安特性 (5) 图中图中 Q 点的点的 静态电阻静态电阻 RD = UQ / IQ 动态电阻动态电阻 rD = U / IUI0IQUQIQU2. 半导体二极管半导体二极管l 半导体二极管半导体二极管是一种常用的是一种常用的非线性元件非线性元件l 由由 P 型、型、N 型半导体材料制成型半导体材料制成 PN 结结l 经欧姆接触引出电极封装经欧姆接触引出电极封装l 两个电极分别为两个电极分别为正极正极、负极负极l 二极管的结构二极管的结构l 电路图中的常用符号电路图中的常用符号2. 半导体二极管半导体二极管 二极管的电流二极管的电流 I 和电压和电压 U 满足下式满足下式 I = Is(e qU/kT 1) 在常温条件下，且在常温条件下，且 U 0.1V 时，可近似为时，可近似为 I = Ise qU/kT l q = 1.602 10 -19 C 电子电量电子电量l k = 1.381 10 -23 J/K 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数l T 绝对温度绝对温度l Is 反向饱和电流反向饱和电流l e = 2.71828 自然常数自然常数2. 半导体二极管半导体二极管二极管的主要特点是二极管的主要特点是单向导电性单向导电性 伏安特性曲线伏安特性曲线UD正向导通阈值电压正向导通阈值电压Is 反向饱和电流反向饱和电流 UB 反向击穿电压反向击穿电压2. 半导体二极管半导体二极管F 正向电压和反向电压较小时，电流都较小正向电压和反向电压较小时，电流都较小F 正向电压加大到某一数值正向电压加大到某一数值 UD 时，正向电流明显增大时，正向电流明显增大F 随随着着电电压压加加大大，电电流流急急剧剧增增大大，伏伏安安曲曲线线趋趋近近一一直直线线，将将此此段段直直线线反反向向延延长长与与横横轴轴相相交交，交交点点UD称称做做正正向向导导通通阈值电压阈值电压 硅二极管硅二极管 UD = 0.6 0.8 V，锗二极管锗二极管 UD = 0.2 0.3 VF 反反向向电电压压较较大大时时，电电流流趋趋近近极极限限值值 Is ，反反向向饱饱和和电电流流F 反反向向电电压压超超过过某某一一数数值值 UB 时时，电电流流急急剧剧增增大大，这这种种情况称做情况称做击穿击穿，UB 称做称做反向击穿电压反向击穿电压2. 半导体二极管半导体二极管 主要参数主要参数l 正向导通阈值电压正向导通阈值电压 UDl 最大整流电流最大整流电流 If 即二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流即二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流 l 最大反向电压最大反向电压 Ubr 一般取反向击穿电压一般取反向击穿电压 UB 的一半的一半l 反向电流反向电流 Ir 在漏电流可以忽略时，是反向饱和电流在漏电流可以忽略时，是反向饱和电流 Is 的额定值的额定值 2. 半导体二极管半导体二极管 应用：（二极管具有单向导电性）常用于应用：（二极管具有单向导电性）常用于l 整流整流l 检波检波l 限幅限幅l 元件保护元件保护l 以及在数字电路中作为开关元件以及在数字电路中作为开关元件 等等3 稳压二极管稳压二极管 稳稳压压二二极极管管是是一一种种特特殊的半导体二极管殊的半导体二极管l 符号符号l 伏安特性曲线伏安特性曲线3 稳压二极管稳压二极管l 正向伏安特性曲线与普通二极管的类似正向伏安特性曲线与普通二极管的类似l 只只是是达达到到反反向向击击穿穿电电压压之之后后，在在稳稳压压值值附附近近一一个个很很宽宽的的电电流流范范围围内内（如如图图中中的的 Imin Imax 段段），伏伏安安特特性性曲曲线线十十分分陡陡直直，在在这这个个区区域域内内，改改变变外外加加电电压压，仅仅引引起起通通过过稳稳压压二二极极管管的的电电流流变变化化，而而稳稳压压管管的的端端电压电压将维持将维持恒定恒定，一般取电流，一般取电流所对应的电压值所对应的电压值Uw作为稳压二极管的作为稳压二极管的稳压值稳压值 3 稳压二极管稳压二极管l 稳稳压压二二极极管管工工作作在在反反向向击击穿穿区区。与与一一般般二二极极管管不不同同，稳稳压压管管的的反反向向击击穿穿是是可可逆逆的的，即即去去掉掉反反向向电电压压，稳稳压压管管又又恢恢复复正正常常。当当然然，如如果果反反向向电电流流超超过过允允许许范围，稳压管同样会因热击穿而烧坏范围，稳压管同样会因热击穿而烧坏l 稳稳压压二二极极管管的的主主要要参参数数： 稳稳定定电电压压 Uw、动动态态电电阻阻 rD，最小稳定电流最小稳定电流 Imin和最大稳定电流和最大稳定电流 Imax等等l 稳压二极管经常用在稳压二极管经常用在 稳压、恒流稳压、恒流 等电路中等电路中 4 发光二极管发光二极管(LED)l 由由 III-V 族化合物，如：族化合物，如： GaAs（砷化镓）、砷化镓）、GaP（磷化镓）、磷化镓）、 GaASP（磷砷化镓）等磷砷化镓）等 半导体材料制成半导体材料制成l 核心是核心是 PN 结结，具有一般，具有一般 PN 结的伏安特性结的伏安特性 即：即： 正向导通正向导通、反向截止反向截止、击穿击穿特性特性l LED 的表示符号，如图的表示符号，如图 4（a）l 工作的基本原理，工作的基本原理， 如图如图 4（b） 4 发光二极管发光二极管(LED)l LED 的表示符号的表示符号l LED工作的基本原理工作的基本原理 4 发光二极管发光二极管(LED)l 具有具有发光特性发光特性，工作的基本原理：，工作的基本原理： 在正向电压下在正向电压下 电子由电子由 N 区注入区注入 P 区，空穴由区，空穴由 P 区注入区注入 N 区区 进入进入 P 区的电子和区的电子和 P 区的空穴复合区的空穴复合 进入进入 N 区的空穴和区的空穴和 N 区的电子复合区的电子复合 以发光的形式辐射出多余的能量以发光的形式辐射出多余的能量 发光仅在靠近发光仅在靠近 PN 结面结面 数数m 以内产生以内产生 4 发光二极管发光二极管(LED)光的峰值波长光的峰值波长与发光区域的半导体与发光区域的半导体禁带宽度禁带宽度 Eg 有关有关即即 1240/ /Eg(nm)l Eg 的单位为电子伏特（的单位为电子伏特（eV）l 若能产生的可见光波长在若能产生的可见光波长在 380nm(紫紫)780nm(红）红） 半导体材料的半导体材料的 Eg 应在应在 3.261.63 eV 之间之间l 目前已有目前已有 红外、红、黄、绿、白、蓝光等发光二极管红外、红、黄、绿、白、蓝光等发光二极管 ( 比红光波长长的光为红外光比红光波长长的光为红外光 ) 4 发光二极管发光二极管(LED)发光二极管发光二极管 (LED) 的主要参数：的主要参数： 最大正向电流最大正向电流 IFm：允许的最大正向直流电流，：允许的最大正向直流电流， 超过此值超过此值 LED 损坏损坏 正向工作电流正向工作电流 IF：正常发光时的正向电流值：正常发光时的正向电流值 在实际使用中应根据亮度需要选择在实际使用中应根据亮度需要选择 IF 在在 0.6 IFm以下以下 正正向向工工作作电电压压 VF：参参数数表表中中给给出出的的工工作作电电压压是是在在给给定定的的正正向向电电流流下下测测得得的的，一一般般是是在在 IF = 20 mA 时时测得的，在测得的，在 1.43 V4 发光二极管发光二极管(LED) 最大反向电压最大反向电压 VRm：允许的最大反向电压：允许的最大反向电压 超过此值超过此值 LED 可能被击穿损坏可能被击穿损坏 允允许许功功耗耗 Pm：允允许许加加在在 LED 两两端端正正向向直直流流电电压压与与 流过它的电流之积的最大值流过它的电流之积的最大值 超过此值超过此值 LED 发热损坏发热损坏 伏安特性：图伏安特性：图 5 表示表示 光光谱谱分分布布和和峰峰值值波波长长：某某一一个个 LED 所所发发的的光光并并不是单一波长，其波长大体按图不是单一波长，其波长大体按图 6 所示所示 4 发光二极管发光二极管(LED)由图由图4 发光二极管发光二极管(LED)l 峰值波长峰值波长：LED 所发之光中某一波长所发之光中某一波长0 的的光强最大光强最大l 光谱半宽度光谱半宽度：1/ /2 峰值峰值光强所对应两波长之光强所对应两波长之间隔间隔 表示表示 LED 的的光谱纯度光谱纯度（ 发光强度发光强度 IV、半值角半值角1/2 和和 视角等指标也很重要视角等指标也很重要但本实验不作研究但本实验不作研究 ）实验内容实验内容实验实验1(a) 限流和分压电路实验限流和分压电路实验实验实验1(b) 限流和分压电路实验限流和分压电路实验实验实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性测量普通二极管的正向、反向伏安特性实验实验3 测量稳压二极管的正向、反向伏安特性测量稳压二极管的正向、反向伏安特性实验实验4 测量发光二极管的正向、反向伏安特性测量发光二极管的正向、反向伏安特性实验实验1(a) 限流和分压电路实验限流和分压电路实验用伏安法测量电阻阻值，了解电阻分压电路原理用伏安法测量电阻阻值，了解电阻分压电路原理分压电阻分压电阻 Rx1可调，分压保护电阻可调，分压保护电阻 R2限流电阻限流电阻 Rx2可调，限流保护电阻可调，限流保护电阻 R3待测电阻待测电阻 R1CA5VRx1R2BAR3Rx2R1V实验实验1(a) 限流和分压电路实验限流和分压电路实验 Rx1= 0 - 1K可调，可调， R2 =100 Rx2= 0 - 1K可调，可调， R3 =100待测电阻待测电阻 R1100CA5VRx1R2BAR3Rx2R1V实验实验1(a) 限流和分压电路实验限流和分压电路实验l 调节调节 Rx1 ，测量测量UCA ，记录电压记录电压UCA变化范围变化范围l 调节调节 Rx2 ，测量测量 I ， 记录电流记录电流 I 变化范围变化范围l 用伏安法测量待测电阻的阻值，即用伏安法测量待测电阻的阻值，即 R1= UR1 / ICA5VRx1R2BAR3Rx2R1V实验实验1(b) 限流和分压电路实验限流和分压电路实验用分压、限流原理使原用分压、限流原理使原 0 - 2V 的数字电压表的数字电压表 能测试能测试 0 - 20V 的电压的电压 图中：图中：R1 = 900 KR2 = 100 K0-2V0-20VR2R10-2V数字电压表实验实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性测量普通二极管的正向、反向伏安特性正向特性：正向特性：l 电压从最小开始调节，观察正向电流电压从最小开始调节，观察正向电流l 当开始有正向电流时，即当开始有正向电流时，即很慢很慢地调节地调节 Rx1 使电压使电压 缓慢变化缓慢变化l 正向电流达到正向电流达到 10mA 时实验结束时实验结束l 记录记录 I U 关系数据关系数据l 在作图纸上描出正向伏安特性曲线在作图纸上描出正向伏安特性曲线实验实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性测量普通二极管的正向、反向伏安特性R1CA5VRx1R2BAR3Rx2V实验实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性测量普通二极管的正向、反向伏安特性 Rx1= 0 - 1K可调，可调， R2 =100 Rx2= 0 - 1K可调，可调， R3 =100 D 正向正向CA5VRx1R2BAR3Rx2VD正向实验实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性测量普通二极管的正向、反向伏安特性反向击穿特性：反向击穿特性：l 电压从最小开始调节，观察反向电流电压从最小开始调节，观察反向电流l 当反向电流开始增大时必须特别注意，立即用电当反向电流开始增大时必须特别注意，立即用电 压微调开始压微调开始慢慢调节慢慢调节并注意观察反向电流并注意观察反向电流l 当反向电流有当反向电流有突变突变趋势并趋势并20mA时，必须立即时，必须立即调调 小电压小电压，否则二极管有可能被烧坏，否则二极管有可能被烧坏l 记录数据，并在图纸上描出反向伏安特性曲线记录数据，并在图纸上描出反向伏安特性曲线l 注意限流保护，反向击穿电压最高做到注意限流保护，反向击穿电压最高做到 24Vl 正、反向分二次做正、反向分二次做实验实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性测量普通二极管的正向、反向伏安特性VCA5VRx1R4BAR5Rx2D正向实验实验2 测量普通二极管的正向、反向伏安特性测量普通二极管的正向、反向伏安特性 Rx1= 0 - 1K可调，可调， R4 =100 Rx2= 0 - 1K可调，可调， R5 =1 K D 反向反向CA5VRx1R4BAR5Rx2D反向V实验实验3 测量稳压二极管的正向、反向伏安特性测量稳压二极管的正向、反向伏安特性正向特性：正向特性：l 电压从最小开始调节，观察正向电流电压从最小开始调节，观察正向电流l 当开始有正向电流时，即当开始有正向电流时，即很慢很慢地调节地调节 Rx1 使电压使电压 缓慢变化缓慢变化l 正向电流达到正向电流达到 10mA 时实验结束时实验结束l 记录记录 I U 关系数据关系数据l 在作图纸上描出正向伏安特性曲线在作图纸上描出正向伏安特性曲线实验实验3 测量稳压二极管的正向、反向伏安特性测量稳压二极管的正向、反向伏安特性反向击穿特性（稳压特性）：反向击穿特性（稳压特性）：l 测出反向电流达测出反向电流达 10 mA 时稳压二极管的时稳压二极管的 反向击穿电压（稳定电压）反向击穿电压（稳定电压）l 用伏安法求出稳压二极管的动态电阻用伏安法求出稳压二极管的动态电阻 说明动态电阻的大小对稳压特性的影响说明动态电阻的大小对稳压特性的影响l 记录数据，并在作图纸上描出反向伏安特性曲线记录数据，并在作图纸上描出反向伏安特性曲线 实验实验4 测量发光二极管的正向、反向伏安特性测量发光二极管的正向、反向伏安特性发发光光二二极极管管的的正正向向伏伏安安特特性性与与一一般般二二极极管管相相似似，它它的导通电压即为发光二极管的点亮电压的导通电压即为发光二极管的点亮电压它它的的峰峰值值波波长长与与半半导导体体材材料料禁禁带带宽宽度度Eg有有关关，故故不不同同材材料料制制成成的的发发光光二二极极管管会会发发出出不不同同峰峰值值波波长长的的光光，且导通电压也会因半导体材料禁带宽度不同而不同且导通电压也会因半导体材料禁带宽度不同而不同本本实实验验提提供供红红、黄黄、绿绿三三种种发发光光二二极极管管，分分别别测测出出它它们们的的导导通通电电压压，并并根根据据导导通通电电压压估估算算出出它它们们的的峰峰值波长值波长实验实验4 测量发光二极管的正向、反向伏安特性测量发光二极管的正向、反向伏安特性正向特性正向特性l 电压从最小开始调节，观察正向电流电压从最小开始调节，观察正向电流l 当当开开始始有有正正向向电电流流时时即即用用电电压压微微调调调调节节电电压压，记记下下它们导通电压（点亮电压）它们导通电压（点亮电压）l 正向电流达到正向电流达到 10mA 时结束时结束( 正向电流最大不能超过正向电流最大不能超过20mA，否则否则LED可能烧坏可能烧坏 )l 在作图纸上描出正向伏安特性曲线在作图纸上描出正向伏安特性曲线实验实验4 测量发光二极管的正向、反向伏安特性测量发光二极管的正向、反向伏安特性反向击穿特性反向击穿特性当当反反向向电电流流开开始始增增大大时时必必须须特特别别注注意意，立立即即用用电电压压微微调调开开始始慢慢慢慢调调节节并并注注意意观观察察反反向向电电流流，当当反反向向电电流流有有突突变变趋趋势势并并 5mA 时时必必须须立立即即调调小小电电压压，否否则则发发光光二二极极管管有有可可能能被被烧烧坏坏。在在作作图图纸纸上上描描出出反反向向伏伏安特性曲线安特性曲线 ( 注意限流保护，正、反向分二次做注意限流保护，正、反向分二次做 ) 思考题思考题1. 为为什什么么测测量量二二极极管管正正、反反向向特特性性时时电电压压表表的的接接法法不不同同？为为什什么么 Rx2 和和 Rx4 的的保保护护电电阻阻选选择择的的值值也也不不一一样？样？2. 什么是静态电阻和动态电阻，说明二者区别？什么是静态电阻和动态电阻，说明二者区别？3. PN结结正正向向伏伏安安特特性性曲曲线线的的函函数数形形式式可可能能是是什什么么类类型型？写写出出其其标标准准形形式式。从从实实验验数数据据求求出出二二极极管管（PN结）结）I U 关系的经验公式。关系的经验公式。4. 设设计计一一种种方方法法，判判断断红红、绿绿、蓝蓝三三基基色色发发光光二二极极管管各自发光的波长范围。各自发光的波长范围。模拟试题模拟试题1. 用用直直流流电电桥桥法法测测量量电电阻阻时时，若若四四个个桥桥臂臂上上各各有有一一个个电电阻阻，从从左左下下角角开开始始，逆逆时时针针用用 R1、R2、R3、R4 符符号号来来表表示示，被被测测电电阻阻为为R4，当当电电桥桥达达到到平平衡衡时时，被测电阻被测电阻R4 等于（等于（ ）。）。（A）R3R1/R2 （B）R2/R3R1 （C）R2R3/R1 （D）R2R1/R3 C模拟试题模拟试题2. 伏伏安安特特性性曲曲线线是是指指该该电电学学元元件件上上电电流流和和电电压压的的关关系系曲曲线线，按按其其是是直直线线还还是是曲曲线线，可可把把元元件件分分成成为为线线性性元元件件或或非非线线性性元元件件，下下面面属属于于线线性性元元件件的的是是 ( )。（A）二极管）二极管 （B）三极管）三极管（C）光敏电阻）光敏电阻（D）发光二极管）发光二极管C 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！