【实验目的】
1．学会伏安特性测量的两种方法及其修正计算，根据接入误差大小合理设计实验电路。
【实验原理】
1．线性电阻与非线性电阻
宫灯制作
当一个元件两端加上电压U，元件内有电流I通过时，电压与电流的比值称为这个元件的电阻R。
线性电阻若元件两端的电压与通过它的电流成正比，即电压U与电流I的关系—伏安特性曲线为一直线，这类元件称为线性元件，其电阻R称为线性电阻。根据欧姆定律，显然有
（Ω橡胶抛光轮） (11-1)
图11-1 线性电阻的伏安特性曲线
一般金属导体的电阻都为线性电阻，其阻值与外加电压的大小和方向无关。其伏安特性曲线如图11-1所示，为过坐标原点的直线，直线斜率的倒数为其电阻值，它是不随电压变化的恒定值。非线性电阻 元件两端的电压与通过它的电流不成正比，即电压U与电流I的关系—伏安特性曲线不为直线，这类元件称为非线性元件，其电阻随电压不同而不同，具有这种性质的电阻称为非线性电阻。一般半导体元件和电真空器件都属非线性元件，其电阻为非线 性电阻。
2．半导体二极管的伏安特性
半导体二极管是非线性电阻的一种，其阻值不仅与外加电压大小有关，而且与电压方向有关，其伏安特性曲线如图11-2所示。半导体二极管具有上述性质是由其结构特点所决定的。它是由两块不同类型的半导体材料结合而成，如图11-3a所示，图11-3b是它的符号图。
一块P型半导体，一块N型半导体，在结合处形成所谓的P—N结。P—N结产生内电场，阻挡电流通过，当外加正向电压时(P区接高电位，N区接低电位)，削弱了内电场，形成较大的电流I，所以正向导电时，其电阻很小；当外加反向电压时(P区接低电位，N区接高电位)，则增加了内电场，只能形成较小的电流Ie，所以反向导电时，其电阻很大，这种特性称之为二极管的单向导电性。
图11-2 P—N结伏安特性曲线
μ
图11-3 P—N结
b
a
P—N结
半导体二极管的伏安特性除用图11-2特性曲线描绘外，也可用解析式 (11-2)
来表示。式中U为二极管两端外加电压；I为通过二极管的电流；Ie为反向饱和电流，当外加反向电压U为负值，且流过二极管的电流足够大时，(11-2)式变为
e是电子电荷，等于1.602×10-19 C；抑制的生活T为绝对温度，室温25℃时，T=273 +25=298K；(11-2)式中的k是玻耳兹曼常数，等于1.38×10-23 J/K，在室温25℃时
=25.7 mV (11-4)
把(11-2)式展开，移项，并取对数有
(11-5)
若测二极管的正向特性曲线，并取U为自变量，为因变量，则可用最小二乘法拟合回归直线，并可求出其斜率
如果令e为已知量，可求得玻耳兹曼常数k，反之亦然。
3．电表的连接和接入误差
用电压表(伏特表)和电流表(安培表)同时测量电阻时，其电路连接有两种方法，即内接法和外接法。
⑴ 内接法。内接法如图11-4所示，安培表在伏特表内。不难看出，安培表测量到的是流过待测电阻R的电流值，但是伏特表指示的却是待测电阻R和安培表的电压之和，即。设安培表的电阻(又称内阻)为rA，伏特表内阻为rV，则有
UR=U-UA=U-Ir高压阻尼线A (11-6)
若用伏特表指示值U代替电阻上的电压UR，所带来的系统误差为
(11-7)
只有满足安培表内阻rA远小于待测电阻R时，才能使ΔUR→0，系统误差可忽略，反之，若安培表内阻较大，ΔUR超过了电压表自身误差①。系统误差不能忽略，必须按(11-6)式计算UR值。
图11-5 外接法
① 电压表误差定义为ΔU=Um·K，式中Um为满量称电压值，K是电表级别。如满量程为10V，0.5级电压表，其误差ΔU=10×0.005=50mV。⑵ 外接法。外接法如图11-5所示，安培表在伏特表外。此时，伏特表如实地标出待测电阻R的电压值，但是安培表测量到的却是流经待测电阻和伏特表两路电流之和，因此流经真正待测电阻的电流为
IR=I-IV=I-UR/rV (11-8)
如果把安培表指数值I作为I微孔抛光镜面加工R，则带来的系统误差为
(11-9)
只有满足伏特表内阻远大于待测电阻的阻值时，才能使ΔIR→0，系统误差可忽略，反之，当伏特内阻rV比较小，ΔIR超过了安培表自身误差时，系统误差不能忽略，必须按式(11-8)计算IR值。
在测量电阻实验中，采用内接法还是外接法，是由实验条件决定的。显然，当＞时，采用内接法优于外接法，反之采用外接法较好。因此，比较式(11-7)和式(11-9)有
R＞ (11-10)
采用内接法
R＜ (11-11)
采用外接法
R～ (11-12)
两种接法可任意选择。简而言之，如果待测元件电阻值大，采用安培表内接较好，反之采用安培表外接好些。
【实验仪器】
稳压电源、安培表、伏特表、万用表、滑线变阻器、待测电阻和待测半导体二极管。
⑴ 测半导体二极管D的伏安特性曲线
1) 按图11-6接好电路，伏特表量程取3伏，电流表量程取30 mA，滑线变阻滑头C滑向B端，
经指导教师检查无误后接通电源。测量从0 V起，每隔0.05 V测一电流值，直到电流达30 mA左右为止。
图11-7 测线性电阻
2) 以电压为横坐标，电流为纵坐标，在直角坐标纸上标出数据点，绘出半导体二极管的正向伏安特性曲线。⑵ 测线性电阻R的伏安特性曲线
1) 以外接法测量电阻的伏安特性曲线。把实验内容⑴中的二极管去掉，电路不变接上待测电阻。
2) 从0 V起。每隔0.2 V测一电流值，直到电压为1.2 V止。
3) 画出外接法测得的二极管伏安特性曲线，通过作图法求出电阻值R外。
4) 以内接法测量电阻的伏安特性曲线，按图11-7连接电路。
5) 从0 V起。每隔0.2 V测一电流值，直到电压为1.2 V止。
6) 画出内接法测得的二极管伏安特性曲线，通过作图法求出电阻值R内。
⑶ 根据给定的待测线性电阻的标准值，分别求出内接法和外接法所测电阻的绝对误差，最后以
R=R测±ΔR
来表示测量结果。
【注意事项】
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。
【思考题】
1．伏欧特性曲线(V—R曲线)与伏安特曲线有何关系？线性电阻与非线性电阻的伏欧特性曲线各具有什么特性？
2．以(11-10)式和(8-11)式验证电路图是否合理。
3．计算ΔIR,、ΔU止推垫圈R是否在所用电表的误差范围内，相应如何处理实验数据。
4．实验中滑线变阻器W起何作用？
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