Diodenkennlinie messen

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Idee

Die Diodengleichung \(I = I_0 (e^{qV/k_BT} - 1)\) sagt eine exponentielle Kennlinie vorher. Wie sieht das in der Praxis aus? Wir messen die I-V-Charakteristik verschiedener Dioden mit dem PicoScope 3406D MSO und vergleichen mit der Theorie.

Dioden zum Testen

Diode	Typ	\(V_f\) typ.	Besonderheit
1N4148	Si Schaltdiode	0.7 V	Der Klassiker, schnell, günstig
1N4007	Si Gleichrichter	0.7 V	Langsamer, höhere Sperrspannung (1000V)
1N5819 (oder BAT54)	Schottky	0.3 V	Metall-Halbleiter statt pn, niedrigere \(V_f\)
BZX55C5V1	Zener 5.1V	0.7 V fwd	Kontrollierter Durchbruch bei 5.1V rückwärts
Rote LED	GaAsP/GaP	1.8 V	Direkter Halbleiter, \(V_f \approx E_g/q\)
Blaue LED	InGaN	3.0 V	Größere Bandlücke → höhere \(V_f\)

Notizen

Messaufbau

Einfachste Methode: Widerstandsmethode mit dem PicoScope

1. Signalgenerator (PicoScope AWG): Dreieck oder langsame Rampe, z.B. 0--5V
2. Vorwiderstand \(R\) (z.B. 1 kΩ) in Serie mit der Diode
3. Kanal A: Spannung über der Diode (\(V_D\))
4. Kanal B: Spannung über dem Widerstand (\(V_R\)) → Strom \(I = V_R / R\)
5. XY-Modus im PicoScope: X = \(V_D\), Y = \(I\) → direkte Kennlinie

Alternative: PicoScope Math-Kanal für \(I = (V_{gen} - V_D) / R\)

Was man sehen sollte

• 1N4148 vs. 1N4007: Beide ~0.7V, aber 4148 schärfere Kurve (weniger Rekombinationsstrom)
• Schottky vs. Si: Deutlich niedrigere Schwelle (~0.3V), aber gleiche exponentielle Form
• LED rot vs. blau: Schwelle proportional zur Bandlücke (1.8V vs. 3.0V)
• Zener rückwärts: Scharfer Durchbruch bei 5.1V, fast senkrechte Kennlinie
• Idealitätsfaktor: Aus der Steigung im halblogarithmischen Plot bestimmbar

Halblogarithmischer Plot

\(\ln(I)\) vs. \(V\) sollte eine Gerade ergeben mit Steigung \(q/(nk_BT)\). Abweichungen: - Bei niedrigen Strömen: Rekombinationsstrom (\(n \approx 2\)) - Bei hohen Strömen: Serienwiderstand (\(V\) fällt teilweise über \(R_s\) ab)

Weiterführendes

• pn-Übergang -- die Theorie dahinter
• pn-Übergang: Quantitativ -- Diodengleichung und Idealitätsfaktor
• Diskretes Transfergate -- auch mit PicoScope gemessen

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