Diodenkennlinie messen
Work in Progress -- der Artikel wächst weiter: 1N457, 1N4148, 1N4001 und diverse LEDs kommen noch dazu.
Die Diodengleichung
sagt eine exponentielle Vorwärtskennlinie und einen winzigen, nahezu konstanten Sperrstrom vorher. Wie gut hält das in der Praxis? Wir messen die I-V-Charakteristik einer 1N4004 (Si-Gleichrichter, 400 V / 1 A) mit einer Rohde & Schwarz NGU411 Source-Measure-Unit (SMU) und vergleichen mit der Theorie -- vorwärts und rückwärts.
Messaufbau: SMU statt Widerstandsmethode
Eine SMU stellt eine Spannung ein und misst gleichzeitig den Strom -- genau das, was man für eine Kennlinie braucht. Die eingestellte Strombegrenzung (compliance) schützt das Bauteil.
Gesteuert wird der NGU411 über LAN per SCPI (tools/ngu411_sweep.py): Spannung in kleinen Schritten rampen, pro Punkt mehrfach mitteln, CSV schreiben. Kein Vorwiderstand, keine Umrechnung -- \(V\) und \(I\) kommen direkt aus dem Gerät.
Die klassische Widerstandsmethode (Rampe vom Funktionsgenerator, Vorwiderstand, Scope misst \(V_D\) und \(V_R\)) geht auch und ist als Vergleich geplant:
So funktioniert die Widerstandsmethode
Die Idee: ein Vorwiderstand \(R\) in Serie zur Diode wandelt den Strom in eine messbare Spannung um. Ein Funktionsgenerator (z.B. der AWG des PicoScope) legt eine langsame Rampe oder ein Dreieck \(V_{gen}\) an, und das Oszilloskop misst zwei Spannungen gleichzeitig:
- Kanal A: die Diodenspannung \(V_D\),
- Kanal B: die Spannung über dem Widerstand \(V_R\) -- daraus der Strom \(I = V_R / R\).
Wegen \(V_{gen} = V_D + I\,R\) ist \(I = (V_{gen} - V_D)/R\). Im XY-Modus (X \(= V_D\), Y \(= I\)) zeichnet das Scope die Kennlinie dann in Echtzeit, während die Rampe durchläuft -- man "sieht" die Diode arbeiten.
Lastgerade. Bei festem \(V_{gen}\) ist \(I = (V_{gen} - V_D)/R\) eine Gerade im I-V-Diagramm (Steigung \(-1/R\)). Der Arbeitspunkt ist ihr Schnittpunkt mit der Diodenkennlinie; die Rampe verschiebt die Gerade und fährt den Arbeitspunkt so die Kurve entlang. Die Wahl von \(R\) ist ein Kompromiss: großes \(R\) begrenzt den Strom (sicher), liefert aber bei kleinen Strömen nur ein winziges \(V_R\).
SMU vs. Scope. Die SMU ist präzise und geschützt (Compliance) und löst sogar nA-Leckströme auf -- dafür Punkt für Punkt. Die Widerstandsmethode ist billig, schnell und anschaulich (Live-Kurve im XY-Modus), aber weniger genau, ohne echte Strombegrenzung, und der gemeinsame Massebezug beider Kanäle will sauber verdrahtet sein. Den nA-Sperrstrom der 1N4004 bekäme man damit nicht zu sehen.
Vorwärtskennlinie: 1N4004
Sweep \(0 \dots 0{,}85\ \text{V}\) in 5-mV-Schritten:
| \(V_D\) | \(I\) |
|---|---|
| 0,29 V | 0,6 µA |
| 0,39 V | 9 µA |
| 0,49 V | 0,12 mA |
| 0,59 V | ~1 mA |
| 0,69 V | 7 mA |
| 0,79 V | 36 mA |
| 0,81 V | 50 mA |
Das klassische Bild: unter ~0,5 V praktisch kein Strom, dann der exponentielle Anstieg, das „Knie" bei rund 0,6 V ≈ 1 mA. Zwei Details, die von der idealen Theorie abweichen:
- Idealitätsfaktor. Im halblogarithmischen Plot liegt die Steigung bei ~110--120 mV/Dekade statt der idealen 60 mV/Dekade (300 K) -- also \(n \approx 1{,}8\text{--}2\). Das ist typisch für einen Gleichrichter: im mittleren Strombereich trägt Rekombinationsstrom in der Raumladungszone bei (\(n \to 2\)), nicht nur der Diffusionsstrom (\(n = 1\)).
- Serienwiderstand. Bei hohem Strom knickt die Kurve ab: am Sweep-Ende liegen zwar 0,85 V gesetzt an, an der Diode aber nur 0,81 V -- die Differenz fällt über dem Bahn- und Zuleitungswiderstand \(R_s\) ab (~0,7 Ω bei 50 mA).
Der Sperrstrom -- und die Messbereichs-Falle
Spannend wird die Rückwärtsrichtung. Weil der NGU411 vier Quadranten kann, müssen wir nichts umstecken -- eine negative Quellspannung sperrt die noch vorwärts angeschlossene Diode. Zwei Dinge vorweg:
- Der NGU411 macht max. ±20 V, die 1N4004 ist auf 400 V spezifiziert. Wir sehen also keinen Durchbruch, nur den Sperr-/Leckstrom \(I_R\).
- Dieser Leckstrom ist winzig -- erwartet im nA-Bereich. Und genau da wurde es lehrreich.
Erster Versuch -- Autorange. Mit automatischer Messbereichswahl kam Unsinn heraus: Werte zwischen 10 und 65 nA, ohne erkennbaren Zusammenhang mit der Spannung, mit Vorzeichenwechseln und einzelnen Ausreißern (−92 nA). Bei 0 V „floss" angeblich 65 nA -- wo null sein muss. Das war nicht die Diode, das war das Messgerät: nach dem 50-mA-Vorwärtssweep parkt die Autorange-Logik auf einer viel zu groben Stufe, und die Bereichsumschaltungen erzeugen die Glitches.
Zweiter Versuch -- Bereich fest auf 10 µA (die empfindlichste Stufe des NGU411, --irange 1e-5), dazu mehr Mittelung und längere Einschwingzeit:
Jetzt eine glatte, monoton steigende Kurve von ~1,6 nA bei −0,5 V auf ~11 nA bei −20 V -- glitchfrei, vorzeichenrein. Der Anstieg ist sublinear (20× Spannung → nur ~5× Strom), wie es Generationsstrom in der mit der Sperrspannung wachsenden Raumladungszone (\(I_R \propto \sqrt{U_\text{bi}+U_R}\)) erwarten lässt -- nicht der lineare Verlauf eines ohmschen Oberflächen-Lecks.
Messtechnik-Lektion. Bei Kleinsignalmessungen entscheidet die Bereichswahl über alles. Autorange ist bequem, parkt aber bei kleinen Strömen gern auf einer groben Stufe, deren Rauschboden (hier zig nA) das echte Signal (hier wenige nA) komplett verdeckt -- inklusive falscher „Glitches" beim Umschalten. Bereich fest auf die kleinste passende Stufe, mitteln, einschwingen lassen.
Mit ~11 nA bei 20 V liegt der Leckstrom rund 450× unter dem Datenblatt-Maximum (5 µA bei Nennsperrspannung/25 °C). Die Diode sperrt also exzellent. Wer den Leckstrom größer sehen will: Diode erwärmen (\(I_R\) verdoppelt sich grob alle ~10 °C) -- bei ~80 °C kommt man in einen Bereich, den die 10-µA-Stufe bequem auflöst. Den Durchbruch sieht man nur mit einer Hochspannungsquelle oder gleich an einer Zener-Diode.
Schottky im Vergleich: SB560
Dieselbe Messung mit einer SB560 (Schottky, 60 V / 5 A) zeigt, dass „Diode" nicht gleich „0,7-V-Silizium" ist.
Vorwärts -- das niedrigere Knie. Die SB560 erreicht dieselben Ströme rund 0,3--0,5 V früher:
| Strom | SB560 (Schottky) | 1N4004 (Si) |
|---|---|---|
| 1 mA | ~0,19 V | ~0,59 V |
| 10 mA | ~0,26 V | ~0,72 V |
| 50 mA | ~0,32 V | ~0,81 V |
Der Metall-Halbleiter-Übergang leitet per thermionischer Emission -- im halblogarithmischen Plot misst man n ≈ 1,0 (sehr nah am Ideal), gegenüber n≈1,8--2 der 1N4004. (Am Sweep-Ende läuft die SB560 ab ~0,32 V in die 50-mA-Strombegrenzung; der flache „Schwanz" ist nur die greifende Compliance.)
Rückwärts -- der Preis dafür. Schottky-Dioden erkaufen das niedrige Knie mit deutlich höherem Sperrstrom. Auf der 1-mA-Stufe gemessen steigt \(I_R\) glatt von ~1 µA bei −0,5 V auf ~3,3 µA bei −20 V -- rund 300× mehr als die 11 nA der 1N4004:
Das ist der klassische Schottky-Kompromiss: niedrige Flussspannung und hohe Geschwindigkeit, dafür höherer Leckstrom und (hier 60 V) eine kleinere Sperrspannung als ein Si-Gleichrichter.
Zener: der kontrollierte Durchbruch
Was die 1N4004 nicht zeigen konnte -- den Durchbruch -- liefert eine 1N5229B (4,3-V-Zener): ihre Durchbruchspannung liegt bequem im ±20-V-Fenster der SMU.
Bis ~4 V praktisch nur Leckstrom (nA → µA), dann ein scharfer Knick bei ~4,3 V: der Strom schießt hoch, und die SMU klemmt ihn auf die eingestellten 20 mA. Die Spannung bleibt dabei bei \(V_Z \approx 4{,}45\ \text{V}\) stehen -- die „vertikale" Zener-Kennlinie, an der man eine Spannungsreferenz festmacht (Messwert im 4,3-V-±5-%-Fenster des Typs).
Eine zweite Messtechnik-Falle -- und fast ein Totalschaden. Die NGU411 ist eine Vierquadranten-SMU mit zwei getrennten Stromgrenzen: einer positiven (SOUR:CURR) und einer negativen (SOUR:CURR:NEG). Der Durchbruchstrom fließt negativ -- ein nur positiv gesetztes 20-mA-Limit greift dann nicht. Im ersten Versuch flossen so ~830 mA (≈5 W) durch einen 500-mW-Typ, bevor wir abbrachen. Erst das symmetrisch gesetzte negative Limit klemmt sauber bei 20 mA (die Diode hat's überlebt). Merke: bei einer Vierquadranten-Quelle die Strombegrenzung für beide Polaritäten setzen.
Verschiedene Dioden (in Arbeit)
Die 1N4004 ist der Anfang. Spannend wird der Vergleich über Bauarten und Bandlücken:
| Diode | Typ | \(V_f\) typ. | Was man erwartet |
|---|---|---|---|
| 1N4148 | Si-Schaltdiode | 0,7 V | schärfere Kurve, näher an \(n=1\) |
| 1N4004 | Si-Gleichrichter | 0,7 V | gemessen ✓ |
| SB560 | Schottky (60 V) | 0,3--0,4 V | gemessen ✓ -- niedriges Knie, \(I_R\) ~µA |
| 1N5229B | Zener 4,3 V | 0,7 V fwd | gemessen ✓ -- \(V_Z\) ≈ 4,45 V @ 20 mA |
| LED rot | AlGaInP | ~1,8 V | \(V_f \approx E_g/q\) |
| LED blau | InGaN | ~3,0 V | größere Bandlücke → höheres \(V_f\) |
Lohnt sich die LED-Reihe? Ja -- und zwar als der anschaulichste Teil. Die Schwellspannung einer LED liegt nahe \(V_f \approx E_g/q\), und die Bandlücke \(E_g\) legt zugleich die Emissionsfarbe fest. Misst man rot → gelb → grün → blau → weiß, steigt das Knie sichtbar mit der Photonenenergie: ein direkt messbarer Zusammenhang zwischen Kennlinie, Bandlücke und Farbe (Details im LED-Artikel). Schottky (SB560) und Zener zeigen umgekehrt, dass „Diode" nicht gleich „pn-Diode mit 0,7 V" ist. Reverse misst man bei LEDs allerdings nicht aus -- sie vertragen nur wenige Volt Sperrspannung.
Wofür man sie nimmt
Jede Diode ist ein Kompromiss, optimiert für einen Job -- und genau die gemessene Kennlinie ist der Grund dafür. (Bezugsquellen als Such-Links; gängige Teile gibt's bei vielen Anbietern.)
1N4004 -- der Arbeitsesel (Si-Gleichrichter, 400 V / 1 A). Netzteil-Gleichrichtung (Brückengleichrichter AC→DC) und vor allem Freilaufdiode über Spulen, Relais und Motoren: Schaltet man den Strom durch eine Induktivität ab, fängt sie den Spannungsspike ab. Dazu Verpolschutz. Hohe Sperrspannung und robust -- aber durch die träge Sperrerholung langsam, nichts für hohe Frequenzen. Die 1N4001 ist dieselbe Familie mit nur 50 V Sperrspannung. Mouser · DigiKey
1N4148 / 1N457 -- die schnelle Signaldiode. Klein, schnell (winzige Kapazität, ~4 ns Sperrerholung), scharfes n≈1-Knie. Einsatz: Signal-Schalten und -Steuern, Klemmdioden (einen Knoten auf eine Schiene begrenzen), Spitzenwert-/Hüllkurvendetektor (z.B. AM-Demodulation), kleine Logik- und Spike-Aufgaben. Kein Leistungsteil -- dafür präzise und flink. 1N4148: Mouser · DigiKey — 1N457: Mouser · DigiKey
SB560 -- die verlustarme Schottky. Das niedrige Knie (~0,3 V) bedeutet wenig Verlust, und ohne Reverse-Recovery ist sie sehr schnell. Darum die Freilauf- und Gleichrichterdiode in Schaltreglern und H-Brücken (Effizienz!) -- auch in Motortreibern -- sowie verlustarmer Verpolschutz. Der Preis, den wir gemessen haben: mehr Leckstrom (µA statt nA) und kleinere Sperrspannung. Mouser · DigiKey
1N5229B -- die Referenz (Zener 4,3 V). Wird absichtlich im Durchbruch betrieben: das flache Plateau, das wir gemessen haben, hält die Spannung ~konstant, egal wie der Strom schwankt. Einsatz: einfache Spannungsreferenz/-stabilisierung, Pegelbegrenzung, Überspannungsschutz. Mouser · DigiKey
LEDs (folgen). Vorwärts-Injektion erzeugt Photonen -- Anzeige, Beleuchtung, IR-Fernbedienung/Optokoppler. Und weil \(V_f \approx E_g/q\), taugen sie sogar als grobe Spannungsreferenz; genau diesen Zusammenhang Bandlücke ↔ Farbe ↔ Spannung messen wir als Nächstes.
Weiterführendes
- pn-Übergang -- die Theorie dahinter
- pn-Übergang: Quantitativ -- Diodengleichung, Idealitätsfaktor, Generationsstrom
- Shockley-Herleitung -- woher \(I_0\) kommt
- LED -- Bandlücke, Farbe und \(V_f\)