小信号用ダイオードの静特性の測定(直流電位差計による)

1. 実験の目的

   ダイオードの順方向静特性を測定し、その特性が指数関数で
   近似出来ることを確認する。
   
   

2. 実験課題

   ダイオードに順方向電圧をかけ、流れる電流と電圧を測定し、測定結果を
   グラフに書き、特性が指数関数で近似出来ることを確認する。
   
   
   1. シリコン・ダイオード:1S1588
   2. シリコン・ダイオード:1N4007
   
   

3. ダイオードの静特性

   (接合型)ダイオードはPN接合に対し、N型に＋、P型に−の電圧をかけたときを
   逆方向電圧と呼び電流が流れません。また、順方向の電圧をかけたときは電流が
   流れますが、ダイオード両端の電圧-電流の特性は非線形な特性となります。
   
   
   ダイオードの特性をグラフで表すと下記のようになります。
   
   
   このグラフを数式で表現すると下記となります。
   I_D = Io * [ exp {q/(kT) * V_D } - 1 ]
   
   常温においてはexp {q/(kT) * V_D } ＞＞ 1
   なので、
   I_D = Io * exp {q/(kT) * V_D }
   
   と近似出来ますが、この式は指数関数です。両辺の対数をとると、
   log(I_D) = log[Io * exp {q/(kT) * V_D }]
   　　　 = log(Io) + log[exp {q/(kT) * V_D }]
   　　　 = I' + q/(kT) * V_D
   
   この式はI'は定数なので V_Dに関する一次式です。
   よって、直線となります。
   
   

4. 実験回路

   1. 実験回路全体
      
      
      
   2. 直流電位差計詳細
      
      
   
   

5. 実験方法

   ダイオードの順子方向電流は、順方向電圧をわずかに変えただけでも大きく変化します。
   このため、順方向電圧の測定には、分解能のある測定器を使用する必要があります。
   近年はディジタル・テスターが安価かつ容易に手に入りますが、
   本実験では直流電位差計を使用します。
   ダイオード両端の電圧を直接測定するために、電圧計と電流計の接続としては、
   AV法により測定を行います。
   逆に、VA法を使用すると、電流計の両端に発生する電圧がダイオードの順方向電圧の
   測定値に対して大きな誤差を発生させます。
   
   
   電流計については、測定範囲に合わせて、測定電流が50μAより小さいときは、
   アナログ直流電流計(50μA)を使用し、50μAを超える範囲ではアナログ・テスター
   を使用します。
   以下に測定手順を示します。
   
   
   1. 回路図を組立ます。電源はまだ接続しません。
      100μAセンターメータは標準電圧発生器に接続します。
      
   2. 標準電圧発生器の感度スイッチを"低"に設定します。
      
   3. ケルビンバーレーポテンショメーターのロータリスイッチを"4096"に設定します。
      
   4. 12V電源を接続し、標準電圧発生器の電源をONにします。
      
   5. 100μAセンターメータが0になるように2kΩ可変抵抗器を調整します。
   6. 標準電圧発生器の感度スイッチを"高"に設定します。
   7. 100μAセンターメータが0になるように2kΩ可変抵抗器を調整します。
   8. 標準電圧発生器との接続を外します。
      この段階では直流電位差計はダイオードに接続しません。
      ダイオードに流れる電流が小さいときに平衡のとれていない直流電位差計を
      ダイオードに接続すると、直流電位差計からダイオードに電流が流れ込むからです。
      (電位差計の平衡をとろうとすると、ダイオードの電流が変化します。)
      
   9. ダイオードに電流を流す3V電源を接続します。
      
      
   10. 5kΩの可変抵抗器を調整して、ダイオードに測定電流が流れるようにします。
       
   11. 直流電位差計をダイオードに接続します。
       ダイオードに流れる電流が変化するかもしれませんが、5kΩの可変抵抗器の設定は
       この段階では変えません。
       
   12. ケルビンバーレーポテンショメーターのロータリスイッチを調整して
       100μAセンターメータが0になるようします。
       
   13. 感度スイッチを"低"から"高"に切り換え、再度100μAセンターメータが
       0になるようします。
       
   14. この時点で、ダイオードの電流が測定値からずれていれば5kΩの
       可変抵抗器を調整します。
       
   15. 必要ならセンタメータの0と、ダイオードの電流を交互に調整します。
       
   16. 調整が完了したらケルビンバーレーポテンショメーターのロータリスイッチの
       値を読み取ります。今回は、0.01〜0.0001の設定がそのままダイオード両端の
       電圧となります。
       
   17. センタメーターの感度スイッチを"低"に切り換えます。
       
   18. 直流電位差計をダイオードから切り離します。
       
       以下、10〜18を繰り返して測定を続けます。
       

6. 実験機材

   1. ダイオード:1S1588
      
      
      
   2. ダイオード:1N4007
      
      
      
   3. ケルビンバーレーポテンショメーター
   4. 標準電圧発生器
   5. アナログ直流電流計(50μA)
   6. 可変抵抗器(5kΩB)
   7. 可変抵抗器(2kΩB)
   8. 固定抵抗器(150Ω)
   9. アナログ・テスター
   10. 乾電池(12V, 3V)
   
   

7. 実験結果

   1. 測定データ
      
      
      
   2. 1項データのグラフ
      電流をおよそ2mA以上流すと、ダイオード両端の電圧は0.6〜0.7Vで
      ほぼ一定となりました。
      
      
      
   3. 測定データ(縦軸:IDの対数を取ったもの)
      
      
      
   4. 3項データのグラフ
      電流I_Dの対数をとってグラフを描くと、ほぼ直線となりました。
      赤線は直線です。
      
      
   
   

8. 考察

   ダイオードの特性は指数関数となることが確認できました。
   従って、電流がある程度大きい(2mA以上)ときは両端の電圧は0.6〜0.7Vにて
   あまり変化がなくなりますが、電流が小さくなると0.6〜0.7Vより低くなることが
   判りました。
   
   

9. 今後の課題

   
   

10. 参考文献

    
    

11. 関連項目

    1. 直流電位差計の原理
    2. ケルビンバーレーポテンショメーター
    3. 標準電圧発生器
    4. AV法
    
    

12. 実験の様子

    1. 直流電流計、標準電圧発生器、ケルビンバーレーポテンショメーターの３段重ね。(^^;