技術ノート：自宅でV-Iカーブを描く方法

技術ノート：自宅でV-Iカーブを描く方法 2026年7月17日 1561 共有 最新の著書「The Secret Life of Circuits」を執筆するにあたり、図版は本物を使いたいと思いました。一般的な電子工学の教科書やオンラインチュートリアルに掲載されている図に不満があるのは、ほとんどが偽物だからです。せいぜい古い文献からトレースしたもの、最悪の場合は記憶を頼りに描かれたもので、「実話にインスパイアされた」と好意的に表現できるレベルです。 インターネット上で収集したダイオードのV-Iカーブの寄せ集め。 「The Secret Life of Circuits」には約290点のオリジナルイラストが含まれており、そのようなごまかしを避けるよう最善を尽くしました。水晶振動子の周波数応答、バッテリーの放電曲線、ワークショップの床に広げられた100フィートの同軸ケーブルでの信号反射、真空管の挙動など、あらゆるものについて丹念に実データを収集しました。 こちらで入手可能なサンプルチャプターからの抜粋。 ほとんどの測定は容易にできましたが、半導体デバイスにおける電圧と電流の関係を示すパラメトリックプロットについてはそうはいきませんでした。カーブのある部分では、電流が非常に小さいため、最も一般的な計測器であるオシロスコープでは記録できません。別の部分では、電流が急激に跳ね上がります。そうなると、デバイスは「魔法の煙」を噴き出すことになります。中間領域でさえ、休息はありません。半導体接合の特性は温度によって変化し、1mAという低電流による自己発熱も含まれます。何もせずにいると、オシロスコープの画面上の点がどんどんずれていきます。 この問題に対処するため、最終的にオシロスコープを諦め、ベンチトップマルチメータ（DMM）とラボ用電源からのパルス電源に切り替えました。マルチメータの利点は、マイクロアンペアやマイクロボルトまで簡単に測定できることです。パルス電源の利点は、発熱によるドリフトを抑制できることです。 さらに、テスト中のデバイスを非導電性液体に浸して冷却することもありました。鉱油は sensible な選択肢ですが、他の多くの選択肢でも大丈夫でしょう。 最終的なセットアップのクローズアップ。 もちろん、手作業での測定は退屈で間違いが起こりやすいため、1つ以上の計測器をコンピューターに接続できる方が良いでしょう。多くのベンチトップ計測器は、Standard Commands for Programmable Instruments（SCPI）と呼ばれるシンプルなテキストベースのプロトコルをサポートしています。お使いの機器の年代によっては、RS-232、背面にあるUSB Type B（プリンター型）ポート、またはイーサネット経由でインターフェースが利用可能かもしれません。その場合、ポート5025にTCP接続を確立するだけです。 SCPIプロトコルはコマンドとクエリを使用します。クエリの例としては、改行（\n）に続く*IDN?があります。この文字列を送信すると、デバイスはメーカー、モデル、その他の識別情報を示すテキスト行で応答します。別の可能なクエリはMEAS:VOLT?で、現在の電圧測定値を返すかもしれません。クエリとは異なり、コマンドはテキストを返しません。例としては、電圧を1.2Vに設定するSOUR:VOLT 1.2、または出力チャンネル1をオンにするOUTP 1などが挙げられます。 残念ながら、SCPI対応のマルチメータは持っていましたが、私のベンチトップ電源はより基本的なもので、リモートコントロール機能がありませんでした。そのため、私は苦渋の決断をして、ソース・メジャー・ユニット（SMU）を購入しました。これは、本質的には電源とマルチメータを組み合わせたもので、非常に高速な応答時間を持ちます。新品のSMUは法外に高価ですが、中古市場ではほとんど買い手がいません。そのため、少し交渉すればeBayで素晴らしい掘り出し物を見つけることができます。私は、天文学的な希望小売価格（9,000ドル）のほんのわずかな fraction で、未改造のRohde & Schwarz NGU401ユニットを手に入れました。 この特定のSMUは、出力電圧を繰り返し設定し、DMMで画面上の現在の測定値をクエリすることで使用できますが、測定値は約3Hzの周波数でしか更新されません。より良い選択肢は、デバイスのデータストリーミングモードを使用することです。Rohde & Schwarzの専門用語では、これはFastLogとして知られています。APIは毎秒100から500kのサンプリングレート（！）を可能にし、電圧-電流ペアをバイナリ4バイト浮動小数点数として送信します。 もちろん、ニッチなデバイスのニッチな機能であるため、ドキュメント通りに動作するものは何もありません。最も深刻な問題は、シリアルオーバーUSBインターフェースを使用しようとすると、返されるバイナリデータが破損することです。1日かけて原因を追跡した結果、イーサネット経由でようやく動作させることができました。 順バイアスのダイオードのV-Iカーブをキャプチャするための私のC実装は、こちらで見つけることができます。これは10kspsでFastLogを使用しています。約0.3mA以下の電流では、電源電圧をオンにしたまま2,500データポイントを平均化して、ノイズのないマイクロアンペア範囲の測定値を得ます。より高い電流では、5ミリ秒間電源をオンにし、FastLogバッファから最適な20サンプルを平均化します。 以下のプロットは、連続電流定格300mAの一般的な1N4148ダイオードの実際の正側V-Iカーブを示しています。 1N4148の順バイアス。 未編集の測定データは、こちらで見つけることができます。私は、数マイクロアンペアからほぼ2Aまでの範囲を楽にカバーすることができました。実際には4Aまで行くことも可能ですが、プロットには興味深い詳細が追加されません。 ダイオードにおける印加電圧と電流の関係はしばしば指数関数的と説明されますが、これは非常に穏やかな電流でのみ真実であることに注意してください。右側の対数電流プロットを見ると、10mA付近でその特性が成り立たなくなっていることがわかります。カーブは、初期のスロープに合わせて調整された理想モデルを表す破線から逸脱しています。これは半導体基板の抵抗効果によるものであり、実際のプロットを持つことが有益である多くの理由の1つです。 同じアプローチはトランジスタにも有効です。例えば、こちらに小型MOSFET、BS170のドレイン-ソース電圧に対するドレイン電流のプロットを示します。 BS170のVDS-IDカーブ。 このプロットは、トランジスタがその動作範囲の大部分でほぼ定電流デバイスであり、電流制限はゲート-ソース電圧（VGS）によって設定され、VDSが1Vから10Vの間で10%未満しか変化しないことを示しています。 そのカーブの末端で何が起こるかを示すこともできます。トランジスタの仕様では、ブレークダウン電圧は60Vとされています。教科書では、これはしばしば垂直への急激な遷移として示されます。現実はよりニュアンスがあります。 BS170のブレークダウン領域付近、VGS = 2.5V。 最後のプロットには少し工夫が必要でした。私のソース・メジャー・ユニットは20Vの制限があります。より広い範囲を得るために、従来の電源をSMUに直列に追加し、いくつかの電圧範囲のキャプチャをステッチしました。これにより1つの問題は解決しましたが、別の問題が発生しました。SMUがアイドル状態でも、テスト中のデバイスにはかなりのドレイン-ソース電圧が印加され、VGSの値によっては、トランジスタを加熱したり破壊したりするのに十分な場合があります。この問題に対処するため、固定VGS信号を、低デューティサイクルの信号発生器によって供給される5ミリ秒のパルスに変更しました。 購読 1561 共有