翻译 Mr. Ben H. Tongue 的文章#16

BG1TRP

测量二极管饱和电流和理想因子的过程
二极管饱和电流和理想因子的测量装置

内容速览：本文给出了用于测量二极管饱和电流和理想因子的装置的原理图和操作说明，包括对各种检波二极管的测量。

　　二极管的饱和电流和理想因子可以通过测量二极管在两种不同结电压下的电流来确定，将这两个测量数据代入肖克利二极管方程，建立Is和n的联立方程，求解Is和n。由于方程中包含指数函数，因此无法用普通代数方法求解，必须使用数值方法。
　　在25℃时的肖克利二极管方程：Id = Is * (exp(Vd / (0.0256789 * n)) - 1) 单位：A
　　Id = 二极管的电流(A)，Is = 饱和电流(A)，Vd = 二极管的电压(V)，n = 理想因子。
　　二极管的串联电阻Rs忽略不计，因为测量电流非常小，Rs上的电压降可以忽略。
　　测量数据表明，点接触型锗二极管的Is和n值会随电流变化，但当电流非常小，低至6 * Is以下的时候相对恒定。硅p-n结二极管的Is和n值会随电流变化。肖特基二极管的Is和n值在普通矿石机接收的电流范围内非常稳定。
　　测量电流设置为6 * Is和3 * Is较为合适，将Id = 6 * Is、Id = 3 * Is代入肖克利方程，求解Vd：
　　对于Id = 6 * Is，Vd = 0.05000 * n 单位：V，对于Id = 3 * Is，Vd = 0.03561 * n 单位：V。
　　矿石机所用二极管的n值，大约在1.0～1.2之间。因此在确定二极管上所加的电压时，可选n = 1.1。建议加载电压为0.055伏和0.039伏，也可以使用其他电压值。

　　S1是三刀双掷开关.
　　S2是无锁按钮SPDP开关。
　　DVM是数字电压表，输入电阻10MΩ，测量范围设为200mV。
　　S3是量程开关，在使用传统三位半DVM时，可实现更高的精度。S3也用于测量具有高Is的二极管。
　　R2用于二极管电压的粗调。
　　R1是10圈精密20k电位器，用于二极管电压的微调。例如Mouser 的# 594-53611203。

测量Is和n的步骤：
1. 测量中低Is二极管时，S3置于300K档；测量高Is二极管时，S3置于100K档；S4置于HC；R1从端点B开始旋转一圈。
2. 获取#1数据集:
　(1)S1置于V，按下S2，调整R2到0.055V左右。用R1将电压调整到所需要的值(建议0.055V)，此电压为V1。
　(2)S1置于I，读出电压值，此电压为V2。
3. 获取#2数据集:
　(1)S1置于V，按下S2，调整R2到0.039V左右。用R1将电压调整到所需要的值(建议0.039V)，此电压为V3。
　(2)S1置于I，读出电压值，此电压为V4。
4. 数据的使用:
　　二极管的电压Vd1 = V1
　　二极管的电流Id1 = (V2 / 300,000) - (V1 / 10,000,000)或Id1 = (V2 / 100,000) - (V1 / 10,000,000) 单位：A
　　二极管的电压Vd2 = V3
　　二极管的电流Id2 = (V4 / 300,000) - (V3 / 10,000,000)或Id2 = (V4 / 100,000) - (V3 / 10,000,000) 单位：A
　　使用哪个计算公式取决于S3的设置。
5. 将Vd1, Id1和Vd2,Id2输入上述方程，建立Is和n的联立方程，求解后得到Is和n。测量时的平均电流约为Is的4.25倍。

数值方程求解
　　MathCad软件中的数值方程求解器可用于求解Is和n的两个联立方程(译注：MathCad可以到https://www.mathcad.com/cn下载)。如果你有MathCad 5.0或更高版本，请转到 http://www.agilent.com/。
　　打开MathCad，点击通信、通信设计解决方案、射频和微波、肖特基二极管、库、MathCad工作表并下载文件：sch_char.mcd。
　　在MathCad中运行该文件，然后输入Id1、Vd1和Id2、Vd2为I2，V2，I1和V1。
　　在下拉菜单选“Math (数学)”，然后单击“Calculate Worksheet (计算工作表)”，程序计算Is和n。
　　由于大多数矿石机的工作电流非常低，二极管寄生串联电阻上的压降可以忽略不计，无需在Worksheet上输入新的I3、I4、I5和V3、V4、V5。
　　程序sch_char.mcd在早于MathCad 6.0的版本中不起作用。如果你有带非线性方程求解器的早期版本的MathCad，要在无sch_char.mcd的环境下输入数据。
　　在Polymath Software网站可下载MathCad程序，网址为：https://mathcad.software.informer.com。
　　某些可编程袖珍计算器包括一个非线性方程求解器，如HP32S科学计算器。求解n和Is的程序只需要28步程序。
　　Mike Tuggle在The Crystal Set Radio Club上发布了使用电子表格确定Is和n的简单过程，在没有方程求解软件包的情况下，肖特基参数可通过简单的试错法求解，使用Excel或Lotus等普通电子表格就可以轻松完成。
　　用两组测量值Id1，Vd1和Id2，Vd2建立电子表格进行计算：
　　Id2[exp(Vd1 / 0.0257 * n) - 1]
　　Id1[exp(Vd2 / 0.0257 * n) - 1]
　　代入不同的n值试算，直到两个表达式相等，便得到正确的n值。
　　将 这个n值代入：
　　Is = Id1 / [exp(Vd1 / 0.0257 * n) - 1] 或
　　Is = Id2 / [exp(Vd2 / 0.0257 * n) - 1]
　　计算后得到Is的正确值。
　　按照Mike的建议构建Excel电子表格，在表格的第2行输入在Agilent HBAT-5400上获取的数据示例，以供参考。第3行可用于其他二极管的数据进行计算。每次更改n时，H列都会自动计算Is的值。所要做的就是在A到E列中输入上述值，然后按Enter。
　　注意：使用DVM测量具有高饱和电流的二极管的正向电压，可能会出现问题。如果提供电流的直流电源的内阻过高，DVM中的采样电压波形可能会在端子上出现，并由二极管进行整流，从而导致错误的读数。这种情况可以很容易地检查出来，将直流电源电压降到零，从而只留下电源的内阻与跨接到DVM端子上的二极管并联，如果DVM的读数超过1/10mV，则可以说存在问题。
　　通常可以用1～5nF的陶瓷电容(最好是NOP型)旁路二极管来校正。我用的是Mouser Electronics公司生产的0.047uF NPO陶瓷电容。要用非常短的引线将电容器连接到二极管两端，否则可能不起到修正的作用。

提示

• 如果被测二极管的Is过高，则在步骤1中V1将无法达到0.055V，解决方法是将S3置于100k。二极管电流的计算公式变为：
  　　Id1 = (V2 / 100,000) - (V1 / 10,000,000)
  　　(Id2 = V4 / 100,000) - (V3 / 10,000,000)。
• 如果电压读数看着不稳定，请尝试将测量装置放在接地面上，并将DVM的公共端连接到接地面上。可以用一块铝板作为接地面。
• 从DVM到测试装置的连线应使用屏蔽电缆。
• 电压读数对二极管温度非常敏感。用手指捏住二极管主体，注意测量V1或V3时电压读数的变化，就能很容易地看到这一点。在读数稳定之前不要采集数据。
• 饱和电流是结温的强函数，对于锗二极管和常见的(n-doped)肖特基二极管，温度升高10℃会导致饱和电流增加约两倍。简单的规律是：温度每升高1°C，Is就会增加7.2%。
• 零偏置型肖特基二极管的数值有所不同，温度变化14℃(25℉)，Is变化大约两倍。
• 对玻璃封装的二极管，要在测量装置上放一个纸板做的盒子来屏蔽光线，以免受到环境光的影响。许多二极管具有光电效应，即使没有通电，暴露在光线下也会有电压输出。
  

注意：如果如文章#4-步骤二所示的那样预估一个理想因子，便可以简单地确定二极管的饱和电流。

部分二极管的测量结果：
　　下面的统计表显示了矿石机中可能用到的二极管的Is和n的典型值。可以看出，对于任何特定的二极管，Is和n在中等电流范围内变化不大。因此，在接收信号时，Is和n可以认为是动态恒定的。
　　如上所述，n和Is的每个值都是通过两组电压/电流计算得出的。每组n、Is给定的二极管电流Id是测量中使用的两个电流的几何平均数。
　　福禄克89 IV四位半DVM用在某些二极管上，可测量低至15nA的电流。噪声问题会在低电流时造成一些测量误差。这就是有些读数出现波动的原因。
　　n 值非常接近1.0或更低是明显的测量误差。这些n值应该更高一些，相应的Is值也应该更高。
　　请注意，锗二极管在较高电流下，Is和n值表现出意外增大的趋势。1N4148硅p-n结二极管在电流较低时，Is和n会出现预期的增加。在测量的电流范围内，肖特基二极管的Is和n值非常稳定。
　　在文章#27中描述的实验表明，所测试的硅肖特基二极管用于检波器时，当检波电流低到语音信号几乎不可读时，Is和n的测量值仍保持不变。但这不一定适用于所有锗二极管。

表1各种二极管在一定电流(Id)范围内的n和Is测量值，电流单位：nA

*这款Infineon二极管具有异常高的串联电阻，达到130Ω。在所有的测量中，该电阻上的压降都很低，可以忽略不计，但最高电流测量除外。在这里我们对压降进行了修正。

表2各种二极管在一定电流(Id)范围内的n和Is测量值，电流单位：nA


　　ITT的FO215是一种罕见的锗二极管，据说是许多矿石机设计的理想选择。但在互联网上搜索没有找到制造商的数据表。ITT现在已不再从事锗二极管业务，但从互联网搜索来看，最初的公司是一家名为 ITT Intermetall 的德国公司。他们的一些半导体业务成为ITT Semiconductors。在1997年左右被卖给了General Semiconductor Industries。该项业务后来被卖给了Vishay。有消息来源指出，General Instruments也是所有者之一。
　　三个FO215样品的平均测量值为：Is = 109 nA，n = 1.02。测量是在约250nA的平均电流下进行的。有意思的是：FO215二极管的平均值大约等于Agilent 5082-2835和典型1N34A的几何平均值。我从Mike Peebles 那里获得了FO215二极管，地址为：https://www.peeblesoriginals.com。
　　文章#27展示了检波器的测量结果，即当输入端和输出端阻抗匹配时，具有不同Is值和n值的二极管作为弱信号检波器的性能如何。

文章#16 发布时间：2001-03-28；最新修订：2004-02-10

原文网址 https://kearman.com/bentongue/xtalset/16MeaDio/16MeaDio.html

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技术人，非常好，支持下，

五层三花

大佬辛苦了，新人膜拜！

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gxg0000

以前我根据这篇文章做过一台二极管RD检测仪器，非常好用
精确测量二极管RD的方法

BG1TRP

gxg0000 发表于 2024-4-21 20:35
以前我根据这篇文章做过一台二极管RD检测仪器，非常好用
精确测量二极管RD的方法

拜读过您的文章，也做了一个测量装置。不过，可能是Office系统的问题，用VB写的迭代程序算出来的数据不对。
以后还请您多指教。