Moku:Go の I-V曲線のトレース

ラボ実験、ダイオードの順方向バイアス動作

2021年4月5日

Moku:Goは、最大14種類の計測機能を1つにまとめた高性能デバイスです。
このアプリケーションノートでは、Moku:Goのオシロスコープと内蔵波形発生器を使用して、ダイオードの順方向バイアスの挙動を調査します。

はじめに Moku:Go とは

Moku:Goは、アナログ入出力各 2ch、16chのデジタルI/Oピンとオプションの可変DC電源を備え、14種類の計測機能を1台に統合した高性能デバイスです。

ダイオードのP-N接合

ダイオードは、単一のP-N接合からなる最も単純で最も基本的な半導体デバイスです。P-N接合は多くの半導体の基本的な機能的特性であることから、トランジスタや他の半導体に関するより高度な実験で研究を成功させるためには、ダイオードの挙動に関する強力な基礎知識を持つことが極めて重要です。

I-V曲線の特性は、半導体接合の理解をサポートするための基本的な測定で、一般的なラボ実験です。I-V曲線は、電圧の関数としての電流をプロットしたものです。抵抗の場合、I-V曲線は単純に0ボルト、0アンペアを通る直線となります。I-V曲線専用の測定器は存在します。一部の実装では、適切なソフトウェアを備えたソースメジャーユニット（SMU）を使用していますが、これらのソリューションでは、かさばる高価な従来のスタンドアロン装置が必要となります。ここでは、Moku:Goのオシロスコープと内蔵された波形発生器を使ったダイオードのI-V測定について紹介します。取得したデータはExcel（またはMATLAB）で共有でき、学生は取得したデータを操作してIN4001ダイオードのI-V曲線を表示することができます。したがって、この実験はMoku:Goだけで行うことができ、他の機器は必要ありません。

実験セットアップ

IN4001ダイオードのI-V曲線をプロットするために、図1のような回路を構成しました。

図 1 : 順方向バイアスダイオード回路

R1は波形発生器の出力インピーダンスを表しています。Moku:Goのオシロスコープのチャネル2を使って、ダイオードと電流リミット＆検出抵抗器（R2）の両方にかかる電圧を測定します。そして、オシロスコープのチャネル1で、公差1％の100Ω抵抗R2の電圧を測定することで、ダイオードを流れる電流が計算できるようになります。 Moku:Goのオシロスコープには、波形発生器が組み込まれています。これは、三角波を発生させるために使用され、DC1.6Vの振幅3.2Vのオフセットを設定します。このため、ダイオードは常に順方向にバイアスされており、これにより掃引電圧を印加し、周波数を低く設定し、重要ではない50Hzに設定されています。図2は、macOSアプリでの波形生成の設定を示しています。波形発生器のチャネル1（緑）のみを使用し、チャネル2（紫）はオフになっていることに注意してください。Windowsアプリはこれと非常によく似ています。

図 2 : Moku:Goの波形発生器を電圧スイープに設定したところ

ここで、Moku:Goのオシロスコープを使って、チャネル1とチャネル2の電圧を観測します（チャネルのプローブポイントは図1を参照）。図3はオシロスコープで、チャネルA（入力1）は赤、チャネルB（入力2）は青で、ダイオードの挙動が明らかです。また、我々はオシロスコープの数学チャネルを使ってX-Yカーブをオレンジ色でプロットしていますが、これはダイオードの一般的に予想されるI-V曲線を示しています。

図 3 : Moku:Goのオシロスコープ、X-Yチャネルと統合型波形ジェネレータ—

図1の回路を参照すると、次のとおり、ダイオードに流れる電流がわかります。

図 4 : データをCSVにエクスポートする

Idiode = (VCh1/100) そして、これは次のようになります。 Vdiode = VCh2 – VCh1 Moku:GoはUSB-Cまたはネットワークでアプリに接続されているので、オシロスコープのデータをCSVファイルに書き出し、その後、Excel、MATLAB、または類似したものでIdiodeとVdiodeの比較を計算してプロットします。

I-Vプロットの結果

Moku:GoからCSVをExcelにインポートすると、VdiodeとIdiodeが計算されてプロットされます。その結果、IN4001ダイオードのI-Vプロットは図5のようになり、典型的な順方向バイアスのターンオン電圧を示し、その後、電流が大きく増加していることがわかります。

図 5 : 順バイアスされたIN4001ダイオードの測定した I-Vプロット

まとめ

Moku:Goとそのオシロスコープおよび内蔵波形発生器を使用して、ダイオードのI-V動作を調査、測定、記録しました。これは、簡単なブレッドボード1台とMoku:Go 1台で実現しました。この一般的な電子工学実験では、必要な実験器具は他にはありませんでした。