Diode metingen

Eigenschappen van dioden staan beschreven in datasheets die fabrikanten uitgeven. Halfgeleiders met hetzelfde typenummer kunnen echter een behoorlijke onderlinge spreiding hebben. Of men heeft een volstrekt onbekend type diode in handen. Wil men de exacte eigenschappen weten dan zal het bewuste component aan een aantal metingen onderworpen moeten worden om deze te achterhalen. Dit artikel behandeld een serie metingen die de belangrijkste DC eigenschappen meet.
De te testen diode is gemerkt met "DUT", Diode Under Test.

Invloed eigen opwarming

De stroom-spanning karakteristiek is een belangrijk gegeven van een diode. Deze curve wordt vaak opgenomen met een schakeling zoals die staat afgebeeld in figuur 2. De meetstroom wordt hier ingesteld met de spanningsbron U en weerstand R. In plaats van hiervan wordt ook wel een stroombron toegepast. Tijdens een handmatige opname van de karakteristiek wordt de spanning van bron U stapsgewijs verhoogt. Bij elke ingestelde spanning loopt er een zekere stroom door de diode DUT die geregistreerd wordt door de ampèremeter A, de spanningsval over de diode wordt gemeten met de voltmeter V.

Bij een handmatige meting vloeit er continu stroom door de diode. Het product van de diodestroom I_D en diodespanning U_D is het gedissipeerde vermogen die de diode opwarmt. In het begin van de meetprocedure waar de stroom nog klein is, is de opwarming gering. Naarmate de stroom verder wordt opgevoed zal het ontwikkelde vermogen steeds groter worden en de junctie steeds verder in temperatuur stijgen. Dit is weergegeven met de blauwe lijn in figuur 3. Ter vergelijking staat met een rode lijn de diode karakteristiek afgebeeld waarbij de junctietemperatuur constant op 47 °C werd gehouden.

Door deze temperatuurstijging tijdens de meting verkrijgt men een onbetrouwbaar beeld van de werkelijke diodekarakteristiek. Door deze meetfout lijkt het of de diode een scherpe knik in de karakteristiek heeft en een zeer stijl verder verloop. De werkelijke karakteristiek verloopt meer vloeiend en minder stijl.

Dit voorbeeld laat zien dat het belangrijk is om de junctietemperatuur nauwkeurig te weten voor een betrouwbaar resultaat. Hoe de diodekarakteristiek wel goed gemeten kan worden staat verder op beschreven.

Junctietemperatuur

In het voorgaande was gedemonstreerd dat slecht aan een diode gemeten kan worden al de junctietemperatuur niet bekend is. Deze zal eerst nauwkeurig bepaald moeten kunnen worden.

Meetschema

De junctietemperatuur is de temperatuur van het PN overgangsgebied in het silicium. Deze temperatuur is niet met een thermometer te bepalen omdat deze binnen in de behuizing zit en bovendien erg klein is. Nu is deze temperatuur wel indirect te bepalen. De doorlaatspanning is sterk temperatuur afhankelijk. Door een bekende kleine stroom door de diode te sturen kan de junctietemperatuur bepaald worden. Hiervoor moet de bewuste diode eerst gekalibreerd worden.

Hiernaast staat het schema afgebeeld waarmee de junctietemperatuur gemeten kan worden. Door de diode wordt een constante stroom gestuurd van 415 µA. Deze stroom wordt bepaald door de spanning van 20 V min de diodespanning en de weerstand Rt. De stroom is enigszins afhankelijk van de variatie in de diodespanning. Eventueel kan de spanning en weerstand verhoogt worden om een grotere nauwkeurigheid te bereiken.
De invloed van de spanningsmeter (universeelmeter of oscilloscoop) is verwaarloosbaar. Door de inwendige weerstand van het instrument vloeit slechts ongeveer 50 nA.

De eigenverwarming door de meetstroom moet zo klein mogelijk blijven. Bij een doorlaatspanning van 0,5 V en een meetstroom van 415 µA dissipeerd de diode slechts 208 µW. Zelfs bij een klein signaal diode die een thermische weerstand RΘ_j-a kan hebben van 300 K/W zal de temperatuurverhoging slechts 0,06 °C bedragen.

Meetopstelling

De doorlaatspanning van de diode moet over een zo groot mogelijk temperatuurbereik bepaald worden. De diode wordt hiervoor telkens extern aan een bepaalde temperatuur blootgesteld. Na een zekere stabilisatietijd wordt de behuizingtemperatuur en de doorlaatspanning gemeten. Door deze externe temperatuur oplegging zal het interne silicium na een korte tijd dezelfde temperatuur aannemen als het huis. Interne opwarming van de diode door een grote stroom te laten lopen is niet toegestaan. De warmtestroom loopt dan van binnen naar buiten. De junctie zal daardoor een hogere temperatuur hebben dan de behuizing.

Houd rekening met verstorende warmtestromen via de aansluitdraden. De temperatuur moet gemeten worden aan dat deel van het huis dat het beste thermisch contact heeft met de junctie. Ronde behuizingen met axiale aansluitingen kunnen het beste in zijn geheel in een aluminium blok met gat worden geschoven, zodat de diode geheel omgeven wordt door een uniforme temperatuur.

In figuur 5 is de meetopstelling te zien aan een diode in TO220 behuizing. De diode is op een peltier-element geklemd. De warmte van het element wordt met een CPU-ventilator afgevoerd. Op deze manier kan de diode in een temperatuurbereik van -20 °C tot +100 °C worden gemeten.

Resultaten

In figuur 6 is de doorlaatspanning afhankelijkheid van de temperatuur te zien van een BYV29 diode. De vierkantjes in de grafiek zijn de meetpunten. Te zien is dat er een lineair verband bestaat tussen temperatuur en doorlaatspanning. Dit verband is in een vergelijking uit te drukken. Voor het opstellen van de vergelijking worden twee ver uit elkaar gelegen meetpunten gebruikt die mooi op de lijn liggen:

• T_L = -20 °C, U_L = 493 mV
• T_H = +95 °C, U_H = 161 mV

Met deze getallen is de temperatuurcoëfficiënt α te berekenen:
[equ. 1]
De temperatuur bij U_D = 0 V (T₀) is:
[equ. 2]
Met de parameters α en T₀ is de junctietemperatuur uit te rekenen aan de hand van de doorlaatspanning:
[equ. 3]
De parameters α en T₀ worden bij met verdere metingen gebruikt om de junctietemperatuur te bepalen.

Doorlaat karakteristiek

Een van de belangrijkste eigenschappen van een diode is de doorlaat karakteristiek. Deze karakteristiek lijkt op het eerste gezicht eenvoudig te achterhalen door de stroom door de diode te variëren en de bijbehorende spanning te noteren. Zoals aangetoond zal dit door de eigen opwarming geen getrouwe karakteristiek opleveren.

Meten met een impulsstroom

Door de diodestroom pulserend toe te dienen kan de dissipatie flink gereduceerd worden. Een tweede voordeel is dat met veel grotere stromen gemeten kan worden zonder gevaar voor oververhitting van de diode. In figuur 3 was al te zien dat bij een stroom kleiner dan 6 Ampère de temperatuur was opgelopen tot 90 °C. Voor BYV29 wordt een gemiddelde stroom van 9 A opgegeven en een maximale stroom van 100 A. Gemeten met een continue stroom zou een meting bij deze stromen niet mogelijk zijn.
In dit voorbeeld wordt gemeten tijdens 70 µs durende impulsen waarbij de meetstroom loopt. De herhalingsfrequentie is 1 Hz. De impulsduur moet aangepast zijn aan de snelheid van de diode.

Figuur 7 laat het meetschema zien waarmee diodes met impulsvormige stromen gemeten kunnen worden. De MOSFET T1 is de vermogensschakelaar die wordt aangestuurd door een impulsgenenerator. De impulsgenerator moet een zwevende uitgang hebben omdat deze rechtstreeks op de gate en source van de MOSFET is aangesloten en de sourcespanning schakelt tussen U_var en 0 V. Weerstand R1 zorgt ervoor dat de sourcespanning snel weer 0 V wordt als de MOSFET afschakelt. Weerstand R2 begrenst de diodestroom. De waarde van deze weerstand moet zo gekozen worden dat bij maximale U_var de maximale meetstroom loopt. Een tien maal hogere waarde voor weerstand R1 is een goed uitgangspunt. Met de instelbare spanning U_var kan nu de diodestroom gevarieerd worden. Let erop dat de maximale waarde voor U_var de isolatiespanning van de funktiegenerator niet overschrijd.
Op de momenten dat de MOSFET is afgeschakeld laat Rt de stroom lopen om de junctietemperatuur van de testdiode DUT te kunnen meten. Diode D1 verhinderd dat de temperatuurmeting verstoord wordt. Zonder deze diode zou een deel van de temperatuur meetstroom door de weerstanden R1 en R2 vloeien. Hoewel tijdens de temperatuurmeting de sperspanning over diode D1 minimaal is, moet deze diode geselecteerd worden op een minimale lekstroom. De diode moet tevens de impulsstroom kunnen verdragen.

De meetstroom wordt betrokken uit de bufferelco C1. Ondanks dat dat er grote stromen door de diode lopen is dankzij de lage duty-cycle de gemiddelde stroom erg laag. In de voorbeeldmeting wordt tot 20 A gemeten, de gemiddelde stroom die door de voeding geleverd moet worden is slechts 1,4 mA. Een kleine voeding volstaat dus al.

De spanning en stroom wordt gemeten met een oscilloscoop. In dit voorbeeld is de stroom gemeten met een stroomprobe. Indien deze niet voorhanden is kan op deze plaats een shuntweerstand geplaatst worden. In dit geval meet CH1 de som van de spanning over de diode en de shuntweerstand. De spanning van de shuntweerstand moet van de gemeten spanning worden afgetrokken om de diodespanning te verkrijgen.

De meting

Hieronder is een schermafdruk te zien van één van de vele metingen die nodig zijn om de doorlaat karakteristiek op te nemen.

Vlak voor de impuls en tijdens het stabiele deel van de impuls worden de spannings- en stroomwaarden gemeten. Deze plaatsen zijn gemarkeerd door de cursors. Vlak voor de impuls wordt de junctie temperatuur gemeten. Alleen de diodespanning is interessant en bedraagt hier 304,9 mV wat bij deze diode overeenkomt met een junctietemperatuur van 45 °C.
De waarden tijdens de impuls moeten zo dicht mogelijk tegen de opgaande flank gemeten worden, maar wel in een stabiel deel. De junctie warmt namelijk tijdens de meting op door de grote thermische impedantie. De diodespanning bedraagt hier 1,0767 V bij een stroom van 9,951 A.

Als de meetstroom met 1-2-5 stappen laat oplopen kan een groot stroombereik doorlopen worden met een minimum aan metingen. In figuur 9 is de meetdata van de meting bij een junctietemperatuur van 45 °C te zien. Tijdens deze metingen moet de junctietemperatuur zo goed mogelijk constant worden gehouden.

Hetzelfde meetprotocol kan bij meerdere temperaturen worden uitgevoerd om de om de temperatuurafhankelijkheid weer te geven. De verkregen diodekarakteristieken kunnen op de klassieke wijze worden weergegeven in een grafiek met lineaire schalen, zie figuur 10. Een weergave op een lin-log schaal (figuur 11) verstrekt meer informatie over een groot stroombereik. Deze weergave komt men ook vaak tegen in datasheets.

Breakdown spanning

Wanneer een negatieve spanning wordt aangelegd over een diode dan vloeit er alleen een kleine lekstroom. Als de spanning verder wordt verhoogt dan zal op een zeker punt de stroom plotseling sterk toenemen. Dit is de breakdown spanning en kan de diode vernietigen als de stroom niet beperkt word.

De meetopstelling

De breakdownspanning kan zonder gevaar voor de diode bepaald worden mits de stroom begrensd wordt. In figuur 12 staat de testschakeling afgebeeld waarmee de breakdownspanning bepaald kan worden. Figuur 14 laat het verloop van de meest belangrijke spanningen en stroom zien.

De voedingsspanning U_VAR, de spoel L en de "aan-tijd" T_ON van de transistor moeten worden afgestemd op de maximaal te verwachten breakdownspanning. Zolang de MOSFET in geleiding is staat de voedingsspanning U_VAR over de spoel. De stroom door de spoel I_L neemt lineair toe tot het moment dat de MOSFET weer uit geleiding gaat. De stroom heeft nu het maximum I_MAX bereikt volgens:
[equ. 4]
T_ON is de tijd waarin de MOSFET in geleiding is.

De spoelspanning zal nu tot een hoge waarde opslingeren. Zolang de breakdown spanning nog niet bereikt is zal de energie in de spoel worden overgedragen aan de parasitaire capaciteiten C_par in de schakeling. De maximum spanning die hierbij ontstaat is gelijk aan:
[equ. 5]

De parasitaire capaciteiten is gelijk aan de parallelschakeling van de outputcapaciteit van de MOSFET C_oss, de junctiecapaciteit van de testdiode DUT en de probe capaciteit. In de testopstelling zijn alleen C_oss (= 82 pF) en de probecapaciteit (= 8 pF) bekend. Voor C_par wordt een waarde van 90 pF aangehouden. De gebruikte spoel heeft een waarde van 1,5 mH en de verzadigingsstroom is 1,8 A.
Als voor de voedingsspanning U_VAR een waarde van 10 V wordt aangehouden en voor T_ON 20 µs, dan is volgens vergelijking 4 de maximum stroom 133 mA. Deze waarde moet ruim onder de verzadigingsstroom van de spoel liggen. De maximum spanning volgens vergelijking 5 is dan 544 V. Deze spanning ligt in de buurt van de te verwachten breakdown spanning. Door de impulstijd en/of de voedingsspanning te variëren kan de maximum spanning gevarieerd worden. Om de dissipatie in de junctie te beperken moet de herhalingsfrequentie zo laag mogelijk worden gekozen, bijvoorbeeld 10 Hz.

Hoge spanning!

In deze schakeling kan de spanning hoog oplopen. Controleer of de oscilloscoop en probe deze spanning kan verdragen. In dit voorbeeld is een BUZ80 als schakelaar gebruikt. Volgens de specificaties is de maximum spanning 800 V. Bij hogere piekspanningen zal men over moeten gaan op bipolaire transistoren, waarvan meer types te vinden zijn die hoge spanningen kunnen verdragen.

Begin de test voorzichtig met een minimum T_ON en laat de spanning U_VAR langzaam vanaf 0 V oplopen waarbij de spanningspiek op de oscilloscoop gevolgd wordt.

De meting

Het gebruikte schakelelement heeft zelf ook een breakdownspanning. Om te voorkomen dat deze begrenzing wordt aangezien voor de breakdownspanning van de te testen diode moet eerst deze bepaald worden. De eerste test geschied dus zonder de te testen diode. Bij de gebruikte BUZ80 is een breakdownspanning van 960 V gemeten.

Hieronder staat een schermafdruk van de meting afgebeeld. De groene lijn (TR. A) is de spanning over de diode, de blauwe lijn (TR. B) is de stroom door de spoel. De gemeten spoelstroom heeft alleen een educatieve waarde en is niet noodzakelijk voor de meting. Het donker grijze spoor (CH. C) laat de vorm van de piekspanning zien als de breakdownspanning nog niet bereikt is. De spanning over de diode (groen) laat een duidelijke afplatting van de top zien. Dit is de breakdownspanning. De gemeten waarde hiervan is 645 V. De voedingsspanning U_VAR bedroeg hier 10 V, en T_ON was 56 µs.

De breakdownspanning is licht temperatuur afhankelijk. Als de meting bij meerdere junctietemperaturen herhaald wordt kan de temperatuurafhankelijkheid zichtbaar worden gemaakt. Breng de diode op de gewenste temperatuur en controleer de junctietemperatuur met de schakeling uit figuur 13. Tijdens het meten van de breakdownspanning moet de temperatuur meetschakeling volledig losgekoppeld zijn en omgekeerd.

In figuur 16 en 17 zijn de meetresultaten weergegeven in een tabel en grafiek. Van de geteste BYV29-500 wordt een maximum "reverse voltage" opgegeven van 500 V. De breakdownspanning van het geteste exemplaar blijkt een stuk hoger te liggen.

Sperstroom

De sperstroom van een diode ligt in de orde grootte van enkele nanoampères tot in het milliampère gebied. De sperstroom is zowel temperatuur- als spanningsafhankelijk. Bij deze kleine stromen moet men zeer bedacht zijn op externe lekstromen door verontreinigingen. Metingen bij lage temperaturen moeten snel worden uitgevoerd dat condens en rijp geen invloed krijgen op de meting.

Meetopstelling

De meetopstelling voor het meten van de sperstroom is in twee delen opgesplitst. Het linker deel om de junctietemperatuur te bepalen, het rechter deel om de sperkarakteristiek op te nemen. Deze twee meetschakelingen kunnen niet gecombineerd worden omdat ze elkaar zouden beïnvloeden.

De sperstroom wordt gemeten door de spanningsval over een hoogohmige weerstand (Rs te meten. De weerstand moet zijn aangepast aan de te meten stroom, dat de gemeten spanning in het 200 mV en/of 2 V bereik ligt. Bij zeer kleine stromen is de inwendige weerstand van de voltmeter al afdoende dat de shuntweerstand (Rs) kan komen te vervallen.

Verwerken meetdata

De meetprocedure bestaat uit twee delen: Als eerste wordt de diode DUT op de juiste temperatuur gebracht. Als de temperatuur goed is ingesteld en deze blijft stabiel, dan kan de meting beginnen. De temperatuur meetschakeling worden afgekoppeld en de sperstroom meetschakeling worden aangekoppeld. In stappen verhoogt men de spanning, waarbij telkens U_var en U_Rs noteert wordt.
Hiernaast de meetdata die opgenomen is bij een junctietemperatuur van +45 °C.

Met de waarden van U_var en U_Rs kan de bijbehorende diodespanningen berekend worden:
[equ. 6]
Tijdens deze meting had Rs een waarde van 1 MΩ. De multimeter heeft een inwendige weerstand van 10 MΩ. De vervangingsweerstand Rv van deze parallelschakeling is 909 kΩ. Aan de hand van deze waarde en de spanningsval over deze weerstand kan de diode sperstroom worden berekend:
[equ. 7]

Als de hierboven beschreven meting bij verschillende temperaturen wordt uitgevoed krijgt met een goede indruk van de temperatuurafhankelijkheid van de sperstroom. Alle data kan geplot worden op en log-log grafiek zoals hiernaast staat afgebeeld. De meetpunten zijn gemarkeerd in de grafiek.

De bewuste diode waaraan in dit voorbeeld gemeten is kan een sperspanning tot 500 V verdragen. Er is slechts tot 60 V gemeten omdat geen hogere stabiele voedingsspanning aanwezig was. In principe moet gemeten worden tot aan de spanning waarbij de diode gebruikt wordt om zinvolle data te verkrijgen.