検波用ダイオードを測定してみた

Ver2.0 解析結果を付加、ページをCSS化(2014-04-26)
Ver1.1 ダイオード写真を追加・文章も一部改訂しました(2010-02-06)

1.はじめに

ダイオードはゲルマ/鉱石ラジオの根幹をなす電子デバイス。これに何を用いるかでラジオの名称も変わり、鉱石ラジオとなったり、ゲルマニウムラジオだったりと“商品名”が変わるぐらいです。

もっとも最近は、ゲルマニウム・ダイオードがシリコン・ショットキーに置き換えられてます。が、不思議と「ショットキーラジオ」とは言いませんね。何か事情がありそうです。

海外においては徹頭徹尾 Crystal Radio という名称が主流で、妙に気になってしまったりも。勝手な推測ですが、Crystalを結晶ではなく鉱石と訳したのが原因なのかもしれません。

そんな、重要デバイスですから特性を測定してみたいのも当然のこと。他のサイトでも何度も試みられています。

ここでは巷に売っているものと、手持ちの部品をいくつか詳しく測定してみた結果をご紹介します。

なお、ダイオードは温度によって特性が変わります。もちろん一般家庭で測定ですので、温度はあまり一定していません。だいたいの傾向が分ればよいという程度の参考にしていただければと思います。

また、同じ品種、同じ製造ロットでもばらつきがありますので、測定結果を鵜呑みにしないようご注意ください。

2.測定したダイオード

秋葉あたりで手に入るダイオード数種類と、唯一持っていた固定式鉱石検波器を1個をチョイスしました。

1SS108(ルネサステクノロジ)

秋月電子で500本入り袋を2500円で買った、我が家の標準的検波デバイス。高速シリコンショットキーバリアダイオード 定格:Vr:30V Id:15mA C=3pF(Vr=1V@1MHz)

1SS108

写真1 1SS108

SB0030-04A(三洋)

千石電商で売っている三洋のショットキー 定格: 40V 30mA 2pF(Vr=1V@1MHz)

SB0030-04A

写真2 SB0030-04A

1N60

点接触型ゲルマニウムダイオードの代表格。

ゲルマと言えば1N60というぐらい有名。メーカ不明品。またメーカ・類似品によって特性も違うらしく、製品の性質上も品質にばらつきがありますので、データシートもさほど当てにならないようです。定格:不明

ゲルマニウムダイオードとは言うものの、その動作原理によってショットキーバリアデバイスに分類されます。

2014年現在、入手自体はできますが、以前に比べて確保が難しくなりつつあるようです。

1N60

写真3 1N60

最近のダイオードに比べるとずいぶん大きいが、それでもガラスの長さは6mmしかない。

鉱石検波器(固定式)

いつ頃入手したかあまり覚えてないのですが、JA8コールのOMさんから譲っていただいたような記憶あり。Philmore社製の固定式鉱石検波器。(今は手元にありません。大切に使っていたける方にお譲りしました)

1N60と取り替えても遜色なしの記憶。

Fixed Crystal

写真4 固定式鉱石検波器

1SS97(NEC)

UHFミクサ用 ショットキーバリアダイオード。その昔は、マイクロ用途で大活躍していたらしい。

Vr:10V Id:35mA C=1pF(Vr=0V@1MHz) 鈴商かどこかで、100円で買いました。

1SS97

写真5 1SS97

2SA50(東芝)

高速スイッチング用ゲルマニウムトランジスタ(アロイ型)。トランジスタをダイオード接続(B-C間短絡)してB-E間をA-Kとみたて比較する。

Vcbo:-18V Vceo:-16V Ic:24mA

だいぶ以前に購入したため、今は入手困難かもしれません。

2SA50

写真6 2SA50

1S2076(ルネサステクノロジ)

こちらは通常の小信号用PNシリコンダイオードで、他との比較用。

とにかく、1本あたり2円と安くて気軽に使えるダイオードの代表格(自分的には)。かつては、1S1588というのがありましたが、それより性能は格段によいです。

特性:Vr:30V Id:150mA C=3pF(Vr=1V@1MHz)

1SS2076

写真7 1S2076

ダイオードの外形比較

以上のダイオードたちは、写真の接写の都合により大きさが分りにくいため、一覧写真も撮ってみました。大小があるとはいっても、とっても小さいです。

Diodes

写真8 ダイオード集合写真

3.測定方法

ダイオードの特性には大まかに言って、静特性と動特性があります。

動特性はいわば、交流信号を流したときの特性で、直流で測ったときとは異なった値になることがあります。

例えば、電極間の静電容量、半導体キャリアの移動速度、回復時間などさまざまなパラメータがありますが、測定が難しいのと、ゲルマラジオ用としてはさほど条件がきつく無いので、普通の静特性の測定になりました。

静特性に必要なのは、直流電源、電流計、電圧計の3つです。

測定原理

図1.測定回路(原理図)

図1は原理図で実際の回路ではありませんが、このままでも電源にしっかりとしたものを用いて、電圧・電流計に工夫をすれば、測定自体できないことはありません。

当初、あまり考えず直流電源に「定電圧電源」を使っていましたが、実際の測定にかなり苦労を伴いました。

ここには、定電流電源を使うのがベターだと、体を張って覚えましたw。実際やってみないと分からないものですね

さて、実際の測定にあたっては、
  電圧計:数ミリV〜1Vまで、測れればよい
  ダイオードの電流が小さいのでなるべく、ハイ・インピーダンスがよい。
  ので、そのままテスタで測るのではなく、オペアンプのボルテージフォロワを入れている。

電流計:できれば、小さい電流から測りたいと考え、高入力抵抗のオペアンプ(LMC662)でI-V変換回路を組みました。1nAが計測可能。

電源:電池をポテンショメータ(ボリューム)で分圧して、オペアンプでボルテージフォロワを組んだもの。ボリュームを大小二つにして微調整できるようにしたが、これでも結構きつい。

測定原理

写真9.測定器外観

測定原理

写真10.測定風景(周囲にあるボックスは無関係)

4.ダイオードの一般的な話

ここで、ダイオードの理論的な特性について説明します。

ダイオードのV-I特性

式1.ダイオード電流理論式

式1はショットキーとPN接合、どちらのダイオードでも適用できる便利な基本式です

Id :ダイオード電流
Vd :ダイオードの両端電圧
Is :ダイオードの逆方向飽和電流
VT :ダイオードの熱電圧
e :自然対数の底

ダイオードにはさまざまな特性がありますが、最も影響の大きい変数が逆方向飽和電流Isです。記号ではよくIsが用いられます。Iは電流、sがsaturation(飽和)の略称でしょう。

そのいわれは、ダイオードに逆電圧をかけたときに流れる最大飽和電流です。

飽和電流(理想)

グラフ1.逆方向飽和電流(理想)

一般的なダイオードの場合、おおむね0.1V以上の逆電圧になるとなかなか電流が増えません。もちろん増えたらダイオードとして失格です。この飽和値がIsです。

このIsを元に、順方向電圧をかけたときの電圧-電流特性を描くとグラフ2のようになります。

ダイオードのV-I特性(理想)

グラフ2.Is別のダイオードV-I特性(理想)

単純には、Isの値が大きいほど低電圧でスルスル電流が流れるので、ゲルマ/鉱石ラジオとしてはIsが大きい方が感度がよく、好ましいといえます。

次に、熱電圧VTです。これは主に温度によって決定される定数。半導体物理だと式2そのままで表現されたりしますが、電子回路では定数をまとめたVT(Thermal Voltage)と言う記号が好んで使われます。

熱電圧

式2.熱電圧式

ここで、kはボルツマン定数(6.626*10-23[J/K]、Tは絶対温度、qは電荷素量(1.6*10-19[C])で、室温では26mV程度が標準値。実際には、放出係数や理想係数と呼ばれるn(1〜2)をかけた値をとり、純理論上は26mV〜52mVの範囲となります。(本来の流儀では、n×VTとするのですが、面倒なので本サイトでは等価的なVTとして、まとめて扱います。)

ちなみに、温度に関係無さそうなフリをしている定数Isの方が温度に敏感なのでご注意を。シリコンに一定電流を流しているとき室温では-2mV/K程度の温度特性が出る事で有名です。日常?で体験する半導体の温特は、ほとんどがIsの影響によるものです。

上記は理論的なダイオード式でしたが、現実には内部抵抗成分がありますから、測定値にはその抵抗効果が加わってきます。

抵抗付加モデル

図2.内部抵抗を考慮したダイオードモデル

ダイオードと並列になっている図2の並列抵抗成分Rpは、逆電圧が加わったときの影響を考慮したもので、数百kΩ以上となるのが一般的です。このRpはゲルマ/鉱石ラジオへの影響が意外に大きいようです。

内部抵抗を考慮した逆電圧特性

グラフ3.内部抵抗を考慮した逆電圧特性

それから、ダイオードと直列になっている直列抵抗成分Rsは、順方向V-I特性がある電圧以上で直線的になる理由を考慮したものです。検波用ダイオードであれば、数Ωから数百Ωの範囲となるでしょう。

これらの抵抗は、ある範囲で等価的に求められるのであって、実際には非線形抵抗成分です。つまり測定する電圧・電流範囲によってその「見かけ抵抗」が変わって来るのが厄介なところ。電流を多めに流すと発熱の影響なんかもあって余計に面倒を抱え込みます。まぁターゲットを絞って測定するのが良いのでしょうね。

内部抵抗を考慮した順電圧特性

グラフ4.内部抵抗を考慮した順電圧特性

5.測定結果(順方向電圧-電流特性1)

グラフ5は、各ダイオードの順方向電圧と電流のグラフです。一般に、低い電圧で立ち上がってくれるダイオードの方がゲルマ/鉱石ラジオに適しています。

各種ダイオードの順方向電圧-電流特性

グラフ5.各種ダイオードの順方向電圧-電流特性

測ってみると、その差は一目瞭然というべきでしょうか。かなり違いが分りやすくなりました。

2SA50の結果

不思議なことに、ゲルマニウムトランジスタ2SA50の立ち上がりが非常に優秀です。200mVを越えたあたりで垂直に上っています。かなり理想的な特性です。

1SS108の結果

ついで、1SS108。立ち上がりは最も良いものの、途中で斜めの直線になっています。

これはダイオードとしては、直列抵抗分Rsが大きいことを表しています。角度から計算して70Ωから80Ω程度の抵抗となり、やや悩む結果です。

ゲルマ/鉱石ラジオ用としは問題ないかもしれません。

SB0030-04Aの結果

1SS108より直線性が少なく、抵抗成分が少ないですが、立ち上がり電圧が1N60に比べても高いので、非常に悩む結果です。

1SS97の結果

意外な結果でした。ダイオード特性そのものは素直なのですが。立ち上がり電圧が非常に高く、鉱石検波器にも劣る結果に。

ゲルマ/鉱石ラジオには適さないようです。

1N60の結果

1N60は古いデバイスですから、ショットキーバリアダイオードと比べると分が悪いです。原理的には同じはずなんですけれどもね。

300mV前後から直線になっていて、抵抗成分が支配的になっていますが、その角度は1SS108に比べて小さく、90〜100Ωぐらいの抵抗成分と計算できます。

その代わり、低い電圧まで特性が伸びているので、ゲルマ/鉱石ラジオ用途としては悪くないです。少なくとも鉱石検波器には十分勝てる特性。ただし、大きく差を離してという訳ではありませんが…。

1S2076の結果

こちらはシリコンダイオードですので、比較は難しいですが、特性そのものとしては、いかにもダイオードというぐらい素直な特性です。

6.測定結果(逆方向電圧-電流特性)

次は、逆方向電圧の特性(グラフ6)です。ダイオードが理論的に持っている逆方向電流は飽和電流Isですから、この電流が大きいほど、感度が良くなります。

しかし、実際には半導体障壁以外での抵抗成分Rpによる漏れ電流もあるので、単純に多ければ良いというわけではありません。0.1V以上でグラフの傾きが水平になっていることが望ましいところ。

各種ダイオードの順方向電圧-電流特性

グラフ6.各種ダイオードの逆方向電圧-電流特性

グラフ6を見ると、1SS108が飛びぬけて逆方向電流が多いです。先ほどのグラフ5とは、目盛りが違いますので注意してください。(電流がmAからμAへ、電圧がmVからVへ)

おおむね、各ダイオードとも0.1Vに至るまでの間に、飽和している様子が見られます。これより右側の電流はおそらくオーム性(抵抗成分)の漏れ電流でしょう。

本来であれば、立ち上がり電圧が低いダイオードほど、逆方向の電流は大きくならなくてはなりません。グラフ1の順方向グラフと比較しても、その傾向が一致していることが分ります。

この結果を見る限り、1SS108のIsが大きく、高感度ゲルマラジオ用に適している可能性が高まります。ただし、逆電圧に比例した電流も盛大に流れているので、200kΩ〜700kΩのRpがあり、同調回路への負担が心配だったりします。

一方、1SS97やSB0030-04Aは、かなり漏れが小さく。電気回路上のダイオード素子としては、かなり優秀な特性を持っている様子。

表1.各種ダイオードの寄生抵抗Rp
ダイオード種別 Rp (ΔVr/ΔId) 測定条件 Condition
固定鉱石 9.8MΩ 0.5V ≤ Vr ≤ 1V
1N60 2.3MΩ 0.5V ≤ Vr ≤ 1V
1SS108 460kΩ 0.6V ≤ Vr ≤ 1V
2SA50 17MΩ 0.6V ≤ Vr ≤ 1V
SB0030-4A 420MΩ 0.5V ≤ Vr ≤ 1V
1SS97 12GΩ 0.5V ≤ Vr ≤ 1V
1S2076 測定不可 -

7.測定結果(順方向電圧-電流特性2) 片対数グラフ

これまでのグラフでは、グラフの小さい値の部分が分りずらいので、nA級電流計の本領を発揮して、片対数グラフにしてみたのが、グラフ7です。

理想ダイオードに近い特性であれば、ほぼ一直線のグラフとなります。

各種ダイオードの順方向電圧-電流特性(片対数)

グラフ7.各種ダイオードの 順方向電圧-電流(片対数)

グラフ5ではmA表示でしたが、こちらでは、一応ですけれども0.1nAまで表示しています。

1S2076 さすがシリコン、一直線です。これが理想のダイオード特性。500mV前後の再結合電流と拡散電流の境目も見えたりするぐらい模範的です。もちろん、グラフは一番右端ですから、そのままラジオには使えませんけども。

1SS108 低電圧領域では一番左端にいて、かなり飽和電流が大きいのですが、直列抵抗成分が大きいせいでべちゃーと曲がっています。良否に悩む結果。結果的に感度は一番よさそうですけども。

2SA50 対数直線性と高い飽和電流を両立させているように見える。ゲルトラ、ヤヴァイ、何か分らないが、優秀すぎ。

1SS97、SB0030-04A 特性が優秀。でも、逆飽和電流が小さすぎて、特に1SS97はゲルマ用には向かないかも。(強い電波が受かるならいい)

固定鉱石、1N60はだいたい1SS108と似たようなグラフですね。

8.測定値の詳細解析結果

これらの測定値をまとめて、モデルに一致するパラメータを求めてみました。これらの値は、測定する電流領域で変わってくるものですから、ゲルマ/鉱石ラジオ用としてよく使う値を抜粋しています。(測定条件欄)。

表2.各種ダイオードの静特性
ダイオード種別 Is VT Rs 測定条件 Condition
1N60 0.564μA 30.1mV 126Ω 2.3 μ ≤ Id ≤ 360μA
2SA50 0.879μA 25.6mV 0.92Ω 5.4μ ≤ Id ≤ 300μA
1SS108 3.38μA 26.6mV 65.5Ω 18μ ≤ Id ≤ 380μA
1S2076 10.0fA 28.0mV 0.0Ω 0.1μ ≤ Id ≤ 4mA
SB0030-4A 8.06nA 25.7mV 12.8Ω 0.4μ ≤ Id ≤ 370μA
鉱石 0.113μA 30.4mV 165Ω 1μ ≤ Id ≤ 340μA
1SS97 266pA 25.0mV 15.0Ω 2.6n ≤ Id ≤ 380μA

なお、1S2076はRsが-0.7Ωと算出されてしまったため、便宜的に0Ωとています。明らかに測定誤差ですね。

また、参考に別サンプルの値を紹介しておきます。

表3.各種ダイオードの静特性(別サンプル)
ダイオード種別 Is VT Rs 測定条件 Condition
1N60 1.04μA 29.9mV 145Ω 0.1μ ≤ Id ≤ 330μA
2SA50 0.817μA 25.3mV 2.98Ω 0.1μ ≤ Id ≤ 330μA

9.まとめと総評

上の測定で、ダイオードごとでかなり特性が違うことが分ります。とは言え、どれが最も優秀なのかという判断を下すのは、難しいことです。

少なくとも、なるべく高感度のラジオが良いと言うのであれば、1SS108や2SA50に軍配が上がるでしょうが、さまざまな条件によってその位置づけは変わりますので、絶対的なものではありません。

では、「ゲルマラジオ」「鉱石ラジオ」用途に限定した、各ダイオードの総評をしていきたいと思います。

2SA50の総評

おそろしく特性が良い。実際に700kHzでテストしてみても問題ありません。つまり接合容量的にも問題無く、Rsも数Ω、Rpも10MΩ超えと、マイナス点が見つからない完璧超人。

おそらく、低電圧で動作するゲルマニウムかつ、安定したPN接合というのが有利なのだと思われる。最大の欠点は入手性が極端に悪いこと。

他のGeトランジスタでも、似たような特性は出るでしょうが、そもそも入手が難しいです。よって、参考記録扱いになってしまいます。

1SS108の総評

検波用デバイスにしては飽和電流が極端に大きく感度的に有利。しかし度を越したその値は、入力インピーダンスの低下に直結してしまう諸刃の剣。(最悪値で8kΩまで低下)。

つまり同調回路への負担がきつく、感度低下しやすい両面性をもつ。

また、感度を上げようとしてハイ・インピーダンス検波しようとすると、その寄生抵抗成分Rpが悪さをしそう。この値は各ダイオードの中で最悪値(200kΩ〜500kΩ)で、検波出力の一部を喰ってしまいます。

要約すれば、使い方次第ということで、扱いが難しい。

たとえば、2GHz帯の測定器を作成したとき、1SS108は最も楽に性能が出ました。おそらく50Ωでの低Z検波だったのが良い方向に作用したのでしょう。一方、ゲルマラジオとしては、性能的に際どいあたりで使用することになります。

1N60の総評

感度がそこそこよく、Rpもさほど低くないなど意外に特性のバランスが取れています。やっぱり長年使われてきた実績というのはあなどれない!

何も考えずに使うなら、1N60がオススメという結果になってしまう悲しさ。

固定鉱石の総評

鉱石という原始的なデバイスの割に、大健闘しています。やや1N60を下回る程度という結果に。むしろRpについては、1N60を上回っている恐ろしさ。

下手に、最近のショットキーダイオードを使うよりも性能が出やすいと思われる(探り式だと調整次第で、1N60を上回る可能性も十分あります)。

難点は、直列抵抗成分の大きさですが、スピーカーを鳴らすなどのことを考えない限りは、目だった弊害にはならなさそうです。

やはり、最も歴史あるデバイスは、性能も必要かつ十分というところでしょうか。

1S2076の総評

シリコンダイオードのため、そのまま使えないものの特性が素直。バイアスをかけて使用するにはもってこい。

1SS97の総評

ゲルマ/鉱石用としては不適格。なにぶんシリコンダイオードに次いで感度が悪い。バイアスをかけるなら、1S2076を使用した方がよい。

SB0030-04Aの総評

ゲルマ/鉱石用としてはやや性能不足。バイアスをかけるにしても中途半端である。

以上となりますが、前提を変えると違った結論も導けますので、ご注意ください。今後は、もっとお気軽簡単に測定できる方法はないか?という課題と、特性が回路に影響する度合いをよく調べなくてはいけないと考えています。

その他の余談

ダイオード測定時に気になったこと(その1)

それはナノアンペアを測定中に値がふらつく事でした。オペアンプが発振しているのかな?とか、ノイズが乗ってるかも?と…静電シールドしたり回路定数を変更したりしていましたが、一向に収まりません。

症状が一定でなく、何かのきっかけでふらふらするのです。だいたいこのような事象では、外部ノイズや発振が原因と相場が決まっています。

しかし、思いつく対策を施しても事象に変化がありません…対策を始めてから3時間ほど経ち、机の上の蛍光灯を落として小休止したその瞬間。針が正常に!

あっ、もしかして!?と再び蛍光灯を付けると、やはり値がズレる。そーっと、ダイオードの上に手をかざすと・・・見事、ふらつきは収まりました。何のことはなく、原因は光だったんです。

ガラス封入のシリコンダイオードが太陽電池と化し、蛍光灯の光で数nAの発電をしていたんですね。ナノアンペア級の測定は初めてだったので、こういう失敗もありました。

ダイオード測定時に気になったこと(その2)

鉱石検波器を測定中。マイクロアンペアの電流レンジでしたが、突然、アナログメータの針がガツン!!!と振り切れました。

「うわぁ、何か短絡したか?」

と思いましたが、その直後、机の上に置いていた携帯電話に着信があったのでした。

何十年も前のデバイス、しかも鉱石なのに、UHFに感度があるなんて、おそろしい事実を目の当たりにしました。

いや、思い返してみれば、鉱石でマイクロ波を検波していたは歴史的事実です。つまり、それほど変なことではないんですが…まぁ、びっくり体験でした。