トンネルダイオードの電圧ー電流特性

トンネルダイオードの
電圧ー電流特性グラフの実験

トンネルダイオードというと、上の写真のようなグラフが説明に必ず出てきます。
トランジスタカーブトレーサと同じように、トンネルダイオードでも同じようにグラフを描かせてみようと今回挑戦しました。

	最終的な回路図は左のような回路図になりました。トンネルダイオードは1S1763を使いました。と言うかこれしか手に入りませんでした。特性からもわかるように、電圧０．５Ｖ以下ー電流10mA以下の世界ですので、加える電圧、電流は小さくしないと壊れてしまいます。そこで、トランスは電圧が低く、小型の物（６．３Ｖ：０．１８Ａ）にしました。整流用ダイオードは、トランスの出力を半波にして、電圧０－９Ｖ（最高電圧６．３Ｖｘ√２≒９Ｖ）が加わるようにしています。そして、Ｒ１とＲ２でトンネルダイオードに加わる電圧と電流を調整しています。トンネルダイオードに直列につながれているＲ３は、トンネルダイオードに流れている電流を電圧に変換してオシロスコープに表示するための物です。オシロスコープには、Ｘ軸が電圧、Ｙ軸が電流のグラフがあらわれます。
	実はこの回路図では、上の写真のような画面は表示されません。実際の画面は左の写真で、上の写真は上下を反転させて表示したものです。使っているオシロスコープがＸ軸とＹ軸のＧＮＤが共通タイプですので、シンプルな回路だとこうなってしまいます。Ｙ軸とＧＮＤを逆につなぐと、それらしいグラフが出ますが、トンネルダイオードの電圧（最大３８０ｍＶ）に対してＲ３の電圧降下の割合が大きいため、トランジスタカーブトレーサのように誤差として無視できません。Ｘ軸とＹ軸のＧＮＤが別々のタイプのオシロスコープをお持ちでしたら、Ｘ軸の入力とＸ軸のＧＮＤはそのままで、Ｙ軸の入力を回路図上のＧＮＤにＹ軸のＧＮＤを回路図上のＹにつなぐと上のグラフのように表示されます。グラフが逆さまだと説明しずらいので、今後は写真を上下反転にして説明していきます。
	まずは、ブレッドボード上で基本回路を組み実験する事にしました。トンネルダイオードを壊さないようにＲ１を選んで電圧を加えていきます。
Ｘ＝５０ｍＶ/DIV：Ｙ＝１ｍＡ/ＤＩＶ	Ｒ１を３３０Ωにした画面です。ちょっとグラフが飛んでいておかしいですが、電圧が２５０ｍＶ程度で止まっています。理想のグラフに比べて、まだ続きがありそうですので、もっと電流電圧を加えても大丈夫そうです。
Ｘ＝５０ｍＶ/DIV：Ｙ＝１ｍＡ/ＤＩＶ	Ｒ１＝220Ωにした画面です。やはりグラフが飛んでいておかしいですが、電圧が３６０ｍＶ程度まできていますが、まだ、続きがありそうですので、もう少し電圧を加えても大丈夫そうです。
Ｘ＝５０ｍＶ/DIV：Ｙ＝１ｍＡ/ＤＩＶ	Ｒ１＝１50Ωにした画面です。やはりグラフが飛んでいておかしいですが、電圧も４００ｍＶ程度まできていますが、もう少し続きがありそうですので、グラフを突抜ける程度まで電圧を加えたいと思います。
Ｘ＝５０ｍＶ/DIV：Ｙ＝１ｍＡ/ＤＩＶ	切りの良いところでＲ１＝１０0Ωにしてみました。グラフの全体は見えるようになりましたが、今度はトンネルダイオードに流れる電流が、２０ｍＡを越えてしまいました。最大定格30mAにはまだ余裕がありますが、最大定格の半分くらいには押さえておきたいので、少し抵抗値を上げて戻します。
Ｘ＝５０ｍＶ/DIV：Ｙ＝１ｍＡ/ＤＩＶ	Ｒ１＝１２0Ωにしてみました。グラフの全体も見えますし、トンネルダイオードに流れる電流も、１５ｍＡなのでこれで決定にします。でも理想のグラフに比べて、このグラフは真中が途切れています。調べてみると、トンネルダイオードは、リード線が長いと発振してしまうらしく、特にトンネルダイオードとＲ２，Ｒ３のリード線は極力短くする必要があるようです。
	リード線を短くしていきましたが、ブレッドボード上では、いくら短くしてもこの途切れた部分はつながりません。そこで、基板上に組んでみました。ブレッドボード上よりは良いようですが、まだグラフは途切れています。抵抗を1/8Wに変えてもまだ線がつながりません。最後の手段として、写真のように直接部品通し半田付けしたところ、やっと破線部分がつながりました。
	何とかつながりましたが、前に途切れたあたりを見ると、線の輝度が少し薄くなっています。

	最終的な回路図は左のような回路図になりました。トンネルダイオードは1S1763を使いました。と言うかこれしか手に入りませんでした。特性からもわかるように、電圧０．５Ｖ以下ー電流10mA以下の世界ですので、加える電圧、電流は小さくしないと壊れてしまいます。そこで、トランスは電圧が低く、小型の物（６．３Ｖ：０．１８Ａ）にしました。整流用ダイオードは、トランスの出力を半波にして、電圧０－９Ｖ（最高電圧６．３Ｖｘ√２≒９Ｖ）が加わるようにしています。そして、Ｒ１とＲ２でトンネルダイオードに加わる電圧と電流を調整しています。トンネルダイオードに直列につながれているＲ３は、トンネルダイオードに流れている電流を電圧に変換してオシロスコープに表示するための物です。オシロスコープには、Ｘ軸が電圧、Ｙ軸が電流のグラフがあらわれます。
	実はこの回路図では、上の写真のような画面は表示されません。実際の画面は左の写真で、上の写真は上下を反転させて表示したものです。使っているオシロスコープがＸ軸とＹ軸のＧＮＤが共通タイプですので、シンプルな回路だとこうなってしまいます。Ｙ軸とＧＮＤを逆につなぐと、それらしいグラフが出ますが、トンネルダイオードの電圧（最大３８０ｍＶ）に対してＲ３の電圧降下の割合が大きいため、トランジスタカーブトレーサのように誤差として無視できません。Ｘ軸とＹ軸のＧＮＤが別々のタイプのオシロスコープをお持ちでしたら、Ｘ軸の入力とＸ軸のＧＮＤはそのままで、Ｙ軸の入力を回路図上のＧＮＤにＹ軸のＧＮＤを回路図上のＹにつなぐと上のグラフのように表示されます。グラフが逆さまだと説明しずらいので、今後は写真を上下反転にして説明していきます。
	まずは、ブレッドボード上で基本回路を組み実験する事にしました。トンネルダイオードを壊さないようにＲ１を選んで電圧を加えていきます。
Ｘ＝５０ｍＶ/DIV：Ｙ＝１ｍＡ/ＤＩＶ	Ｒ１を３３０Ωにした画面です。ちょっとグラフが飛んでいておかしいですが、電圧が２５０ｍＶ程度で止まっています。理想のグラフに比べて、まだ続きがありそうですので、もっと電流電圧を加えても大丈夫そうです。
Ｘ＝５０ｍＶ/DIV：Ｙ＝１ｍＡ/ＤＩＶ	Ｒ１＝220Ωにした画面です。やはりグラフが飛んでいておかしいですが、電圧が３６０ｍＶ程度まできていますが、まだ、続きがありそうですので、もう少し電圧を加えても大丈夫そうです。
Ｘ＝５０ｍＶ/DIV：Ｙ＝１ｍＡ/ＤＩＶ	Ｒ１＝１50Ωにした画面です。やはりグラフが飛んでいておかしいですが、電圧も４００ｍＶ程度まできていますが、もう少し続きがありそうですので、グラフを突抜ける程度まで電圧を加えたいと思います。
Ｘ＝５０ｍＶ/DIV：Ｙ＝１ｍＡ/ＤＩＶ	切りの良いところでＲ１＝１０0Ωにしてみました。グラフの全体は見えるようになりましたが、今度はトンネルダイオードに流れる電流が、２０ｍＡを越えてしまいました。最大定格30mAにはまだ余裕がありますが、最大定格の半分くらいには押さえておきたいので、少し抵抗値を上げて戻します。
Ｘ＝５０ｍＶ/DIV：Ｙ＝１ｍＡ/ＤＩＶ	Ｒ１＝１２0Ωにしてみました。グラフの全体も見えますし、トンネルダイオードに流れる電流も、１５ｍＡなのでこれで決定にします。でも理想のグラフに比べて、このグラフは真中が途切れています。調べてみると、トンネルダイオードは、リード線が長いと発振してしまうらしく、特にトンネルダイオードとＲ２，Ｒ３のリード線は極力短くする必要があるようです。
	リード線を短くしていきましたが、ブレッドボード上では、いくら短くしてもこの途切れた部分はつながりません。そこで、基板上に組んでみました。ブレッドボード上よりは良いようですが、まだグラフは途切れています。抵抗を1/8Wに変えてもまだ線がつながりません。最後の手段として、写真のように直接部品通し半田付けしたところ、やっと破線部分がつながりました。
	何とかつながりましたが、前に途切れたあたりを見ると、線の輝度が少し薄くなっています。