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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Sperrschichtkapazität Cs einer Diode messen


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Autor: Stefan O. (stefan_o556)
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Grüß euch!
Ich möchte gerne die Sperrschichtkapazitäten von Dioden vermessen, um 
damit mit Cs(Ud')=Cs0/(1-(Ud'/Udiff)^ms ( lt. Tietz-Schenk) auf die 
Null-Sperrschichtkapazität Cs0 rückrechnen zu können. Natürlich wäre mir 
eine Methode mit der man direkt Cs0 bestimmen kann noch lieber.
Meine erste Idee war, die Diode in Sperrichtung zu polen, einen kleinen 
Spannungspuls ( im mV-Bereich) anzulegen und mit einen 
Transimpedanzverstärker (TIA) mit einem schnellen OPV mit geringer 
Eingangskapazität die Ladekurve der Sperrschichtkapazität zu messen. Ich 
hab das ganze mal in LT-Spice aufgebaut, damit man besser versteht, was 
ich vor habe (siehe Anhang).
Um Störeinflüsse zu minimieren würde ich den Messaufbau in ein 
geschirmtes Gehäuse packen.

Nun wollte ich mir hier ein Feedback dazu holen bzw. vielleicht hat 
jemand eine einfachere/bessere Mehtode um die Sperrschichtkapazität 
einer Diode zu messen?

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Autor: Harald W. (wilhelms)
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Stefan O. schrieb:

> Nun wollte ich mir hier ein Feedback dazu holen bzw. vielleicht hat
> jemand eine einfachere/bessere Mehtode um die Sperrschichtkapazität
> einer Diode zu messen?

Theoretisch müsstest Du die ganz einfach als Impedanz mit
einer angelegten Wechselspannung im kHz-Bereich messen können.
Parallel dazu müsstest Du eine vaiableGleichspannung anlegen,
um die Kapazität bei unterschiedlichen Sperrspannungen zu
messen. Dann kannst Du eine Kurve malen aus der Du die Kapa-
zität bei unterschiedlichen Sperrspannungen ablesen kannst.

Autor: ABu (Gast)
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Hallo,

ich würde mit der Diode einen VCO bauen und die Steuerspannungs/Frequenz 
Kennline bestimmen, z.B. damit:
https://www.maximintegrated.com/en/products/comms/wireless-rf/MAX2620.html

die Umrechnung von Frequenz zu Kapazität ist zwar etwas umständlich, 
dann man auch die Koppel-Cs einrechnen muss aber man mann anstelle der 
Diode auch bekannte Kapazitäten zur Referenzmessung einsetzen.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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ABu schrieb:

> die Umrechnung von Frequenz zu Kapazität ist zwar etwas umständlich,

Ich bin mir jetzt nicht sicher, ob es neben der Spannungsabhängigkeit
auch eine Frequenzabhängigkeit der Kapazität gibt, zuminest bei sog.
"langsamen" Dioden.

Autor: Alexander S. (alesi)
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Hallo,

wenn Du nur die Null-Sperrschichtkapazität Cs0 bestimmen mußt, warum 
mißt Du dann nicht direkt bei Udiode = 0? Es gibt LCR-Meter, die messen 
C über eine Frequenzmessung und Vergleich mit der Frequenz eines 
bekannten Schwingkreises. Z.B. 
https://sites.google.com/site/vk3bhr/home/lcm1

Autor: Stefan O. (stefan_o556)
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Erstmal danke für die Inputs!

> wenn Du nur die Null-Sperrschichtkapazität Cs0 bestimmen mußt, warum
> mißt Du dann nicht direkt bei Udiode = 0? Es gibt LCR-Meter, die messen
> C über eine Frequenzmessung und Vergleich mit der Frequenz eines
> bekannten Schwingkreises. Z.B.
> https://sites.google.com/site/vk3bhr/home/lcm1

Leider hab ich so ein LCR-Meter nicht. Außerdem ist für mich zwar primär 
Cs0 interessant, jedoch mit einer Messkurve von Cs über verschiedene 
Messspannungen hätte ich die Möglichkeit, mittels Line-Fit weitere 
Parameter wie Udiff, ms zu bestimmen.

> Theoretisch müsstest Du die ganz einfach als Impedanz mit
> einer angelegten Wechselspannung im kHz-Bereich messen können.
> Parallel dazu müsstest Du eine vaiableGleichspannung anlegen,
> um die Kapazität bei unterschiedlichen Sperrspannungen zu
> messen. Dann kannst Du eine Kurve malen aus der Du die Kapa-
> zität bei unterschiedlichen Sperrspannungen ablesen kannst.

Dieser Ansatz klingt interessant. Würdest du dazu auch einen TIA 
verwenden?
Würde es dir was ausmachen den Messaufbau vielleicht kurz zu skizzieren?

Autor: Stefan O. (stefan_o556)
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Harald W. schrieb:
> Stefan O. schrieb:
>
>> Nun wollte ich mir hier ein Feedback dazu holen bzw. vielleicht hat
>> jemand eine einfachere/bessere Mehtode um die Sperrschichtkapazität
>> einer Diode zu messen?
>
> Theoretisch müsstest Du die ganz einfach als Impedanz mit
> einer angelegten Wechselspannung im kHz-Bereich messen können.
> Parallel dazu müsstest Du eine vaiableGleichspannung anlegen,
> um die Kapazität bei unterschiedlichen Sperrspannungen zu
> messen. Dann kannst Du eine Kurve malen aus der Du die Kapa-
> zität bei unterschiedlichen Sperrspannungen ablesen kannst.

Ich deinen Ansatz (so wie ich es verstanden habe) mal in LTSpice 
aufgebaut.
Dazu habe ich die Diode in Sperrrichtung an den TIA geschlossen und eine 
Sinusspannung mit 3mV,33kHz + eine variable DC-Quelle in Serie.
Anschließend habe ich einen Parametersweep für unterschiedliche 
DC-Spannungen (also unterschiedliche Sperrspannungen der Diode) gemacht 
und die Spannung am Ausgang des TIA gemessen.
Jedoch weiß ich nicht wie ich mir daraus die Sperrschicht-Kapazität 
ablesen kann? Oder habe ich etwas falsch verstanden?

LG

Autor: K. S. (the_yrr)
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Stefan O. schrieb:
> Ich deinen Ansatz (so wie ich es verstanden habe) mal in LTSpice
> aufgebaut.

hat der Kondensator im Feedback 150 femto Farad? oder sollen das 150F 
sein, beides wäre sehr unrealistisch.

ansonsten ist ein TIA ein Strom Spannungs Wandler, also entspricht 
(Ausgangsspannung/Feedback Impedanz) dem Strom durch die "Diode". da 
diese aber nur wie ein Kondensator wirkt, kannst du aus dem Strom und 
der angelegten Wechselspannung die Impedanz und damit die Kapazität 
berechen. Formeln sind nicht schwierig und darfst du selber suchen (bin 
zu faul), wenn du hilfe brauchst frag nochaml.

Autor: Achim S. (Gast)
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Stefan O. schrieb:
> Jedoch weiß ich nicht wie ich mir daraus die Sperrschicht-Kapazität
> ablesen kann? Oder habe ich etwas falsch verstanden?

Mal davon ausgehend, dass du die sperrende Diode als ideale Kapazität 
betrachten willst (andernfalls müsstest du deine Messungen noch 
bezüglich Phasenlage aufbohren):

- du kennst die AC-Spannung an der Kapazität (deine 3mV, kannst du im 
realen Aufbau per Multimeter messen)
- du kennst den Strom durch die Kapazität (die Ausgangsspannung deines 
Verstärkers dividiret durch den 1Meg-Rückkoppelwiderstand, kannst du im 
realen Aufbau per Multimeter messen)
- aus dem Verhältnis von beiden berechnest du den Blindwiderstand X 
deiner Kapazität (dabei in der Simu nicht versehentlich das Verhältnis 
der Momentanwerts bilden - das kann aufgrund der Phasenverschiebung 
nicht klappen. Aber das Verhältnis der Effektivwerte, die du auch mit 
dem Multimeter bestimmst, funktioniert). Na ja, eigentlich bekommst du 
daraus nicht X sondern |X| (wegen der Effektivwerte und weil die 
Phasenbeziehung ignoriert wird), aber das reicht.
- wenn du den Blindwiderstand |X| deiner Kapazität kennst, dann kannst 
daraus den Kapazitätswert berechnen C=1/(2*pi*f*|X|)

Ach: zu spät. K.S. hat es ja schon erklärt. Egal, jetzt schick ich 
meinen Beitrag auch noch ab...

Autor: Helmut S. (helmuts)
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> Es gibt LCR-Meter, die messen
C über eine Frequenzmessung und Vergleich mit der Frequenz eines
bekannten Schwingkreises. Z.B.

Die LCR-Meter messen alle mit viel zu hoher Wechelspannungsamplitude (1V 
bis mehrere Volt) und sind damit nur nur für größere Sperrspannungen 
brauchbar.

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Autor: Alexander S. (alesi)
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Helmut S. schrieb:
> Die LCR-Meter messen alle mit viel zu hoher Wechelspannungsamplitude (1V
> bis mehrere Volt)

"alle" ist vielleicht etwas übertrieben. Bei den professionellen 
LCR-Meter
kann man <0.1 Vrms einstellen, z.B.
https://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5989-4435EN.pdf?id=776077
Signal level
Table 6. Test signal voltage
Range
0 Vrms - 2.0 Vrms
Resolution
100 μVrms (0 Vrms ≤ - ≤ 0.2 Vrms)
200 μVrms (0.2 Vrms < - ≤ 0.5 Vrms)
500 μVrms (0.5 Vrms < - ≤ 1 Vrms)
1 mVrms (1 Vrms < - ≤ 2 Vrms)

Autor: Stefan O. (stefan_o556)
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Erstmal, wieder danke für die hilfreichen Antworten!

K. S. schrieb:
> hat der Kondensator im Feedback 150 femto Farad? oder sollen das 150F
> sein, beides wäre sehr unrealistisch.

Die 150fF des Feedback C´s, sind als parasitäre Kapazität des 
Eval-Boards zu den von mir ausgewählten OPV "LTC6268" zu verstehen. 
Diesen habe ich gewählt, da er geringe Eingangskapazitäten, hohe 
Geschwindigkeit und geringen Bias-Current hat. Da ich erwartungsgemäß 
Kapazitäten im einstelligen pF-Bereich messen will, dachte ich mir, dass 
ich den Feedback C so klein wie möglich halten sollte um die Messung 
nicht unnötig zu verfälschen. In der Simulation reichen diese 
parasitären 105fF bereits aus, dass der TIA stabil ist. Im realen Aufbau 
wird es sich noch zeigen, ob ich eine zusätzliche Kapazität im 
Feedbackzweig brauche.

Achim S. schrieb:
> - du kennst die AC-Spannung an der Kapazität (deine 3mV, kannst du im
> realen Aufbau per Multimeter messen)
> - du kennst den Strom durch die Kapazität (die Ausgangsspannung deines
> Verstärkers dividiret durch den 1Meg-Rückkoppelwiderstand, kannst du im
> realen Aufbau per Multimeter messen)
> - aus dem Verhältnis von beiden berechnest du den Blindwiderstand X
> deiner Kapazität (dabei in der Simu nicht versehentlich das Verhältnis
> der Momentanwerts bilden - das kann aufgrund der Phasenverschiebung
> nicht klappen. Aber das Verhältnis der Effektivwerte, die du auch mit
> dem Multimeter bestimmst, funktioniert). Na ja, eigentlich bekommst du
> daraus nicht X sondern |X| (wegen der Effektivwerte und weil die
> Phasenbeziehung ignoriert wird), aber das reicht.
> - wenn du den Blindwiderstand |X| deiner Kapazität kennst, dann kannst
> daraus den Kapazitätswert berechnen C=1/(2*pi*f*|X|)

Danke für die ausführliche Beschreibung.
Der einzige Punkt der mir jetzt noch etwas unklar ist, wenn ich nun eine 
Kurve der Sperrschichtkapaziät Cs über die Diodenspannung Ud haben 
möchte, bis hin zur Null-Kapazität Cs0 (oder zuminderst annähernd, da 
U=0 nicht gehen wird), welche Parameter muss ich für die Messung 
variieren.
Ich nehme mal an, die Frequenz sollte gleich bleiben, muss nun die 
Amplitude der AC-Spannung oder die angelegte DC-Sperrspannung der Diode 
für Cs(Ud) variiert werden?

Edit: hier der passende Auszug aus Wikipedia, um klarer zu machen, 
welchen Plot ich nachbilden möchte
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Process_of_the_barrier_capacitance.svg#/media/File:Process_of_the_barrier_capacitance.svg

: Bearbeitet durch User
Autor: Alexander S. (alesi)
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Stefan O. schrieb:
> (oder zuminderst annähernd, da U=0 nicht gehen wird)

Warum soll sich Cs nicht direkt bei U = 0 V messen lassen?
Ein p,n-Übergang hat auch bei U = 0 V eine Raumladungszone und eine 
Kapazität.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Alexander S. schrieb:
> Stefan O. schrieb:
>> (oder zuminderst annähernd, da U=0 nicht gehen wird)
>
> Warum soll sich Cs nicht direkt bei U = 0 V messen lassen?
> Ein p,n-Übergang hat auch bei U = 0 V eine Raumladungszone und eine
> Kapazität.

Weil die billigen L-Meter mit mehr als 1V Amplitude der Wechselspannung 
messen. Damit hat man dann keine annähernd 0V mehr. Deshalb benötigt man 
dafür eine Möglichkeit mit wesentlich kleinerer Amplitude zu messen.

Autor: Stefan O. (stefan_o556)
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Alexander S. schrieb:
> Stefan O. schrieb:
>> (oder zuminderst annähernd, da U=0 nicht gehen wird)
>
> Warum soll sich Cs nicht direkt bei U = 0 V messen lassen?
> Ein p,n-Übergang hat auch bei U = 0 V eine Raumladungszone und eine
> Kapazität.

Ich meinte, dass dies nicht mit der oben genannten für U=0 geht. Da 
zumindest eine kleine AC- oder DC-Spannung anliegen muss, da sonst kein 
Strom fließt und man somit am Ausgang des OPV auch nichts misst.
Für Udc=0 (als ohne DC-Spannung in Sperrichtung) und einem AC-Signal mit 
kleiner Amplitude, sollte es jedoch meiner Meinung nach funktionieren

Autor: Alexander S. (alesi)
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Helmut S. schrieb:
> Weil die billigen L-Meter mit mehr als 1V Amplitude der Wechselspannung
> messen.

Stefan O. (stefan_o556)  will aber mit ca. 3 mV messen:

Stefan O. schrieb:
> Dazu habe ich die Diode in Sperrrichtung an den TIA geschlossen und eine
> Sinusspannung mit 3mV,33kHz + eine variable DC-Quelle in Serie.

Autor: Stefan O. (stefan_o556)
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Ja, da ich eine sehr kleine Spannung (muss nicht unbedingt 3mV sein, 
sondern so klein wie möglich) haben will, damit für die Näherung von 0V 
keinen alzu großen Fehler hat. Aus diesem Grund die oben diskutierten 
Methode.

Autor: Alexander S. (alesi)
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Stefan O. schrieb:
> Ich meinte, dass dies nicht mit der oben genannten für U=0 geht.

Hallo Stefan,

auf was genau beziehst Du Dich mit "mit der oben genannten ..."?
Kannst Du die Schaltung auch direkt als Bild hochladen, nicht nur die
LTspice .asc Datei?

Stefan O. schrieb:
> Edit: hier der passende Auszug aus Wikipedia, um klarer zu machen,
> welchen Plot ich nachbilden möchte
> 
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Process_of_the_barrier_capacitance.svg#/media/File:Process_of_the_barrier_capacitance.svg

Da bedeuten positive Spannungen Durchlassrichtung, d.h. Du willst in
Vorwärtsrichtung Cs bestimmen?

Autor: K. S. (the_yrr)
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Stefan O. schrieb:
> Die 150fF des Feedback C´s, sind als parasitäre Kapazität des
> Eval-Boards zu den von mir ausgewählten OPV "LTC6268" zu verstehen.
dann geht das schon, aber beachte die parasitären Kapazitäten z.B. der 
Eingangspins, der Leiterbahnen gegeneinander und auch gegen z.b. 
Masseflächen. Um 150fF zu erreichen musst du eher die Abstände etwas 
größer wählen, ein paar mm-cm 0.5 mil Abstand Leiterbahnen haben sehr 
wahrscheinlich mehr.

Stefan O. schrieb:
> Ich nehme mal an, die Frequenz sollte gleich bleiben, muss nun die
> Amplitude der AC-Spannung oder die angelegte DC-Sperrspannung der Diode
> für Cs(Ud) variiert werden?
nur DC ändern, die AC Spannung sollte sehr klein sein, weil du die 
Kapazität über DC +- AC gemittelt misst. AC Betrag und Frequenz konstant 
halten, und zum "kalibrieren" bekannte Kapazitäten messen. z.b. die 
150fF sind geschätzt, lassen sich nur schwierig messen und sind parallel 
zu den 1Meg, je nach gewünschter Genauigkeit brauchst du also einige 
Vergleichsmessungen.

Autor: Stefan O. (stefan_o556)
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Alexander S. schrieb:
> 
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Process_of_the_barrier_capacitance.svg#/media/File:Process_of_the_barrier_capacitance.svg
>
> Da bedeuten positive Spannungen Durchlassrichtung, d.h. Du willst in
> Vorwärtsrichtung Cs bestimmen?
Nein schon in Sperrrichtung, vielleicht war der Wiki-Plot mehr 
verwirrend, als dass er zum Verständnis beiträgt. Ich habe in den Anhang 
einen Plot gepackt, der mein Vorhaben vielleicht besser beschreibt.

K. S. schrieb:
> nur DC ändern, die AC Spannung sollte sehr klein sein, weil du die
> Kapazität über DC +- AC gemittelt misst. AC Betrag und Frequenz konstant
> halten

Vielen Dank. Mit den von mir angehängten Plot, ist dies auch klar! Da 
ich ja Cs über unterschiedliche Bereiche des Sperrbereichs haben will, 
somit muss ich die DC-Sperrspannung variieren.

K. S. schrieb:
> dann geht das schon, aber beachte die parasitären Kapazitäten z.B. der
> Eingangspins, der Leiterbahnen gegeneinander und auch gegen z.b.
> Masseflächen. Um 150fF zu erreichen musst du eher die Abstände etwas
> größer wählen, ein paar mm-cm 0.5 mil Abstand Leiterbahnen haben sehr
> wahrscheinlich mehr.

Deswegen werde ich für den ersten Versuchsaufbau mit der Eval-Platine 
von LinearTechnologies arbeiten, da diese üblicherweise sehr hochwertige 
Produkte mit guter Doku anbieten.
Wenn ich erste Erfahrungen gesammelt habe, werde ich ein eigenes Layout 
machen. Dieses kann ich dann mit den Ergebnissen des EvalBoards 
vergleichen.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Ich habe jetzt mal die Simulation vervollständigt. Außerdem hatte jemand 
nach einem Bild des Schaltplanes gefragt.

Der Schaltplan _bw dient zur Kontrolle ob der Kondnesator Cf richtig 
gewählt wurde. Wenn Cf zu klein ist, dann gibt es eine unerwünschte 
Anhebung des Frequenzganges. Wenn Cf zu groß ist, dann muss man bei 
f=100kHz die gemessene Spannung rechnerisch korrigieren.

: Bearbeitet durch User
Autor: K. S. (the_yrr)
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Sieht doch gut aus.
Das DAtenblatt der 1N4148 sagt 4pF bei 0V und 1MHz, also scheinen 
zumindest das Modell und die Rechnung zu stimmen.

Warum hast du noch die 10pF eingebaut, die sollten eigentlich unnötig 
sein.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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K. S. schrieb:
> Sieht doch gut aus.
> Das DAtenblatt der 1N4148 sagt 4pF bei 0V und 1MHz, also scheinen
> zumindest das Modell und die Rechnung zu stimmen.
>
> Warum hast du noch die 10pF eingebaut, die sollten eigentlich unnötig
> sein.

Weil auf deinem Board ein Stück Leitung(=Kapazität gegen Masse) ist und 
das Kabel bis zur Diode auch noch eine Kapazität gegen Masse hat. Die 
Gesamtkpazität am Minuseingang bestimmt die minimal nowendige Kapazität 
Cf um einen flachen Frequenzgang zu bekommen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Werner H. (werner45)
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Mir fehlt noch ein (hochohmiger) Widerstand gegen Gnd für die 
DC-Vorspannung am anderen Diodenende.
Kleine AC-Spannungen kann man hierbei auch einfach mit einem kleinen 
Trafo induktiv einkoppeln.

Gruß  -  Werner

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Werner H. schrieb:
> Mir fehlt noch ein (hochohmiger) Widerstand gegen Gnd für die
> DC-Vorspannung am anderen Diodenende.
> Kleine AC-Spannungen kann man hierbei auch einfach mit einem kleinen
> Trafo induktiv einkoppeln.
>
> Gruß  -  Werner

Das andere Ende der Diode ist beim TIA virtuell auf GND. Da benötigt man 
keinen Widerstand an der Stelle. Der wäre sogar kontraproduktiv da er 
das Rauschen und die Offsetspannung am Ausgang erhöht.

: Bearbeitet durch User
Autor: K. S. (the_yrr)
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Helmut S. schrieb:
> Weil auf deinem Board ein Stück Leitung(=Kapazität gegen Masse) ist und
> das Kabel bis zur Diode auch noch eine Kapazität gegen Masse hat. Die
> Gesamtkpazität am Minuseingang bestimmt die minimal nowendige Kapazität
> Cf um einen flachen Frequenzgang zu bekommen.
Mein Fehler, ich frag mich die ganze Zeit was diese Bauteile verbessern 
sollen oder welchen Sinn die haben, hätt ich bei dem Namen auch selber 
drauf kommen können.

Autor: GEKU (Gast)
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So kleine Kapazitäten wie Sperrschichtkapazitäten lassen sich sehr 
schwer messen, da schon die Leitungskapazitäten sehr klein sein müssen 
um nicht in Gewicht zu fallen. Weiters ist die Sperrschichtkapazität 
spannunabhängig und noch dazu nichtlinear. Das heisst, es muss mit einer 
sehr kleinen Wechselspannung, hoher Frequenz gemessen werde.

Dumme Idee: Messung in einer Brücke durch Kapazitätsvergleich.

Der oberer Zweig wird mit zwei möglichst gleich große Widerstände ( 
Unterschied <1%) gebildet.
Der unter Zweig wird aus dem Messobjekt Diode der der 
Referenzkapazität(en) gebildet.
Die Bauelemente der Brücke sind in SMD ausgeführt und liegen eng 
beinander. Zum Abgleich können für die Referenzkapazität SMD 
Kondensatoren in Serie und Parallel geschaltet werden, bis die 
Brückenspannung (zwischen linken und rechten Brückenknoten) ein Minimum 
wird.

Die Einspeisung der Wechselspannung und der Vorspannung erfolgt zwischen 
oberen und unter Knoten der Brücke.

Die Brückenspannung (Knoten links rechts) kann von einen 
Operationsverstärker möglichst  symmetrisch abgegriffen und Verstärkt 
werden. Es können auch zwei TastKöpfe an einem Oszilloskop sein, deren 
Strahlen subtrahiert werden.

Achtung: Simulationen der Schaltungen können auf Grund der kleinen 
Kapazitäten sehr stark von der Realität abweichen.

MFG
GEKU

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