Tech note: making your own V-I plots at home

背景

在编写新书《The Secret Life of Circuits》时，作者希望保持插图的真实性和原创性。他注意到流行的电子教科书和在线教程中的图表大多不真实：最好的情况是取自古代文献的描摹，最差的情况是凭记忆草绘，只能勉强称为“真实事件改编”。该书包含约290幅原创插图，力求避免此类问题。作者为石英晶体频率响应、电池放电曲线、100英尺同轴电缆中的信号反射、真空管特性等所有内容都精心收集了真实数据。

核心内容

大多数数据采集相对直接，但半导体器件的电压-电流参量图（V-I曲线）却是个例外。在曲线某些部分，电流极小，普通示波器难以记录；在另一些部分，电流突然飙升，导致器件烧毁。即便在中间区域，半导体结特性也会随温度变化，包括1mA电流产生的自热效应，导致示波器上的点漂移。

为解决这一问题，作者最终放弃了示波器，改用台式万用表（DMM）和实验室电源的脉冲供电。万用表的优势在于能轻松测量微安和微伏级信号；脉冲供电则能控制热致漂移。此外，作者将待测器件浸入非导电液体（如矿物油）中冷却。

手动测量繁琐且易出错，因此需要仪器能连接计算机。许多台式仪器支持基于文本的SCPI协议（Standard Commands for Programmable Instruments）。接口可通过RS-232、USB Type B（打印机样式）或以太网（TCP连接端口5025）提供。SCPI协议使用命令和查询，例如*IDN?\n查询设备标识，MEAS:VOLT?查询当前电压，SOUR:VOLT 1.2设置电压，OUTP 1开启输出通道。

作者虽然有支持SCPI的万用表，但电源无远程控制功能。于是作者购买了源测量单元（SMU）——本质上是一种结合了电源和快速响应万用表的设备。全新SMU价格昂贵，但二手市场几乎无买家，因此容易在eBay上以低价购得。作者以MSRP（9000美元）的极小折扣购得一台未使用的Rohde & Schwarz NGU401。

该SMU可通过反复设置输出电压并查询万用表读数来使用，但读数更新频率仅约3Hz。更好的方法是使用设备的数据流模式（FastLog），采样率可达每秒100k至500k，并以二进制4字节浮点数发送电压-电流对。然而，实际使用中与文档描述不符：通过串口USB接口返回的二进制数据会损坏，最终只能通过以太网正常工作。

作者的C语言实现（用于捕捉正向偏置二极管的V-I曲线）使用FastLog以10ksps采样。对于低于0.3mA的电流，保持供电电压并平均2500个数据点以获得无噪声微安级读数；对于更高电流，通电5ms，从FastLog缓冲区中平均20个最佳样本。下图展示了连续电流额定值300mA的1N4148二极管的正向V-I曲线（实际数据）。作者轻松覆盖了从几微安到近2A的范围，甚至可到4A。

注意，二极管中电压与电流的关系通常被描述为指数关系，但这仅在非常小的电流下成立。在对数电流图中，约10mA附近曲线偏离了理想指数模型（虚线），这是因为半导体衬底的电阻效应——这正是真实数据图的价值所在。

同样的方法也适用于晶体管。例如，作者绘制了小功率MOSFET BS170的漏源电压与漏极电流的关系图。该图显示，在大部分工作范围内，晶体管近似为恒流器件；电流限制由栅源电压（VGS）设定，在VDS为1V至10V之间变化小于10%。此外，作者还展示了曲线尾部的特性：规格书称该晶体管击穿电压为60V，教科书常将其显示为急剧垂直过渡，但实际情况更复杂。

由于作者的SMU最高仅20V，为获得更高电压范围，他串联了一个传统电源，并将多个电压段的数据拼接。但这也带来了新问题：即使SMU空闲，待测器件上也会存在较大的漏源电压，可能导致过热或损坏。为此，作者将固定的VGS信号改为由信号发生器提供的5ms脉冲，并采用低占空比。

关键要点

• 半导体器件的V-I曲线测量面临微小电流和巨大电流的极端范围，以及自热效应导致的漂移挑战。
• 使用台式万用表（DMM）和脉冲供电可分别解决微安级测量和热漂移问题；将器件浸入矿物油中冷却可进一步抑制温升。
• 支持SCPI协议的仪器可实现计算机远程控制，但接口可能存在问题（如USB-Serial数据损坏），最终需通过以太网稳定工作。
• 源测量单元（SMU）是理想工具，但价格昂贵；二手市场能买到高性价比设备，例如Rohde & Schwarz NGU401。
• 实际二极管V-I曲线在较大电流下偏离理想指数模型，原因在于半导体衬底的电阻效应。
• 晶体管（如MOSFET）的恒流区和击穿区特性与教科书简化描述存在差异，真实曲线更复杂。
• 通过串联传统电源扩展SMU的电压范围（超过20V）时，需注意待测器件的静态偏置可能导致热失控，需采用脉冲栅极驱动。

意义与影响

这篇技术笔记展示了如何以低成本、高精度的方法获取真实半导体器件特性曲线，对电子工程教育、电路设计验证以及逆向工程具有实际价值。作者强调，教科书和在线教程中的“理想化”图表往往忽略真实物理效应（如自热、衬底电阻、击穿渐变），而实际测量数据能揭示这些细节。该方法不仅适用于二极管和MOSFET，也可推广到其他半导体器件，为业余爱好者、研究人员和工程师提供了一种可靠、可重复的测量方案。此外，作者公开了C语言实现代码和原始测量数据，促进了知识共享和复现性。