Warum verändert die Temperatur die Eigenschaften einer Diode?

Halbleiter funktionieren im Allgemeinen, weil thermische Energie eine gewisse Anzahl von Elektronen aus ihren "Grundzuständen", in denen sie an einen bestimmten Kern gebunden sind, in das Leitungsband hebt, wo sie sich frei bewegen können. Die Anzahl der Elektronen im Leitungsband ist eine starke Funktion der Temperatur, aber auch eine Funktion der relativen Dotierungsniveaus in den verschiedenen Teilen einer Halbleitervorrichtung.

Die relativen Niveaus der Leitungsbandbelegung bestimmen die elektrischen Eigenschaften des Geräts. Ob eine Population in Bezug auf die Temperatur schneller oder langsamer ansteigt als eine andere, kann den Unterschied zwischen einem positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten in den elektrischen Eigenschaften ausmachen.

Ok, hier spielen viele Dinge eine Rolle. Lassen Sie mich kurz ein paar Dinge für Sie definieren. Ich setze etwas Hintergrundwissen voraus, da Sie die Shockley-Gleichung erwähnt haben.

Eine Diode wird gebildet, indem ein Stück Halbleiter vom n-Typ und vom p-Typ verbunden wird. Dies führt zu einer Diffusion von Elektronen und Löchern, die einen Strom erzeugt. Als Ergebnis wird die Raumladungszone (SCR) gebildet. Die Raumladungszone erzeugt ein elektrisches Feld, das einen Driftstrom erzeugt, der den Diffusionsstrom aufhebt. Daher fließt im thermischen Gleichgewicht kein Strom.

Eine Zenerdiode hängt vom Quantentunneln ab. Dies bedeutet, dass die Durchbruchspannung erreicht wird, sobald die Valenzbandkante des p-Bereichs über die Leitungsbandkante des n-Bereichs angehoben ist. Dadurch können die Elektronen im p-Typ-Valenzband zum Leitungsband des n-Typ-Bereichs tunneln. Dadurch entsteht ein Strom.

Eine Avalanche-Diode (das ist keine normale Diode, es ist eine Avalanche-Diode) hängt vom Avalanche-Effekt ab. Wenn das SCR-Feld einen bestimmten Wert überschreitet (bekannt als kritisches Feld), werden Elektronen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und beginnen, andere Elektronen in das Leitungsband zu stoßen. Dadurch entsteht eine enorme Strömung. Beachten Sie den Unterschied im Funktionsprinzip zwischen Zener- und Avalanche-Dioden.

Ok, jetzt zu den Fragen.

Diese Analyse ist vereinfacht, sollte aber gut genug sein. Wenn Sie in einer normalen Diode die Temperatur erhöhen, steigen die Ladungsträgerkonzentrationen stark an. Dies wirkt sich nur minimal auf den Diffusionsstrom aus, da der Anstieg auf beiden Seiten ungefähr gleich ist, sodass wir den Diffusionsstrom als konstant für kleine Temperaturerhöhungen annähern können. Der Driftstrom steigt jedoch proportional zu den Ladungsträgerkonzentrationen, und daher nimmt der Driftstrom stark zu. Dies bedeutet, dass im SCR ein kleineres elektrisches Feld erforderlich ist, um den Diffusionsstrom auszugleichen. Aufgrund dieses kleineren elektrischen Feldes nimmt die Einschaltspannung der Diode ab.

In einer Zenerdiode steigt die Energie der Elektronen, wenn Sie die Temperatur erhöhen. Folglich steigt die Tunnelwahrscheinlichkeit und die Sperrdurchbruchspannung sinkt. (nicht ganz sicher, scheint aber plausibel)

Wenn die Temperatur in einer Avalanche-Diode höher ist, fällt das eingebaute Feld gemäß der vorherigen Erklärung ab. Daher ist eine größere angelegte Spannung erforderlich, um das kritische Feld zu erreichen, und somit steigt die Durchbruchspannung.

Vorwärtsvorspannung der PN-Übergangsdiode:

Wenn Sie die Temperatur erhöhen, steigt die intrinsische Ladungsträgerkonzentration. Dies drückt das Ferminiveau näher an das intrinsische Ferminiveau (die Mitte der Bandlücke). Da das eingebaute Potential einer Diode durch die Differenz der Fermi-Niveaus in den Bereichen vom p-Typ und n-Typ bestimmt wird, bewegt sich das Fermi-Niveau in jedem Bereich näher an die Mitte der Lücke und das eingebaute Potential verringert wird.

Umkehrvorspannung:

Die intrinsische Konzentration würde mit steigender Temperatur zunehmen, und daher würden Minoritätsladungen mit steigender Temperatur zunehmen. Der Sperrstrom hängt von Minoritätsladungsträgern ab. Mit zunehmender Anzahl von Minoritätsladungsträgern würde also auch der Rückstrom mit der Temperatur zunehmen

weil sie aus Halbleitermaterialien bestehen. Bei niedriger Temperatur leitet ein Halbleiter keinen Strom, aber mit steigender Temperatur steigt auch seine Leitfähigkeit. Daher kommen die Namen, nicht Leiter, nicht Isolator, sondern ein Mittelding namens Halbleiter.

Mit anderen Worten, wenn Sie die Temperatur eines Materials erhöhen, erhöht sich auch die Bewegung der Elektronen im Inneren des Materials, was zu einer größeren Möglichkeit der Leitfähigkeit führt.