¿Por qué la temperatura modifica las características de un diodo?

Los semiconductores funcionan en general porque la energía térmica eleva una cantidad de electrones de sus "estados fundamentales", donde están unidos a un núcleo particular, a la banda de conducción, donde pueden moverse libremente. El número de electrones en la banda de conducción es una función importante de la temperatura, pero también es una función de los niveles relativos de dopaje en las distintas partes de un dispositivo semiconductor.

Los niveles relativos de la población de banda de conducción es lo que determina las características eléctricas del dispositivo. Si una población aumenta más rápido o más lentamente que otra con respecto a la temperatura puede marcar la diferencia entre tener un coeficiente de temperatura positivo o negativo en las características eléctricas.

Ok, hay muchas cosas en juego aquí. Déjame definir rápidamente algunas cosas para ti. Asumo algunos conocimientos previos desde que mencionaste la ecuación de Shockley.

Un diodo se forma al unir un pedazo de semiconductor tipo n y tipo p. Esto conduce a la difusión de electrones y agujeros que crea una corriente. Como resultado, se forma la región de carga espacial (SCR). La región de carga espacial crea un campo eléctrico que crea una corriente de deriva que cancela la corriente de difusión. Por lo tanto, en el equilibrio térmico, no hay corriente.

Un diodo zener depende de la tunelización cuántica. Esto significa que el voltaje de ruptura se logra una vez que el borde de la banda de valencia de la región p se eleva por encima del borde de la banda de conducción de la región n. Esto permite que los electrones en la banda de valencia tipo p se dirijan a la banda de conducción de la región tipo n. Esto crea una corriente.

Un diodo de avalancha (que no es un diodo regular, es un diodo de avalancha), depende del efecto de avalancha. Cuando el campo SCR excede una cierta cantidad (conocido como campo crítico), los electrones se aceleran a velocidades muy altas y comienzan a golpear otros electrones en la banda de conducción. Esto crea una enorme corriente. Observe la diferencia en el principio de funcionamiento entre los diodos zener y avalancha.

Bien, ahora para abordar las preguntas.

Este análisis está simplificado pero debería ser lo suficientemente bueno. En un diodo regular, cuando se eleva la temperatura, las concentraciones del portador aumentan considerablemente. Esto afecta la corriente de difusión solo mínimamente ya que el aumento es aproximadamente el mismo en ambos lados, por lo que podemos aproximar la corriente de difusión para que sea constante para pequeños aumentos de temperatura. Sin embargo, la corriente de deriva aumenta proporcionalmente a las concentraciones del portador y, por lo tanto, la corriente de deriva aumenta considerablemente. Esto significa que se requiere un campo eléctrico más pequeño en el SCR para compensar la corriente de difusión. Debido a este campo eléctrico más pequeño, la tensión de encendido del diodo disminuye.

En un diodo Zener, cuando elevas la temperatura, la energía de los electrones aumenta. En consecuencia, la probabilidad de tunelización aumenta y la tensión de ruptura inversa cae. (No estoy completamente seguro de esto, pero parece plausible)

En un diodo de avalancha, cuando la temperatura es más alta, el campo incorporado cae según la explicación anterior. Por lo tanto, se necesita una mayor tensión aplicada para alcanzar el campo crítico y, por lo tanto, aumenta la tensión de ruptura.

porque están hechos de materiales semiconductores. En baja temperatura, un semiconductor no conduce corriente, pero a medida que aumenta la temperatura, también aumenta su conductividad. De ahí provienen los nombres, no el conductor, no el aislante, sino una cosa intermedia llamada semiconductor.

En otras palabras, cuando aumentas la temperatura de un material, el movimiento de los electrones dentro del material también aumenta, lo que da como resultado una mayor posibilidad de conductividad.

Sesgo directo del diodo de empalme PN:

  

A medida que aumenta la temperatura, la concentración intrínseca del portador   aumenta Esto empuja el nivel de fermi más cerca del fermi intrínseco   nivel (el centro de la brecha de la banda). Dado que el potencial incorporado de un   diodo está determinado por la diferencia en los niveles de fermi en el tipo p   y las regiones de tipo n, el nivel de fermi en cada región se acerca a   la mitad de la brecha, y el potencial incorporado disminuye.

Sesgo inverso:

  

La concentración intrínseca aumentaría con el aumento de la temperatura   y por lo tanto los cargos minoritarios aumentarían con el aumento de   temperatura.La corriente inversa depende de la minoría   transportistas Por lo tanto, como el número de portadores de carga minoritaria   Aumento, la corriente inversa también aumentaría con la temperatura.