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

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

Los niveles relativos de la población de la banda de conducción es lo que determina las características eléctricas del dispositivo. Si una población aumenta más rápido o más lento 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. Permítanme definir rápidamente algunas cosas para ustedes. Asumo algún conocimiento previo ya que mencionaste la ecuación de Shockley.

Un diodo se forma uniendo una pieza de semiconductor tipo n y tipo p. Esto conduce a la difusión de electrones y huecos 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 de tipo p pasen a la banda de conducción de la región de tipo n. Esto crea una corriente.

Un diodo de avalancha (que no es un diodo normal, 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 empujar otros electrones hacia la banda de conducción. Esto crea una gran corriente. Observe la diferencia en el principio de funcionamiento entre el zener y los diodos de avalancha.

Bien, ahora a abordar las preguntas.

Este análisis está simplificado pero debería ser lo suficientemente bueno. En un diodo regular, cuando aumenta la temperatura, las concentraciones de portadores 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 de portadores, por lo que 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, el voltaje de encendido del diodo disminuye.

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

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

Polarización directa del diodo de unión PN:

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

Polarización inversa:

La concentración intrínseca aumentaría con el aumento de la temperatura y, por lo tanto, las cargas minoritarias aumentarían con el aumento de la temperatura. La corriente inversa depende de los portadores minoritarios. Por lo tanto, a medida que aumenta el número de portadores de carga minoritarios, la corriente inversa también aumentaría con la temperatura.

porque están hechos de materiales semiconductores. A baja temperatura, un semiconductor no conduce corriente, pero a medida que aumenta la temperatura, también aumenta su conductividad. De ahí provienen los nombres, no conductor ni aislante, sino algo intermedio llamado semiconductor.

En otras palabras, cuando aumenta 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.