pn接合の温度特性

電流-電圧特性の形

pn接合の電流-電圧特性は、図1のように温度を上げると約2mV/℃の割合で左へシフトしますが、もう少し厳密に考えると、電流が小さい領域のほうが大きくシフトします(ΔV1>ΔV2)。その結果、電流-電圧特性の形は、温度を上げるほど「ゆるい形」になります。

pn接合の電流-電圧特性
\begin{align} I = I_S\left[\exp\left(\frac{V}{V_T}\right)-1\right] \ ,\ V_T=\frac{kT}{q} \end{align}

上式において、温度に依存するのはISとVT (いずれも温度に関して正の温度係数)ですが、温度を上げるとISの増加が支配的であるので電流-電圧特性全体が左へシフトし、VTが増加することで若干傾きがゆるくなります。

図1: pn接合の電流-電圧特性  シミュレーション

直観的な理解方法

pn接合のバンド図を描くと、温度を上げると電流-電圧特性が左にシフトする(電流が流れやすくなる)こと、電流-電圧特性の傾きがゆるくなることを直観的に理解することができます。

図2の左側は室温におけるバンド図、右側は温度を上げたときのバンド図です。温度を上げると、小数キャリア(p領域の電子、n領域のホール)が大きく増加しますが、多数キャリアはp領域のホール密度≈アクセプタ密度, n領域の電子≈ドナー密度のままほとんど変化しません。また、キャリア密度の分布の形が細長くなります。熱平衡状態では、障壁を超えて移動できるキャリア((a)及び(b)の領域のキャリア)がp領域とn領域で等しくなるように障壁φ0ができるので、温度が高くなるほど障壁は低くなります。

順方向電圧を印加して障壁φ0を下げると、多数キャリアが障壁を超えて移動できるようになりますが、温度が高いほど多くのキャリアが移動できるので、電流が流れやすくなります。 また、温度が高いほどキャリアの分布が細長くなるので、印加電圧を増加させても電流は増加しにくくなります。

図2: pn接合のバンド図とキャリアの分布