При работе полупроводниковых приборов температура оказывает решающее влияние на процессы переноса зарядов и распределение носителей в области p-n перехода. Изменение температуры приводит к перестройке баланса между диффузионными и дрейфовыми токами, изменению барьерной высоты, концентрации неосновных носителей, а также влияет на динамические характеристики перехода.
Собственная концентрация носителей ni в полупроводнике возрастает с ростом температуры по закону:
$$ n_i = N_c N_v \exp\left(-\frac{E_g}{2kT}\right), $$
где
С увеличением температуры экспоненциальный рост ni становится доминирующим фактором, что приводит к уменьшению сопротивления p-n перехода в обратном смещении и к росту токов утечки.
Высота барьера в равновесном p-n переходе определяется выражением:
$$ \varphi_b = \frac{kT}{q} \ln \left( \frac{N_a N_d}{n_i^2} \right), $$
где
При повышении температуры собственная концентрация носителей ni возрастает, что уменьшает величину φb. Это ослабляет запирающее действие перехода, облегчая инжекцию носителей через барьер.
Прямой ток p-n перехода описывается уравнением Шокли:
$$ I = I_s \left( e^{\frac{qU}{kT}} - 1 \right), $$
где
С ростом температуры Is увеличивается экспоненциально:
$$ I_s \propto T^3 \exp\left(-\frac{E_g}{kT}\right). $$
Таким образом, при повышении температуры обратный ток возрастает гораздо быстрее, чем изменяется коэффициент экспоненты, что делает температурное влияние на прямую ветвь вольт-амперной характеристики весьма существенным.
Для кремниевых диодов наблюдается характерная зависимость: падение напряжения на p-n переходе при фиксированном токе уменьшается примерно на 2 мВ/°C. Это объясняется уменьшением высоты барьера и ростом обратного тока насыщения.
В германиевых диодах температурный коэффициент выше (около −2,5…−3 мВ/°C), что делает их более чувствительными к температурным колебаниям.
Обратный ток насыщения Is резко увеличивается с температурой, что связано с ростом концентрации термически сгенерированных носителей. Практически это проявляется в росте токов утечки при обратном смещении.
При высоких температурах происходит переход к тепловому пробою, когда ток утечки становится столь велик, что тепловыделение вызывает самоподдерживающийся рост температуры, приводящий к разрушению прибора.
Ёмкость барьера Cj, связанная с зарядом обеднённой области, также зависит от температуры. С увеличением температуры уменьшается высота барьера, что ведёт к уменьшению ширины обеднённого слоя и, следовательно, к увеличению барьерной ёмкости.
$$ C_j = \frac{\varepsilon S}{W(T)}, $$
где
Температура оказывает заметное влияние на процессы рекомбинации и генерации в области пространственного заряда. С ростом температуры:
Это приводит к тому, что при повышенных температурах обратный ток определяется не только диффузией, но и процессами рекомбинации.