《涨知识啦16》温度对二极管电压的影响

在《涨知识啦14》中我们提到了影响发光二极管电压的不同因素，如接触电阻、突变异质结引起的电阻以及低载流子浓度和低载流子迁移率等。

除此之外，发光二极管结温是一个十分重要的参数，主要是因为器件内量子效率受结温影响较大，另外高温会引起器件工作寿命的缩短以及封装的加速老化。因此了解结温对器件性能的影响就成了制造发光二极管中十分重要的课题之一，本期我们就简单介绍一下结温对二极管电压的影响。

理想pn结二极管的IV特性可以由Shockley方程给出，

其中Js是饱和电流密度。对于非简并半导体在正向偏置下，Vf>>kT/e，则有

众所周知，饱和电流密度取决于电子和空穴的扩散常数，电子和空穴的寿命，导带和价带边缘处的有效状态密度以及禁带宽度，然而结温将对以上参数造成一定影响：有效状态密度Nc,v∝T3/2；考虑声子散射，载流子迁移率μ∝T-3/2；根据爱因斯坦关系，载流子扩散常数D∝T-1/2。少数载流子寿命可以随温度降低或增加。由于这种不确定性，假定少数载流子寿命与温度无关。在上式中引用以上温度关系，可以得到：

该方程式给出了正向电压与结温基本关系。等式右侧的第一，第二和第三项和分别描述了固有载流子浓度，禁带宽度和有效状态密度与温度之间的关系。发光二极管的正向工作电压一般约为其内建电压，即Vf≈Vbi。因此在非简并掺杂情况下，

禁带宽度与温度之间的关系可用下式表示，其中α和β为Varshni系数，随着温度的升高，材料的禁带宽度将降低。

引入上两式，结温与正向工作电压的关系可用下式表示：

因此我们知道结温的变化对于材料内部的载流子浓度，载流子迁移率，材料的禁带宽度都有着不容忽视的影响，进而使器件的工作电压发生变化。以红光GaPAs/GaAs LED为例，如下图所示，当温度从77K升高至298K时，器件的阈值电压和串联电阻将会降低，因此在同一工作电压下，工作电流将会升高。

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