空間電荷區(qū)（固體物理學(xué)學(xué)科中的概念）

基本內(nèi)容

(1)當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，由于交界面處存在載流子濃度的差異，這樣電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散。但是，電子和空穴都是帶電的，它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)和N區(qū)中原來(lái)的電中性條件破壞了。P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子。這些不能移動(dòng)的帶電粒子通常稱為空間電荷，它們集中在P區(qū)和N區(qū)交界面附近，形成了一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，這就是我們所說(shuō)的PN結(jié)。

(2)在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)方并復(fù)合掉了，或者說(shuō)消耗殆盡了，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。

(3)P區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)負(fù)電荷，N區(qū)一側(cè)呈現(xiàn)正電荷，因此空間電荷區(qū)出現(xiàn)了方向由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)，由于這個(gè)電場(chǎng)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為內(nèi)電場(chǎng)。

(4)內(nèi)電場(chǎng)是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的，伴隨著它的建立將帶來(lái)兩種影響：一是內(nèi)電場(chǎng)將阻礙多子的擴(kuò)散，二是P區(qū)和N區(qū)的少子一旦靠近PN結(jié)，便在內(nèi)電場(chǎng)的作用下漂移到對(duì)方，使空間電荷區(qū)變窄。

(5)因此，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，有利于少子的漂移而不利于多子的擴(kuò)散；而漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)減弱，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。

當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡。

物理學(xué)定義

這個(gè)表面電荷層是由于載流子被電場(chǎng)排斥到體內(nèi)而顯露出未被補(bǔ)償?shù)碾x化雜質(zhì)電荷所構(gòu)成的。由于離化雜質(zhì)電荷是固定不動(dòng)的空間電荷，故所形成的表面電荷層為空間電荷區(qū)。

空間電荷區(qū)中存在電場(chǎng)和電勢(shì)變化.。電勢(shì)變化取決于半導(dǎo)體中雜質(zhì)的分布情況，空間電荷區(qū)的寬度則取決于半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度。摻雜濃度愈高，對(duì)應(yīng)的空間電荷區(qū)寬度就愈窄。另外，空間電荷區(qū)的寬度還受外加電壓控制，當(dāng)外加電壓方向增強(qiáng)空間電荷區(qū)電場(chǎng)時(shí)，空間電荷區(qū)展寬，反之，外加電壓削弱空間電荷區(qū)電場(chǎng)時(shí)，空間電荷區(qū)變窄。利用空間電荷區(qū)寬度隨外加電壓變化的特點(diǎn)，可制作各種半導(dǎo)體器件。

太陽(yáng)電池中

太陽(yáng)電池(SolarCell)是一種利用光電(光生伏特)效應(yīng)直接將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能的金屬半導(dǎo)體器件。所渭光電效應(yīng)就是金屬半導(dǎo)體在光的照射下釋放出電子的現(xiàn)象。普通的太陽(yáng)電池由P型(空穴型)半導(dǎo)體及N型(電子型)半導(dǎo)體構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。當(dāng)P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體連接在一起時(shí)，在其交界處便要發(fā)生電子和空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)?？昭ㄓ蒔區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，電子則由N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，P區(qū)空穴減少，出現(xiàn)了一層帶負(fù)電的離子區(qū)，而N區(qū)電子減少，出現(xiàn)了一層帶正電的離子區(qū)；這樣在PN結(jié)的交界面附近形成了一個(gè)空間電荷區(qū)，即產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，或稱為勢(shì)壘電場(chǎng)，其方向恰好與空穴及電子等載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的方向相反，如圖6—12b所示，此間電荷區(qū)也稱為阻擋層。

當(dāng)太陽(yáng)光照到此PN結(jié)半導(dǎo)體器件上時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的原子由于接受太陽(yáng)輻射能而釋放了電子，并相應(yīng)地產(chǎn)生了空穴，這些電子和空穴(也即帶正電和帶負(fù)電的載流子)的一部分，

在電場(chǎng)的作用下，分別聚集到區(qū)和P區(qū)，因而在器件內(nèi)形成了一個(gè)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)，稱為光生電場(chǎng)，這樣的電場(chǎng)是作為電動(dòng)勢(shì)而持續(xù)存在的。如果將這個(gè)PN結(jié)半導(dǎo)體器件與外電路相連，便可產(chǎn)生電流，這就是太陽(yáng)電池的基本原理。

變化

當(dāng)p-n結(jié)上加有正向電壓時(shí)，所產(chǎn)生電場(chǎng)的方向即與內(nèi)建電場(chǎng)的方向相反，互相抵消，使得空間電荷區(qū)中的總電場(chǎng)有所降低，從而其中的正、負(fù)空間電荷也就有所減少，結(jié)果，空間電荷區(qū)的厚度也就減小了。相反，當(dāng)p-n結(jié)上加有反向電壓時(shí)，所產(chǎn)生電場(chǎng)的方向即與內(nèi)建電場(chǎng)的方向一致，互相增強(qiáng)，使得空間電荷區(qū)中的總電場(chǎng)有所提高，從而也就使得空間電荷區(qū)中的電荷增多、厚度增大了。

p-n結(jié)的單向?qū)щ娦院蛿U(kuò)散電容效應(yīng)，也就是勢(shì)壘高度隨著電壓而發(fā)生變化所產(chǎn)生的一種效應(yīng)；而勢(shì)壘電容是勢(shì)壘區(qū)的厚度（空間電荷區(qū)的寬度）隨著電壓而發(fā)生變化所產(chǎn)生的一種效應(yīng)。由于勢(shì)壘厚度的變化（即空間電荷區(qū)的變化）是p-n結(jié)兩邊多數(shù)載流子的運(yùn)動(dòng)所致，因此相應(yīng)的勢(shì)壘電容在很高的頻率下也會(huì)起作用，往往是決定器件截止頻率的重要因素。

如果所加的正向電壓過(guò)高（例如超過(guò)1V）時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)就完全被抵消了，空間電荷區(qū)也就不存在了，厚度變?yōu)?，這時(shí)p-n結(jié)也就失效了。當(dāng)然，若在回路（例如開關(guān)電路）中接有適當(dāng)?shù)碾娮?，限制了電流，雖然p-n結(jié)不會(huì)損壞，但是通過(guò)的電流已經(jīng)不再是受到勢(shì)壘限制的那樣隨著電壓而指數(shù)式上升的電流了。因此，只要是能夠正常進(jìn)行整流、檢波等工作的p-n結(jié)，其中就必將具有一定厚度的空間電荷區(qū)。