空間電荷區(qū)也稱耗盡層。在PN結(jié)中,由于自由電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和內(nèi)電場導(dǎo)致的漂移運(yùn)動(dòng),使PN結(jié)中間的部位(P區(qū)和N區(qū)交界面)產(chǎn)生一個(gè)很薄的電荷區(qū),它就是空間電荷區(qū)。

中文名

空間電荷區(qū)

外文名

Space Charge Layer

別名

耗盡層

性質(zhì)

很薄的電荷區(qū)

應(yīng)用

太陽能電池

學(xué)科

固體物理學(xué)

原因

自由電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和內(nèi)電場

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)散到對方并復(fù)合掉了,或者說消耗殆盡了,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,由于這個(gè)電場是載流子擴(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。

(4)內(nèi)電場是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的,伴隨著它的建立將帶來兩種影響:一是內(nèi)電場將阻礙多子的擴(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)電場的作用下漂移到對方,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)中存在電場和電勢變化.。電勢變化取決于半導(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。

太陽電池中

太陽電池(SolarCell)是一種利用光電(光生伏特)效應(yīng)直接將太陽輻射能轉(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,或稱為勢壘電場,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)電場方向相反的電場,稱為光生電場,這樣的電場是作為電動(dòng)勢而持續(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)生電場的方向即與內(nèi)建電場的方向相反,互相抵消,使得空間電荷區(qū)中的總電場有所降低,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)生電場的方向即與內(nèi)建電場的方向一致,互相增強(qiáng),使得空間電荷區(qū)中的總電場有所提高,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);而勢壘電容是勢壘區(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高(例如超過1V)時(shí),內(nèi)建電場就完全被抵消了,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,但是通過的電流已經(jīng)不再是受到勢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)。