空間電荷區
 |
空間電荷區也稱耗盡層。在PN結中，由於自由電子的擴散運動和內電場導致的漂移運動，使PN結中間的部位(P區和N區交界面)產生一個很薄的電荷區，它就是空間電荷區。[1]
- 中文名:空間電荷區
- 外文名:Space Charge Layer
- 別 名:耗盡層
- 原 因:自由電子的擴散運動和內電場
- 性 質:很薄的電荷區
- 應 用:太陽能電池
- 學 科:固體物理學
目錄
物理學定義
空間電荷區也稱耗盡層，在PN結中，由於自由電子的擴散運動和內電場導致的漂移運動，使PN結中間的部位(P區和N區交界面)產生一個很薄的電荷區，這個表面電荷層是由於載流子被電場排斥到體內而顯露出未被補償的離化雜質電荷所構成的。由於離化雜質電荷是固定不動的空間電荷，故所形成的表面電荷層為空間電荷區。
空間電荷區中存在電場和電勢變化.。電勢變化取決於半導體中雜質的分布情況，空間電荷區的寬度則取決於半導體的雜質濃度。摻雜濃度愈高，對應的空間電荷區寬度就愈窄。另外，空間電荷區的寬度還受外加電壓控制，當外加電壓方向增強空間電荷區電場時，空間電荷區展寬，反之，外加電壓削弱空間電荷區電場時，空間電荷區變窄。利用空間電荷區寬度隨外加電壓變化的特點， 可製作各種半導體器件。
太陽電池中的空間電荷區
太陽電池(Solar Cell)是一種利用光電(光生伏特)效應直接將太陽輻射能轉換成電能的金屬半導體器件。所渭光電效應就是金屬半導體在光的照射下釋放出電子的現象。普通的太陽電池由P型(空穴型)半導體及N型(電子型)半導體構成，其結構如圖所示。當P型半導體與N型半導體連接在一起時，在其交界處便要發生電子和空穴的擴散運動。空穴由P區向N區擴散，電子則由N區向P區擴散，隨着擴散的進行，P區空穴減少，出現了一層帶負電的離子區，而N區電子減少，出現了一層帶正電的離子區；這樣在PN結的交界面附近形成了一個空間電荷區，即產生了一個內電場，或稱為勢壘電場，其方向恰好與空穴及電子等載流子擴散運動的方向相反，如圖6—12b所示，此間電荷區也稱為阻擋層。
當太陽光照到此PN結半導體器件上時，半導體內的原子由於接受太陽輻射能而釋放了電子，並相應地產生了空穴，這些電子和空穴(也即帶正電和帶負電的載流子)的一部分， 在電場的作用下，分別聚集到區和P區，因而在器件內形成了一個與內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勢而持續存在的。如果將這個PN結半導體器件與外電路相連，便可產生電流，這就是太陽電池的基本原理。 [2]
空間電荷區的變化
當p-n結上加有正向電壓時，所產生電場的方向即與內建電場的方向相反，互相抵消，使得空間電荷區中的總電場有所降低，從而其中的正、負空間電荷也就有所減少，結果，空間電荷區的厚度也就減小了。相反，當p-n結上加有反向電壓時，所產生電場的方向即與內建電場的方向一致，互相增強，使得空間電荷區中的總電場有所提高，從而也就使得空間電荷區中的電荷增多、厚度增大了。
p-n結的單向導電性和擴散電容效應，也就是勢壘高度隨着電壓而發生變化所產生的一種效應；而勢壘電容是勢壘區的厚度（空間電荷區的寬度）隨着電壓而發生變化所產生的一種效應。由於勢壘厚度的變化（即空間電荷區的變化）是p-n結兩邊多數載流子的運動所致，因此相應的勢壘電容在很高的頻率下也會起作用，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，內建電場就完全被抵消了，空間電荷區也就不存在了，厚度變為0，這時p-n結也就失效了。當然，若在迴路（例如開關電路）中接有適當的電阻，限制了電流，雖然p-n結不會損壞，但是通過的電流已經不再是受到勢壘限制的那樣隨着電壓而指數式上升的電流了。因此，只要是能夠正常進行整流、檢波等工作的p-n結，其中就必將具有一定厚度的空間電荷區。
特性
（1）當P型半導體和N型半導體結合在一起時，由於交界面處存在 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散 。但是，電子和空穴都是帶電的，它們擴散的結果就使P區和N區中原來的電中性條件破壞了。P區一側因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區一側因失去電子而留下不能移動的正離子。這些不能移動的帶電粒子通常稱為空間電荷 ，它們集中在P區和N區交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區，這就是我們所說的PN結 。
（2）在這個區域內，多數載流子已擴散到對方並複合掉了，或者說消耗殆盡了，因此，空間電荷區又稱為 耗盡層 。
（3）P區一側呈現負電荷，N區一側呈現正電荷，因此空間電荷區出現了方向由N區指向P區的電場，由於這個電場是載流子擴散運動形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為 內電場 。
（4）內電場是由多子的擴散運動引起的，伴隨着它的建立將帶來兩種影響：一是 內電場將阻礙多子的擴散 ，二是P區和N區的少子一旦靠近PN結，便在內電場的作用下漂移到對方， 使空間電荷區變窄 。
（5）因此， 擴散運動使空間電荷區加寬，內電場增強，有利於少子的漂移而不利於多子的擴散；而漂移運動使空間電荷區變窄，內電場減弱，有利於多子的擴散而不利於少子的漂移。當擴散運動和漂移運動達到動態平衡時，交界面形成穩定的空間電荷區，即 PN結處於動態平衡