空间电荷

空间电荷效应

半导体中的空间电荷及其相应的空间电荷效应是一个重要的基本概念。在半导体材料和器件中往往会遇到有关的问题，特别是在大电流时空间电荷可能起着决定性的作用。

（1）空间电荷：

存在于半导体内部局部区域的剩余电荷即为空间电荷。例如p-n结界面附近处的势垒区，其中就有空间电荷，并从在势垒区中产生出相应的内建电场。

空间电荷包含有电离的施主、受主杂质中心的电荷以及载流子（电子和空穴）的电荷。在载流子被内建电场驱赶出空间电荷区——耗尽的近似情况下，空间电荷就只是电离杂质中心的电荷；这时，对于n型半导体，空间电荷主要是电离施主中心的电荷（正电荷）；对于p型半导体，空间电荷则主要是电离受主中心的电荷（负电荷）。一般，空间电荷密度ρ为ρ = q(p-n+Nd-Na) 。

（2）空间电荷效应：

在偏压等外界作用下，在空间电荷区中，载流子的浓度可能超过或者少于其平衡载流子浓度。例如，对于n-p结，空间电荷区主要在p型一边（其中的空间电荷基本上都是电离受主的负电荷）；当加上正向电压时，即有大量电子注入、并通过空间电荷区，则这时在空间电荷区中的电子浓度将超过平衡电子浓度，有np>nopo=ni2；相反，当加上反向电压时，空间电荷区中的电场增强，驱赶载流子的作用更大，则这时在空间电荷区中的电子浓度将低于平衡电子浓度，有np

此外，如果空间电荷区中存在复合中心的话，那么，当正偏时，np>nopo=ni2，则将发生载流子复合现象，就会增加一部分正向复合电流；当反偏时，np

当注入到空间电荷区中的载流子浓度大于平衡载流子浓度和掺杂浓度时，则注入的这些载流子即成为了空间电荷的主要成分，于是整个空间电荷及其产生的电场分布即由载流子来控制，这就是空间电荷效应。在轻掺杂半导体中，因为电离杂质中心浓度很小，则更容易出现空间电荷效应，甚至在耗尽区以外也可以出现这种效应。

（3）空间电荷限制电流：

在空间电荷效应起作用的情况下，通过空间电荷区的电流也就以载流子的漂移电流为主，而决定此漂移电流的电场又主要是由载流子电荷所产生的，所以，这时的载流子电荷、电场和电流，它们之间是相互制约着的；即通过空间电荷区的载流子漂移电流要受到相应空间电荷的限制，因此称这时的电流为空间电荷限制电流。

在空间电荷效应下，若是电子注入，则空间电荷密度ρ=qn（电子浓度为n），相应的漂移电流密度J决定于空间电荷（设电子漂移速度为v）：J=qnv 。

这就是说，空间电荷限制电流决定于空间电荷；而空间电荷区中的电场也决定于空间电荷（即电子电荷qn）：d2ψ/dx2 = qn/εs 。

可见，在这种情况下载流子的空间电荷起着决定性的作用。

在较低电场E时，漂移速度还与迁移率μ有关（v=μE），这时，当空间电荷区宽度为L、外加电压V时，可以求得漂移电流与电压的平方成正比（莫特-格尼定律）：J = q εs μ V2/(8L3) 。

在强电场时，漂移速度与电场无关——速度饱和（v=vsat），则可求得漂移电流与电压成正比：

J = 2q εs vsat V/L2。

进而，在速度饱和的弹道输运情况下，可求得漂移电流与电压的二分之三次方成正比（采尔德-朗缪尔定律）：J = (4 εs /9L) (2q/m*)1/2 V3/2 。