雷清泉院士_电介质中的空间电荷效应

)
1 2
(高温区) (1)
(中场区)
3 e E ( ) 2） 场助热电子发射 J E JT exp( s ) s 4 0 kT
(2)
3）Fowler-Nordheim发射 J E A' E 2 exp( B )
E
(高场区) (3)
(中温区 ) (4)
4）热助场电子发射 3．体内SC
kT
)
PF 2s
电介质中的空间电荷效应
4．环境辐射效应 吸潮，物理及化学吸附，空间电磁环境，真空等。 1）低能（非电离）电磁辐射，光（红外、可见、紫外）0-40eV。 2）高能（电离）辐射、原子或原子核过程产生的辐射，包括X射线、γ射线、快 电子、重带电粒子（α粒子、质子）、重离子、中子、电子束、离子束等。 3）辐射的作用：电子、离子→电导，俘获，受激分子、激子、激子电离→电 导，发光→老化，自由基→化学反应、老化。 （1） 光电子效应， h 激子生成，
阻挡接触：m i ，电子从 i m ，电子耗尽层，能带向上弯，阻 挡势垒。
2）化学与物理吸附，双（偶）电层，依据两相的电负性交换电荷。
3）摩擦，流动带电、机加、挤出、压制等。
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2．电极发射 1） 热电子发射
J T AT 2 exp( m
kT
n ( x , t )
t
(T )n( x, t ) E ( x, t )
r (T ) p( x, t )n( x, t ) x x 2 (11) 1 1 (T )nt ( x, t ) n( x, t ) nt ( x, t )
Dn (T ) 2 n( x, t )
f
t
E( x, t )
x
en( x, t )
0
(12)
（1）迁移项、（2）扩散项、（3）复合项、（4）杂质电离项、（5）再俘获项、 （6）退陷项。
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4．能量：深陷阱（>1.5eV）、浅陷阱（<0.5eV）、复合中心、划界能级。
1）单一陷阱能级分布， ( E Et )
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4、液体：电极附近的双电层 5、气体：雪崩，正离子 。
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二、SC的形成
1 接触 1） 电接触（M-I，M-S体系） 中性接触： m i 欧姆接触： m i ，无界面电荷； ，注入接触（电子）、电子积累层；
m i ，注入接触（空穴）、空穴积累层；
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一、概述
1、定义：空间电荷（Space charge-SC）通常是指局部空间内存在的一种正或负 的净电荷。可呈点、线、面及体分布。在与半导体与绝缘体有关的许多情况 下都会出现空间电荷。 2、SC的类型：电子型、空穴型、离子型、偶极子型、极化子型和等离子体型。 3、固体：定域态、陷阱、局域能级，代表干扰晶体周期性势场的物理及化学 结构缺陷（前者阱深0.5-1.5eV，后者可达3-8eV）、杂质在禁带内构成的 能级、表面态、表面偶极子态、体内偶极子态、体内分子离子态、杂质、 端链、支链、叠链、晶区-非晶区边界、断键、极化子态、局域密度涨落等。 杂质、添加剂、反应附产物，既可接受注入电荷，又可通过化学作用，增 加电荷注入。
图2 正弦与PWM电压作用的极化模型
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三、 SC的极性和分布
1．按邻电极的符号，分为同极性与异极性电荷。
图3 真空二极管中SC、电位及电场分布
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2．空间（位置）：体、表、箱、薄层、δ 分布。
3． 时间：动力学过程、电极接触、电荷产生释放、扩散、受陷、退陷、复合等。
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7、 非线性光析变材料(-OEO材料) 通过光生载流子，在偏压电场或SC自身电场作用下，形成 ( x) 空间调制的 周期分布。 条件：光生载流子，光电导；电荷在外场或自建场中分离运动，形成周期 性SC分布；周期场调制材料的光折射率（EO效应），形成位相光栅。 应用：全息实时存储、光象放大器、振荡器、相位共轭器、空间调制器、 光学信息处理及光学计算技术等。 问题：探索陷阱中心的化学本质，陷阱深度及密度同光析变效应的关系， 以及如何稳定陷阱结构等。
J 0 A' (T ) E 2 exp(
B ) E
1）杂质离子移动形成异极性SC 2）电子碰撞电离 3）从陷阱中释放 4）隧道效应
n ~ exp(d ) ~ exp[ 0 d exp(
n ~ nt exp( PF E
n ~ AE 2 exp( B ) E
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x
；电性能 r (T )
, (T )； 电荷 x 、 电场 x x
E
x
(8) (9)
。
电流密度方程式 电位移方程式
· J · E E·
· D 0 E 0 E·
0 ） · E
（ 0 局部电荷密度方程式
m
h E g
（2） 辐射感应电导，光驻极体
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5．电场效应：直流,同极,异极电荷,工频交流,载流子注入与抽出,产生应力应变。
图1 SC对电场分布的影响
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6．非均匀（复合）电介质 1） MW界面极化(体内或M-I界面) 2）不均匀性 温度 T
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8. PWM作用 (dV dt 1 20 kV S ) 下SC形成 如图所示 , 低频正弦电压极化， 正、负半周，电极电荷极性反转。 PWM电压，由于电压突然反转， 导致特定符号的自由电荷再吸收，但 电荷符号与束缚电荷的相反，此时两 种类型电荷共存。松弛时间快的偶极 子对SC 无贡献，慢的对 SC 有贡献， 形成“宏观”偶极子 . 极性反转时， 重复上述现象，最终造成表面电荷积 累，因此在表面存在三种电荷：自由 电荷、束缚电荷（极化）、阻挡电荷 ，源于PWM极性反转太快。