[科普中国]-空间电荷效应

空间电荷效应是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。

概念空间电荷空间电荷（Space charge）是一个概念，它把多余的电荷（electric charge)视为连续的电荷分布在一个区域空间而不是只在一个电荷点上.这种解释通常运用在当电荷及载流子（carriers）以电子云的方式扩散在固体区域的时候——载流子的充分扩散形成一个空间电荷区，也可解释为在固体中的带电原子或分子遗留的空间电荷区域形成一个空间电荷区。空间电荷效应通常只发生在电介质（包括真空）中，因为在导电介质中，电荷会迅速中和或屏蔽。

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)

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）：

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 = 2qεsvsatV/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 = (4εs/9L) (2q/m*)1/2V3/2

理论研究当金属物体放在真空并且加热到白炽化，其能量足以使电子远离其表面的原子且可以用自由电子云包围金属物体。这就是所谓的热电子扩散（thermionic emission）。由此产生的负电荷可以被任何附近的带正电荷吸引，从而产生通过真空的电流。

空间电荷可以导致一系列的现象，值得一提的是：

1）电流密度和空间非均匀性的组合。

2）介电质中种类的离子化形成异号电荷。

3）电荷从电极和从应力注入增强

4）结构中的极化，例如“水树”（water tree）。

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npnopo=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