[科普中国]-空间电荷区

物理学定义

空间电荷区也称耗尽层，在PN结中，由于自由电子的扩散运动和内电场导致的漂移运动，使PN结中间的部位(P区和N区交界面)产生一个很薄的电荷区，这个表面电荷层是由于载流子被电场排斥到体内而显露出未被补偿的离化杂质电荷所构成的。由于离化杂质电荷是固定不动的空间电荷，故所形成的表面电荷层为空间电荷区。

空间电荷区中存在电场和电势变化.。电势变化取决于半导体中杂质的分布情况，空间电荷区的宽度则取决于半导体的杂质浓度。掺杂浓度愈高，对应的空间电荷区宽度就愈窄。另外，空间电荷区的宽度还受外加电压控制，当外加电压方向增强空间电荷区电场时，空间电荷区展宽，反之，外加电压削弱空间电荷区电场时，空间电荷区变窄。利用空间电荷区宽度随外加电压变化的特点， 可制作各种半导体器件。

太阳电池中的空间电荷区太阳电池(Solar Cell)是一种利用光电(光生伏特)效应直接将太阳辐射能转换成电能的金属半导体器件。所渭光电效应就是金属半导体在光的照射下释放出电子的现象。普通的太阳电池由P型(空穴型)半导体及N型(电子型)半导体构成，其结构如图所示。当P型半导体与N型半导体连接在一起时，在其交界处便要发生电子和空穴的扩散运动。空穴由P区向N区扩散，电子则由N区向P区扩散，随着扩散的进行，P区空穴减少，出现了一层带负电的离子区，而N区电子减少，出现了一层带正电的离子区；这样在PN结的交界面附近形成了一个空间电荷区，即产生了一个内电场，或称为势垒电场，其方向恰好与空穴及电子等载流子扩散运动的方向相反，如图6—12b所示，此间电荷区也称为阻挡层。

当太阳光照到此PN结半导体器件上时，半导体内的原子由于接受太阳辐射能而释放了电子，并相应地产生了空穴，这些电子和空穴(也即带正电和带负电的载流子)的一部分，

在电场的作用下，分别聚集到区和P区，因而在器件内形成了一个与内电场方向相反的电场，称为光生电场，这样的电场是作为电动势而持续存在的。如果将这个PN结半导体器件与外电路相连，便可产生电流，这就是太阳电池的基本原理。2

空间电荷区的变化当p-n结上加有正向电压时，所产生电场的方向即与内建电场的方向相反，互相抵消，使得空间电荷区中的总电场有所降低，从而其中的正、负空间电荷也就有所减少，结果，空间电荷区的厚度也就减小了。相反，当p-n结上加有反向电压时，所产生电场的方向即与内建电场的方向一致，互相增强，使得空间电荷区中的总电场有所提高，从而也就使得空间电荷区中的电荷增多、厚度增大了。

p-n结的单向导电性和扩散电容效应，也就是势垒高度随着电压而发生变化所产生的一种效应；而势垒电容是势垒区的厚度（空间电荷区的宽度）随着电压而发生变化所产生的一种效应。由于势垒厚度的变化（即空间电荷区的变化）是p-n结两边多数载流子的运动所致，因此相应的势垒电容在很高的频率下也会起作用，往往是决定器件截止频率的重要因素。

如果所加的正向电压过高（例如超过1V）时，内建电场就完全被抵消了，空间电荷区也就不存在了，厚度变为0，这时p-n结也就失效了。当然，若在回路（例如开关电路）中接有适当的电阻，限制了电流，虽然p-n结不会损坏，但是通过的电流已经不再是受到势垒限制的那样随着电压而指数式上升的电流了。因此，只要是能够正常进行整流、检波等工作的p-n结，其中就必将具有一定厚度的空间电荷区。

特性（1）当P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面处存在 载流子浓度的差异 ，这样电子和空穴都要 从浓度高的地方向浓度低的地方扩散 。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使P区和N区中原来的电中性条件破坏了。P区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷 ，它们集中在P区和N区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的PN结 。

（2）在这个区域内，多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为 耗尽层 。

（3）P区一侧呈现负电荷，N区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由N区指向P区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为 内电场 。

（4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是 内电场将阻碍多子的扩散 ，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方， 使空间电荷区变窄 。

（5）因此， 扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即 PN结处于动态平衡