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空間電荷效應

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空間電荷效應,半導體中的空間電荷及其相應的空間電荷效應是一個重要的基本概念。

  

  (1)空間電荷:

  存在於半導體內部局部區域的剩餘電荷即為空間電荷。例如p-n結界面附近處的勢壘區,其中就有空間電荷,並從在勢壘區中產生出相應的內建電場。

  空間電荷包含有電離的施主、受主雜質中心的電荷以及載流子(電子和空穴)的電荷。在載流子被內建電場驅趕出空間電荷區——耗盡的近似情況下,空間電荷就只是電離雜質中心的電荷;這時,對於n型半導體,空間電荷主要是電離施主中心的電荷(正電荷);對於p型半導體,空間電荷則主要是電離受主中心的電荷(負電荷)。一般,空間電荷密度ρ為 ρ = q(p-n+Nd-Na) 。

  (2)空間電荷效應:

  在偏壓等外界作用下,在空間電荷區中,載流子的濃度可能超過或者少於其平衡載流子濃度。例如,對於n-p結,空間電荷區主要在p型一邊(其中的空間電荷基本上都是電離受主的負電荷);當加上正向電壓時,即有大量電子注入、並通過空間電荷區,則這時在空間電荷區中的電子濃度將超過平衡電子濃度,有np>nopo=ni2;相反,當加上反向電壓時,空間電荷區中的電場增強,驅趕載流子的作用更大,則這時在空間電荷區中的電子濃度將低於平衡電子濃度,有np<nopo=ni2。

  此外,如果空間電荷區中存在複合中心的話,那麼,當正偏時,np>nopo=ni2,則將發生載流子複合現象,就會增加一部分正向複合電流;當反偏時,np<nopo=ni2,則將發生載流子產生現象,就會增加一部分反向產生電流。這種複合電流和產生電流,在Si p-n結中是經常出現的一種非理性的電流,也是影響BJT性能的重要不良因素。

  當注入到空間電荷區中的載流子濃度大於平衡載流子濃度和摻雜濃度時,則注入的這些載流子即成為了空間電荷的主要成分,於是整個空間電荷及其產生的電場分佈即由載流子來控制,這就是空間電荷效應。在輕摻雜半導體中,因為電離雜質中心濃度很小,則更容易出現空間電荷效應,甚至在耗盡區以外也可以出現這種效應。

  (3)空間電荷限制電流:

  在空間電荷效應起作用的情況下,通過空間電荷區的電流也就以載流子的漂移電流為主,而決定此漂移電流的電場又主要是由載流子電荷所產生的,所以,這時的載流子電荷、電場和電流,它們之間是相互制約著的;即通過空間電荷區的載流子漂移電流要受到相應空間電荷的限制,因此稱這時的電流為空間電荷限制電流。

  在空間電荷效應下,若是電子注入,則空間電荷密度ρ=qn(電子濃度為n),相應的漂移電流密度J決定於空間電荷(設電子漂移速度為v):J=qnv 。

  這就是說,空間電荷限制電流決定於空間電荷;而空間電荷區中的電場也決定於空間電荷(即電子電荷qn):d2ψ/dx2 = qn/εs 。

  可見,在這種情況下載流子的空間電荷起著決定性的作用。

  在較低電場E時,漂移速度還與遷移率μ有關(v=μE),這時,當空間電荷區寬度為L、外加電壓V時,可以求得漂移電流與電壓的平方成正比(莫特-格尼定律):J = q εs μ V2/(8L3) 。

  在強電場時,漂移速度與電場無關——速度飽和(v=vsat),則可求得漂移電流與電壓成正比:

  J = 2q εs vsat V/L2 。

  進而,在速度飽和的彈道輸運情況下,可求得漂移電流與電壓的二分之三次方成正比(采爾德-朗繆爾定律):J = (4 εs /9L) (2q/m*)1/2 V3/2 。
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