空間電荷區(qū)也稱耗盡層。在PN結中，由于自由電子的擴散運動和內(nèi)電場導致的漂移運動，使PN結中間的部位(P區(qū)和N區(qū)交界面)產(chǎn)生一個很薄的電荷區(qū)，它就是空間電荷區(qū)。

中文名

空間電荷區(qū)

外文名

Space Charge Layer

別名

耗盡層

性質

很薄的電荷區(qū)

應用

太陽能電池

學科

固體物理學

原因

自由電子的擴散運動和內(nèi)電場

基本內(nèi)容

(1)當P型半導體和N型半導體結合在一起時，由于交界面處存在載流子濃度的差異，這樣電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度低的地方擴散。但是，電子和空穴都是帶電的，它們擴散的結果就使P區(qū)和N區(qū)中原來的電中性條件破壞了。P區(qū)一側因失去空穴而留下不能移動的負離子，N區(qū)一側因失去電子而留下不能移動的正離子。這些不能移動的帶電粒子通常稱為空間電荷，它們集中在P區(qū)和N區(qū)交界面附近，形成了一個很薄的空間電荷區(qū)，這就是我們所說的PN結。

(2)在這個區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子已擴散到對方并復合掉了，或者說消耗殆盡了，因此，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層。

(3)P區(qū)一側呈現(xiàn)負電荷，N區(qū)一側呈現(xiàn)正電荷，因此空間電荷區(qū)出現(xiàn)了方向由N區(qū)指向P區(qū)的電場，由于這個電場是載流子擴散運動形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為內(nèi)電場。

(4)內(nèi)電場是由多子的擴散運動引起的，伴隨著它的建立將帶來兩種影響：一是內(nèi)電場將阻礙多子的擴散，二是P區(qū)和N區(qū)的少子一旦靠近PN結，便在內(nèi)電場的作用下漂移到對方，使空間電荷區(qū)變窄。

(5)因此，擴散運動使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場增強，有利于少子的漂移而不利于多子的擴散；而漂移運動使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場減弱，有利于多子的擴散而不利于少子的漂移。

當擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡時，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即PN結處于動態(tài)平衡。

物理學定義

這個表面電荷層是由于載流子被電場排斥到體內(nèi)而顯露出未被補償?shù)碾x化雜質電荷所構成的。由于離化雜質電荷是固定不動的空間電荷，故所形成的表面電荷層為空間電荷區(qū)。

空間電荷區(qū)中存在電場和電勢變化.。電勢變化取決于半導體中雜質的分布情況，空間電荷區(qū)的寬度則取決于半導體的雜質濃度。摻雜濃度愈高，對應的空間電荷區(qū)寬度就愈窄。另外，空間電荷區(qū)的寬度還受外加電壓控制，當外加電壓方向增強空間電荷區(qū)電場時，空間電荷區(qū)展寬，反之，外加電壓削弱空間電荷區(qū)電場時，空間電荷區(qū)變窄。利用空間電荷區(qū)寬度隨外加電壓變化的特點，可制作各種半導體器件。

太陽電池中

太陽電池(SolarCell)是一種利用光電(光生伏特)效應直接將太陽輻射能轉換成電能的金屬半導體器件。所渭光電效應就是金屬半導體在光的照射下釋放出電子的現(xiàn)象。普通的太陽電池由P型(空穴型)半導體及N型(電子型)半導體構成，其結構如圖所示。當P型半導體與N型半導體連接在一起時，在其交界處便要發(fā)生電子和空穴的擴散運動。空穴由P區(qū)向N區(qū)擴散，電子則由N區(qū)向P區(qū)擴散，隨著擴散的進行，P區(qū)空穴減少，出現(xiàn)了一層帶負電的離子區(qū)，而N區(qū)電子減少，出現(xiàn)了一層帶正電的離子區(qū)；這樣在PN結的交界面附近形成了一個空間電荷區(qū)，即產(chǎn)生了一個內(nèi)電場，或稱為勢壘電場，其方向恰好與空穴及電子等載流子擴散運動的方向相反，如圖6—12b所示，此間電荷區(qū)也稱為阻擋層。

當太陽光照到此PN結半導體器件上時，半導體內(nèi)的原子由于接受太陽輻射能而釋放了電子，并相應地產(chǎn)生了空穴，這些電子和空穴(也即帶正電和帶負電的載流子)的一部分，

在電場的作用下，分別聚集到區(qū)和P區(qū)，因而在器件內(nèi)形成了一個與內(nèi)電場方向相反的電場，稱為光生電場，這樣的電場是作為電動勢而持續(xù)存在的。如果將這個PN結半導體器件與外電路相連，便可產(chǎn)生電流，這就是太陽電池的基本原理。

變化

當p-n結上加有正向電壓時，所產(chǎn)生電場的方向即與內(nèi)建電場的方向相反，互相抵消，使得空間電荷區(qū)中的總電場有所降低，從而其中的正、負空間電荷也就有所減少，結果，空間電荷區(qū)的厚度也就減小了。相反，當p-n結上加有反向電壓時，所產(chǎn)生電場的方向即與內(nèi)建電場的方向一致，互相增強，使得空間電荷區(qū)中的總電場有所提高，從而也就使得空間電荷區(qū)中的電荷增多、厚度增大了。

p-n結的單向導電性和擴散電容效應，也就是勢壘高度隨著電壓而發(fā)生變化所產(chǎn)生的一種效應；而勢壘電容是勢壘區(qū)的厚度（空間電荷區(qū)的寬度）隨著電壓而發(fā)生變化所產(chǎn)生的一種效應。由于勢壘厚度的變化（即空間電荷區(qū)的變化）是p-n結兩邊多數(shù)載流子的運動所致，因此相應的勢壘電容在很高的頻率下也會起作用，往往是決定器件截止頻率的重要因素。

如果所加的正向電壓過高（例如超過1V）時，內(nèi)建電場就完全被抵消了，空間電荷區(qū)也就不存在了，厚度變?yōu)?，這時p-n結也就失效了。當然，若在回路（例如開關電路）中接有適當?shù)碾娮?，限制了電流，雖然p-n結不會損壞，但是通過的電流已經(jīng)不再是受到勢壘限制的那樣隨著電壓而指數(shù)式上升的電流了。因此，只要是能夠正常進行整流、檢波等工作的p-n結，其中就必將具有一定厚度的空間電荷區(qū)。