耗盡層和空間電荷區(qū),耗盡層近似詳解-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2024-08-02
耗盡層，是指PN結(jié)中在漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散作用的雙重影響下載流子數(shù)量非常少的一個(gè)高電阻區(qū)域。耗盡層的寬度與材料本身性質(zhì)、溫度以及偏置電壓的大小有關(guān)。
耗盡層（depletion region），又稱耗盡區(qū)、阻擋層、勢(shì)壘區(qū)（barrier region），是指PN結(jié)中在漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散作用的雙重影響下載流子數(shù)量非常少的一個(gè)高電阻區(qū)域。耗盡層的寬度與材料本身性質(zhì)、溫度以及偏置電壓的大小有關(guān)。
耗盡區(qū)的命名，因?yàn)樗怯蓪?dǎo)電區(qū)域通過(guò)除去所有自由電荷載體而形成的，而不留下任何電流。了解耗盡區(qū)是解釋現(xiàn)代半導(dǎo)體電子器件的關(guān)鍵，二極管，雙極結(jié)型晶體管，場(chǎng)效應(yīng)晶體管和可變電容二極管都依賴于耗盡區(qū)現(xiàn)象。
空間電荷區(qū)也稱耗盡層，在PN結(jié)中，由于自由電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和內(nèi)電場(chǎng)導(dǎo)致的漂移運(yùn)動(dòng)，使PN結(jié)中間的部位(P區(qū)和N區(qū)交界面)產(chǎn)生一個(gè)很薄的電荷區(qū)，這個(gè)表面電荷層是由于載流子被電場(chǎng)排斥到體內(nèi)而顯露出未被補(bǔ)償?shù)碾x化雜質(zhì)電荷所構(gòu)成的。由于離化雜質(zhì)電荷是固定不動(dòng)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(chǎng)和電勢(shì)變化.。電勢(shì)變化取決于半導(dǎo)體中雜質(zhì)的分布情況，空間電荷區(qū)的寬度則取決于半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度。摻雜濃度愈高，對(duì)應(yīng)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(dāng)外加電壓方向增強(qiáng)空間電荷區(qū)電場(chǎng)時(shí)，空間電荷區(qū)展寬，反之，外加電壓削弱空間電荷區(qū)電場(chǎng)時(shí)，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(diǎn)， 可制作各種半導(dǎo)體器件。
特性
（1）當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，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(kuò)散 。但是，電子和空穴都是帶電的，它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)和N區(qū)中原來(lái)的電中性條件破壞了。P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子。這些不能移動(dòng)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(gè)很薄的空間電荷區(qū)，這就是我們所說(shuō)的PN結(jié) 。
（2）在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)方并復(fù)合掉了，或者說(shuō)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(cè)呈現(xiàn)負(fù)電荷，N區(qū)一側(cè)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(chǎng)，由于這個(gè)電場(chǎng)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的，而不是外加電壓形成的，故稱為 內(nèi)電場(chǎng) 。
（4）內(nèi)電場(chǎng)是由多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)引起的，伴隨著它的建立將帶來(lái)兩種影響：一是 內(nèi)電場(chǎng)將阻礙多子的擴(kuò)散 ，二是P區(qū)和N區(qū)的少子一旦靠近PN結(jié)，便在內(nèi)電場(chǎng)的作用下漂移到對(duì)方， 使空間電荷區(qū)變窄 。
（5）因此， 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)加寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，有利于少子的漂移而不利于多子的擴(kuò)散；而漂移運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)減弱，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。當(dāng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，交界面形成穩(wěn)定的空間電荷區(qū)，即 PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡。
耗盡層近似：半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)中，載流子濃度遠(yuǎn)低于兩側(cè)多子濃度且雜質(zhì)全部電離，故空間電荷幾乎完全由電離的施主和受主雜質(zhì)的電荷形成。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)整個(gè)勢(shì)壘區(qū)的載流子耗盡，稱為耗盡層近似。
耗盡層近似是半導(dǎo)體物理中的一個(gè)概念，主要用于簡(jiǎn)化計(jì)算。 在這個(gè)近似中，假設(shè)半導(dǎo)體勢(shì)壘區(qū)中的載流子濃度遠(yuǎn)低于兩側(cè)多子的濃度，且雜質(zhì)全部電離。因此，空間電荷幾乎完全由電離的施主和受主雜質(zhì)的電荷形成。這種近似允許研究者假設(shè)整個(gè)勢(shì)壘區(qū)的載流子被耗盡，從而簡(jiǎn)化了對(duì)半導(dǎo)體器件行為的分析和計(jì)算過(guò)程。
具體來(lái)說(shuō)，耗盡層近似適用于那些載流子濃度非常低，以至于可以忽略不計(jì)的區(qū)域。在PN結(jié)或其他半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，當(dāng)偏置條件使得勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的載流子幾乎完全耗盡時(shí)，就可以應(yīng)用這個(gè)近似。
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