文档介绍：电介质中的
空间电荷效应
哈尔滨理工大学
雷清泉陈庆国
一、概述
1、定义:空间电荷(Space charge-SC)通常是指局部空间内存在的一种正或负的净电荷。可呈点、线、面及体分布。在与半导体与绝缘体有关的许多情况下都会出现空间电荷。
2、SC的类型:电子型、空穴型、离子型、偶极子型、极化子型和等离子体型。
3、固体:定域态、陷阱、局域能级,代表干扰晶体周期性势场的物理及化学结构缺陷(-,后者可达3-8eV)、杂质在禁带内构成的能级、表面态、表面偶极子态、体内偶极子态、体内分子离子态、杂质、端链、支链、叠链、晶区-非晶区边界、断键、极化子态、局域密度涨落等。杂质、添加剂、反应附产物,既可接受注入电荷,又可通过化学作用,增加电荷注入。
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4、液体:电极附近的双电层
5、气体:雪崩,正离子。
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二、SC的形成
阻挡接触: ,电子从,电子耗尽层,能带向上弯,阻挡势垒。
,注入接触(空穴)、空穴积累层;
欧姆接触: ,注入接触(电子)、电子积累层;
中性接触: ,无界面电荷;
1) 电接触(M-I,M-S体系)
1   接触
2)化学与物理吸附,双(偶)电层,依据两相的电负性交换电荷。
3)摩擦,流动带电、机加、挤出、压制等。
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3)Fowler-Nordheim发射(高场区) (3)
2) 场助热电子发射(中场区) (2)
1) 热电子发射(高温区) (1)
4)隧道效应(7)
3)从陷阱中释放(6)
2)电子碰撞电离(5)
1)杂质离子移动形成异极性SC
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4)热助场电子发射(中温区) (4)
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吸潮,物理及化学吸附,空间电磁环境,真空等。
1)低能(非电离)电磁辐射,光(红外、可见、紫外)0-40eV。
2)高能(电离)辐射、原子或原子核过程产生的辐射,包括X射线、γ射线、快电子、重带电粒子(α粒子、质子)、重离子、中子、电子束、离子束等。
3)辐射的作用:电子、离子→电导,俘获,受激分子、激子、激子电离→电导,发光→老化,自由基→化学反应、老化。
(1)   光电子效应,
激子生成,
(2)   辐射感应电导,光驻极体
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:直流,同极,异极电荷,工频交流,载流子注入与抽出,产生应力应变。
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图1 SC对电场分布的影响
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电流密度方程式(8)
电位移方程式(9)
局部电荷密度方程式(10)
温度;电性能, ; 电荷、电场。
(复合)电介质
1) MW界面极化(体内或M-I界面)
2)不均匀性
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通过光生载流子,在偏压电场或SC自身电场作用下,形成空间调制的周期分布。
7、非线性光析变材料(-OEO材料)
条件:光生载流子,光电导;电荷在外场或自建场中分离运动,形成周期性SC分布;周期场调制材料的光折射率(EO效应),形成位相光栅。
应用:全息实时存储、光象放大器、振荡器、相位共轭器、空间调制器、光学信息处理及光学计算技术等。
问题:探索陷阱中心的化学本质,陷阱深度及密度同光析变效应的关系,以及如何稳定陷阱结构等。
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8. PWM作用下SC形成
如图所示,低频正弦电压极化,正、负半周,电极电荷极性反转。
PWM电压,由于电压突然反转,导致特定符号的自由电荷再吸收,但电荷符号与束缚电荷的相反,此时两种类型电荷共存。松弛时间快的偶极子对SC无贡献,慢的对SC有贡献,形成“宏观”,重复上述现象,最终造成表面电荷积累,因此在表面存在三种电荷:自由电荷、束缚电荷(极化)、阻挡电荷,源于PWM极性反转太快。
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图2 正弦与PWM电压作用的极化模型
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