Пространственный заряд

Пространственный заряд — распределенный нескомпенсированный электрический заряд одного знака. Пространственные заряды возникают в вакуумных и газоразрядных лампах в пространстве между электродами, а также в неоднородных областях полупроводниковых приборов, и сильно влияют на прохождение тока через эти области, приводя к нелинейным вольт-амперным характеристикам таких приборов.

Примеры

Например, в вакуумном диоде при протекании тока между катодом и анодом в промежутке между ними существует определенная концентрация электронов, имеющих отрицательный заряд. Одновременно в этой области нет положительно заряженных ионов, а потому образуется отрицательно заряженное электронное облако. Это облако препятствует эмиссии электронов из катода.

Пространственные заряды возникают также в полупроводниковых диодах в области p-n-перехода. Электроны из полупроводника n-типа в области такого перехода диффундируют в полупроводник p-типа, где рекомбинируют с дырками. Аналогично, дырки диффундируют из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, где рекомбинируют с электронами. Как следствие, вокруг p-n-перехода возникают области с нехваткой электронов и области с избытком электронов, соответственно положительно и отрицательно заряженные. В области полупроводника n-типа с нехваткой электронов, положительный заряд создается донорами, а в области p-типа с избытком отрицательный заряд создается акцепторами, на которые электроны захватываются.

Электрическое поле в области пространственного заряда

Скомпенсированные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Поэтому области пространственного заряда являются одновременно областями неоднородного электрического поля. Такая ситуация в корне отличается от случая протекания электрического тока в однородных проводниках или полупроводниках. При протекании электрического тока через однородное вещество, в каждой точке этого вещества сохраняется электрическая нейтральность, а электрическое поле остается равномерным. В области пространственного заряда электрическое поле неоднородно. Обычно на эти области приходится основная часть падения напряжения при протекании тока.

Ограниченный пространственным зарядом ток

Основная статья: Закон степени трёх вторых

Электрический ток в вакуумном диоде вследствие неоднородности электрического поля в области пространственного заряда нелинейно зависит от напряжения между электродами.

$j = C V^{3/2} \,$,

где j — плотность тока , V — напряжение, а C — коэффициент, зависящий от формы электродов. Для плоских электродов

$C = \frac{1}{9\pi L^2} \sqrt{\frac{2e}{m}}$.

Здесь L — расстояние между электродами, e — заряд электрона, m — масса электрона.

Эта зависимость носит название закона Чайльда — Ленгмюра.

Таким образом, вольт-амперная характеристика вакуумного диода существенно нелинейная. При малых напряжениях между электродами пространственный заряд сильно препятствует прохождению тока. Увеличение напряжения приводит к растяжению области пространственного заряда, а потому ток растет быстрее, чем по линейному закону.