费米钉扎效应

钉扎效应费米能级不随掺杂等而发生位置变化的效应，称为费米能级的钉扎效应（Pinningeffect）。费米能级钉扎效应是半导体物理中的一个重要概念。本来半导体中的Fermi能级是容易发生位置变化的。例如，掺入施主杂质即可使Fermi能级移向导带底，半导体变成为n型半导体；掺入受主杂质即可使Fermi能级移向价带顶，半导体变成为p型半导体。产生钉扎效应时，半导体中即使掺入很多的施主或者受主，这些杂质也不能激活，也就不能提供载流子，从而也不会改变费米能级的位置。产生费米能级钉扎效应的原因，与材料的本性有关。宽禁带半导体（GaN、SiC等）就是一个典型的例子，这种半导体一般只能制备成n型或p型的半导体，掺杂不能改变其型号（即Fermi能级不能移动），故称为单极性半导体。一般，离子性较强的半导体（如Ⅱ-Ⅵ族半导体，CdS、ZnO、ZnSe、CdSe）就往往是单极性半导体。这主要是由于其中存在大量带电缺陷，使得费米能级被钉扎住所造成的。正因为如此，采用GaN来制作发蓝光的二极管时，先前就遇到了很大的困难，后来通过特殊的退火措施才激活了掺入的施主或受主杂质，获得了pn结——制作出了发蓝色光的二极管。非晶态半导体也往往存在费米能级钉扎效应。制作出的非晶态半导体多是高阻材料,Fermi能级不能因掺杂而移动，这也是由于其中有大量缺陷的关系。此外，半导体表面态密度较大时也往往造成费米能级钉扎效应。这在M-S系统和MOS系统中起着重要的作用。通俗解释：【钉扎就是缺陷某个能级上能态数量太多，可以接受大量的电子或空穴，从而导致半导体掺杂引入的电子或空穴全部填充到缺陷能级，费米面不能上升或下降的情况。可以这么考虑，就好像是一个U型管的侧面接了一个无限长的水平细管一样，当水灌至这个水平管高度时，你再往里面灌水，这个系统的液面都不会升高一样。】本来半导体中的Fermi能量是一个容易发生变化的参量（与温度和掺杂等都有较大的关系），即Fermi能级在能带中的位置容易发生移动。例如，掺入施主杂质即可使Fermi能级移向导带底，半导体即变成为n型半导体；掺入受主杂质即可使Fermi能级移向价带顶，半导体就变成为p型半导体。但是，若Fermi能级不能因为掺杂等而发生位置变化的话，那么就称这种情况为费米能级钉扎效应。Fermi能级钉扎效应的影响：在这种效应起作用的时候，向半导体中即使掺入很多的施主或者受主，但由于Fermi能级不能移动，则这些杂质都不能被激活（即不能提供载流子），故也不能改变半导体的型号，也因此难于通过杂质补偿来制作出pn结。在半导体表面或者界面中，如果出现了Fermi能级钉扎效应的话，那么半导体表面能带弯曲的情况将变得较复杂。产生费米能级钉扎效应的原因：费米能级钉扎效应的产生与材料的本性有关。宽禁带半导体（GaN、SiC等）就是一个典型的例子，这种半导体一般只能制备成n型或p型的半导体，掺杂不能改变其型号（即Fermi能级不能移动），故称为单极性半导体。一般，离子性较强的半导体（如Ⅱ-Ⅵ族半导体，CdS、ZnO、ZnSe、CdSe）就往往是单极性半导体。这主要是由于其中存在大量带电缺陷，使得费米能级被钉扎住、而不能改变半导体型号所造成的。正因为如此，采用GaN来制作发兰光的二极管时，先前就遇到了很大的困难；一直到后来通过特殊的退火措施才激活了掺入的施主或受主杂质，获得了pn结——制作出了发蓝色光的二极管。在其他异质结中，由于界面存在的大量缺陷，也往往会造成费米能级钉扎，特别是在极性较大的半导体异质结中。非晶态半导体中也往往存在费米能级钉扎效应。制作出的非晶态半导体多是高阻材料,Fermi能级不能因掺杂而移动，这也是由于其中有大量缺陷的关系。此外，半导体表面态密度较大时也往往造成费米能级钉扎效应。这就使得费米能级始终处于距价带顶约1/3禁带宽度的位置，严重影响到半导体表面能带的弯曲状况。这种效应在M-S系统和MOS系统中起着重要的作用。总之，费米能级钉扎效应与大量存在的有害杂质、晶体缺陷等因素有关。