費(fèi)米釘扎效應(yīng)

1、釘扎效應(yīng)費(fèi)米能級(jí)不隨摻雜等而發(fā)生位置變化的效應(yīng)，稱為費(fèi)米能級(jí)的釘扎效應(yīng)（Pinning effect）。費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)是半導(dǎo)體物理中的一個(gè)重要概念。本來半導(dǎo)體中的Fermi能級(jí)是容易發(fā)生位置變化的。例如，摻入施主雜質(zhì)即可使Fermi能級(jí)移向?qū)У?，半?dǎo)體變成為n型半導(dǎo)體；摻入受主雜質(zhì)即可使Fermi能級(jí)移向價(jià)帶頂，半導(dǎo)體變成為p型半導(dǎo)體。產(chǎn)生釘扎效應(yīng)時(shí)，半導(dǎo)體中即使摻入很多的施主或者受主，這些雜質(zhì)也不能激活，也就不能提供載流子，從而也不會(huì)改變費(fèi)米能級(jí)的位置。產(chǎn)生費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)的原因，與材料的本性有關(guān)。寬禁帶半導(dǎo)體（GaN、SiC等）就是一個(gè)典型的例子，這種半導(dǎo)體一般只能制備成n型或p型的半

2、導(dǎo)體，摻雜不能改變其型號(hào)（即Fermi能級(jí)不能移動(dòng)），故稱為單極性半導(dǎo)體。一般，離子性較強(qiáng)的半導(dǎo)體（如-族半導(dǎo)體，CdS、ZnO、ZnSe、CdSe）就往往是單極性半導(dǎo)體。這主要是由于其中存在大量帶電缺陷，使得費(fèi)米能級(jí)被釘扎住所造成的。正因?yàn)槿绱耍捎肎aN來制作發(fā)藍(lán)光的二極管時(shí)，先前就遇到了很大的困難，后來通過特殊的退火措施才激活了摻入的施主或受主雜質(zhì)，獲得了pn結(jié)制作出了發(fā)藍(lán)色光的二極管。非晶態(tài)半導(dǎo)體也往往存在費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)。制作出的非晶態(tài)半導(dǎo)體多是高阻材料,Fermi能級(jí)不能因摻雜而移動(dòng)，這也是由于其中有大量缺陷的關(guān)系。此外，半導(dǎo)體表面態(tài)密度較大時(shí)也往往造成費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)。這在M-S

3、系統(tǒng)和MOS系統(tǒng)中起著重要的作用。通俗解釋：【釘扎就是缺陷某個(gè)能級(jí)上能態(tài)數(shù)量太多，可以接受大量的電子或空穴，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體摻雜引入的電子或空穴全部填充到缺陷能級(jí)，費(fèi)米面不能上升或下降的情況。可以這么考慮，就好像是一個(gè)U型管的側(cè)面接了一個(gè)無限長的水平細(xì)管一樣，當(dāng)水灌至這個(gè)水平管高度時(shí)，你再往里面灌水，這個(gè)系統(tǒng)的液面都不會(huì)升高一樣?！勘緛戆雽?dǎo)體中的Fermi能量是一個(gè)容易發(fā)生變化的參量（與溫度和摻雜等都有較大的關(guān)系），即Fermi能級(jí)在能帶中的位置容易發(fā)生移動(dòng)。例如，摻入施主雜質(zhì)即可使Fermi能級(jí)移向?qū)У?，半?dǎo)體即變成為n型半導(dǎo)體；摻入受主雜質(zhì)即可使Fermi能級(jí)移向價(jià)帶頂，半導(dǎo)體就變成為p型

4、半導(dǎo)體。但是，若Fermi能級(jí)不能因?yàn)閾诫s等而發(fā)生位置變化的話，那么就稱這種情況為費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)。Fermi能級(jí)釘扎效應(yīng)的影響：在這種效應(yīng)起作用的時(shí)候，向半導(dǎo)體中即使摻入很多的施主或者受主，但由于Fermi能級(jí)不能移動(dòng)，則這些雜質(zhì)都不能被激活（即不能提供載流子），故也不能改變半導(dǎo)體的型號(hào)，也因此難于通過雜質(zhì)補(bǔ)償來制作出pn結(jié)。在半導(dǎo)體表面或者界面中，如果出現(xiàn)了Fermi能級(jí)釘扎效應(yīng)的話，那么半導(dǎo)體表面能帶彎曲的情況將變得較復(fù)雜。產(chǎn)生費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)的原因：費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)的產(chǎn)生與材料的本性有關(guān)。寬禁帶半導(dǎo)體（GaN、SiC等）就是一個(gè)典型的例子，這種半導(dǎo)體一般只能制備成n型或p型的半導(dǎo)體，摻

5、雜不能改變其型號(hào)（即Fermi能級(jí)不能移動(dòng)），故稱為單極性半導(dǎo)體。一般，離子性較強(qiáng)的半導(dǎo)體（如-族半導(dǎo)體，CdS、ZnO、ZnSe、CdSe）就往往是單極性半導(dǎo)體。這主要是由于其中存在大量帶電缺陷，使得費(fèi)米能級(jí)被釘扎住、而不能改變半導(dǎo)體型號(hào)所造成的。正因?yàn)槿绱?，采用GaN來制作發(fā)蘭光的二極管時(shí)，先前就遇到了很大的困難；一直到后來通過特殊的退火措施才激活了摻入的施主或受主雜質(zhì)，獲得了pn結(jié)制作出了發(fā)藍(lán)色光的二極管。在其他異質(zhì)結(jié)中，由于界面存在的大量缺陷，也往往會(huì)造成費(fèi)米能級(jí)釘扎，特別是在極性較大的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中。非晶態(tài)半導(dǎo)體中也往往存在費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)。制作出的非晶態(tài)半導(dǎo)體多是高阻材料,Fermi能級(jí)不能因摻雜而移動(dòng)，這也是由于其中有大量缺陷的關(guān)系。 此外，半導(dǎo)體表面態(tài)密度較大時(shí)也往往造成費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)。這就使得費(fèi)米能級(jí)始終處于距價(jià)帶頂約 1/3禁