費米能級不隨摻雜等而發生位置變化的效應，稱為費米能級的釘扎效應（Pinning effect）。
基本介紹
- 中文名：費米釘扎
- 外文名：Fermi level pinning
定義,產生Fermi能級釘扎效應的原因,1.,2.,3.,4.,Fermi能級釘扎效應的影響,
定義
費米能級釘扎效應是半導體物理學中的一個重要概念。本來半導體中的Fermi能量是一個容易發生變化的參量（與溫度和摻雜等都有較大的關係），即Fermi能級在能帶中的位置容易發生移動。例如，摻入施主雜質即可使Fermi能級移嚮導帶底，半導體即變成為n型半導體；摻入受主雜質即可使Fermi能級移向價帶頂，半導體就變成為p型半導體。但是，若Fermi能級不能因為摻雜等而發生位置變化的話，即雖然摻雜大量的施主或者受主，這些雜質也不能激活，也不能提供載流子，從而也不能改變費米能級的位置，那么就稱這種情況為費米能級釘扎效應。
產生Fermi能級釘扎效應的原因
1.
費米能級釘扎效應的產生與材料的本性有關。寬禁帶半導體（GaN、SiC等）就是一個典型的例子，這種半導體一般只能製備成n型或p型的半導體，摻雜不能改變其型號（即Fermi能級不能移動），故稱為單極性半導體。一般，離子性較強的半導體（如Ⅱ-Ⅵ族半導體，CdS、ZnO、ZnSe、CdSe）就往往是單極性半導體。這主要是由於其中存在大量帶電缺陷，使得費米能級被釘扎住、而不能改變半導體型號所造成的。正因為如此，採用GaN來製作發蘭光的二極體時，先前就遇到了很大的困難；一直到後來通過特殊的退火措施才激活了摻入的施主或受主雜質，獲得了pn結——製作出了發蘭色光的二極體。
2.
非晶態半導體中也往往存在費米能級釘扎效應。製作出的非晶態半導體多是高阻材料，Fermi能級不能因摻雜而移動，這也是由於其中有大量缺陷的關係。
3.
在其他異質結中，由於界面存在的大量缺陷，也往往會造成費米能級釘扎，特別是在極性較大的半導體異質結中。
4.
此外，半導體表面態密度較大時也往往造成費米能級釘扎效應。就是高表面態半導體的表面能帶會發生固定值的彎曲。在表面態中，存在一個距離表面價帶頂約 1/3個禁頻寬度的能級，此能級以上全是受主能級，以下全是施主能級。假定起初能帶未彎曲，由於表面受主態的數量遠大於施主態的數量，故能帶將向上彎曲，若距價帶頂約 1/3個禁頻寬度的能級上升到費米能級以上一點，由於表面態極高，占據受主能級的電子急劇減少而占據施主能級的空穴急劇增加，導致表面勢急劇下降，從而能帶向下彎曲。同樣，若距價帶頂約 1/3個禁頻寬度的能級下降到費米能級以下一點，能帶又會向上彎曲。這樣能帶將最終穩定在使價帶頂距離費米能級約 1/3個禁頻寬度的位置，似乎費米能級是一根釘子，把能帶給釘在了牆壁上而動彈不得，嚴重影響到半導體表面能帶的彎曲狀況。這種效應在M-S系統和MOS系統中起著重要的作用。
總之，費米能級釘扎效應與大量存在的有害雜質、晶體缺陷等因素有關。通俗地來說，釘扎就是某個缺陷能級上能態數量太多，可以接受大量的電子或空穴，從而導致半導體摻雜引入的電子或空穴全部填充到缺陷能級，費米面不能上升或下降的情況。可以這么考慮，就好像是一個U型管的側面接了一個無限長的水平細管一樣，當水灌至這個水平管高度時，你再往裡面灌水，這個系統的液面都不會升高一樣。
Fermi能級釘扎效應的影響
在這種效應起作用的時候，向半導體中即使摻入很多的施主或者受主，但由於Fermi能級不能移動，則這些雜質都不能被激活（即不能提供載流子），故也不能改變半導體的型號，也因此難於通過雜質補償來製作出pn結。
在半導體表面或者界面中，如果出現了Fermi能級釘扎效應的話，那么半導體表面能帶彎曲的情況將變得較複雜。
