費米釘扎

費米釘扎

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來製作發藍光的二極體時,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——製作出了發藍色光的二極體。

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。

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