[科普中国]-费米钉扎

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（Pinning effect）。

定义费米能级钉扎效应是半导体物理学中的一个重要概念。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，即虽然掺杂大量的施主或者受主，这些杂质也不能激活，也不能提供载流子，从而也不能改变费米能级的位置，那么就称这种情况为费米能级钉扎效应1。

产生Fermi能级钉扎效应的原因1.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——制作出了发兰色光的二极管。

2.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。

3.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。

4.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。就是高表面态半导体的表面能带会发生固定值的弯曲。在表面态中，存在一个距离表面价带顶约 1/3个禁带宽度的能级，此能级以上全是受主能级，以下全是施主能级。假定起初能带未弯曲，由于表面受主态的数量远大于施主态的数量，故能带将向上弯曲，若距价带顶约 1/3个禁带宽度的能级上升到费米能级以上一点，由于表面态极高，占据受主能级的电子急剧减少而占据施主能级的空穴急剧增加，导致表面势急剧下降，从而能带向下弯曲。同样，若距价带顶约 1/3个禁带宽度的能级下降到费米能级以下一点，能带又会向上弯曲。这样能带将最终稳定在使价带顶距离费米能级约 1/3个禁带宽度的位置，似乎费米能级是一根钉子，把能带给钉在了墙壁上而动弹不得，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。通俗地来说，钉扎就是某个缺陷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。

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。

本词条内容贡献者为:

韩拯 - 研究员 - 中国科学院金属研究所