解释金属与半导体接触的高表面态密度钉扎现象？

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。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。在这种效应起作用的时候，往半导体中即使掺入很多的施主或者受主，但不能激活（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。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来制作发兰光的二极管时，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——制作出了发兰色光的二极管。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。

在物体中形成电流的必要条件是要存在导电载流子。金属的导电载流子是自由电子，电解质溶液的导电载流子是正、负离子，半导体材料的导电载流子是电子与空穴，气体中的导电载流子是带电离子。接触时，不同物体间载流子的运动、相互作用会发生变化，形成各种效应。例如：“金属-金属”接触的一个重要效应就是热电偶效应，可以用来测量温度；MOS接触效应可被用作电荷耦合器件（CCD），利用大规模集成技术将感光器件和控制逻辑电路同经离子注入、高掺杂或交叠栅等改善CCD性能的微细加工过的CCD集成在一起，构成摄像的固体器件，广泛地用作图像的固态传感器等。

接触电效应解析

两块不同金属A、B接触时，它们之间出现电位差的现象。这个电位差称为接触电位差。形成接触电位差的机理是：不同金属里自由电子势阱深度不同，自由电子密度也不相等，从而费密能级不一样。通常用逸出功表示把位于费密能级上的一个电子移到金属表面之外所需作的功；费密能级不同也就是逸出功不同。在两块不带电的金属相距很远的情况下，它们的费密能级EFA、逸出功═和势垒ψ等如图1a所示。逐渐移近时，它们的势场开始相互影响，中间势垒显著下降，如图1b所示。当移近到图1c所示的情形,势垒已降到金属A的费密能级E附近，这时A里的电子开始流入金属B，因为按照统计物理学，电子将从费密能级高的地方向费密能级低的地方流动。但并无大量的电子从A流到B,因为当A失去电子时，它的电位将上升，从而其中电子的能级将下降；与此同时，B的电位将下降,其中电子的能级将上升。这样，只需要相当少的电子流过去，就可通过电位差使两块金属的费密能级拉平。到这时电子就不再流动；而两块金属A、B之间将出现一个电位差，式中e是电子电荷的值。由上式可见两块金属中逸出功大的一个具有较低的电位。此电位差即接触电位差。表中列出了用光电效应法与热电发射法分别测出的一些金属的逸出功的值。利用此表即可求出其中任二种金属间的接触电位差以及哪一金属具有较低电势。

接触电效应在一些物理过程中起着重要作用。例如半导体与金属接触时所产生的接触电位差（或称肖脱基电位差）将在半导体表面附近形成一个阻挡层。图2中 E0为位于材料外表面电子的位能；Eσ为导带底部的能级；EV为价带顶部的能级E、E分别为半导体和金属的费密能级,两种材料的逸出功之差是eV。接触时电子将从半导体流向金属,导致半导体中电子能级下降(相对金属),但由于N型半导体中自由电子的密度比金属小得多,半导体所能荷带的正电荷密度很有限，从而能级的下降将是逐渐的，正电荷分布在半导体表面的一个有限厚度(10-7～10-8米)的层内。这一层由于自由电子密度降到很小（耗尽层）而具有很高电阻。它对电流成为一个阻挡层。当外电压加在这种半导体－金属结上时，阻挡层的厚度发生变化，若N型半导体是在负电位，则阻挡层厚度将减小，反之阻挡层厚度将增加。这样，电流的大小就同电压的方向有关,从而显示出整流作用。类似地，当N型半导体与P型半导体接触时，接触电效应亦将在接触面两侧附近形成一个势垒区，这就是通常所谓的半导体的PN结。

值得注意的是，金属A、B所带的电荷都分布在其表面上，金属内的电子密度不变，在两金属接触面上正负电荷形成一偶电层。两块金属的接触电位差实质上就是这偶电层产生的。

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