10.10 : Nivel de Fermi

La función de Fermi-Dirac está representada por una curva en forma de S que indica la probabilidad de que un electrón ocupe un estado energético a una temperatura determinada. El nivel de Fermi es el nivel de energía en el que hay un cincuenta por ciento de posibilidades de encontrar un electrón y se ubica entre la banda de valencia de menor energía y la banda de conducción de mayor energía.

A la temperatura del cero absoluto, los electrones llenan todos los estados de energía hasta el nivel de Fermi, dejando los estados superiores vacíos. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la energía de los electrones y estos se vuelven capaces de ocupar los estados vacantes por encima del nivel de Fermi.

En los semiconductores intrínsecos, donde la concentración de electrones y huecos es igual, el nivel de Fermi se sitúa en el medio de la banda prohibida. Esto se altera cuando se añaden impurezas para crear semiconductores de tipo n o de tipo p. En los semiconductores de tipo n, con un exceso de electrones, el nivel de Fermi se acerca a la banda de conducción. Por el contrario, en los semiconductores tipo p, donde hay una mayor concentración de huecos, el nivel de Fermi se acerca a la banda de valencia.

El aumento de temperatura hace que un mayor número de electrones salten de la banda de valencia a la banda de conducción, empujando el nivel de Fermi hacia la banda de conducción en el proceso. Este cambio afecta la conductividad del semiconductor.

Cuando materiales con diferentes niveles de Fermi entran en contacto, los electrones fluyen desde la región de niveles de Fermi más altos a la región más baja. El movimiento de los electrones alinea los niveles de Fermi en la unión, estableciendo un equilibrio. Este concepto juega un papel crucial en el funcionamiento de numerosos componentes electrónicos, permitiendo la regulación y ajuste de la conductividad eléctrica y el rendimiento de los dispositivos electrónicos.