10.10 : Niveau de Fermi

La fonction de Fermi-Dirac est représentée par une courbe en forme de S, indiquant la probabilité qu'un état énergétique soit occupé par un électron à une température donnée. Le niveau de Fermi est le niveau d'énergie auquel il y a cinquante pour cent de chances de trouver un électron, et il se situe entre la bande de valence d'énergie inférieure et la bande de conduction d'énergie supérieure.

À température de zéro absolu, les électrons remplissent tous les états énergétiques jusqu’au niveau de Fermi, laissant les états supérieurs vides. À mesure que la température augmente, l’énergie des électrons augmente, et ils deviennent capables d’occuper les états vacants au-dessus du niveau de Fermi.

Dans les semi-conducteurs intrinsèques, où la concentration d’électrons et de trous est égale, le niveau de Fermi est situé au milieu de la bande interdite. Ceci est modifié lorsque des impuretés sont ajoutées pour créer des semi-conducteurs de type n ou de type p. Dans les semi-conducteurs de type n, avec un excès d’électrons, le niveau de Fermi se rapproche de la bande de conduction. À l’inverse, dans les semi-conducteurs de type p, où la concentration de trous est plus élevée, le niveau de Fermi se rapproche de la bande de valence.

L’augmentation de la température conduit à un plus grand nombre d’électrons passant de la bande de valence à la bande de conduction, poussant ainsi le niveau de Fermi vers la bande de conduction par ce processus. Ce décalage affecte la conductivité du semi-conducteur.

Lorsque des matériaux présentant des niveaux de Fermi différents entrent en contact, les électrons circulent de la région des niveaux de Fermi supérieurs vers la région inférieure. Le mouvement des électrons aligne les niveaux de Fermi aux jonctions, établissant ainsi un équilibre. Ce concept joue un rôle crucial dans le fonctionnement de nombreux composants électroniques, permettant la régulation et l'ajustement de la conductivité électrique et les performances des appareils électroniques.