10.10 : Poziom Fermiego

Funkcję Fermiego-Diraca reprezentuje krzywa w kształcie litery S, wskazująca prawdopodobieństwo zajęcia stanu energetycznego przez elektron w danej temperaturze. Poziom Fermiego to poziom energii, na którym istnieje pięćdziesiąt procent szans na znalezienie elektronu i znajduje się pomiędzy pasmem walencyjnym o niższej energii a pasmem przewodnictwa o wyższej energii.

W temperaturze zera absolutnego elektrony wypełniają wszystkie stany energetyczne aż do poziomu Fermiego, pozostawiając stany górne puste. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia elektronów i stają się one zdolne do zajmowania wolnych stanów powyżej poziomu Fermiego.

W półprzewodnikach samoistnych, gdzie stężenie elektronów i dziur jest równe, poziom Fermiego znajduje się pośrodku pasma wzbronionego. Zmienia się to, gdy dodawane są zanieczyszczenia w celu utworzenia półprzewodników typu n lub p. W półprzewodnikach typu n, w których występuje nadmiar elektronów, poziom Fermiego przesuwa się bliżej pasma przewodnictwa. I odwrotnie, w półprzewodnikach typu p, gdzie występuje większa koncentracja dziur, poziom Fermiego przesuwa się bliżej pasma walencyjnego.

Wzrost temperatury powoduje, że większa liczba elektronów przeskakuje z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, przesuwając tym samym poziom Fermiego w kierunku pasma przewodnictwa. To przesunięcie wpływa na przewodność półprzewodnika.

Kiedy stykają się materiały o różnych poziomach Fermiego, elektrony przepływają z obszaru o wyższych poziomach Fermiego do niższego. Ruch elektronów wyrównuje poziomy Fermiego na złączu, ustanawiając równowagę. Koncepcja ta odgrywa kluczową rolę w działaniu wielu elementów elektronicznych, umożliwiając regulację i regulację przewodności elektrycznej oraz wydajności urządzeń elektronicznych.