10.10 :  Nível Fermi

A função Fermi-Dirac é representada por uma curva em forma de S que indica a probabilidade de um estado de energia ser ocupado por um elétron a uma determinada temperatura. O nível de Fermi é o nível de energia no qual há cinquenta por cento de chance de encontrar um elétron e está posicionado entre a banda de valência de energia mais baixa e a banda de condução de energia mais alta.

Na temperatura zero absoluto, os elétrons preenchem todos os estados de energia até o nível de Fermi, deixando os estados superiores vazios. À medida que a temperatura aumenta, a energia dos elétrons aumenta e eles se tornam capazes de ocupar os estados vagos acima do nível de Fermi.

Em semicondutores intrínsecos, onde a concentração de elétrons e buracos é igual, o nível de Fermi está situado no meio do band gap. Isso é alterado quando impurezas são adicionadas para criar semicondutores do tipo n ou do tipo p. Em semicondutores do tipo n, com excesso de elétrons, o nível de Fermi se aproxima da banda de condução. Por outro lado, em semicondutores do tipo p, onde há maior concentração de buracos, o nível de Fermi aproxima-se da banda de valência.

O aumento da temperatura faz com que mais elétrons saltem da banda de valência para a banda de condução, empurrando o nível de Fermi em direção à banda de condução no processo. Esta mudança afeta a condutividade do semicondutor.

Quando materiais com níveis de Fermi diferentes entram em contato, os elétrons fluem da região de níveis de Fermi mais elevados para a região de níveis mais baixos. O movimento dos elétrons alinha os níveis de Fermi na junção, estabelecendo um equilíbrio. Este conceito desempenha um papel crucial no funcionamento de inúmeros componentes eletrônicos, permitindo a regulação e ajuste da condutividade elétrica e do desempenho de dispositivos eletrônicos.