Fermi-niveau

De Fermi-Dirac-functie wordt weergegeven door een S-vormige curve die de waarschijnlijkheid aangeeft dat een energietoestand bij een bepaalde temperatuur door een elektron wordt ingenomen. Het Fermi-niveau is het energieniveau waarbij er vijftig procent kans is om een ​​elektron te vinden, en bevindt zich tussen de valentieband met lagere energie en de geleidingsband met hogere energie.

Bij het absolute nulpunt vullen elektronen alle energietoestanden tot aan het Fermi-niveau, waardoor de bovenste toestanden leeg blijven. Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de energie van elektronen toe en kunnen ze de lege toestanden boven het Fermi-niveau bezetten.

In intrinsieke halfgeleiders, waar de concentratie van elektronen en gaten gelijk is, bevindt het Fermi-niveau zich in het midden van de bandafstand. Dit verandert wanneer onzuiverheden worden toegevoegd om halfgeleiders van het n-type of het p-type te creëren. In n-type halfgeleiders, met een teveel aan elektronen, verschuift het Fermi-niveau dichter naar de geleidingsband. Omgekeerd, in halfgeleiders van het p-type, waar er een hogere concentratie gaten is, beweegt het Fermi-niveau dichter naar de valentieband.

De temperatuurstijging leidt ertoe dat grotere hoeveelheden elektronen de sprong maken van de valentieband naar de geleidingsband, waardoor het Fermi-niveau in de richting van de geleidingsband wordt geduwd. Deze verschuiving beïnvloedt de geleidbaarheid van de halfgeleider.

Wanneer materialen met verschillende Fermi-niveaus in contact komen, stromen elektronen van het gebied met hogere Fermi-niveaus naar het lagere. De beweging van elektronen lijnt de Fermi-niveaus op de kruising uit, waardoor een evenwicht ontstaat. Dit concept speelt een cruciale rol bij de werking van talrijke elektronische componenten, waardoor de regulering en aanpassing van de elektrische geleidbaarheid en de prestaties van elektronische apparaten mogelijk wordt.