10.10 : Уровень Ферми

Функция Ферми-Дирака представлена ​​S-образной кривой, показывающей вероятность занятия энергетического состояния электроном при данной температуре. Уровень Ферми — это энергетический уровень, на котором существует пятидесятипроцентная вероятность найти электрон, и он расположен между валентной зоной с более низкой энергией и зоной проводимости с более высокой энергией.

При абсолютной нулевой температуре электроны заполняют все энергетические состояния вплоть до уровня Ферми, оставляя верхние состояния пустыми. С повышением температуры энергия электронов увеличивается, и они становятся способными занимать вакантные состояния выше уровня Ферми.

В собственных полупроводниках, где концентрации электронов и дырок равны, уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны. Ситуация меняется, когда добавляются примеси для создания полупроводников n- или p-типа. В полупроводниках n-типа при избытке электронов уровень Ферми смещается ближе к зоне проводимости. И наоборот, в полупроводниках p-типа, где концентрация дырок выше, уровень Ферми перемещается ближе к валентной зоне.

Повышение температуры приводит к тому, что большее количество электронов совершает прыжок из валентной зоны в зону проводимости, подталкивая при этом уровень Ферми к зоне проводимости. Этот сдвиг влияет на проводимость полупроводника.

При контакте материалов с разными уровнями Ферми электроны перетекают из области более высоких уровней Ферми в область с более низкими уровнями. Движение электронов выравнивает уровни Ферми на стыке, устанавливая равновесие. Эта концепция играет решающую роль в работе многочисленных электронных компонентов, позволяя регулировать и подправлять электропроводность и производительность электронных устройств.