10.10 : مستوى فيرمي

يتم تمثيل دالة فيرمي-ديراك بمنحنى على شكل حرف S يشير إلى احتمال وجود حالة طاقة يشغلها إلكترون عند درجة حرارة معينة. مستوى فيرمي هو مستوى الطاقة الذي توجد فيه فرصة بنسبة خمسين بالمائة للعثور على إلكترون، ويقع بين نطاق التكافؤ ذو الطاقة المنخفضة ونطاق التوصيل ذي الطاقة الأعلى.

عند درجة حرارة الصفر المطلق، تملأ الإلكترونات جميع حالات الطاقة حتى مستوى فيرمي، تاركة الحالات العليا فارغة. ومع ارتفاع درجة الحرارة تزداد طاقة الإلكترونات وتصبح قادرة على احتلال الحالات الشاغرة فوق مستوى فيرمي.

في أشباه الموصلات الجوهرية، حيث يكون تركيز الإلكترونات والثقوب متساويًا، يقع مستوى فيرمي في منتصف فجوة النطاق. يتم تغيير هذا عند إضافة الشوائب لإنشاء أشباه الموصلات من النوع n أو النوع p. في أشباه الموصلات من النوع n، مع وجود فائض من الإلكترونات، يقترب مستوى فيرمي من نطاق التوصيل. على العكس من ذلك، في أشباه الموصلات من النوع p، حيث يوجد تركيز أعلى من الثقوب، يتحرك مستوى فيرمي بالقرب من نطاق التكافؤ.

يؤدي الارتفاع في درجة الحرارة إلى زيادة أعداد الإلكترونات التي تقفز من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، مما يدفع مستوى فيرمي نحو نطاق التوصيل في هذه العملية. يؤثر هذا التحول على موصلية أشباه الموصلات.

عندما تتلامس المواد ذات مستويات فيرمي المختلفة، تتدفق الإلكترونات من المنطقة ذات مستويات فيرمي الأعلى إلى المنطقة الأدنى. تعمل حركة الإلكترونات على محاذاة مستويات فيرمي عند التقاطع، مما يؤدي إلى تحقيق التوازن. يلعب هذا المفهوم دورًا حاسمًا في تشغيل العديد من المكونات الإلكترونية، مما يتيح تنظيم وتعديل التوصيل الكهربائي وأداء الأجهزة الإلكترونية.