10.10 : Fermi Seviyesi

Fermi-Dirac fonksiyonu, belirli sıcaklıkta bulunan bir enerji durumunun bir elektron tarafından işgal edilme olasılığını gösteren S şeklinde bir eğri ile temsil edilir. Fermi seviyesi, bir elektron bulma şansının yüzde elli olduğu enerji seviyesidir ve düşük enerjili valans bandı ile yüksek enerjili iletim bandı arasında yer alır.

Mutlak sıfır sıcaklıkta, elektronlar Fermi seviyesine kadar olan tüm enerji seviyelerini doldurur ve üst seviyeleri boş bırakır. Sıcaklık yükseldikçe, elektronların enerjisi artar ve Fermi seviyesinin üzerindeki boş seviyelere yerleşebilirler.

Elektron ve delik konsantrasyonunun eşit olduğu içsel yarı iletkenlerde, Fermi seviyesi bant aralığının ortasında yer alır. Bu durum, n-tipi ya da p-tipi yarı iletkenler oluşturmak için safsızlık eklendiğinde değişir. Fazla elektron içeren n-tipi yarı iletkenlerde Fermi seviyesi iletim bandına doğru kayar. Tersine, daha yüksek bir delik konsantrasyonunun olduğu p-tipi yarı iletkenlerde, Fermi seviyesi valans bandına yaklaşır.

Sıcaklıktaki artış, daha fazla sayıda elektronun valans bandından iletim bandına sıçramasına neden olur ve bu süreçte Fermi seviyesi iletim bandına doğru itilir. Bu kayma yarı iletkenin iletkenliğini etkiler.

Farklı Fermi seviyelerine sahip malzemeler temas ettiğinde, elektronlar daha yüksek Fermi seviyeleri bölgesinden daha düşük olana doğru akar. Elektronların hareketi, birleşme noktasındaki Fermi seviyelerini hizalayarak bir denge kurar. Bu kavram, elektrik iletkenliğinin ve elektronik cihazların performansının düzenlenmesini ve ayarlanmasını sağlayarak çok sayıda elektronik bileşenin çalışmasında önemli bir rol oynar.