Ferminivå

Dersom Ferminivået ligger i et tilgjengelig energibånd, vil materialet oppføre seg som et metall og lede elektrisk strøm. I en halvleder og isolator faller Ferminivået mellom to energibånd, det vil si innenfor et båndgap. Slike materialer er derfor dårlige elektriske ledere. En halvleder er forskjellig fra en isolator ved at enten båndgapet er betydelig mindre eller at Ferminivået ligger mye nærmere et tilgjengelig energibånd.

Illustrasjon av Ferminivå.
Lisens: CC BY SA 3.0

Artikkelstart

Ferminivået er innen fysikk et mål på hvor mye energi som kreves for å legge til ett elektron til et system som allerede har mange elektroner.

Ferminivået er et grunnleggende konsept i faststoff-fysikk. Sammen med båndstrukturen til et materiale er det en av egenskapene som avgjør hvorvidt materialet oppfører seg som en elektrisk leder, en halvleder eller isolator.

Fysisk beskrivelse

Ifølge faststoff-fysikk befinner elektronene i et materiale seg i ulike energinivåer som til sammen utgjør en båndstruktur. Ferminivået defineres som det energinivået som i termodynamisk likevekt har 50 prosent sannsynlighet til å være besatt av et elektron.

Ferminivået representeres vanligvis symbolsk via den greske bokstaven μ (my). Elektroner vil generelt bevege seg mot områder hvor μ er lav, slik at en partikkelstrøm mellom to materialer kan beskrives ved at et materiale har lavere μ enn det andre materialet. I likevekt er μ konstant og uavhengig av posisjon.

I et fast stoff befinner elektronene seg i ulike energibånd. Sannsynligheten for at et gitt energinivå E er besatt av et elektron er gitt av Fermi-Dirac-funksjonen:

f(E) = 1/[e(E-μ)/kT + 1]

Her er k Boltzmanns konstant og T er temperaturen målt i kelvin. Dersom E=μ, følger det at sannsynligheten er lik f(μ) = 1/2. Dermed kan Ferminivået definereres som den energien hvor sannsynligheten for at et elektron befinner seg i det energinivået er 50 prosent.

Posisjonen til μ i forhold til et båndgap i båndstrukturen til et materiale er avgjørende for materialets elektriske ledningsevne. Dersom μ befinner seg i ledningsbåndet, vil materialet kunne lede elektrisk strøm. Dersom μ derimot befinner seg i et stort båndgap, vil materialet være elektrisk isolerende.

I motsetning til Fermienergien er Ferminivået veldefinert ved en endelig temperatur.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg