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. av . CC BY SA 3.0

Ferminivået i et system med elektroner (slik som et materiale) er et mål på hvor mye energi som kreves for å legge til et elektron til systemet.

Ferminivået er et grunnleggende konsept i faststoff-fysikk som sammen med båndstrukturen til et materiale blant annet avgjør hvorvidt materialet oppfører seg som en elektrisk leder, halvleder eller isolator.

Fysisk beskrivelse

I faststoff-fysikk hvor elektronene befinner seg i ulike energinivåer kan Ferminivået defineres som det energinivået som i termodynamisk likevekt har 50% sannsynlighet til å være besatt av et elektron.

Ferminivået representeres vanligvis symbolsk via bokstaven μ. 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 faststoff 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. 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%.

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 i motsetning 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