طاقة فيرمي

طاقة فيرمي


 


طاقة فيرمي
أو مستوى فيرمي في فيزياء الجوامد و فيزياء المواد المكثفة تمثل أعلى مستوى طاقة
يشغلها إلكترون عند درجة الصفر المطلق, فعند عند درجة حرارة صفر كلفن لا تكتسب
الإلكترونات أي طاقة حرارية تساعدها على التحرك و تبدأ بملء مستويات الطاقة الأدنى
أولا ثم الأعلى فالأعلى مشكلة بحرا من الإلكترونات يدعى بحر فيرمي, تمثل طاقة
فيرمي من هذا البحر سطحه العلوي, . عند زيادة درجة الحرارة فوق الصفر لا تتزحزح
طاقة فيرمي عن مكانها مطلقا لكن في المقابل تكتسب بعض الإلكترونات طاقة تسمح لها
بتجاوز طاقة فيرمي و الصعود فوقها.


 


لطاقة
فيرمي أهمية كبرى في تعيين موصلية المادة للكهرباء لإنه مسؤول مباشر عن تعيين عدد
الإلكترونات التي تصعد لنطاق التوصيل و لذلك تكتسب أهمية أكبر في أشباه الموصلات, فحسب
إحصاء فيرمي ديراك فإن أحتمالية وجود إلكترون عند مستوى طاقة فيرمي هي 50 %, كذلك
احتمال وجود فجوة عند نفس مستوى طاقة فيرمي هي أيضا 50 %, مما يعني أن هناك وجودا
دائما لحوامل الشحنة عند مستوى فيرمي.


 


 


طاقة فيرمي


 


في
الموصلات يمتزج تطاقا التوصيل و التكافؤ, و يقع مستوى فيرمي في منطقة التمازج, عند
الصفر المطلق ستكون سائر الإلكترونات أسفل طاقة فيرمي, و رغم ذلك لا تزال ضمن نطاق
التوصيل, مما يعني أنها توصل الكهرباء عند الصفر المطلق, و غني عن الذكر أنها
ستوصل الكهرباء عند درجات حرارة أعلى من ذلك.


في أشباه
الموصلات غير تشويب يقع مستوى فيرمي في المنتصف بين النطاقين, و لا وجود أبدا
لإلكترونات في نطاق التوصيل عند الصفر المطلق, لكن عند درجة الحرارة العادية تصعد
بعض الإلكترونات لنطاق التوصيل و تخلي أماكنها في نطاق التكافؤ مخلفة فجوات, لتنمية
وجود الإلكترونات - التي تخلف الفجوات بدورها - هناك طريقتان :


منح
الإلكترونات طاقة إما بواسطة رفع درجة حرارة عاليا أو بتسليط فوتونات ذات طاقة
أكبر من فجوة الطاقة و هو خيار غير مقبول في أغلب التطبيقات بسبب متطلباته


زحزحة
مستوى فيرمي صعودا أو نزولا لترجيح كفة إما الإلكترونات أو الفجوات على التوالي, هذه
الزحزحة لا تتم برفع الحرارة و إنما تتم عن طريق عملية تدعى التشويب, كلما زاد
التشويب تزحزح المستوى عن مكانه بدرجة أكبر.


في العوازل
, لا وجود لإلكترونات توصيل عند الصفر المطلق, و لكن عند درجات أعلى, هناك امكانية
لتوليد إلكترون-فجوة لكن العائق رفيع و البعد كبير, و بالتالي سيكون الثمن مكلفا و
العمل مضني و بذلك يكون التطبيق غير مجد.