طاقة فيرمي
طاقة فيرمي أو مستوى فيرمي في فيزياء الجوامد وفيزياء 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 وتبدأ 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 والصعود فوقها.
لطاقة فيرمي أهمية كبرى في تعيين موصلية المادة للكهرباء لإنه مسؤول مباشر عن تعيين عدد الإلكترونات التي تصعد لنطاق التوصيل ولذلك 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
بالنظر إلى الشكل واحد, يمكن دراسة أهمية مسوى فيرمي في المواد المختلفة.
- في الموصلات يمتزج تطاقا التوصيل والتكافؤ, ويقع مستوى فيرمي في منطقة التمازج, عند الصفر المطلق ستكون سائر الإلكترونات أسفل طاقة فيرمي, ورغم ذلك لا تزال ضمن نطاق التوصيل, مما يعني أنها توصل الكهرباء عند الصفر المطلق, وغني عن الذكر أنها ستوصل الكهرباء عند درجات حرارة أعلى من ذلك.
- في أشباه الموصلات غير تشويب يقع مستوى فيرمي في المنتصف بين النطاقين, ولا وجود أبدا لإلكترونات في نطاق التوصيل عند الصفر المطلق, لكن عند درجة الحرارة العادية تصعد بعض الإلكترونات لنطاق التوصيل وتخلي 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 وهو 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 وإنما تتم عن طريق عملية تدعى التشويب, كلما زاد التشويب تزحزح المستوى عن مكانه بدرجة أكبر.
- في العوازل، لا وجود لإلكترونات توصيل عند الصفر المطلق, ولكن عند درجات أعلى, هناك إمكانية لتوليد إلكترون-فجوة لكن العائق رفيع والبعد كبير, وبالتالي سيكون الثمن مكلفا والعمل مضني وبذلك يكون التطبيق غير مجد.
مناهل
[١] تصوير تفاعلي جافا يبين تأثير الحرارة أولا ومستوى فيرمي ثانيا على إلكترونات التوصيل
انظر أيضا
ca:Energia de Fermi de:Fermi-Verteilung es:Energía de Fermi fa:تراز فرمی fi:Fermienergia fr:Niveau de Fermi it:Energia di Fermi ja:フェルミエネルギー ko:페르미준위 nl:Fermi-niveau pl:Poziom Fermiego pt:Energia de Fermi ru:Энергия Ферми sv:Fermienergi uk:Енергія Фермі vi:Mức Fermi zh:费米能
