物理学解体新書


フェルミ準位

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フェルミ準位とは

電子は熱や光などのエネルギーを受けると、高いエネルギー準位へとジャンプする。
ジャンプはランダムだが、低めのエネルギー準位ほどジャンプしやすく、より高い高いエネルギー準位へのジャンプの頻度は少ない。



このため、高いエネルギー準位ほど電子がいる確率は小さく、反対に低いエネルギー準位では電子がいる確率は大きい。
つまり、エネルギー準位が高い所から低い所へ向かって、電子がいる確率は0%から100%へ変化していくことになる。

フェルミ準位
フェルミ準位のイメージ
※実際のエネルギー準位とは異なります。



このことは、中央付近に電子のいる確率が50%になる場所があることを示している。
電子のいる確率が50%になる場所をフェルミ準位という。



真性半導体のフェルミ準位

真性半導体の充満帯には、電子がギチギチに詰まっている。
ここのでの電子の存在確率は100%だ。



しかし、その上の荷電子帯には電子はない。
ここでは、電子の存在確率は0%ということになる。

フェルミ準位
半導体のフェルミ準位のイメージ
※実際のエネルギー準位とは異なります。


バンドギャップを挟んで100%と0%が向かい合っているので、バンドギャップの中央が50%ということになる。
真性半導体のフェルミ準位は、バンドギャップの中央にあるのである。



温度が高くなると充満帯から電子が荷電子帯にジャンプするので、充満帯には正孔が生成される。

この結果、荷電子帯に電子の存在する確率は上昇するが、充満帯に電子の存在する確率は現象する。
しかし、充満帯で減った電子の数と荷電子帯で増えた電子の数は同じだ。
このため、バンドギャップの中央での電子が存在する確率は50%のままだ。



真性半導体のフェルミ準位は、温度によらずバンドギャップの中央にあるのだ。

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2010/02/28
2010/03/07



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