طاقة فيرمي: الفرق بين النسختين

'''طاقة فيرمي''' أو '''مستوى فيرمي ''' في [[فيزياء الجوامد]] و[[فيزياء المواد المكثفة]] تمثل أعلى مستوى [[طاقة]] يشغلها [[إلكترون]] عند درجة [[صفر مطلق|الصفر المطلق]] .<ref>{{مرجع كتاب | الأخير = Ashcroft | الأول = Neil W. | الأخير2 = Mermin | الأول2 = N. David | عنوان = Solid State Physics | ناشر = [[هنري هولت وشركاه]] | سنة = 1976 | isbn = 0-03-083993-9 }}</ref><ref>{{مرجع ويب|عنوان=Introduction to Quantum Statistical Thermodyamics |مسار=http://www.physics.usu.edu/torre/3700_Spring_2013/Lectures/08.pdf |ناشر=Utah State University Physics |تاريخ الوصول=23 April 2014 | وصلة مكسورة = yes }}</ref><ref>[https://books.google.com/books?id=n0rf9_2ckeYC&pg=PA49 ''Electronics (fundamentals And Applications)'']by D. Chattopadhyay, [https://books.google.com/books?id=lmg13dHPKg8C&pg=PA113 ''Semiconductor Physics and Applications''] by Balkanski and Wallis. {{Webarchive|url=httphttps://web.archive.org/web/20131231215256/http://books.google.com/books?id=n0rf9_2ckeYC&pg=PA49 |date=31 ديسمبر 2013}}</ref> فعند درجة حرارة صفر [[كلفن]] ([[صفر مطلق|الصفر المطلق]]) لا تكتسب الإلكترونات أي طاقة حرارية تساعدها على التحرك . وتبدأ بملء مستويات الطاقة الأدنى في "تجمعات الذرات " أولا ثم الأعلى ، فالأعلى ، مشكلة بحرا من الإلكترونات يدعى [[بحر فيرمي]]. يمثل سطح هذا البحر " طاقة فيرمي " . '''عند ارتفاع [[درجة حرارة|درجة الحرارة]] فوق الصفر لا تتزحزح طاقة فيرمي عن مكانها على الإطلاق ''' لأنها حد معين مميز للمادة، ولكن الإلكترونات التي تكتسب طاقة تتعدى هذا الحد ، فهي تتوزع فوقه طبقا [[توزيع بولتزمان |لتوزيع بولتزمان]] وتصبح حرة يمكنها الحركة والتوصيل .

لطاقة فيرمي أهمية كبرى في تعيين [[موصلية (توضيح)|موصلية]] المادة لل[[كهرباء]] لإنها مسؤولة مباشرا عن تعيين عدد الإلكترونات التي تصعد لنطاق التوصيل ولذلك تكتسب أهمية أكبر في [[شبه موصل |أشباه الموصلات]]. فحسب [[إحصاء فيرمي ديراك|إحصاء فيرمي-ديراك]] يكون احتمال وجود [[إلكترون]] عند مستوى طاقة فيرمي هي 50 % , و كذلك احتمال وجود [[ثغرة إلكترونية|ثغرة]] عند نفس مستوى طاقة فيرمي هي أيضا 50 % , مما يعني تواجد [[حامل شحنةالشحنة|حوامل شحنة]] - من النوعين - عند مستوى فيرمي.

* في [[موصل كهربائي|الموصلات]] يمتزج نطاقا التكافؤ و التوصيل , ويقع مستوى فيرمي في منطقة التمازج . عند [[صفر مطلق|الصفر المطلق]] ستكون جميع الإلكترونات أسفل طاقة فيرمي ، ورغم ذلك فبعضها يكون في نطاق التوصيل , مما يجعلها توصل الكهرباء عند الصفر المطلق . وغني عن الذكر أنها ستوصل الكهرباء عند درجات حرارة أعلى من ذلك.

* في [[شبه موصل|أشباه الموصلات]] غير [[تشويب إشابة|المشوبة]] يقع مستوى فيرمي في المنتصف بين نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل , ولا توجد إلكترونات في نطاق التوصيل عند [[صفر مطلق|الصفر المطلق]] . لكن عند ارتفاع [[درجة حرارة|درجة الحرارة]] تصعد بعض الإلكترونات إلى نطاق التوصيل وتخلي أماكنها في "نطاق التكافؤ " مخلفة [[ثغرة إلكترونية|ثغرات]] ، ويزداد عدد الإلكترونات - التي تترك ثغرات بارتفاع درجة الحرارة . وهناك تصرفان للإلكترون في هذه الحالة :

* عند إمداد الإلكترونات بطاقة في أشباه الموصلات ، إما بواسطة رفع [[درجة حرارة|درجة الحرارة]] أو بتسليط [[فوتون|فوتونات]] ذات طاقة أكبر من [[فجوة الطاقة]] . تلك خيارات غير مقبولة في أغلب التطبيقات بسبب استهلاك كثير من الطاقة الحرارية او الطاقة الإشعاعية ،

* زحزحة مستوى فيرمي صعودا أو نزولا لترجيح كفة إما الإلكترونات أو الثغرات . هذه الزحزحة لا تتم برفع الحرارة وإنما تتم عن طريق [[إشابة|التشويب]] (إضافة مادة أخرى مناسبة) . وكلما زاد التشويب يتزحزح المستوى عن مكانه بدرجة أكبر. يتيح التشويب المناسب تغيير مستوى فيرمي إلى القدر المرغوب .

* في [[عازل كهربائي|العوازل]] ، لا وجود "لإلكترونات توصيل" عند الصفر المطلق . ولكن تتوجد إلكترونات توصيل عند درجات حرارة عالية . ويصبح إحتمال [[توليد إلكترون-فجوة]] ممكنا ، ولكن البُعد بين الطبقات يكون كبيرا في العوازل . بالتالي سنحتاج إلى قدر كبير من استهلاك الطاقة ويكون الثمن مكلفا.

[http://jas.eng.buffalo.edu/education/semicon/fermi/levelAndDOS/index.html] تصوير تفاعلي [[جافا (لغة برمجة)|جافا]] يبين تأثير الحرارة أولا ومستوى فيرمي ثانيا على إلكترونات التوصيل