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2012年7月25日 (水)

フェルミ準位のはなし

フェルミ準位とは
Ferumi[Fermi level]で、エンリコ・フェルミ氏が原子のエネルギーについて電子の数によって飛び飛びの値を持つことから、P型やN型の半導体のエネルギー(電圧)が飛びとびになっていて、ある一定以上を超えないと電流が流れないことの説明に使われます。 右図の半導体で説明すると、いちばん左の(I)真性半導体は電子も正孔(電子の抜けている部分)も同じように存在し、フェルミレベルは中間(fI)です。中央の P型半導体は 正孔の量が多いため、フェルミレベル(fP)は下がっています。電子の比較なので、電子の荷電するマイナスの方向が上のレベルになるので、レベルは低く表現されます。右のN型半導体は電子が多いのでフェルミレベル(fN)は高くなっています。
ダイオードは
 P型とN型が接合されたものがダイオードですが、なにも電圧をかけない(あるいは極めて低い電圧)の時はフェルミレベルがほとんど一緒なので、電子のある領域ではN型からP型の方に電子が流れて行くことが出来ません。ここで、電圧をかけると、P型にプラスをかけるとフェルミ準位が下がり、ダイオードの順方向電圧 Vfを超えるあたりで、電子がN型からP型の方に流れ、正孔もP型からN型の方に移動できるようになって、電流が流れ出します。
 通常のP-N接合では温度が上がるとこの Vf が小さくなります。それは電子が熱で運動しやすくなりフェルミ準位の坂を越えやすくなるためで、逆に温度が下がると電子の運動が弱くなり、より高い電圧を必要とします。これは金属などはフェルミ準位が一定の条件で電子が移動するので、温度で抵抗値が変わらない(超伝導は別ですが)ことと区別して考えてください。
 次回はトランジスターのフェルミ準位の動きについて考えてみます。

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