费米-狄拉克分布函数、解析、图像和应用
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各能级被电子占据的数目服从特定的统计规律这个规律就是费米-狄拉克分布规律。 一般而言,电子占据各个能级的几率是不等的。占据低能级的电子多而占据高能级的电子少。统计物理学指出,电子占据能级的几率遵循费米的统计规律:在热平衡...状态下,能量为E 的能级被一个电子占据的几率为:
f(E) 称为电子的费米(费米-狄拉克)分布函数,k 、T 分别为波耳兹曼常数和绝对温度。E fermi 称为费米能级,它与物质的特性有关。
只要知道了费米能级E fermi 的数值,在一定温度下,电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。
费米分布函数的一些特性: 【根据f(E)公式来理解】
第一, 费米能级E fermi 是一种用来描述电子的能级填充水平的假想能级....
, E f 越大,表示处于高能级的电子越多;
E f 越小,则表示高能级的电子越少。(E f 反映了整体平均水平)
第二,假定费米能级E f 为已知,则f(E)
根据f(E)式可画出 f(E) 的曲线如图所示,但要注意 因变量f(E)不像普通习惯画在纵轴,而是破天荒的画在横轴。
0 1/2 1 E
费米分布函数变化曲线T 3 >T 2 >T 1 >T 0
第三,费米能级E f在能级图中的位置与材料掺杂情况有关。对于本征半导体,E f处于禁带E g的中央,在绝对零度时,在导带E c中E>E f,f(E)=0;在价带E v中E<E f,f(E)= =1,表明电子全部处于价带E v之中,因而此时半导体是完全不导电的。
第四,在T=0K处于绝对零度的前提下,若E<E f,exp→0,则f(E)=1;当T=0K时,若E>E f,则f(E)=0。可见,在绝对零度时,能量比E f小的能级被电子占据的几率是100%,而能量比E f大的能级被电子占据的几率为零。即所有低于E f的能级都被占满,而所有高于E f的能级都空着。因而费米能级E f是在绝对零度时电子所具有的最大能量,是能级在绝对零度时能否被占据的一个界限,因而它是一个很重要的参数。
第五,在T≠0K时即不处于绝对零度的前提下,若E-E f>5kT,则f(E)<0.007;在T≠0K前提下,若E-E f<-5kT,则f(E)>0.993。(k、T 分别为波耳兹曼常数和绝对温度) 可见,温度T高于绝对零度的前提下,能量比E f高5kT的能态被电子占据的几率只有0.7%,几率很小,能级几乎是空的;而能级比E f低5kT的能态被电子占据的几率是99.3%,几率很大,该能级范围几乎总有电子。一般可以认为,在T不为绝对零度但也不很高时,能量小于E f的能态基本上为电子所占据,能量大于E f的能态基本上没有被电子占据;而电子占据费米能级E f这个能级的概率是(不论任何温度下)都是1/2。所以费米能级E f的位置,比较直观地标志了电子占据能态的情况,或者说E f标志了电子填充能级的水平,费米能级E f高说明在较高的能态上有电子(反映整体平均水平)。