La funzione di Fermi-Dirac è rappresentata da una curva a forma di S che indica la probabilità che uno stato energetico sia occupato da un elettrone ad una data temperatura. Il livello di Fermi è il livello energetico al quale c'è una probabilità del 50% di trovare un elettrone, ed è posizionato tra la banda di valenza a energia più bassa e la banda di conduzione ad energia più alta.

Alla temperatura dello zero assoluto, gli elettroni riempiono tutti gli stati energetici fino al livello di Fermi, lasciando vuoti gli stati superiori. All’aumentare della temperatura, l’energia degli elettroni aumenta ed essi diventano capaci di occupare gli stati vacanti al di sopra del livello di Fermi.

Nei semiconduttori intrinseci, dove la concentrazione di elettroni e lacune è uguale, il livello di Fermi è situato al centro della banda. Ciò viene modificato quando vengono aggiunte impurità per creare semiconduttori di tipo n o di tipo p. Nei semiconduttori di tipo n, i quali presentano un eccesso di elettroni, il livello di Fermi si avvicina alla banda di conduzione. Al contrario, nei semiconduttori di tipo p, dove c’è una maggiore concentrazione di lacune, il livello di Fermi si avvicina alla banda di valenza.

L’aumento della temperatura porta un numero maggiore di elettroni a compiere il salto dalla banda di valenza a quella di conduzione, spingendo nel processo il livello di Fermi verso la banda di conduzione. Questo spostamento influisce sulla conduttività del semiconduttore.

Quando materiali con diversi livelli di Fermi entrano in contatto, gli elettroni fluiscono dalla regione con livelli di Fermi più alti a quella inferiore. Il movimento degli elettroni allinea i livelli di Fermi alla giunzione, stabilendo un equilibrio. Questo concetto gioca un ruolo cruciale nel funzionamento di numerosi componenti elettronici, consentendo la regolazione della conduttività elettrica e delle prestazioni dei dispositivi elettronici.