WikiDer > Двумерный электронный газ

А двумерный электронный газ (2DEG) это научная модель в физика твердого тела. Это электронный газ который может свободно перемещаться в двух измерениях, но плотно ограничен в третьем. Это жесткое ограничение приводит к квантованной уровни энергии для движения в третьем направлении, которое затем можно игнорировать для большинства задач. Таким образом, электроны кажутся двумерным листом, встроенным в трехмерный мир. Аналогичная конструкция дыры называется двумерным дырочным газом (2DHG), и такие системы обладают множеством полезных и интересных свойств.

Реализации

В полевых МОП-транзисторах 2DEG присутствует только тогда, когда транзистор находится в режиме инверсии, и находится непосредственно под оксидом затвора.

Диаграмма края ленты базового HEMT. Край зоны проводимости E_C и Уровень Ферми E_F определить концентрацию электронов в ДЭГ. Квантованные уровни образуются в треугольной лунке (желтая область) и оптимально только один из них находится ниже E_F.

Гетероструктура, соответствующая диаграмме краев зоны выше.

Большинство 2DEG находятся в транзистор-подобные конструкции из полупроводники. Наиболее часто встречающийся 2DEG - это слой электронов, обнаруженный в МОП-транзисторы (металл-оксид-полупроводник полевые транзисторы). Когда транзистор в режим инверсии, электроны под оксид ворот ограничены границей раздела полупроводник-оксид и, таким образом, занимают четко определенные уровни энергии. Для достаточно тонких потенциальных ям и не слишком высоких температур допустим только самый низкий уровень. занят (см. подпись к рисунку), поэтому движением электронов перпендикулярно границе раздела можно пренебречь. Однако электрон может свободно двигаться параллельно границе раздела, поэтому он квазидвумерен.

Другие методы проектирования 2DEG: транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMTs) и прямоугольные квантовые ямы. HEMT полевые транзисторы которые используют гетеропереход между двумя полупроводниковыми материалами, чтобы ограничить электроны треугольником квантовая яма. Электроны, ограниченные гетеропереходом HEMT, демонстрируют более высокую подвижность чем в полевых МОП-транзисторах, поскольку первое устройство намеренно использует нелегированный канал тем самым уменьшая вредное воздействие рассеяние на ионизованной примеси. Два близко расположенных интерфейса гетероперехода могут быть использованы для удержания электронов в прямоугольной квантовой яме. Тщательный выбор материалов и составов сплавов позволяет контролировать плотность носителей в 2DEG.

Электроны также могут удерживаться на поверхности материала. Например, свободные электроны будут плавать на поверхности жидкий гелий, и могут свободно перемещаться по поверхности, но прилипать к гелию; некоторые из самых ранних работ в 2DEG были выполнены с использованием этой системы.^[1] Помимо жидкого гелия, существуют также твердые изоляторы (например, топологические изоляторы), которые поддерживают электронные состояния проводящей поверхности.

Недавно были разработаны атомарно тонкие твердые материалы (графен, а также дихалькогениды металлов, такие как дисульфид молибдена), где электроны удерживаются в крайней степени. Двумерная электронная система в графен может быть настроен на 2DEG или 2DHG (двумерный газ для скважин) с помощью ворота или химический допинг. Это стало темой текущих исследований из-за разнообразных (некоторые из существующих, но в основном предполагаемых) приложений графена.^[2]

Отдельный класс гетероструктур, в которых могут находиться ДЭГ, - оксиды. Хотя обе стороны гетероструктуры являются изоляторами, 2DEG на границе раздела может возникать даже без легирования (что является обычным подходом в полупроводниках). Типичным примером является гетероструктура ZnO / ZnMgO.^[3] Больше примеров можно найти в недавнем обзоре^[4] включая примечательное открытие 2004 г., 2DEG на LaAlO₃/ SrTiO₃ интерфейс^[5] который становится сверхпроводящим при низких температурах. Происхождение этого 2DEG до сих пор неизвестно, но может быть похоже на модуляционное допирование в полупроводниках, где кислородные вакансии, индуцированные электрическим полем, действуют как легирующие примеси.

Эксперименты

Были проведены значительные исследования с участием 2DEG и 2DHG, и многие из них продолжаются по сей день. 2DEG предлагают зрелую систему с чрезвычайно высокими мобильность электроны, особенно при низких температурах. При охлаждении до 4 К 2DEG могут иметь подвижность. ${displaystyle mu}$ порядка 1000000 см²/ Vs и более низкие температуры могут привести к дальнейшему увеличению ${displaystyle mu}$ Все еще. Специально выращенный, современный гетероструктуры с подвижностью около 30 000 000 см²/ (В · с).^[6] Эти огромные возможности представляют собой испытательный полигон для изучения фундаментальной физики, поскольку помимо ограничения и эффективная масса, электроны не очень часто взаимодействуют с полупроводником, иногда перемещаясь на несколько микрометры перед столкновением; эта так называемая длина свободного пробега ${displaystyle ell}$ можно оценить в приближении параболической зоны как

${displaystyle ell = v_ {m {F}} au = {sqrt {2pi n}} {frac {hbar mu} {e}} примерно 5,2 мкм mathrm {m} imes mu [10 ^ {6} mathrm {cm ^ { 2} / Vs}] {sqrt {n [10 ^ {11} mathrm {cm ^ {- 2}}]}}}$

куда ${displaystyle n}$ - концентрация электронов в ДЭГ. Обратите внимание, что ${displaystyle mu}$ обычно зависит от ${displaystyle n}$.^[7] Подвижность систем 2DHG меньше, чем у большинства систем 2DEG, отчасти из-за большей эффективной массы дырок (несколько 1000 см²/ (V · s) уже можно считать высокой подвижностью^[8]).

Помимо того, что они присутствуют практически в каждом полупроводниковом устройстве, используемом сегодня, двумерные системы открывают доступ к интересной физике. В квантовый эффект холла впервые был обнаружен в 2DEG,^[9] что привело к двум Нобелевские премии по физике, из Клаус фон Клитцинг в 1985 г.,^[10] и из Роберт Б. Лафлин, Хорст Л. Стёрмер и Дэниел С. Цуй в 1998 г.^[11] Спектр 2DEG с латеральной модуляцией (двумерный сверхрешетка) с учетом магнитного поля B можно представить как Бабочка Хофштадтера, фрактальная структура в энергии vs B сюжет, признаки которого наблюдались в транспортных экспериментах.^[12] Было изучено еще много интересных явлений, относящихся к 2DEG.[A]

Сноски

• A. Примеры более физики 2DEG. Полный контроль над 2DEG спиновая поляризация был недавно продемонстрирован.^[13] Возможно, это могло иметь отношение к квантовая информационная технология. Вигнеровская кристаллизация в магнитном поле. Осцилляции магнитосопротивления, вызванные микроволновым излучением, открытые R. G. Mani et al.^[14] Возможное существование неабелевых квазичастиц в дробном квантовом эффекте Холла при факторе заполнения 5/2.

дальнейшее чтение

• Weisbuch, C .; Винтер, Б. (1991). Квантовые полупроводниковые структуры: основы и приложения. Академическая пресса. ISBN 0-12-742680-9.
• Дэвис, Дж. Х. (1997). Физика низкоразмерных полупроводников: введение. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-48148-1.

Рекомендации