Dwuwymiarowy gaz elektronowy

Dwuwymiarowy gaz elektronowy ( 2DEG ) to model naukowy w fizyce ciała stałego . Jest to gaz elektronowy , który może swobodnie poruszać się w dwóch wymiarach, ale jest mocno ograniczony w trzecim. To ścisłe ograniczenie prowadzi do skwantowanych poziomów energii dla ruchu w trzecim kierunku, które można następnie zignorować w przypadku większości problemów. W ten sposób elektrony wydają się być arkuszem 2D osadzonym w świecie 3D. Analogiczna konstrukcja dziur nazywana jest dwuwymiarowym gazem dziurowym (2DHG) i takie układy mają wiele przydatnych i interesujących właściwości.

Realizacje

W tranzystorach MOSFET 2DEG występuje tylko wtedy, gdy tranzystor jest w trybie inwersji i znajduje się bezpośrednio pod tlenkiem bramki.

Schemat krawędzi pasma podstawowego HEMT. Krawędź pasma przewodnictwa

E C

i

EF poziom

Fermiego określają gęstość elektronową w 2DEG. Skwantowane poziomy tworzą się w trójkątnej studzience (żółty obszar) i optymalnie tylko jeden z nich leży

poniżej EF

.

Heterostruktura odpowiadająca powyższemu schematowi krawędzi pasma.

Większość 2DEG znajduje się w strukturach podobnych do tranzystorów wykonanych z półprzewodników . Najczęściej spotykanym 2DEG jest warstwa elektronów znajdująca się w MOSFET ( tranzystory polowe metal-tlenek-półprzewodnik ). Kiedy tranzystor jest w trybie inwersyjnym , elektrony pod tlenkiem bramki są ograniczone do interfejsu półprzewodnik-tlenek, a tym samym zajmują dobrze określone poziomy energii. Dla wystarczająco cienkich studzienek potencjału i niezbyt wysokich temperatur, zajęty jest tylko najniższy poziom (patrz podpis rysunku), więc ruch elektronów prostopadły do interfejsu można zignorować. Jednak elektron może swobodnie poruszać się równolegle do interfejsu, a więc jest quasi-dwuwymiarowy.

Inne metody inżynierii 2DEG to tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT) i prostokątne studnie kwantowe . HEMT to tranzystory polowe , które wykorzystują heterozłącze między dwoma materiałami półprzewodnikowymi w celu ograniczenia elektronów do trójkątnej studni kwantowej . Elektrony ograniczone do heterozłącza HEMT wykazują większą mobilność niż te w tranzystorach MOSFET, ponieważ poprzednie urządzenie wykorzystuje celowo niedomieszkowany kanał , łagodząc w ten sposób szkodliwy efekt rozpraszania zjonizowanych zanieczyszczeń . Dwa blisko rozmieszczone interfejsy heterozłączowe mogą być użyte do ograniczenia elektronów do prostokątnej studni kwantowej. Staranny dobór materiałów i składu stopów pozwala na kontrolę gęstości nośników w zakresie 2DEG.

Elektrony mogą być również ograniczone do powierzchni materiału. Na przykład swobodne elektrony będą unosić się na powierzchni ciekłego helu i mogą swobodnie poruszać się po powierzchni, ale przyklejają się do helu; niektóre z najwcześniejszych prac w 2DEG zostały wykonane przy użyciu tego systemu. Oprócz ciekłego helu istnieją również izolatory stałe (takie jak izolatory topologiczne ), które obsługują przewodzące stany elektronowe powierzchni.

Ostatnio opracowano atomowo cienkie materiały stałe ( grafen , a także dichalkogenek metalu, taki jak dwusiarczek molibdenu ), w których elektrony są ograniczone w ekstremalnym stopniu. Dwuwymiarowy układ elektronów w grafenie można dostroić do 2DEG lub 2DHG (gaz dziurowy 2-D) za pomocą bramkowania lub domieszkowania chemicznego . Był to temat aktualnych badań ze względu na wszechstronne (niektóre istniejące, ale w większości przewidywane) zastosowania grafenu.

Oddzielną klasą heterostruktur, które mogą zawierać 2DEG, są tlenki. Chociaż obie strony heterostruktury są izolatorami, 2DEG na granicy faz może powstać nawet bez domieszkowania (co jest typowym podejściem w półprzewodnikach). Typowym przykładem jest heterostruktura ZnO/ZnMgO. Więcej przykładów można znaleźć w niedawnym przeglądzie, w tym godnym uwagi odkryciu z 2004 r., 2DEG na LaAlO ₃ /SrTiO ₃ , który staje się nadprzewodnikiem w niskich temperaturach. Pochodzenie tego 2DEG jest nadal nieznane, ale może być podobne do domieszkowania modulacyjnego w półprzewodnikach, gdzie luki tlenowe indukowane polem elektrycznym działają jako domieszki.

Eksperymenty

Przeprowadzono znaczące badania z udziałem 2DEG i 2DHG i wiele z nich trwa do dziś. 2DEG oferują dojrzały system elektronów o ekstremalnie wysokiej ruchliwości , zwłaszcza w niskich temperaturach. Po schłodzeniu do 4 K, 2DEG mogą wykazywać ruchliwość rzędu 1 000 000 cm $Vs, a niższe temperatury mogą prowadzić do dalszego wzrostu$ ^/ jeszcze o ${\ displaystyle \ mu} .$ Specjalnie wyhodowane, najnowocześniejsze heterostruktury o ruchliwości około 30 000 000 cm ² /(V·s) zostały wykonane. Te ogromne ruchliwości stanowią poligon doświadczalny do badania podstaw fizyki, ponieważ poza ograniczeniem i masą efektywną elektrony nie wchodzą w interakcje z półprzewodnikiem zbyt często, czasami pokonując kilka mikrometrów przed zderzeniem; tę tak zwaną średnią swobodną ścieżkę można oszacować w przybliżeniu pasma parabolicznego jako ${\ displaystyle \ ell}$

{\ Displaystyle \ ell = v_ {\ rm {F} }\tau ={\sqrt {2\pi n}}{\frac {\hbar \mu }{e}}\około 5,2\ \mu \mathrm {m} \times \mu \ [10^{6}\ \mathrm {cm^{2}/Vs} ]{\sqrt {n\ [10^{11}\ \mathrm {cm^{-2}} ]}}}

gdzie $.$ gęstością elektronów w 2DEG Zauważ, że zazwyczaj zależy od $displaystyle n}$ $\ mu}$ . Ruchliwości systemów 2DHG są mniejsze niż większości systemów 2DEG, częściowo z powodu większych efektywnych mas dziur (kilka 1000 cm ² /(V·s) można już uznać za wysoką mobilność).

Systemy dwuwymiarowe, oprócz tego, że znajdują się w praktycznie każdym używanym obecnie urządzeniu półprzewodnikowym, umożliwiają dostęp do interesującej fizyki. Kwantowy efekt Halla został po raz pierwszy zaobserwowany w 2DEG, co doprowadziło do dwóch Nagród Nobla w dziedzinie fizyki , Klausa von Klitzinga w 1985 roku oraz Roberta B. Laughlina , Horsta L. Störmera i Daniela C. Tsui w 1998 roku. modulowany 2DEG (dwuwymiarowa supersieć ) poddany działaniu pola magnetycznego B można przedstawić jako Motyl Hofstadtera , struktura fraktalna na wykresie energia vs B , której sygnatury zaobserwowano w eksperymentach transportowych. Zbadano wiele bardziej interesujących zjawisk związanych z 2DEG. [A]

przypisy

A. Przykłady bardziej 2DEG fizyki. Niedawno wykazano pełną kontrolę nad polaryzacją spinu 2DEG . Być może może to mieć znaczenie dla kwantowej technologii informacyjnej . Krystalizacja Wignera w polu magnetycznym. Wywołane mikrofalami oscylacje magnetooporu odkryte przez RG Mani i in. Możliwe istnienie nieabelowych kwazicząstek w ułamkowym kwantowym efekcie Halla przy współczynniku wypełnienia 5/2.

Dalsza lektura

Weisbuch, C.; Vinter, B. (1991). Kwantowe struktury półprzewodnikowe: podstawy i zastosowania . Prasa akademicka . ISBN 0-12-742680-9 .
Davies, JH (1997). Fizyka niskowymiarowych półprzewodników: wprowadzenie . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge . ISBN 0-521-48148-1 .