Tvådimensionell elektrongas

Ej att förväxla med 2grader .

En tvådimensionell elektrongas ( 2DEG ) är en vetenskaplig modell inom fasta tillståndets fysik . Det är en elektrongas som är fri att röra sig i två dimensioner, men tätt instängd i den tredje. Denna snäva inneslutning leder till kvantiserade energinivåer för rörelse i den tredje riktningen, som sedan kan ignoreras för de flesta problem. Således verkar elektronerna vara ett 2D-ark inbäddat i en 3D-värld. Den analoga konstruktionen av hål kallas en tvådimensionell hålgas (2DHG), och sådana system har många användbara och intressanta egenskaper.

Insikter

I MOSFET:er är 2DEG endast närvarande när transistorn är i inversionsläge och finns direkt under gateoxiden.

Bandkantdiagram av en grundläggande HEMT. Ledningsbandskanten E _C och Ferminivån EF _. bestämmer elektrondensiteten i 2DEG Kvantiserade nivåer bildas i den triangulära brunnen (gula regionen) och optimalt sett ligger bara en av dem under EF _.

Heterostruktur motsvarande bandkantdiagrammet ovan.

De flesta 2DEGs finns i transistorliknande strukturer gjorda av halvledare . Den vanligaste påträffade 2DEG är lagret av elektroner som finns i MOSFETs (metall-oxid-halvledarfälteffekttransistorer ) . När transistorn är i inversionsläge är elektronerna under gateoxiden begränsade till gränssnittet mellan halvledare och oxid och upptar sålunda väldefinierade energinivåer. För brunnar med tillräckligt tunna potential och temperaturer som inte är för höga är endast den lägsta nivån upptagen (se bildtexten), och därför kan elektronernas rörelse vinkelrätt mot gränsytan ignoreras. Elektronen är dock fri att röra sig parallellt med gränssnittet, och så är den kvasi-tvådimensionell.

Andra metoder för att konstruera 2DEG är transistorer med hög elektronmobilitet (HEMT) och rektangulära kvantbrunnar . HEMTs är fälteffekttransistorer som använder heteroövergången mellan två halvledande material för att begränsa elektroner till en triangulär kvantbrunn . Elektroner som är begränsade till heterojunction av HEMTs uppvisar högre rörlighet än de i MOSFETs, eftersom den förstnämnda enheten använder en avsiktligt odopad kanal och därigenom mildrar den skadliga effekten av spridning av joniserade föroreningar . Två tätt åtskilda heteroövergångsgränssnitt kan användas för att begränsa elektroner till en rektangulär kvantbrunn. Noggrant val av material och legeringskompositioner tillåter kontroll av bärartätheten inom 2DEG.

Elektroner kan också vara begränsade till ytan av ett material. Till exempel kommer fria elektroner att flyta på ytan av flytande helium och är fria att röra sig längs ytan, men fastnar på heliumet; några av de tidigaste arbetena i 2DEGs gjordes med detta system. Förutom flytande helium finns det även fasta isolatorer (såsom topologiska isolatorer ) som stödjer elektroniska tillstånd på ledande yta.

Nyligen har atomärt tunna fasta material utvecklats ( grafen , såväl som metalldikalkogenid som molybdendisulfid ) där elektronerna är begränsade till en extrem grad. Det tvådimensionella elektronsystemet i grafen kan ställas in till antingen en 2DEG eller 2DHG (2-D hålgas) genom gating eller kemisk dopning . Detta har varit ett ämne för aktuell forskning på grund av de mångsidiga (några befintliga men mestadels planerade) tillämpningarna av grafen.

En separat klass av heterostrukturer som kan vara värd för 2DEG är oxider. Även om båda sidor av heterostrukturen är isolatorer, kan 2DEG vid gränssnittet uppstå även utan dopning (vilket är det vanliga tillvägagångssättet i halvledare). Typiskt exempel är en ZnO/ZnMgO-heterostruktur. Fler exempel kan hittas i en nyligen genomförd granskning inklusive en anmärkningsvärd upptäckt från 2004, en 2DEG vid LaAlO ₃ /SrTiO ₃ -gränssnittet som blir supraledande vid låga temperaturer. Ursprunget till denna 2DEG är fortfarande okänt, men det kan likna moduleringsdopning i halvledare, med elektriska fält-inducerade syrevakanser som fungerar som dopningsämnen.

Experiment

Betydande forskning som involverar 2DEG och 2DHG har gjorts, och mycket fortsätter än i dag. 2DEG erbjuder ett moget system av elektroner med extremt hög rörlighet , speciellt vid låga temperaturer. Vid kylning till 4 K kan 2DEG ha rörlighet $\mu$ i storleksordningen 1 000 000 cm ² /Vs och lägre temperaturer kan leda till ytterligare ökning av $\mu$ fortfarande. Speciellt odlade, toppmoderna heterostrukturer med rörlighet runt 30 000 000 cm ² /(V·s) har tillverkats. Dessa enorma rörligheter erbjuder en testbädd för att utforska fundamental fysik, eftersom förutom inneslutning och effektiv massa , interagerar elektronerna inte med halvledaren särskilt ofta, ibland färdas de flera mikrometer innan de kolliderar; denna så kallade medelfria väg $\ell$ kan uppskattas i parabolbandets approximation som

$\ell =v_{\rm {F} }\tau ={\sqrt {2\pi n}}{\frac {\hbar \mu }{e}}\approx 5.2\ \mu \mathrm {m} \times \mu \ [10^{6}\ \mathrm {cm^{2}/Vs} ]{\sqrt {n\ [10^{11}\ \mathrm {cm^{-2}} ]}}$

där $n$ är elektrondensiteten i 2DEG. Observera att $\mu$ vanligtvis beror på $n$ . Rörligheten för 2DHG-system är mindre än för de flesta 2DEG-system, delvis på grund av större effektiva massor av hål (få 1000 cm 2 /( ^V ·s) kan redan anses vara hög rörlighet).

Förutom att vara i praktiskt taget alla halvledarenheter som används idag, ger tvådimensionella system tillgång till intressant fysik. Kvant Hall-effekten observerades först i en 2DEG, vilket ledde till två Nobelpriser i fysik , av Klaus von Klitzing 1985, och av Robert B. Laughlin , Horst L. Störmer och Daniel C. Tsui 1998. Spektrum av en lateral modulerad 2DEG (ett tvådimensionellt supergitter ) föremål för magnetfält B kan representeras som Hofstadters fjäril , en fraktal struktur i energi vs B -diagrammet, vars signaturer observerades i transportexperiment. Många fler intressanta fenomen som hänför sig till 2DEG har studerats. [A]

Fotnoter

• A. Exempel på mer 2DEG-fysik. Full kontroll över 2DEG- spinnpolarisationen demonstrerades nyligen. Möjligen kan detta vara relevant för kvantinformationsteknologi . Wigner kristallisation i magnetfält. Mikrovågsinducerade magnetoresistansoscillationer upptäckta av RG Mani et al. Möjlig förekomst av icke-abelska kvasipartiklar i fraktionerad kvant Hall-effekt vid fyllningsfaktor 5/2.

Vidare läsning

•   Weisbuch, C.; Vinter, B. (1991). Quantum Semiconductor Structures: Fundamentals and Applications . Akademisk press . ISBN 0-12-742680-9 .
•   Davies, JH (1997). Fysiken hos lågdimensionella halvledare: en introduktion . Cambridge University Press . ISBN 0-521-48148-1 .