Двумерный электронный газ

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Двумерный электронный газ в MOSFET формируется при приложении напряжения на затвор.
Зонная диаграмма простого HEMT.

Двумерный электронный газ (ДЭГ) — электронный газ, в котором частицы могут двигаться свободно только в двух направлениях, а в третьем они помещены в энергетическую потенциальную яму. Ограничивающий движение электронов потенциал может быть создан электрическим полем, например, с помощью затвора в полевом транзисторе или встроенным электрическим полем в области гетероперехода между различными полупроводниками. Если число заполненных энергетических подзон в ДЭГ превышает одну, то говорят о квазидвумерном электронном газе.

По аналогии с ДЭГ можно говорить и о двумерном дырочном газе.

Характеристики[править | править код]

Плотность состояний ДЭГ не зависит от энергии и равняется

где и  — спиновое и долинное вырождение соответственно. Для арсенида галлия GaAs, который является однодолинным полупроводником, вырождение остаётся только по спину и плотность состояний запишется в виде

Важнейшая характеристика ДЭГ — подвижность электронов. Для увеличения подвижности в гетероструктуре с ДЭГ используют нелегированную прослойку материала, называемую спейсером, чтобы разнести пространственно ионизованные примеси и ДЭГ. Именно эта характеристика является определяющей при изучении дробного квантового эффекта Холла. Дробный квантовый эффект Холла наблюдался впервые на образце с подвижностью 90 000 см2/Вс[1].

Рекордная подвижность электронов[править | править код]

Есть несколько причин для уменьшения подвижности ДЭГ. Среди них можно выделить фононы, примеси, шероховатость границ. Если с фононами и шероховатостью границ борются с помощью понижения температуры и вариаций параметров роста, то примеси и дефекты выступают основным источником рассеяния в ДЭГ. Для рекордной подвижности ДЭГ выращенные геретоструктуры должны иметь очень малое количество рассеивающих центров или дефектов. Это достигается использованием источников материала и вакуума рекордной чистоты. В квантовой яме с ДЭГ отсутствуют легирующие примеси и электроны поставляются из модулированно легированных пространственно разделённых слоёв с увеличенной эффективной массой. В 2009 году подвижность достигла значения 35106cm2V-1s-1 при концентрации 31011cm-2[2]. В 2020 году однако рекордная подвижность была улучшена благодаря созданию ещё более чистых материалов (Ga и Al) для МЛЭ и достигла значения 44106cm2V-1s-1 при концентрации 21011cm-2. Для роста применялись очищенные источники и несколько крионасосов для дополнительной очистки остаточных газов в вакуумной камере, что позволило достичь более низкого давления чем 210-12Торр[3].

Максимальная плотность состояний[править | править код]

Поскольку в большинстве первоисточников плотность состояний используется чисто формально, имеет смысл сделать практическую оценку для двухмерной системы. Пренебрегая эффектами вырождения, оценим максимальную плотность состояний 2D-системы:

Это выражение можно переписать, используя понятия боровского радиуса ()и боровского масштаба энергий ():

где комптоновская длина волны электрона, постоянная тонкой структуры, а — скорость света. Подставляя эти значения в формулу (3), находим максимальную плотность состояний:

где — боровский квант плоскости, а — боровская плотность состояний. Таким образом, максимальная плотность состояний двумерного электронного газа совпадает с боровским масштабом.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. D. C. Tsui, H. L. Stormer, and A. C. Gossard. Двумерный магнитотранспорт в экстремальном квантовом пределе // Phys. Rev. Lett.. — 1982. — Т. 48. — С. 1559. — doi:10.1103/PhysRevLett.48.1559.
  2. V. Umanskya, M. Heiblum, Y. Levinson, J. Smet, J. Nübler, M. Dolev. МЛЭ рост ДЭГ с ультра низким беспорядком с подвожностью превышающей 35×106 см2/В сек // J. Cryst. Growth. — 2009. — Т. 311. — С. 1658—1661. — doi:10.1016/j.jcrysgro.2008.09.151.
  3. Yoon Jang Chung, K. A. Villegas-Rosales, K. W. Baldwin, P. T. Madathil, K. W. West, M. Shayegan, and L. N. Pfeiffer. Двумерные электронные системы с рекордными свойствами. — С. —. — arXiv:2010.02283.