二維電子氣，二維電子氣的二維電子氣的量子特性

來(lái)源：整理時(shí)間：2025-01-16 19:47:45 編輯：智能門戶手機(jī)版

本文目錄一覽

1，二維電子氣的二維電子氣的量子特性
2，什么叫電子空穴氣
3，二維電子氣的基本概念
4，哪位大牛進(jìn)來(lái)科普一下拓?fù)浣^緣體吧
5，單極性和雙極性半導(dǎo)體元件的問(wèn)題
6，什么是金屬電子氣

1，二維電子氣的二維電子氣的量子特性

二維電子氣還具有許多奇特的性質(zhì)。例如，在低溫下利用MOSFET來(lái)測(cè)量溝道中二維電子氣的Hall效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)器件的Hall電導(dǎo)是一系列量子化的數(shù)值（稱為整數(shù)量子Hall效應(yīng)）。又如，在更低溫度下利用HEMT來(lái)測(cè)量異質(zhì)結(jié)溝道中二維電子氣的Hall效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)Hall電導(dǎo)是一系列更為特殊的量子化數(shù)值（稱為分?jǐn)?shù)量子Hall效應(yīng)）。這些量子效應(yīng)都是二維電子氣在低溫下所呈現(xiàn)出來(lái)的一些奇特的性質(zhì)。

二維電子氣的二維電子氣的量子特性

2，什么叫電子空穴氣

?說(shuō)的是二維電子氣么？這是在異質(zhì)結(jié)才會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象，由于形成PN的兩種材料不同，功函數(shù)不會(huì)相同，在交界面出的能帶不會(huì)像同種材料形成的PN結(jié)能帶那樣平滑,而是會(huì)出現(xiàn)尖峰，和能谷。在能谷中的電子（活價(jià)帶中空穴）便被限制在了這個(gè)能谷中，并且運(yùn)動(dòng)方向只能是二維的（圖中只能上下，前后兩個(gè)方向，不能左右），因此叫二維電子氣。在該能谷中，根據(jù)深度的不同會(huì)聚集不同數(shù)量的電子，一般都會(huì)很大的。關(guān)于應(yīng)用舉個(gè)例子吧：HEMT晶體管就是用二維電子氣才實(shí)現(xiàn)的，高速度。因?yàn)槎S電子氣是形成在交界面附近（幾個(gè)納米吧）某一側(cè)的，如果該側(cè)是不參雜的材料，那樣就能避免了半導(dǎo)體中最討厭的雜質(zhì)散射了。電子多，散射少，當(dāng)然速度快咯！

什么叫電子空穴氣

3，二維電子氣的基本概念

2-DEG一般容易在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中獲得。對(duì)于半導(dǎo)體突變異質(zhì)結(jié)，由于導(dǎo)帶底能量突變量ΔEc的存在，則在界面附近出現(xiàn)有“尖峰”和“凹口”；實(shí)際上，對(duì)異質(zhì)結(jié)中導(dǎo)帶電子的作用而言，該“尖峰”也就是電子的勢(shì)壘，“凹口”也就是電子的勢(shì)阱。因此，實(shí)際上“尖峰”中的電場(chǎng)有驅(qū)趕電子的作用，即形成耗盡層；“凹口”中的電場(chǎng)有驅(qū)趕空穴、積累電子的作用，在條件合適時(shí)，即可形成電子積累層（即表面導(dǎo)電溝道）。如果“凹口”勢(shì)阱的深度足夠大，則其中的電子就只能在勢(shì)阱中沿著平面的各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)（即緊貼著異質(zhì)結(jié)界面運(yùn)動(dòng)），即為二維運(yùn)動(dòng)的電子；進(jìn)而，若引入有效質(zhì)量概念，則可認(rèn)為這些電子是經(jīng)典自由電子，從而可把異質(zhì)結(jié)勢(shì)阱中的電子看作為具有一定有效質(zhì)量的所謂“二維電子氣”（2-DEG）。實(shí)際上，其他半導(dǎo)體表面溝道（例如MOSFET的溝道）中的電子也與這些電子一樣，都是二維電子氣。

二維電子氣的基本概念

4，哪位大牛進(jìn)來(lái)科普一下拓?fù)浣^緣體吧

照電子態(tài)結(jié)構(gòu)的不同，傳統(tǒng)意義上的材料被分為“金屬”和“絕緣體”兩大類。而拓?fù)浣^緣體是一種新的量子物質(zhì)態(tài)，完成不同于傳統(tǒng)意義上的“金屬”和“絕緣體”。這種物質(zhì)態(tài)的體電子態(tài)是有能隙的絕緣體，而其表面則是無(wú)能隙的金屬態(tài)。這種無(wú)能隙的表面金屬態(tài)也完全不同于一般意義上的由于表面未飽和鍵或者是表面重構(gòu)導(dǎo)致的表面態(tài)，【拓?fù)浣^緣體的表面金屬態(tài)完全是由材料的體電子態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所決定，是由對(duì)稱性所決定的，與表面的具體結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)】。也正是因?yàn)樵摫砻娼饘賾B(tài)的出現(xiàn)是有對(duì)稱性所決定的，他的存在非常穩(wěn)定，基本不受到雜質(zhì)與無(wú)序的影響。除此之外，【拓?fù)浣^緣體的基本性質(zhì)是由“量子力學(xué)”和“相對(duì)論”共同作用的結(jié)果，由于自旋軌道耦合耦合作用，在表面上會(huì)產(chǎn)生由時(shí)間反演對(duì)稱性保護(hù)的無(wú)能隙的自旋分辨的表面電子態(tài)】。這種表面態(tài)形成一種無(wú)有效質(zhì)量的二維電子氣（與有效質(zhì)量近似下的二維電子氣完全不同：例如廣泛使用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的二維電子氣），它需要用狄拉克方程描述，而不能用薛定諤方程。正是由于這些迷人的重要特征保證了拓?fù)浣^緣體將有可能在未來(lái)的電子技術(shù)發(fā)展中獲得重要的應(yīng)用，有著巨大的應(yīng)用潛在。尋找具有足夠大的體能隙并且具有化學(xué)穩(wěn)定性的強(qiáng)拓?fù)浣^緣體材料成為了人們目前關(guān)注的重要焦點(diǎn)和難點(diǎn)。

5，單極性和雙極性半導(dǎo)體元件的問(wèn)題

單極器件和雙極器件的單雙指的是載流子的類型。雙極器件內(nèi)部有兩種載流子參與導(dǎo)電，比如雙極結(jié)型晶體管，也就是常說(shuō)的三極管，存在兩對(duì)PN結(jié)，電流來(lái)自于兩種載流子的擴(kuò)散電流。單極器件則是只有一種載流子參與導(dǎo)電的器件，比如MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）。其柵極控制柵下方的溝道反型形成二維電子氣或者二維空穴氣，所以參與導(dǎo)電過(guò)程的只有電子或者空穴，而不是兩種載流子同時(shí)參與。由此可見(jiàn)單極器件一般可達(dá)到的電流要小于雙極器件。因此在大電流應(yīng)用的領(lǐng)域中一般要采用雙極器件，比如最近幾年興起的IGBT。但是雙極器件往往是PN結(jié)組成的器件，其漏電往往較高，因此在靜態(tài)情況下需要低損耗的領(lǐng)域需要采用單極器件，比如現(xiàn)在的集成電路，都是CMOS工藝，其中主要器件都是MOSFET。

6，什么是金屬電子氣

維德曼和夫蘭茲于1853年由實(shí)驗(yàn)確定了金屬導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)定律；洛倫茲在1905年建立了自由電子的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論，能夠解釋上述經(jīng)驗(yàn)定律，但無(wú)法說(shuō)明常溫下金屬電子氣對(duì)比熱容貢獻(xiàn)甚小的原因；泡利在1927年首先用量子統(tǒng)計(jì)成功地計(jì)算了自由電子氣的順磁性，索末菲在1928年用量子統(tǒng)計(jì)求得電子氣的比熱容和輸運(yùn)現(xiàn)象，解決了經(jīng)典理論的困難?！a(bǔ)充說(shuō)明：對(duì)于突變異質(zhì)結(jié)，由于導(dǎo)帶底能量突變量ΔEc的存在，則在界面附近出現(xiàn)有“尖峰”和“凹口”；實(shí)際上，對(duì)異質(zhì)結(jié)中導(dǎo)帶電子的作用而言，該“尖峰”也就是電子的勢(shì)壘，“凹口”也就是電子的勢(shì)阱。因此，實(shí)際上“尖峰”中的電場(chǎng)有驅(qū)趕電子的作用，即形成耗盡層；“凹口”中的電場(chǎng)有驅(qū)趕空穴、積累電子的作用，在條件合適時(shí)，即可形成電子積累層（即表面導(dǎo)電溝道）。如果“凹口”勢(shì)阱的深度足夠大，則其中的電子就只能在勢(shì)阱中沿著平面的各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)（即緊貼著異質(zhì)結(jié)界面運(yùn)動(dòng)），即為二維運(yùn)動(dòng)的電子；進(jìn)而，若引入有效質(zhì)量概念，則可認(rèn)為這些電子是經(jīng)典自由電子，從而可把異質(zhì)結(jié)勢(shì)阱中的電子看作為具有一定有效質(zhì)量的所謂“二維電子氣”（2-DEG）。實(shí)際上，其他半導(dǎo)體表面溝道（例如MOSFET的溝道）中的電子也與這些電子一樣，都是二維電子氣。若控制突變異質(zhì)結(jié)兩邊的摻雜狀況，即在窄能隙一邊的半導(dǎo)體中不摻雜（即為本征半導(dǎo)體），而在寬異能隙一邊的半導(dǎo)體中摻入施主，則在異質(zhì)結(jié)界面附近的本征半導(dǎo)體一側(cè)有電子勢(shì)阱，而在摻雜半導(dǎo)體一側(cè)有電子勢(shì)壘；其中勢(shì)阱中積累有二維電子氣（都由另一邊的摻雜半導(dǎo)體所提供）。這種異質(zhì)結(jié)就稱為調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)（MODHJ）。這種調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣具有許多重要的性質(zhì)。由于勢(shì)阱中的二維電子氣是處在本征半導(dǎo)體一邊，而該處不存在電離雜質(zhì)中心的散射作用，因此，這些二維電子氣沿著平面方向運(yùn)動(dòng)的遷移率將非常高（特別是在較低溫度下、晶格振動(dòng)減弱時(shí)），故又稱這些電子為高遷移率二維電子氣。性能優(yōu)良的超高頻、超高速場(chǎng)效應(yīng)晶體管——HEMT（又稱為MODFET），就是利用調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)勢(shì)阱（溝道）中的高遷移率二維電子氣來(lái)工作的。調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)中的二維電子氣除了具有非常高的遷移率以外，還具有一種獨(dú)特的性質(zhì)就是，即使在極低溫度下都不會(huì)“凍結(jié)”——不會(huì)復(fù)合消失。因?yàn)樘峁┻@些二維電子氣的電離雜質(zhì)中心都是處在異質(zhì)結(jié)的另一側(cè)的，這就是說(shuō)，在空間上自由電子與電離雜質(zhì)中心是分離開(kāi)來(lái)的，所以，當(dāng)溫度降低時(shí)，這些電子也無(wú)法回到雜質(zhì)中心上去，從而在極低溫度下它們也不會(huì)消失，能夠正常工作。這就為低溫電子學(xué)的研究與發(fā)展提供了器件基礎(chǔ)。二維電子氣還具有許多奇特的性質(zhì)。例如，在低溫下利用MOSFET來(lái)測(cè)量溝道中二維電子氣的Hall效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)器件的Hall電導(dǎo)是一系列量子化的數(shù)值（稱為整數(shù)量子Hall效應(yīng)）。又如，在更低溫度下利用HEMT來(lái)測(cè)量異質(zhì)結(jié)溝道中二維電子氣的Hall效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)Hall電導(dǎo)是一系列更為特殊的量子化數(shù)值（稱為分?jǐn)?shù)量子Hall效應(yīng)）。這些量子效應(yīng)都是二維電子氣在低溫下所呈現(xiàn)出來(lái)的一些奇特的性質(zhì)。