2D elektronikaasu

Kaksiulotteinen elektronikaasu (DEG) on elektronikaasu , jossa hiukkaset voivat liikkua vapaasti vain kahteen suuntaan.

Elektronien liikettä kolmanteen suuntaan rajoittava potentiaali voidaan käytännössä luoda sähkökentällä , esimerkiksi käyttämällä kenttätransistorin hilaa tai sisäänrakennetulla sähkökentällä eri puolijohteiden välisen heteroliitoksen alueella. .

Kaksiulotteisen elektronikaasun käsite

Kaksiulotteinen elektronikaasu ( eng. kaksiulotteinen elektronikaasu, 2DEG ) on elektronien populaatio, joka sijaitsee kvanttikuivossa , jonka liike on rajoitettu yhtä karteesista koordinaattia pitkin. Kaivon muodostaa puolijohderakenteen johtavuuskaistaprofiili (esimerkki kuvassa).

Elektronin energia kvantisoidaan yhteen suuntaan (esimerkiksi ), ja kahdessa muussa suunnassa ( ) liike on vapaata: $z$ $xy$

E=E_{z,i}+E_{xy},\,\,\,i=1,\,2,\ldots ;\,\,\,E_{xy}=0\ldots +\ infty

DEG:n sijainti on esitetty kuvassa keltaisella värillä, kun taas kvanttikuivon ”nenän” lähellä ei ole elektroneja, täyttö alkaa energiasta (energiatasoja ei ole merkitty, akseli on suunnattu vasemmalta oikealle ). $E=E_{z,1}$ $z$

Useimmiten mukana on vain yksi alialue, eli vain alempi taso . Jos täytettyjen energiaosakaistojen lukumäärä 2DEG:ssä ylittää yhden, puhutaan lähes kaksiulotteisesta elektronikaasusta. Analogisesti 2DEG:n kanssa voidaan puhua myös kaksiulotteisesta reikäkaasusta , jolloin kaivo tulisi luoda valenssikaistalle . $E_{z,1}$

Elektronien tilojen tiheys 2°

Lauseke tilojen tiheydelle

Kaksiulotteisen järjestelmän tilojen tiheys riippuu energiasta porrastetusti. Kun se on nolla. Tärkeimmällä alueella välillä - (vastaa vain DEG:tä) se on $E<E_{z,1}$ $E=E_{z,1}$ $E=E_{z,2}$

{\displaystyle D_{2DEG}=g_{s}g_{v}{\frac {m}{2\pi \hbar ^{2))))

missä ja ovat spin ja laakson degeneraatio , vastaavasti, on pelkistetty Planck-vakio ja tehollinen elektronimassa . Suuremmilla energioilla tämä lauseke kerrotaan myös kaivossa olevien tasojen c määrällä. $g_s$ $g_v$ $\hbar$ $m$ $E$ $E_{z,i}<E$

Kun tiedämme 2DEG:n tilojen tiheyden, voimme laskea 2DEG:n kvanttikapasiteetin lausekkeen [1] mukaan :

C_{2DEG}={q}D_{2DEG}

missä on elektronin varaus. $q$

Galliumarsenidi GaAs , joka on yksilaaksoinen puolijohde , degeneraatio säilyy vain spinissä ja tilojen tiheys kirjoitetaan

{\displaystyle D_{2DEG}^{GaAs}={\frac {m}{\pi \hbar ^{2))))

Arvio tilojen tiheyden suuruudesta

Jättäen huomioimatta degeneraation vaikutukset ja mahdollisen vapaan elektronin massan ja massan välisen eron , 2D - järjestelmän tilojen tiheys kirjoitetaan seuraavasti . $m$ $m_{0}$

D_{2DEG}={\frac {m_{0}}{2\pi \hbar ^{2}}}

Tämä voidaan kirjoittaa uudelleen käyttämällä Bohrin säteen ( ) ja Bohrin energiaskaalan ( ) käsitteitä: $a_{B}$ $W_{B}$

a_{B}={\frac {\lambda _{0}}{2\pi \alpha )),\quad W_{B}={\frac {\alpha ^{2}m_{0}c ^{2}}{2}}

missä on elektronin Compton-aallonpituus, hienorakennevakio ja valon nopeus. Korvaamalla nämä arvot kaavaan , saamme: $\lambda _{0}=2\pi \hbar /m_{0}c$ $\alpha$ $c$ $D_{2DEG}$

D_{2DEG}={\frac {1}{4\pi a_{B}^{2}}}{\frac {1}{W_{B}}}={\frac {1}{S_ {B}}}{\frac {1}{W_{B}}}=D_{B}

missä on tason Bohrin kvantti ja Bohrin tilojen tiheys. Siten se osuu yhteen Bohrin asteikon kanssa. ${\displaystyle S_{B}=4\pi a_{B}^{2))$ ${\näyttötyyli D_{B}}$ $D_{2DEG}$

Numeroina cm -2 eV -1 . $D_{2DEG}\noin 2.1\cdot 10^{14}\,g_{s}g_{v}(m/m_{0})\,\,$

Elektronien liikkuvuus asteessa

Korkean liikkuvuuden merkitys

DEG:n tärkein ominaisuus on elektronien liikkuvuus . Siitä riippuu esimerkiksi erityyppisten kenttätransistorien suorituskyky DEG: tä käyttäen. Juuri tämä ominaisuus on ratkaiseva osakvantti Hall-ilmiön tutkimuksessa (tämä vaikutus havaittiin ensimmäistä kertaa näytteessä, jonka liikkuvuus oli 90 000 cm 2 /Vs [2] ).

DEG-liikkuvuuden vähenemiseen on useita syitä. Niiden joukossa ovat fononien , epäpuhtauksien ja rajan karheuden vaikutus. Jos fononeja ja karheutta hallitaan alentamalla lämpötilaa ja vaihtelemalla kasvuparametreja, epäpuhtaudet ja viat ovat pääasiallisia sirontalähteitä 2DEG:ssä. Liikkuvuuden lisäämiseksi 2DEG- heterorakenteessa käytetään usein seostamatonta materiaalikerrosta, jota kutsutaan spaceriksi , erottamaan ionisoidut epäpuhtaudet ja 2DEG.

Ennätystä rikkova liikkuvuus

Ennätyksellisen 2DEG-liikkuvuuden saavuttamiseksi kasvaneissa heterorakenteissa on oltava hyvin pieni määrä sirontakeskuksia tai vikoja. Tämä saavutetaan käyttämällä materiaalilähteitä ja ennätyksellisen puhtautta tyhjiötä. 2DEG-kvanttikaivossa ei ole lisäaineita, ja elektronit syötetään moduloiduista seostetuista spatiaalisesti erotetuista kerroksista, joiden tehollinen massa on kasvanut.

Vuonna 2009 liikkuvuus saavutti [3] arvon 35 10 6 cm 2 V -1 s -1 pitoisuudella 3 10 11 cm -2 . Vuonna 2020 ennätysliikkuvuus parani vielä puhtaampien materiaalien (Ga ja Al) luomisen ansiosta MBE :lle ja saavutti arvon 44 10 6 cm 2 V -1 s -1 pitoisuudella 2 10 11 cm -2 . Kasvua varten käytettiin puhdistettuja lähteitä ja useita kryopumppuja jäännöskaasujen lisäpuhdistukseen tyhjiökammiossa, mikä mahdollisti alle 2 10 -12 Torrin paineen saavuttamisen [4] . $\ajat$ $\ajat$ $\ajat$ $\ajat$ $\cdot$

Katso myös

2D kristalli

Muistiinpanot

↑ Slyusar V. I. Nanoantennit: lähestymistapoja ja tulevaisuudennäkymiä Arkistokopio , päivätty 3. kesäkuuta 2021 Wayback Machinessa // Elektroniikka: tiede, teknologia, liiketoiminta. - 2009. - nro 2. - s. 61.
↑ DC Tsui, HL Stormer ja AC Gossard. Kaksiulotteinen magnetokuljetus äärimmäisessä kvanttirajassa // Phys. Rev. Lett.. - 1982. - T. 48 . - S. 1559 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.48.1559 .
↑ V. Umanskya, M. Heiblum, Y. Levinson, J. Smet, J. Nübler, M. Dolev. Erittäin matalan häiriön DEG:n MBE-kasvu, jonka liikkuvuus on suurempi kuin 35 × 10 6 cm 2 /V sek // J. Cryst. Kasvu. - 2009. - T. 311 . - S. 1658-1661 . - doi : 10.1016/j.jcrysgro.2008.09.151 .
↑ Yoon Jang Chung, KA Villegas-Rosales, KW Baldwin, PT Madathil, KW West, M. Shaygan ja LN Pfeiffer. Kaksiulotteiset elektroniset järjestelmät tallennusominaisuuksilla. - S. - . - arXiv : 2010.02283 .