Sähköinen kaasu

Elektronikaasu on kiinteän olomuodon fysiikan malli, joka kuvaa elektronien käyttäytymistä elektronisesti johtavissa kappaleissa. Elektronikaasussa hiukkasten välinen Coulombin vuorovaikutus jätetään huomiotta, ja itse elektronit ovat heikosti sitoutuneita kidehilan ioneihin . Vastaava käsite reikiä johtaville materiaaleille on reikäkaasu .

Esimerkkejä elektronikaasua käyttävistä järjestelmistä

Kolmiulotteinen elektronikaasu

Aivan kuten tavallinen kaasu on kokoelma suuresta määrästä ("yhtye") vapaita molekyylejä, elektronikaasun muodostaa elektroniryhmä tietyssä tilavuudessa. Vastaavasti elektronikaasua on metalleissa ja puolijohteissa - missä tahansa ympäristössä, jossa on tai voi ilmaantua vapaita elektroneja.

Monet molekyylikaasun ominaisuudet, kuten hiukkasten energian jakautumistiheys, esitetään myös suhteessa elektronikaasuun, vaikka niiden ilmaisut poikkeavatkin tavallisten kaasujen tapauksesta.

Alennettu kaasu

Kaksiulotteinen elektronikaasu (2DEG) syntyy, kun elektronikaasua rajoitetaan avaruudellisesti tiettyyn suuntaan. Esimerkkejä 2DEG-järjestelmistä ovat kanava-alue FET :issä tai HEMT :issä . DEG:n etuna on kantoaaltojen suuri liikkuvuus, mikä mahdollistaa nopeiden elektronisten laitteiden suunnittelun. Vastaavasti ohuissa pitkissä esineissä (ns. kvanttifilamenteissa ) muodostuu yksiulotteinen elektronikaasu.

Fyysinen kuvaus

Elektronikaasu on Fermi-kaasun erikoistapaus [1] . Sen käyttäytymistä voidaan tarkastella analogisesti ihanteellisen kaasun termodynaamisen mallin kanssa , erityisesti voidaan ottaa käyttöön elektronikaasun kokoonpuristuvuuden ja lämpökapasiteetin käsitteet.

Elektronien energian jakautuminen

Elektronien energiajakauma kaasussa ( eV -1 cm -3 ) kuvataan tilojen tiheyden tulolla (kolmiulotteisessa tapauksessa suhteessa elektronin energian juureen ) ja Fermi-Dirac-funktiolla . osavaltioiden miehitysmäärä (katso kuva). Integroimalla energian yli voidaan saada elektronien pitoisuus (cm -3 ) tietyssä pisteessä. Funktio (eV -1 ) normalisoidaan yksikköön ( ) ja se asettaa elektronien tilastollisen jakauman tiheyden energiassa. $D(E)=\rho (E)\cdot F(E)$ ${\näyttötyyli \rho (E)}$ ${\sqrt {E}}$ $F(E)$ $D(E)$ $n=\int D(E)dE$ $f(E)=D(E)/n$ $\int f(E)dE=1$

Elektronikaasun kokoonpuristuvuus

Elektronikaasun kokoonpuristuvuus luonnehtii elektronikaasun paineen muutosta sen tilavuuden muutoksella. Analogisesti tavallisen ideaalikaasun kanssa voidaan ottaa käyttöön kokoonpuristuvuuden käsite , jonka käänteisluku määritellään negatiivisella etumerkillä otetun kaasun tilavuuden ja elektronikaasun paineen muutoksen tulona tilavuuden muutoksella. hiukkasten kokonaismäärän ylläpitäminen . Metalleissa degeneroituneen kaasun kokoonpuristuvuus on kääntäen verrannollinen Fermi-energiaan [2] . $K$ $V$ $P$ $N$

Elektronikaasun lämpökapasiteetti

Elektronikaasun lämpökapasiteetti määritellään lämpömääräksi, joka on siirrettävä elektronikaasuun sen lämpötilan nostamiseksi (kantajien kineettisen energian mitta) 1 K:lla. Degeneroituneelle elektronikaasulle ( metalleissa ) ), lämpökapasiteetti pyrkii nollaan alhaisissa lämpötiloissa ja kasvaa lineaarisesti lämpötilan mukaan. Koska kidehilan lämpökapasiteetti matalissa lämpötiloissa on verrannollinen lämpötilakuutioon ( Debyen laki ), on alhaisten lämpötilojen alue, jossa elektronien lämpökapasiteetti on suurempi kuin hilan lämpökapasiteetti. Debyen lämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa elektronisen osajärjestelmän osuus kiinteän aineen kokonaislämpökapasiteetista ei kuitenkaan ylitä muutamaa prosenttia.

Elektronikaasun magneettiset ominaisuudet

Elektronikaasulla on paramagneettisia ominaisuuksia johtuen elektronin spinin suuntautumisesta ulkoista magneettikenttää pitkin ja sitä vasten. Degeneroituneen elektronikaasun magneettinen susceptibiliteetti ei riipu lämpötilasta.

Katso myös

kvanttikaasu

Muistiinpanot

↑ Kittel C. Johdatus kiinteän olomuodon fysiikkaan . M., Nauka - 1978, s. 789
↑ GD Mahan. Monen hiukkasen fysiikka . 3. painos. Kluwer Academic/Plenum Publishers (2000)