二维电子气，二维电子气的二维电子气的量子特性

本文目录一览

1，二维电子气的二维电子气的量子特性
2，什么叫电子空穴气
3，二维电子气的基本概念
4，哪位大牛进来科普一下拓扑绝缘体吧
5，单极性和双极性半导体元件的问题
6，什么是金属电子气

1，二维电子气的二维电子气的量子特性

二维电子气还具有许多奇特的性质。例如，在低温下利用MOSFET来测量沟道中二维电子气的Hall效应时，发现器件的Hall电导是一系列量子化的数值（称为整数量子Hall效应）。又如，在更低温度下利用HEMT来测量异质结沟道中二维电子气的Hall效应时，发现Hall电导是一系列更为特殊的量子化数值（称为分数量子Hall效应）。这些量子效应都是二维电子气在低温下所呈现出来的一些奇特的性质。

二维电子气的二维电子气的量子特性

2，什么叫电子空穴气

?说的是二维电子气么？这是在异质结才会出现的现象，由于形成PN的两种材料不同，功函数不会相同，在交界面出的能带不会像同种材料形成的PN结能带那样平滑,而是会出现尖峰，和能谷。在能谷中的电子（活价带中空穴）便被限制在了这个能谷中，并且运动方向只能是二维的（图中只能上下，前后两个方向，不能左右），因此叫二维电子气。在该能谷中，根据深度的不同会聚集不同数量的电子，一般都会很大的。关于应用举个例子吧：HEMT晶体管就是用二维电子气才实现的，高速度。因为二维电子气是形成在交界面附近（几个纳米吧）某一侧的，如果该侧是不参杂的材料，那样就能避免了半导体中最讨厌的杂质散射了。电子多，散射少，当然速度快咯！

什么叫电子空穴气

3，二维电子气的基本概念

2-DEG一般容易在异质结构中获得。对于半导体突变异质结，由于导带底能量突变量ΔEc的存在，则在界面附近出现有“尖峰”和“凹口”；实际上，对异质结中导带电子的作用而言，该“尖峰”也就是电子的势垒，“凹口”也就是电子的势阱。因此，实际上“尖峰”中的电场有驱赶电子的作用，即形成耗尽层；“凹口”中的电场有驱赶空穴、积累电子的作用，在条件合适时，即可形成电子积累层（即表面导电沟道）。如果“凹口”势阱的深度足够大，则其中的电子就只能在势阱中沿着平面的各个方向运动（即紧贴着异质结界面运动），即为二维运动的电子；进而，若引入有效质量概念，则可认为这些电子是经典自由电子，从而可把异质结势阱中的电子看作为具有一定有效质量的所谓“二维电子气”（2-DEG）。实际上，其他半导体表面沟道（例如MOSFET的沟道）中的电子也与这些电子一样，都是二维电子气。

二维电子气的基本概念

4，哪位大牛进来科普一下拓扑绝缘体吧

照电子态结构的不同，传统意义上的材料被分为“金属”和“绝缘体”两大类。而拓扑绝缘体是一种新的量子物质态，完成不同于传统意义上的“金属”和“绝缘体”。这种物质态的体电子态是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。这种无能隙的表面金属态也完全不同于一般意义上的由于表面未饱和键或者是表面重构导致的表面态，【拓扑绝缘体的表面金属态完全是由材料的体电子态的拓扑结构所决定，是由对称性所决定的，与表面的具体结构无关】。也正是因为该表面金属态的出现是有对称性所决定的，他的存在非常稳定，基本不受到杂质与无序的影响。除此之外，【拓扑绝缘体的基本性质是由“量子力学”和“相对论”共同作用的结果，由于自旋轨道耦合耦合作用，在表面上会产生由时间反演对称性保护的无能隙的自旋分辨的表面电子态】。这种表面态形成一种无有效质量的二维电子气（与有效质量近似下的二维电子气完全不同：例如广泛使用的场效应晶体管中的二维电子气），它需要用狄拉克方程描述，而不能用薛定谔方程。正是由于这些迷人的重要特征保证了拓扑绝缘体将有可能在未来的电子技术发展中获得重要的应用，有着巨大的应用潜在。寻找具有足够大的体能隙并且具有化学稳定性的强拓扑绝缘体材料成为了人们目前关注的重要焦点和难点。

5，单极性和双极性半导体元件的问题

单极器件和双极器件的单双指的是载流子的类型。双极器件内部有两种载流子参与导电，比如双极结型晶体管，也就是常说的三极管，存在两对PN结，电流来自于两种载流子的扩散电流。单极器件则是只有一种载流子参与导电的器件，比如MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）。其栅极控制栅下方的沟道反型形成二维电子气或者二维空穴气，所以参与导电过程的只有电子或者空穴，而不是两种载流子同时参与。由此可见单极器件一般可达到的电流要小于双极器件。因此在大电流应用的领域中一般要采用双极器件，比如最近几年兴起的IGBT。但是双极器件往往是PN结组成的器件，其漏电往往较高，因此在静态情况下需要低损耗的领域需要采用单极器件，比如现在的集成电路，都是CMOS工艺，其中主要器件都是MOSFET。

6，什么是金属电子气

维德曼和夫兰兹于1853年由实验确定了金属导热性和导电性之间关系的经验定律；洛伦兹在1905年建立了自由电子的经典统计理论，能够解释上述经验定律，但无法说明常温下金属电子气对比热容贡献甚小的原因；泡利在1927年首先用量子统计成功地计算了自由电子气的顺磁性，索末菲在1928年用量子统计求得电子气的比热容和输运现象，解决了经典理论的困难。——————补充说明：对于突变异质结，由于导带底能量突变量ΔEc的存在，则在界面附近出现有“尖峰”和“凹口”；实际上，对异质结中导带电子的作用而言，该“尖峰”也就是电子的势垒，“凹口”也就是电子的势阱。因此，实际上“尖峰”中的电场有驱赶电子的作用，即形成耗尽层；“凹口”中的电场有驱赶空穴、积累电子的作用，在条件合适时，即可形成电子积累层（即表面导电沟道）。如果“凹口”势阱的深度足够大，则其中的电子就只能在势阱中沿着平面的各个方向运动（即紧贴着异质结界面运动），即为二维运动的电子；进而，若引入有效质量概念，则可认为这些电子是经典自由电子，从而可把异质结势阱中的电子看作为具有一定有效质量的所谓“二维电子气”（2-DEG）。实际上，其他半导体表面沟道（例如MOSFET的沟道）中的电子也与这些电子一样，都是二维电子气。若控制突变异质结两边的掺杂状况，即在窄能隙一边的半导体中不掺杂（即为本征半导体），而在宽异能隙一边的半导体中掺入施主，则在异质结界面附近的本征半导体一侧有电子势阱，而在掺杂半导体一侧有电子势垒；其中势阱中积累有二维电子气（都由另一边的掺杂半导体所提供）。这种异质结就称为调制掺杂异质结（MODHJ）。这种调制掺杂异质结中的二维电子气具有许多重要的性质。由于势阱中的二维电子气是处在本征半导体一边，而该处不存在电离杂质中心的散射作用，因此，这些二维电子气沿着平面方向运动的迁移率将非常高（特别是在较低温度下、晶格振动减弱时），故又称这些电子为高迁移率二维电子气。性能优良的超高频、超高速场效应晶体管——HEMT（又称为MODFET），就是利用调制掺杂异质结势阱（沟道）中的高迁移率二维电子气来工作的。调制掺杂异质结中的二维电子气除了具有非常高的迁移率以外，还具有一种独特的性质就是，即使在极低温度下都不会“冻结”——不会复合消失。因为提供这些二维电子气的电离杂质中心都是处在异质结的另一侧的，这就是说，在空间上自由电子与电离杂质中心是分离开来的，所以，当温度降低时，这些电子也无法回到杂质中心上去，从而在极低温度下它们也不会消失，能够正常工作。这就为低温电子学的研究与发展提供了器件基础。二维电子气还具有许多奇特的性质。例如，在低温下利用MOSFET来测量沟道中二维电子气的Hall效应时，发现器件的Hall电导是一系列量子化的数值（称为整数量子Hall效应）。又如，在更低温度下利用HEMT来测量异质结沟道中二维电子气的Hall效应时，发现Hall电导是一系列更为特殊的量子化数值（称为分数量子Hall效应）。这些量子效应都是二维电子气在低温下所呈现出来的一些奇特的性质。

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