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二維電子氣是指當半導體表面上加一個與表面垂直的電場,在表面附近形成電子勢阱,其中就會積累起大量的電子。二維電子氣中,電子的總能量為垂直於表面運動的能量(分立值)與平行於表面運動的能量(可以連續變化)之和,這一系列能量狀態形成許多個子能帶。

1 二維電子氣 -二維電子氣

 

2 二維電子氣 -正文

  當半導體表面上加一個與表面垂直的電場,在表面附近形成電子勢阱,其中就會積累起大量的電子。如果表面上的電場很強,這些電子形成一個薄層(厚度小於10-6厘米)。這時電子沿垂直於表面方向的運動變得量子化,即它的能量只能取一系列的分立值;而平行於表面的運動仍是自由的,能量可以是任意值。這樣一個薄的電子層稱為二維電子氣。例如金屬-氧化物-半導體結構中的反型層和積累層,以及在兩種不同半導體形成的異質結界面附近都會形成二維電子氣。
  二維電子氣中,電子的總能量為垂直於表面運動的能量(分立值)與平行於表面運動的能量(可以連續變化)之和,這一系列能量狀態形成許多個子能帶。在很低的溫度下,二維電子氣呈現一系列特異的量子效應。如果垂直於表面加一個強磁場,每個子能帶會變成一系列朗道能級,成為能量完全分立的系統。半導體表面附近有時也會積累起大量的空穴,這時會形成類似的二維空穴氣。
  1957年,J.R.施里弗從理論上預示了反型層電子的二維運動特性,1966年,A.B.福勒爾等人從實驗上證實了這一論述。此後物理學家們進行了大量的理論和實驗研究工作。1980年,K.克利欽發現二維電子氣的霍爾電阻特性具有量子化的「平台」,其數值精確地等於基本常數h/e2N分之一(h為普朗克常數,e為電子電荷,N為正整數)。h/e2具有電阻的量綱(約25812.8歐),因此量子霍爾電阻可能用來作為電阻的自然基準,並且有不受環境條件影響的優點。1982年,美國貝爾實驗室的科學家們又發現霍爾平台可以出現在N取1/3和2/3等分數值的情況。對二維電子氣的這些重要物理特性的研究促進了固體物理學的發展。對二維電子氣的深入研究有助於了解它的基本物理過程。由於半導體異質結界面處二維電子氣中的電子遷移率很高,1980年以來已被利用來研製超高速電子器件。

 

3 二維電子氣 -配圖

 

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