什么是金属电子气

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。

固体中电子的状态和行为是了解固体的物理、化学性质的基础。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。