Kétdimenziós elektrongáz

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
Ugrás a navigációhoz Ugrás a kereséshez

A szilárdtestfizikában a kétdimenziós elektrongáz (rövidítéssel gyakran 2DEG) egy bizonyos félvezető eszközökben fellépő jelenség és az azt leíró modell neve. Lényege, hogy az elektronok a tér két irányában szabadon elmozdulhatnak, míg a harmadik irányban kvantumbezárás érvényesül, így sajátos elektromos transzportjellemzőkkel rendelkező réteg alakul ki az anyagban.

Az elektronok számára megengedett kvantumállapotok a bezárási irányban diszkrét energiaszintekre válnak el egymástól, mozgásuk pedig gyakorlatilag csak a kétdimenziós elektrongáz síkjában történik.

A kétdimenziós elektrongáz kialakulása több ma használt elektronikus eszköz alapvető eleme, így például MOSFET-ekben és HEMT-eszközökben is alkalmazzák. Az alapkutatásban jelenleg is élénk figyelem kíséri a grafénen és az átmenetifém-dikalkogenidekben kialakuló kétdimenziós elektrongázt, illetve ezek tudományos alkalmazási lehetőségeit.

Megfelelője elektronlyukak esetén a kétdimenziós elekronlyukgáz (angol rövidítéssel 2DHG).

Fizikai jellemzése[szerkesztés]

Kialakítása[szerkesztés]

A két dimenzióra korlátozódó vezető tartományok például a fém-oxid-félvezető (MOS), vagy félvezető-félvezető, illetve szigetelő-szigetelő heteroátmenetes szerkezetek jellemző elemei. Egy MOSFET tranzisztorban a félvezető-szigetelő határfelületen, vagy egy HEMT-eszközben a két félvezető határfelületén kétdimenziós elektrongáz alakulhat ki.[1]

Mindkét fent említett eszközben akkor jöhet létre kétdimenziós elektrongáz, ha a határfelületen a termikus egyensúly beálltakor végbemenő sávelhajlások következtében a vezetési sávél a Fermi-szint alá kerül (lásd a lenti HEMT-ábrán a sárgával jelölt háromszögű tartományt). Ezen tartományban a vezetési sávnak megfelelő állapotsűrűség lenne érvényes, tehát a félvezető anyag ebben a csatornában vezető jellegűvé válik válna. Azonban a térbeli bezártság miatt kvantumbezárási jelenség is fellép, ezért a felületre merőlegesen csak energiában kvantált állapotok megengedettek.

Elektronszerkezete[szerkesztés]

A kétdimenziós elektrongáz-tartományt jellemzően úgy modellezik, hogy a síkjába eső irányokban kiterjedt, arra merőlegesen pedig potenciálgödör-jellegű megoldásokat vesznek számításba.

Példák 2DEG-ra[szerkesztés]

A MOSFET egy lehetséges kialakítása. A kétdimenziós elektrongáz az oxid alatt, a szigetelő-félvezető határfelületen alakulhat ki megfelelő kapufeszültség esetén

MOS-tranzisztorok[szerkesztés]

A MOSFET a térvezérlésű tranzisztorok egy fajtája, amelyet fém-oxid-félvezető rétegszerkezetből alakítanak ki. Az eszközben a kapcsolási jelenséget úgy valósítják meg, hogy egy félvezetőben kapuelektróda téreffektusával sávelhajlást idéznek elő, melynek következtében a vezetési sáv alja elmozdul a Fermi-szinthez képest. Nyitóirányú előfeszítés esetén, ha a kapufeszültség meghaladja a köszöbfeszültséget, az eszköz félvezető-szigetelő határfelületének félvezető felé eső oldalán akkumulációs réteg, majd inverziós réteg alakul ki. Az inverzióba kerülő vezetési sávélen kétdimenziós elektrongáz alakul ki, ha a sávél a Fermi-szint alá ér.

HEMT-szerkezet, melyben a két félvezető tartomány között inverziós réteg alakul ki a sávelhajlás következtében. Az inverziós réteg kétdimenziós elektrongázként viselkedhet, ugyanis a Fermi-szint a vezetési sáv lehajló sávéle fölé került

HEMT-eszközök[szerkesztés]

A nagy elektronmobilitású tranzisztor (angol rövidítéssel gyakran HEMT) heteroszerkezetből kialakított tranzisztor, mely két különböző félvezető határfelületi jelenségein alapul. A két félvezető lényegi különbsége azok sávszerkezetében van: a tiltott és megengedett sávok energiaszintje illetve a kilépési munka bennük eltérő. A közös határfelületükön a termikus egyensúly beálltakor ezért sávelhajlás jelentkezik. Ha olyan félvezetőket alakítanak ki, melyekben a sávelhajlás kellő mértékű, a felület egy tartományáben inverziós réteg alakulhat ki, mely kétdimenziós elektrongázként viselkedhet.

Mivel a GaAs és az AlGaAs anyagok rácsállandója közel azonos, viszont tiltott sávjuk, kilépési munkájuk, és kémiai potenciáljuk különböző. Ezért ezen anyagok alkalmazása elterjedt a HEMT-eszközökben. A rácsillesztéssel, azaz epitaxiálisan egymásra növeszthető rétegek előnye, hogy a felület mentén kevés a hibahely, így kevés az elektronok mozgását akadályozó szórócentrum. A GaAs/AlGaAs heteroátmenet epitaxiális növesztéssel, például molekulasugaras epitaxiával alakítható ki.[1]

Nanoréteg-szerkezetek[szerkesztés]

A 2010-es évek sok újdonságot hoztak az atomi nanorétegek terén, melyek jellemzően egy- vagy néhány atomnyi vastagságú rétegek. Nevezetes példa a grafén, illetve egyes átmenetifém-dikalkogenid nanoszerkezetek, mint például a szendvicsszerkezetű molibdén-diszulfid atomi réteg.[2] E szerkezetekben az elektron mindössze néhány atomnyi vastagságú tartományba szorul. Grafén esetén dópolással, vagy kapuelektróda téreffektusával létrehozható kétdimenziós elektrongáz, vagy elektronlyukak kétdimenziós gáza.

Egyéb megvalósítások[szerkesztés]

A jelenség megfigyelésének egy korai példájában nem szilárdtest-határfelületen, hanem anyagtartomány külső felületén tapasztaltak kétdimenziós elektrongázt. Sommer 1964-es közleményében folyékony hélium felületén kialakuló állapotokon elmozdulni képes elektronokról számolt be.[3] A folyékony héliumon kívül más szigetelő anyagok esetében is tapasztalták felületi állapotok megjelenése következtében kialakuló vezető felületi csatornák létrejöttét. Ilyen jelenség lép fel például a topologikus szigetelőkben is.

A HEMT-hez hasonló, de félvezetők helyett két szigetelőből kialakított heteroátmeneten is létrejöhet elektrongáz. A ZnO/ZnMgO határátmeneten akár dópolás nélkül, csupán a sávelhajlások miatt kialakulhat kétdimenziós vezető réteg,[4] hasonlót figyeltek meg ezen kívül LaAlO3/SrTiO3 átmeneten[5] és más anyagokban.[6][7]

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. a b Nanoszerkezetek előállítási és vizsgálati technikái - Fizipedia (hu nyelven). fizipedia.bme.hu. (Hozzáférés: 2017. december 10.)
  2. Kaasbjerg 2014.
  3. Sommer 1964.
  4. Kozuka 2011.
  5. Ohtomo et al., A. (2004). „A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface”. Nature 427 (6973), 423–426. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nature02308. ISSN 0028-0836. (Hozzáférés ideje: 2017. december 11.)  
  6. Hwang et al., H. Y. (2012. január 24.). „Emergent phenomena at oxide interfaces” (angol nyelven) (PDF). Nature Materials 11 (2), 103–113. o, Kiadó: Springer Nature. DOI:10.1038/nmat3223. ISSN 1476-1122. (Hozzáférés ideje: 2017. december 11.)  
  7. King et al., P. D. C. (2012. március 14.). „Subband Structure of a Two-Dimensional Electron Gas Formed at the Polar Surface of the Strong Spin-Orbit PerovskiteKTaO3”. Physical Review Letters 108 (11), Kiadó: Amerikai Fizikai Társaság. DOI:10.1103/physrevlett.108.117602. ISSN 0031-9007. (Hozzáférés ideje: 2017. december 11.)  

Fordítás[szerkesztés]

Ez a szócikk részben vagy egészben a Two-dimensional electron gas című angol Wikipédia-szócikk ezen változatának fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel.

Források[szerkesztés]

Szakkönyvek[szerkesztés]

  • Charles Kittel: Bevezetés a szilárdtest-fizikába. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1981.  
  • Quantum Semiconductor Structures: Fundamentals and Applications. Academic Press (1991. november 10.). ISBN 0-12-742680-9 
  • The Physics of Low-dimensional Semiconductors: An Introduction. Cambridge University Press (1997. november 10.). ISBN 0-521-48148-1 
  • Sólyom Jenő: A modern szilárdtest-fizika alapjai II: Fémek, félvezetők, szupravezetők. Budapest: ELTE Eötvös Kiadó. 2010. ISBN 9789633120286  

Tudományos közlemények[szerkesztés]

Tananyagok, ismeretterjesztő weblapok[szerkesztés]

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés]