什么是二维电子气?

[拼音]：erwei dianziqi

[外文]：two dimensional electron gas

当半导体表面上加一个与表面垂直的电场，在表面附近形成电子势阱，其中就会积累起大量的电子。如果表面上的电场很强，这些电子形成一个薄层（厚度小于10-6 厘米）。这时电子沿垂直于表面方向的运动变得量子化，即它的能量只能取一系列的分立值；而平行于表面的运动仍是自由的，能量可以是任意值。这样一个薄的电子层称为二维电子气。例如金属-氧化物-半导体结构中的反型层和积累层，以及在两种不同半导体形成的异质结界面附近都会形成二维电子气。

二维电子气中，电子的总能量为垂直于表面运动的能量（分立值）与平行于表面运动的能量（可以连续变化）之和，这一系列能量状态形成许多个子能带。在很低的温度下，二维电子气呈现一系列特异的量子效应。如果垂直于表面加一个强磁场，每个子能带会变成一系列朗道能级，成为能量完全分立的系统。半导体表面附近有时也会积累起大量的空穴，这时会形成类似的二维空穴气。

1957年，J.R.施里弗从理论上预示了反型层电子的二维运动特性，1966年，A.B.福勒尔等人从实验上证实了这一论述。此后物理学家们进行了大量的理论和实验研究工作。1980年，K.克利钦发现二维电子气的霍尔电阻特性具有量子化的“平台”，其数值精确地等于基本常数h/e2的N分之一（h为普朗克常数，e为电子电荷，N为正整数）。h/e2具有电阻的量纲（约25812.8欧），因此量子霍尔电阻可能用来作为电阻的自然基准，并且有不受环境条件影响的优点。1982年，美国贝尔实验室的科学家们又发现霍尔平台可以出现在N 取1/3和2/3等分数值的情况。对二维电子气的这些重要物理特性的研究促进了固体物理学的发展。对二维电子气的深入研究有助于了解它的基本物理过程。由于半导体异质结界面处二维电子气中的电子迁移率很高，1980年以来已被利用来研制超高速电子器件。