Электронно-дырочная жидкость

Электронно-дырочная жидкость — неравновесная фаза электронных возбуждений, существующая в некоторых полупроводниках при низких температурах, если концентрация носителей заряда (электронов проводимости и дырок) превышает некоторую критическую величину. Существование электронно-дырочной жидкости было обнаружено и исследовано в начале 1970-х годов[1]. Лучше всего она изучена для кремния и германия. Начиная с 2000 г. электронно-дырочная жидкость исследуется в алмазе[2].

Электронно-дырочная жидкость возникает при высокой концентрации электронов и дырок, которой можно достигнуть при помощи инжекции или возбуждением при интенсивном лазерном облучении. Электроны и дырки в полупроводниках, связываясь в пары, образуют квазичастицы, которые называются экситонами. Экситоны могут также связываться в пары, образуя биэкситоны. Однако, при высокой концентрации электронов и дырок создаётся состояние, аналогичное плазме, в котором кулоновское взаимодействие между квазичастицами экранировано. Именно это вырожденное металлоподобное состояние получило название электронно-дырочной жидкости. При его образовании происходит фазовый переход (в условиях, далёких от равновесия) и изначально однородный газ возбуждений разбивается на капли электронно-дырочной жидкости с высокой концентрацией квазичастиц, окружённые газоподобными областями с низкой концентрацией квазичастиц.

МатериалКритическая температураКритическая концентрацияРазмеры капель
Алмаз138 K[3], 165 К[4], 173 K[5], 197 K[6], 260 K[7]4,0⋅1019 см−30,001—1 мкм
Кремний28 К1,2⋅1018 см−30,1—10 мкм
Германий7 К0,6⋅1017 см−34—10 мкм

Об образовании капель электронно-дырочной жидкости свидетельствует появление в спектрах излучения кроме экситонной линии также широкой полосы, отвечающей электронно-дырочной рекомбинации. Изучение электронно-дырочной жидкости имеет практический интерес. За счёт разной работы выхода электрона и дырки при испарении капля электронно-дырочной жидкости приобретает поверхностный электрический заряд[1]. Существование электронно-дырочной жидкости в полупроводнике приводит к усилению фототока, что было продемонстрировано в германии[1] и алмазе[8].

Примечания
  1. Келдыш и др., 1988.
  2. Thonke K., Schliesing R., Teofilov N., Zacharias H., Sauer R., Zaitsev A.M., Kanda H., Anthony T.R. Electron-hole drops in synthetic diamond. Diamond and related materials. 9. 428—431 (2000).
  3. Vouk MA. Conditions necessary for the formation of the electron-hole liquid in diamond and calculation of its parameters. Journal of Physics C: Solid State Physics. 12. 2305—2312 (1979).
  4. Shimano R, Nagai M, Horiuch K, Kuwata-Gonokami M. Formation of a high Tc electron-hole liquid in diamond. Physical Review Letters. 88. 057404 (2002).
  5. Teofilov N., Schliesing R., Thonke K., Zacharias H., Sauer R., Kanda H. Optical high excitation of diamond: phase diagram of excitons, electron-hole liquid and electron-hole plasma. Diamond and related materials. 12. 636—641 (2003).
  6. Липатов Е. И., Генин Д. Е., Тарасенко В. Ф. Рекомбинационное излучение в синтетическом и природном алмазе при воздействии импульсным лазерным УФ излучением. Известия ВУЗов. Физика. 58. 36-46 (2015).
  7. Васильченко А. А., Копытов Г. Ф. Высокотемпературная электронно-дырочная жидкость в плёнках алмаза. Известия ВУЗов. Физика. 61. 727 (2018).
  8. Липатов Е. И., Генин Д. Е., Тарасенко В. Ф. Импульсная фотопроводимость алмаза при квазистационарном возбуждении лазерным излучением на 222 нм в условиях существования электронно-дырочной жидкости. Письма в ЖЭТФ. 103. 755—761 (2016).

Литература
  • Келдыш Л. В. и др. Электронно-дырочные капли в полупроводниках. — М.: Наука, 1988. — 468 с. — ISBN 5-02-001303-X.


This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.