Электронный газ

Электронный газ

Электронный газ— модель в физикетвердого тела, описывающаяповедение электронов в телах сэлектронной проводимостью. Вэлектронном газе пренебрегаетсякулоновским взаимодействиеммежду частицами, а сами электроныслабо связаны с ионамикристаллической решётки.

Соответствующим понятием дляматериалов с дырочнойпроводимостью является дырочныйгаз.

Трёхмерный электронный газ

Подобно тому как обычный газпредставляет собой совокупностьбольшого количества («ансамбль»)

Примеры систем сэлектронным газомсвободных молекул, электронный газ

создаётся ансамблем электронов внекотором объёме. Соответственно,электронный газ наличествует вметаллах и полупроводниках — влюбых средах, где имеются или могутпоявиться свободные электроны.

Многие характеристикимолекулярного газа, такие какплотность распределения частиц поэнергии, вводятся и применительно кэлектронному газу, хотя выражениядля них отличаются от случаяобычных газов.

Газ пониженной размерности

Двумерный электронный газ (ДЭГ)возникает при пространственномограничении электронного газа внекотором направлении. Примерамисистем с ДЭГ могут служить областьканала в полевых транзисторах илиHEMT транзисторах. ДостоинствоДЭГ — высокая подвижностьносителей, позволяющаяконструировать быстродействующиеэлектронные приборы. Аналогичнымобразом в тонких длинных объектах(так называемых квантовых нитях)формируется одномерныйэлектронный газ.Электронный газ является частнымслучаем Ферми-газа. Его поведениеможет быть рассмотрено по аналогиис термодинамической модельюидеального газа, в частности, можноввести понятия сжимаемости итеплоемкости электронного газа.

Сжимаемость электронного газа

Сжимаемость электронного газахарактеризует изменение давленияэлектронного газа при изменении егообъёма. По аналогии с обычнымидеальным газом можно ввестипонятие сжимаемости , обратнаявеличина которой определяется каквзятое с отрицательным знакомпроизведение объёма газа иизменения давления электронногогаза при изменении объёма с

сохранением полного числа частиц. Для вырожденного газа вметаллах сжимаемость обратнопропорциональна энергии Ферми.

Теплоёмкость электронного газа

Теплоёмкость электронного газаопределяется как количествотеплоты, которую необходимопередать электронному газу для того,чтобы повысить его температуру(меру кинетической энергииносителей) на 1 К. Длявырожденногоэлектронного газа (в металлах)теплоёмкость стремится к нулю прималых температурах, и линейновозрастает с температурой.

Поскольку теплоёмкостькристаллической решётки при низкихтемпературах пропорциональная кубутемпературы (закон Дебая), тосуществует область низкихтемператур, при которыхтеплоёмкость электронов большечемтеплоёмкость решётки. Однакопри более высоких температурах, чемтемпература Дебая, вкладэлектронной подсистемы в общуютеплоёмкость твёрдого тела непревышает нескольких процентов.

Магнитные свойстваэлектронного газа

Электронный газ обладаетпарамагнитными свойствами,обусловленными ориентацией спинаэлектрона по и против внешнегомагнитного поля. Для вырожденногоэлектронного газа магнитнаявосприимчивость не зависит от

температуры.