Электронный газ

Электро́нный га́з — модель в физике твердого тела, описывающая поведение электронов в телах с электронной проводимостью. В электронном газе пренебрегается кулоновским взаимодействием между частицами, а сами электроны слабо связаны с ионами кристаллической решётки. Соответствующим понятием для материалов с дырочной проводимостью является дырочный газ.

Плотность состояний трёхмерного электронного газа для нулевой и ненулевой температуры. обозначает энергию Ферми, показывает меру теплового размытия кривой.

Физическое описаниеПравить

Электронный газ в металлах является частным случаем Ферми-газа[1]. По аналогии с термодинамической моделью идеальным газом можно ввести понятие сжимаемости и теплоемкости электронного газа.

Сжимаемость электронного газаПравить

Сжимаемость электронного газа характеризует изменение давления электронного газа при изменении его объёма. По аналогии с обычным идеальным газом можно ввести понятие сжимаемости  , обратная величина которой определяется как взятое с отрицательным знаком произведение объёма газа   и изменения давления   электронного газа при изменении объёма с сохранением полного числа частиц  . Для вырожденного газа в металлах сжимаемость обратно пропорциональна энергии Ферми[2].

Теплоёмкость электронного газаПравить

Теплоёмкость электронного газа определяется как количество теплоты, которую необходимо передать электронному газу для того, чтобы повысить его температуру (меру кинетической энергии носителей) на 1 К. Для вырожденного электронного газа (в металлах) теплоёмкость стремится к нулю при малых температурах, и линейно возрастает с температурой. Поскольку теплоёмкость кристаллической решётки при низких температурах пропорциональная кубу температуры (закон Дебая), то существует область низких температур, при которых теплоёмкость электронов больше чем теплоёмкость решётки. Однако при более высоких температурах, чем температура Дебая, вклад электронной подсистемы в общую теплоёмкость твёрдого тела не превышает нескольких процентов.

Магнитные свойства электронного газаПравить

Электронный газ обладает парамагнитными свойствами, обусловленными ориентацией спина электрона по и против внешнего магнитного поля. Для вырожденного электронного газа магнитная восприимчивость не зависит от температуры.

Примеры систем с электронным газомПравить

Двумерный электронный газ (ДЭГ) возникает при пространственном ограничении электронного газа в некотором направлении. Примерами систем с ДЭГ могут служить область канала в полевых транзисторах или HEMT-транзисторах. Достоинство ДЭГ — высокая подвижность носителей, позволяющая конструировать быстродействующие электронные приборы.

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М., Наука — 1978, с. 789
  2. G. D. Mahan. Many-particle Physics. 3rd edition. Kluwer Academic/Plenum Publishers (2000)

ЛитератураПравить