Электронно-дырочная жидкость

Электро́нно-дырочная жидкость

Конденсированное состояние неравновесной электронно-дырочной плазмы в полупроводниках (См. Полупроводники) (см. Плазма твёрдых тел). Э.-д. ж. образуется, когда концентрация электронов и дырок (свободных или связанных в Экситоны) превышает некоторое, зависящее от температуры критическое значение n_kp. Эта концентрация легко достигается с помощью инжекции носителей, освещения полупроводника и т. п. При достижении n_kp система неравновесных носителей тока претерпевает фазовый переход, подобный переходу газ — жидкость, в результате которого она расслаивается на две фазы: капли относительно плотной Э.-д. ж., окруженные газом экситонов, и свободных носителей. При этом плотность и кристаллическая структура полупроводника практически не затрагиваются. В отличие от обычных жидкостей, в Э.-д. ж. отсутствуют тяжёлые частицы (ионы, атомные ядра). Поэтому Э.-д. ж. обладает сильно выраженными квантовыми свойствами: она не может кристаллизоваться, а остаётся жидкостью вплоть до самых низких температур (см. Квантовая жидкость); она не может быть жидкостью молекулярного типа, т. е. состоять из экситонов или экситонных молекул, а состоит из квазисвободных электронов и дырок, т. е. подобна жидкому металлу (См. Жидкие металлы).

Кулоновское взаимодействие, связывающее частицы в Э.-д. ж., ослаблено диэлектрической проницаемостью кристалла. Поэтому по сравнению с обычными жидкостями энергии связи частиц E₀ и их концентрации по в Э.-д. ж. весьма малы (E₀ ~ 10^-2 — 10^-1 эв, п₀ ~ 10¹⁷ — 10¹⁹ см^-3). Область температур Т, при которых возможно существование Э.-д. ж., по порядку величины определяется соотношением: Т ≥ (0,1 E₀/к) ~ 10—100 К (к — Больцмана постоянная).

Диаметр капель обычно ~ 1—10 мкм, однако удаётся наблюдать капли с диаметрами до 1 мм. Капли можно ускорять до скоростей порядка скорости звука (См. Скорость звука) в кристалле, т. е. это подвижные области высокой металлической проводимости внутри практически не проводящего (при низких Т) кристалла. Э.-д. ж. можно рассматривать как устойчивые макроскопические «сгустки» введённой в кристалл энергии возбуждения. Эта энергия выделяется в процессе рекомбинации электронов и дырок частично в виде электромагнитного излучения (излучательные переходы), так что Э.-д. ж. являются интенсивными источниками света. Э.-д. ж. наиболее полно изучена в Ge и Si, однако есть указания на её существование и в других полупроводниках.

Лит. см. при ст. Экситон.

Л. В. Келдыш.