Электронно-дырочная жидкость

Электро́нно-ды́рочная жи́дкость, неравновесное состояние носителей заряда в полупроводниках, в котором экситоны большой плотности конденсируются из электронно-дырочной плазмы в плотную фазу (жидкость). Существование электронно-дырочной жидкости было предсказано Л. В. Келдышем в 1968 г. Электронно-дырочная жидкость возникает в полупроводниках (например, ${\displaystyle {\text{Ge}}}$, ${\displaystyle {\text{Si}}}$, ${\displaystyle {\text{GaAs}}}$, ${\displaystyle {\text{CdS}}}$) при достаточно низких температурах, если концентрация носителей заряда (электронов и дырок) превышает некоторую критическую величину, зависящую от температуры. Критическую концентрацию электронов и дырок можно получить с помощью возбуждения полупроводника лазерным освещением либо инжекцией носителей заряда. При этом экситоны теряют индивидуальность и связываются в пары, образуя биэкситоны. Кулоновское взаимодействие между квазичастицами экранируется, и возникает вырожденное состояние, аналогичное плазме.

Конденсация свободного газа экситонов большой плотности в электронно-дырочной жидкости является фазовым переходом 1-го рода, при котором изначально однородный газ экситонов расслаивается на макроскопические области (капли) электронно-дырочной жидкости с высокой концентрацией квазичастиц. Внутри капель квазичастицы связаны обменными и корреляционными силами взаимодействия. Капли окружены газоподобными областями экситонов с низкой концентрацией квазичастиц, следовательно, в полупроводнике сосуществуют две фазы. При дальнейшем увеличении средней по объёму концентрации неравновесных электронов и дырок объём капель растёт, но их плотность не изменяется до тех пор, пока электронно-дырочная жидкость не заполнит весь объём. Таким образом, электронно-дырочная жидкость является вырожденной двухкомпонентной ферми-жидкостью, наличие которой можно наблюдать по спектрам излучения (кроме экситонных линий появляется широкая полоса, соответствующая электронно-дырочной рекомбинации). Фаза электронно-дырочной жидкости стабильна в полупроводниках, обладающих сильной анизотропией эффективных масс, а также высокой степенью вырождения энергетического спектра.