4. Квантовые ямы, проволоки и точки.

Квантовая яма – двухмерный (2D) объект. Это тонкий слой кристалла, толщина которого d соизмерима с длиной волны де Бройля λ_B. Система электронов в таком слое называется двухмерным (2D) электронным газом.

Движение электронов в этом слое ограничено отрезком d_y в направление y и не ограничено в направлениях x и z. Поэтому движение в направление y можно рассматривать как движение в одномерной бесконечно глубокой прямоугольной потенциальной яме шириной d_y.

Примерами квантовых ям с 2D-электронным газом могут служить проводящие каналы в полевых (униполярных) транзисторах (МДП – структуры на кремнии) и узкозонные слои в гетероструктурах из соединений А₃В₅ для инжекционных лазеров. Системы близкорасположенных параллельных КЯ, между которыми возможно туннелирование электронов, составляют сверхрешетки. Потенциальная яма для свободных электронов в квантовой яме одномерна.

Квантовая проволока (нить, шнур) – одномерный (1D) объект. Движение электронов ограничено вдоль осей y и z размерами dy и dz, соизмеримыми с λB, соответственно и не ограничено вдоль оси х. Сечение квантовой проволоки может быть и другим, чем это изображено на рис.5.

Потенциальная яма для свободных электронов в проволоке двухмерна.

Квантовая точка – это нульмерный (0D) объект. Движение свободных электронов огранчено в трех направлениях – х, y, z. Пример – нанокристаллики одного материала на поверхности растущего эпитаксиального слоя другого материала. Форма КТ может отличаться от кубической.

Потенциальная яма для КТ трехмерна.

В мезоскопической физике, описанные выше твердые тела (это полупроводники) называют объектами с пониженной размерностью или низкоразмерными.

5. Полупроводниковые гетероструктуры.

Хотя существует очень большое число (порядка 100) разнообразных полупроводниковых электронных приборов, все они могут быть в принципе сведены к следующим фундаментальным структурам: 1) p-n гомопереходы (главным образом на основе кристаллического кремния); 2) поверхности раздела металл-полупроводник; 3) структуры типа металл-диэлектрик-полупроводник (МОП-структуры или структуры Si-SiO₂-металл) и 4) полупроводниковые гетероструктуры, т.е. поверхности раздела двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Рассмотрим одиночный гетеропереход между двумя полупроводниками А и В, имеющими различную ширину запрещенной зоны и . Бывают гетеропереходы 1-го и 2-го типов.

В обеих случаях запрещенная зона материала В располагается внутри- А, а движение электронов и дырок из В в А ограниченно потенциальными барьерами, высота которых равна соответственно ΔE_c и ΔE_v.

В таких структурах электроны и дырки локализируются в одной области пространства- в слое В (в квантовых ямах)

Зонная диаграмма гетеропереходов 2-го типа представлена на рис.8 (а, б- с перекрывающимися запрещенными зонами и в, г- с неперекрывающимися)

В первом случае (рис.8 а, б) электроны и дырки локализируются в различных областях (соответственно в слое В и А (8 а) или в А и В (8 б))

Во втором случае электроны валентной зоны одного материала будут беспрепятственно переходить в зону проводимости другого материала (из А-слоя в В-слой на рис.8(в) и из В-слоя в А-слой на рис. 8(г))

Возникающее в результате этого электростатическое поле (диффузионное) исказит зонную диаграмму, а сам гетеропереход будет эквивалентен гетеропереходу металл - полупроводник.

КЯ являются одним из наиболее важных элементов большинства наноэлектронных и оптоэлектронных приборов.