Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1. Основные полупроводниковые квантово-размерные

структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1. Условия наблюдения квантовых размерных эффектов . . . . . . 5

1.2. Структуры с двумерным электронным газом . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2.1. Полупроводниковые и полуметаллические пленки. . . . . 6

1.2.2. МДП-структуры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.3. Гетероструктуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2.4. Дельта-слои . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.5. Графен . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3. Квантовые нити. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.4. Квантовые точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.5. Сверхрешетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.5.1. Полупроводниковые композиционные СР . . . . . . . . . . . . 15

1.5.2. СР типа полуметалл-полупроводник. . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.5.3. СР на основе кремния и МДП структур. . . . . . . . . . . . . . . 18

1.5.4. Легированные СР . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.5.5. Композиционно-легированные СР. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.5.6. Квазипериодические и непериодические СР. . . . . . . . . . . 21

2. Энергетический спектр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1. Изолированные квантовые ямы, нити, точки . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.1. Квантовые ямы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.2. Квантовые нити. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1.3. Квантовые точки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2. Одномерные сверхрешетки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3. Локализованные состояния. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.3.1. Мелкие водородоподобные примеси. . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3.2. Экситоны Мота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4. Размерное квантование во внешних полях . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.4.1. Двумерные системы в магнитном поле. . . . . . . . . . . . . . . 35

2.4.2. Квантовые ямы и сверхрешетки в электрическом поле. . 38

3. Плотность состояний и концентрация носителей заряда. . . . . . 41

3.1. Изолированные квантовые ямы и нити . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2. Сверхрешетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4. Оптические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.1. Общие положения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2. Межзонное поглощение в квантовых ямах и сверхрешетках . 49

4.3. Межзонное поглощение в квантовых нитях . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.4. Межподзонное поглощение в квантовых ямах

и сверхрешетках. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.5. Фотодетекторы ИК–излучения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5. Кинетические явления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.1. Неравновесная функция распределения

в низкоразмерных структурах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.2. Планарный перенос в квантовых ямах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.3. Вертикальный перенос в сверхрешетках. . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.3.1. Область омической проводимости . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.3.2. Отрицательная дифференциальная проводимость

в классических полях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.3.3. Резонансное туннелирование в области

штарковской локализации. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.4. Баллистическая проводимость квантовых нитей . . . . . . . . . . . 75

5.5. Квантовый эффект Холла (КЭХ) в квантовых ямах. . . . . . . . . 78

5.5.1. Классическая теория целочисленного КЭХ . . . . . . . . . . . 78

5.5.2. Влияние эффектов локализации на КЭХ . . . . . . . . . . . . . 79

6. Резонансное туннелирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

6.1. Прохождение электронов в структурах с одиночными

квантовыми ямами и потенциальными барьерами. . . . . . . . . . 82

6.1.1. Коэффициент пропускания и резонансное туннелирование

электронов при прохождении над квантовой ямой . . . . 82

6.1.2. Коэффициент пропускания и резонансное туннелирование

электронов при прохождении над потенциальным

барьером . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

6.2. Туннелирование электронов через двухбарьерную

квантовую структуру (ДБКС). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.2.1. Прохождение электромагнитных волн через

резонатор Фабри -Перо. Резонансные частоты. . . . . . . . 89

6.2.2. Энергетический спектр электронов в изолированной

несимметричной КЯ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.2.3. Естественное и релаксационное уширения уровней

энергии в квантовой яме ДБКС. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

6.2.4. Туннелирование электронов через ДБКС в области

резонансных значений энергии. Формула Лоренца . . . . 101

6.3. Резонансно-туннельный диод (РТД) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

6.3.1. Строение и действие РТД. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

6.3.2. ВАХ и ОДП идеального РТД. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

6.3.3. Эквивалентная схема и максимальная частота

генерации РТД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111