- •(Туннельный эффект)
- •Локализация электронов в простейших наноструктурах (размерное квантование)
- •Электроны в треугольной яме
- •Квантовые ямы на гетероструктурах
- •Квантовые ямы на дельта-слоях
- •Структуры с вертикальным переносом и сверхрешетки на квантовых ямах
- •Свойства минизон
- •Явление резонансного туннелирования в двухбарьерной структуре
- •Основные свойства квантовых ям, используемые в приборах наноэлектроники
- •Квантовые нити
- •Квантовые точки (искусственные атомы)
Квантовые ямы на дельта-слоях
Полупроводник с неоднородным профилем легирования, в котором ионы легирующей примеси не распределены однородно по объему, а сосредоточены в очень тонком слое в один или несколько периодов решетки, называется полупроводником с дельта-слоем.
В полупроводниках с дельта-слоем подвижные носители, образованные вследствие ионизации примеси, удерживаются зарядами неподвижных ионов вблизи плоскости слоя.
Электрическое поле слоя ионов экранируется зарядом электронов.
В результате зонная диаграмма приобретает следующий вид:
Отличительной характеристикой дельта-слоев является возможность получить в них очень высокой концентрации (до 1014см-2) размерноквантованных носителей (которые находятся на уровнях Е1, Е2, Е3). Это значительно больше, чем во всех рассмотренных прежде структурах. Однако подвижность носителей в них относительно невелика из-за эффекта рассеяния на большом количестве ионов, находящихся непосредственно в дельта-слое.
Структуры с вертикальным переносом и сверхрешетки на квантовых ямах
В том случае, когда несколько квантовых ям расположены близко друг от друга, носители зарядов могут туннелировать между ними, что является дополнительным физическим эффектом.
Системы параллельных квантовых ям с очень тонкими (порядка единиц нм) широкозонными разделяющими слоями, через которые возможно туннелирование электронов между смежными ямами называется структурой с вертикальным переносом.
Такие структуры можно получить путем последовательного чередования слоев GaAs и AlxGa1-xAs с характерными толщинами нанометрового диапазона (<100 нм). Графически эту структуру можно представить.
WЯ – толщина ямы
WБ – толщина барьера.
Зонная диаграмма такой системы выглядит следующим образом
W= WЯ+ WБ – период структуры.
Для нее должно выполняться условие
a <W<L |
а – постоянная решетки,
L – диффузионная длина неосновных носителей
∆Ес - для электронов
∆Еv - для дырок высоты потенциальных барьеров.
Если число параллельных слоев в структуре с вертикальным переносом более нескольких десятков, то такие структуры называются сверхрешетками.
В природе таких структур нет.
Структуры с вертикальным переносом и сверхрешетки служат основой для ряда важных приборов наноэлектроники, таких, как резонансно-туннельный диод, одноэлектронный транзистор.
Энергетический спектр электронов в сверхрешетках, как и в одиночной квантовой яме, имеет дискретный характер, но уровни квантования принимают другие значения, обусловленные прямоугольным потенциалом периодического характера, связанным с разрывами зон на гетерограницах.
Как и потенциал кристаллической решетки, этот потенциал является периодическим, поэтому к нему применимы все квантово-механические выводы о свойствах уравнения Шредингера с периодическим потенциалом.
Важнейшими выводами являются:
Движение носителей вдоль оси сверхрешетки может быть описано с помощью периодических функций для импульса и энергии с периодом
Энергетический спектр в зоне проводимости и в валентной зоне распадается (дробится) на чередующиеся ряды разрешенных и запрещенных зон, которые называются минизонами.
Для минизон соответствующих нижним уровням квантовой ямы, в которых сконцентрирована основная масса носителей, спектр электронов может быть записан как:
где - энергетический спектр электрона в сверхрешетке;
- дискретный уровень в отдельной квантовой яме;
- поправка из квантовой теории.
- характерная ширина минизон, составляющая величину порядка десятых, сотых долей эВ, что в принципе сравнимо с тепловой энергией электронов kT.
При этом движение носителей в минизонах не описывается постоянной эффективной массой.
Явление резкого возрастания прозрачности системы барьеров (относительно прозрачности единичного барьера) в том случае, когда энергия носителей, налетающих на систему барьеров, равна энергии дискретного уровня в квантовой яме, называется резонансным туннелированием.