Квантовые нити

Квантовые нити и квантовые точки.

Квантовыми нитями называются наноструктуры, в которых движение носителей заряда квантовано в двух направлениях.

Большинство способов изготовления квантовых нитей основывается на том, что в квантовой структуре с двумерным электронным газом (яма) тем или иным способом ограничивается движение электронов еще в одном направлении.

Первые квантовые нити выполнялись на основе гетерогенных квантовых ям, потенциальный барьер которых создавался с помощью двух затворов, расположенных над этими ямами.

В результате в такой структуре движение электронов возможно только вдоль щели, т.е. их движение ограничено в двух направлениях.

Другим способом формирования квантовых нитей является вырезание узкой полоски с помощью литографической техники.

Движение электрона в такой квантовой яме возможно вдоль выступа, т.е. ограничено в направлении, перпендикулярном выступу и в направлении плоскости выступа.

Для получения нитей шириной 100 Ǻ, где квантование энергии электронов будет заметным, необязательно делать полоски именно такой ширины, потому что на боковых гранях вытравленной полоски, как и на свободной поверхности полупроводника, образуются поверхностные состояния, создающие, как правило, слой обеднения у поверхности. Этот слой вызывает дополнительное сужение проводящего канала, в результате чего квантоворазмерные эффекты можно наблюдать и в полосках большей ширины, т.е. порядка 0.1 мкм.

??? Выяснить длину затвора полевых транзисторов, используемых в INTEL PENTIUM ΙV, ΙΙΙ, ΙΙ.

1. В квантовых нитях основным физическим эффектом является эффект квантования проводимости.

Если нить делать достаточно короткой, то процесс движения электронов в ней становится баллистическим, т.е. без столкновения.

σ

Количество уровней управляется напряжением , следовательно, - имеет ступенчатый вид.

При этом подвижность электронов при баллистическом движении будет значительно больше, чем в объемном полупроводнике. В результате быстродействие будет увеличено.

2. Вторым эффектом является особый характер распределения плотности состояний у краев зон.

В квантовых нитях пики еще выше.

Квантовые нити применяют (могут применять) только в одной области, связанной с полупроводниковыми инжекционными лазерами.

Для работы лазера в режиме генерации необходимо, чтобы усиление света в резонаторе перекрывало суммарные потери энергии. При выполнении этого условия для достижения порога генерации требуется инжектировать в активную область лазера тем меньше носителей, чем больше плотность состояний вблизи края зоны. А согласно приведенному выше графику, плотность состояний в квантовых нитях выше.

Квантовые точки (искусственные атомы)

Квантовыми точками называются наноструктуры, в которых движение носителей заряда квантовано во всех трех направлениях.

Методы создания квантовых точек практически ничем не отличаются от технологии создания квантовых нитей. Для этого нужно изменить только форму маски: вместо щели использовать круглое отверстие.

В такой системе электроны двигаться никуда не смогут.

Размеры квантовых точек порядка 50 нм. В результате движение электронов в квантовой точке ограничивается во всех трех направления, и энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме, поэтому их называют искусственными атомами, хотя каждая точка состоит из тысяч и, даже, сотен тысяч атомов.

Важным своеобразным физическим эффектом, происходящим только в квантовых точках, является одноэлектронное туннелирование. Благодаря тому, что электрическая емкость отдельной точки мала, ее потенциал можно сильно изменять даже в том случае, когда на точку попадает всего один лишний электрон. Поскольку нельзя добавить заряд, меньший заряда электрона, то существует энергетический барьер, который нужно преодолеть, чтобы попасть на точку.

Если температура низка, и электрон не может приобрести энергию, достаточную для преодоления этого барьера, то ток через квантовую точку имеет своеобразный характер: он не течет непрерывно, как струя, а как бы выкапывает по одному электрону, подобно каплям из неплотно закрытого крана. Причем такое движение возможно лишь в том случае, когда разность потенциалов превышает определенный порог.

Явление отсутствия тока при приложении разности потенциалов к наноструктуре с квантовой точкой из-за невозможности туннелирования электронов через потенциальный барьер вокруг точки называется кулоновской блокадой. Минимальное напряжение, необходимое для преодоления кулоновской блокады, равно:

, где С – емкость квантовой точки.

Его называют напряжением отсечки квантовой точки или напряжением кулоновской блокады.

Для приборных применений квантовые точки используются в лазерах и светодиодах для ближнего ИК диапазона. В фотоприемниках для среднего ИК диапазона и в специфическом приборе – одноэлектронном транзисторе.

Дата добавления: 2014-01-04