Квантова яма, квантовий бар’єр
Квантові ями. Цим терміном позначаються системи, в яких є розмірне квантування руху носіїв заряду в одному напрямку (квантова структура, в якій рух електрона обмежена в одному напрямку).
Квантова яма - це мезоскопические об'єкт. характеризується потенційною ямою для рухливих носіїв заряду - електронів і дірок, яка обмежує рухливість частинок з трьох до двох вимірів, тим самим змушуючи їх рухатися в плоскому шарі. Квантово-розмірні ефекти проявляють себе коли довжина ями стає порівнянна з довжиною хвилі де Бройля часток (зазвичай електронів або дірок), і призводять до появи енергетичних мінізони.
Енергію дна кожної з мінізони можна приблизно оцінити за допомогою формули:
Малюнок 3. Квантова яма (квантова плівка): дисперсійна залежність і щільність станів
Основні фізичні явища в квантових ямах: розмірне квантування електронного спектра, квантовий ефект Холла (цілочисельний і дробовий), при спеціальному приготуванні дуже висока рухливість електронів. Основні методи отримання квантових ям на гетероструктурах: металоорганічна газова епітаксії і молекулярно-пучкова епітаксії (епітаксії - метод вирощування кристалів на поверхні підкладки).
Структури з тунельно-прозорими бар'єрами (системи квантових ям і сверхрешетки). Основні фізичні явища в таких системах: резонансне тунелювання; формування мінізони спектра в надрешітках # 8209; періодичних системах, що містять багато квантових ям, розділених тунельно-прозорими бар'єрами; нелінійні електричні та оптичні явища в надрешітках. Методи вирощування цих структур ті ж, що і для квантових ям.
Розглянемо основну ідею розмірного квантування на прикладі електронів, що знаходяться в дуже тонкій металевій або напівпровідниковій плівці товщиною а. Та обставина, що в звичайних умовах носії зосереджені в плівці і не виходять з неї в навколишнє середовище, означає, що матеріал плівки (метал або напівпровідник) являє собою потенційну яму для електронів глибиною, рівній роботі виходу W, і шириною а. Відповідно до законів квантової механіки, енергія електронів в такій ямі квантуется. тобто може приймати лише деякі дискретні значення Еn. де n має цілочисельні значення 1,2,3, .... Ці дискретні значення називають рівнями розмірного квантування. Типові значення роботи виходу в більшості твердих тіл мають величину W = 4-5 еВ, на кілька порядків перевищує характерну теплову енергію носіїв kТ, рівну при кімнатній температурі 0.026 еВ. Тому потенційну яму можна вважати нескінченно глибокої (рис.1 а). Якщо плівка займає область 0 де m- ефективна маса електрона. Іншим необхідною умовою, що дозволяє вважати яму нескінченно глибокої, є трохи значень Еn. в порівнянні з її дійсної глибиною W. Ця умова, яке для нижніх рівнів можна записати у вигляді. при відповідає товщині плівки порядку декількох міжатомних відстаней. У всіх реальних структурах ця умова дотримується. Для вільної частинки з ефективною масою, рух якої в кристалі в напрямку обмежена непроникними бар'єрами (тобто бар'єрами з нескінченної потенційної енергією), дозволені значення хвильових векторів квазіімпульс мають вигляд: а енергія основного стану в порівнянні зі станом без обмеження зростає на величину Це збільшення енергії називається енергією розмірного квантування частинки. Енергія розмірного квантування є наслідком принципу невизначеності в квантовій механіці. Відповідне збільшення кінетичної енергії частинки дається тоді виразом (2). Тому даний ефект часто називають квантовим розмірним ефектом. Крім збільшення мінімальної енергії частинки квантовий розмірний ефект призводить також до квантування енергій її збуджених станів. Так для нескінченного одновимірного потенціалу «прямокутної ями» енергії збуджених станів виражаються як де.