Квантовая яма

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Quantum well.svg

Квантовая яма — узкая потенциальная яма, которая ограничивает возможность движения частиц с трех до двух измерений, тем самым заставляя их перемещаться в плоском слое. Является двумерной (англ. two-dimensional, 2D) системой. Квантово-размерные эффекты проявляют себя, когда ширина ямы становится сравнимой с длиной волны де Бройля частиц (обычно электронов или дырок), и приводят к появлению энергетических подзон размерного квантования.

Энергия частицы в яме может быть представлена как сумма энергии движения в направлении квантования ( на рис.) и свободного движения в перпендикулярной плоскости ( на рис.). При этом принимает только дискретные значения, равные энергии дна какой-то из подзон, а на ограничений нет.

Квантовой ямой иногда называют систему с ограничением движения не только по одному, но и по двум или по трём декартовым координатам — с уточнением (по числу свободных направлений): «двумерная» (2D), «одномерная» (1D) или «нульмерная» (0D) яма. Но чаще в последних случаях используются термины «квантовый провод» (1D) и «квантовая точка» (0D).

Создание квантовых ям[править | править код]

Пример сочетания материалов, при котором в среднем слое образуется яма и для электронов, и для дырок.
Зонная диаграмма структуры с кватновой ямой; схематично показан вид волновых функций.

Один из наиболее распространённых способов формирования квантовых ям в современных условиях — последовательное нанесение слоёв A—B—A полупроводниковых материалов, где материал B таков, что либо край его зоны проводимости лежит ниже края зоны проводимости материала A, либо край валентной зоны В лежит выше края валентной зоны А, либо и то и другое. Толщина слоя B обычно составляет несколько нанометров.

Оценка энергий подзон[править | править код]

Энергию дна каждой из подзон размерного квантования можно приблизительно оценить с помощью выражения:

,

где  — номер подзоны размерного квантования,  — эффективная масса соответствующей квазичастицы,  — ширина квантовой ямы. Формула справедлива только тогда, когда энергия меньше, чем глубина ямы.

Для очень глубокой ямы (в пределе — для прямоугольной ямы с бесконечными стенками) эта формула даёт точные значения энергий . На практике, хотя ямы нередко являются прямоугольными, высота их стенок конечна и составляет от долей эВ до нескольких эВ.

Если в яме находится достаточно большое число заряженных частиц, то они создают поле, искажающее профиль потенциала и значения жнергий подзон. Для рассмотрения подобных ситуаций существует метод Хартри-Фока.

Некоторые значимые свойства[править | править код]

Плотность состояний как функция энергии в трёхмерных системах и в случаях пониженной размерности. Для ямы (2D) — сплошная красная линия.

Из-за квазидвумерной природы в пределах одной подзоны размерного квантования плотность состояний не зависит от энергии, но, когда значение энергии превышает энергию дна следующей подзоны, плотность состояний резко возрастает, в отличие от корневой зависимости в случае трехмерных электронов.

Кроме того, эффективная масса дырок в валентной зоне становится ближе к массе электронов в зоне проводимости.пояснить

Квантовая яма может оставаться пустой, а может быть наполненной электронами или дырками. Добавляя донорную примесь, можно получить двумерный электронный газ, обладающий интересными свойствами при низкой температуре. Одним из таких свойств является квантовый эффект Холла, наблюдаемый в сильных магнитных полях. Добавление же акцепторной примеси приведет к получению двумерного дырочного газа.

Приборы с квантовыми ямами[править | править код]

Благодаря особенностям поведения 2D плотности состояний, задействование квантовых ям позволяет улучшить характеристики ряда оптических приборов. Структуры с квантовыми ямами широко используются в лазерных диодах, включая красные лазеры для DVD и лазерных указок, инфракрасных лазерах для оптических передатчиков и синих лазерах. Также используются в транзисторах с высокой подвижностью электронов используемых в малошумящей электронике. Инфракрасные фотодетекторы также основаны на применении квантовых ям[1].

Находят применение и более сложные структуры с ямами. Например, резонансно-туннельный диод использует квантовую яму между двумя барьерами для создания отрицательного дифференциального сопротивления.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Бузанева, 1990, с. 147-202.

Литература[править | править код]

  • Thomas Engel, Philip Reid. Quantum Chemistry and Spectroscopy. — Pearson Education, 2006. — С. 73—75. — ISBN 0-8053-3843-8.
  • Бузанева Е. В. Микроструктуры интегральной электроники. — М.: Радио и связь, 1990. — 304 с.