Свойства минизон

1. При повышении толщины барьерных слоев их туннельная прозрачность уменьшается, минизоны сужаются ( →0) и превращаются в дискретные уровни одиночной квантовой ямы.

2. В противоположном случае сужаются все запрещенные минизоны и сверхрешетка переходит в структуру обычного однородного полупроводника.

Явление резонансного туннелирования в двухбарьерной структуре

Двухбарьерная структура – структура с вертикальным переносом, образованная двумя потенциальными барьерами с квантовой ямой, раположенной между ними.

В этом случае потенциальная функция системы будет иметь вид:

Если энергия электрона будет равна энергии дискретного уровня в яме, то электрон может проникнуть через два барьера.

С учетом того, что электрон в квантовой яме будет многократно отражаться от границ барьера, его коэффициенты отражения и прозрачности для двухбарьерной системы можно выразить через эти же коэффициенты для первого и второго барьеров в виде рядов, представляющих собой суммы геометрической прогрессии:

,

где k- волновой вектор электрона в квантовой яме;

kL – запаздывание по фазе для волны в квантовой яме;

D₁ и D₂ – коэффициенты прозрачности первого и второго барьеров;

R₁ и R₂ – коэффициенты отражения первого и второго барьеров.

Тогда

В квантовой яме волновой вектор квантуется следующим образом:

Сами дискретные уровни энергии

Если энергия электрона совпадает с дискретными уровнями, то cos пропадет и останется

,

тогда с учетом того, что ??? Подумать, почему «примерно» равно?

.

Если предположить, что .

Т.о. мы показали, что несмотря на то, что если коэффициенты прозрачности обоих барьеров малы, коэффициент прозрачности двухбарьерной системы для частиц с энергией, соответствующей дискретным уровням в квантовой яме, имеет значение, близкое к единице. Тем самым в данных условиях наблюдается эффект резонансного туннелирования.

Поведение электрона в двухбарьерной системе можно описать следующим образом:

1. электрон надолго задерживается в квантовой яме;

2. в квантовой яме электрон испытывает многократное отражение от стенок барьера;

3. если энергия электрона равна дискретному уровню квантовой ямы, то вероятность туннелирования электронов через двухбарьерную систему велика.

Основные свойства квантовых ям, используемые в приборах наноэлектроники

Главными приборными применениями квантовых ям в наноэлектронике являются:

1. Высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов (нанотранзисторы).

2. Полупроводниковые гетеролазеры и светодиоды со спектром от ближайшего ИК до голубого света.

???записать данный диапазон в длинах волн

3. Лазеры дальнего ИК диапазона.

4. Фотоприемники среднего ИК диапазона.

5. Примесные фотоприемники дальнего ИК диапазона.

6. Модуляторы ближнего ИК диапазона.

1. Хорошо известно, что для повышения быстродействия полевых транзисторов, а, следовательно, и компьютеров, нужно повышать подвижность электронов в транзисторных структурах. На сегодня в транзисторах на квантовых ямах получены подвижности электронов 10⁷см²/В∙с, что на несколько порядков больше, чем подвижность в однородных полупроводниках. Данная высокая подвижность наблюдается , правда, только при низких температурах и очень малых токах через прибор. В условиях работы реального транзистора эти значения заметно меньше, но все же достаточно велики для того, чтобы транзисторы на квантовых ямах нашли заметное место в современной электронике.

2. Не менее важную роль структуры с квантовыми ямами играют в создании современных полупроводниковых лазеров. Такие структуры обладают одним важным преимуществом перед обычными полупроводниками: неравновесные носители, создаваемые за счет инжекции или освещения, в достаточно широкой области широкозонного материала, захватываются в узкозонный слой, образующий квантовую яму, где их потенциальная энергия меньше. За счет малой толщины этого слоя объемная плотность неравновесных носителей в нем очень велика и легко достигает значений, необходимых для лазерной генерации уже при достаточно слабой накачке.

Использование структур с квантовыми ямами позволило снизить во много раз пороговый ток инжекционных лазеров(т.е. тот минимальный ток, который надо пропустить через прибор, чтобы получить лазерное излучение) и приступить к промышленному производству миниатюрных и надежных лазеров, дающих непрерывное инфракрасное видимое излучение при комнатной температуре.

3.!!! Возможность управления эффективной шириной запрещенной зоны

Минимальная энергия, которую может иметь электрон в квантовой яме равна не нулю, как в массивном полупроводнике, а Е_с1. Аналогично квантуется энергия и для дырок, поэтому край оптического поглощения структур с квантовыми ямами определяется уже не шириной запрещенной зоны Е_g, а суммой .

Энергии квантования Е_с1 и Е_v1 зависят от ширины квантовой ямы, поэтому, меняя толщины слоев в гетероструктуре, можно из одних и тех же полупроводников изготавливать приборы оптоэлектроники (лазеры, светодиоды, фотоприемники) для различных областей спектра.

Более того, для уже изготовленной квантовой ямы с фиксированной шириной край поглощения можно менять, прикладывая к структуре электрическое поле, перпендикулярное слоям. При этом меняется форма квантовой ямы, энергии уровней Е_с1 и Е_v1 и положение края поглощения.

В результате для света с частотой, близкой к краю поглощения для данной квантовой ямы коэффициент поглощения, а, следовательно, и интенсивность света, прошедшего через структуру, может сильно меняться под действием электрического поля.

Поскольку электрическое поле может меняться с очень высокой частотой, то это открывает возможности ВЧ модуляции света, т.е. наложения на него очень большого объема информации для передачи по системам оптической связи.

4.Важной особенностью структур с квантовыми ямами является наличие у них сильного инфракрасного поглощения за счет электронных переходов между уровнями размерного квантования. Это дает возможность создавать высокоэффективные приемники такого излучения.

Принцип действия такого приемника

Если за счет оптического излучения повысить энергию электрона, то он поднимается на ∆Е – явление фотоэффекта.

Описанную идею удалось применить как для создания одиночных фотоприемников, так и для фотоприемных матриц, работающих в дальнем ИК диапазоне (≈10мкм) (человеческое тело излучает в этом диапазоне, танки и др. средства ближнего боя тоже в этом диапазоне).

Квантовые нити и квантовые точки.