4.4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТРУКТУРЫ ПОНИЖЕННОЙ РАЗМЕРНОСТИ

Квантовая механика — это фундаментальная наука, изучающая свойства мельчайших частиц вещества. Ее законы описывают поведение электронов, атомов или молекул и кажутся весьма странными, необъяснимыми с точки зрения здравого смысла. То, что справедливо в мире обычных тел, с которыми мы имеем дело в технике или повседневной жизни, нередко оказывается неверным в мире атомов.

До недавнего времени инженеры-разработчики электронных приборов в своих расчетах использовали только законы классической физики. И это было вполне оправданно, поскольку, например, в обычном кинескопе телевизора электроны движутся так же, как классические материальные точки — биллиардные шары или мячи. В сложнейшем микропроцессоре компьютера движение микроскопических электронов также подобно движению классических тел. Однако ситуация меняется. Логика развития современной полупроводниковой электроники такова, что интегральные схемы становятся все более сложными и объединяют все большее число элементов. До сих пор изготовителям интегральных схем удавалось увеличивать плотность размещения транзисторов, диодов и других элементов за счет уменьшения их размеров. В недалеком будущем эти размеры станут порядка нескольких долей микрона. В тот момент, когда это произойдет, описание на языке классической физики потеряет всякий смысл и создатели электронных приборов будут вынуждены обратиться к квантовой механике.

Сегодня уже накоплен большой опыт в разработке приборов, действие которых основано на квантово-механических принципах. Такие полупроводниковые структуры имеют размеры в несколько нанометров или несколько десятков ангстрем. Хотя указанные размеры еще превышают размеры настоящих атомов, электроны в этих структурах ведут себя как квантовые объекты. Можно выделить три основных типа микроструктур: квантовые ямы, нити и точки. Изучение этих структур открывает не только новые страницы электронной инженерии, но и сопровождается открытиями фундаментального характера.

Полупроводниковые квантовые точки представляют собой гигантские молекулы размерами порядка нескольких нанометров, состоящие из 103-105 атомов и созданные на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов 81,1пР, СсШе и т. д. Они больше обычных для химии традиционных молекулярных скоплений, но меньше структур, которые производятся современными литографическими средствами электронной промышленности. На рис. 4.13 показано схематичное изображение квантовой точки, получаемой в настоящее время в лабораторных условиях.

В квантовых точках движение ограничено в трех направлениях, и энергетический спектр полностью дискретный, как в атоме. Поэтому их называют еще искусственными атомами. Размеры квантовых точек (можно говорить также о квантовых ящиках) порядка нескольких нанометров. Подобно настоящему атому, квантовая точка может

Рис. 4.13

Схематичное изображение квантовой точки, получаемой в реальных экспериментах

содержать один или несколько свободных электронов. Если один электрон, то это как бы искусственный атом водорода, если два — атом гелия и т. д.

Исторически первыми квантовыми точками были микрокристаллы селенида кадмия СДЭе. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трехмерной потенциальной яме, он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними (точное выражение зависит от формы точки). При переходе между уровнями энергии квантовой точки, как и атома, может излучаться фотон. Возможно также забросить электрон на высокий энергетический уровень, а излучение получить от перехода между более низколежащими уровнями (люминесценция). При этом, в отличие от настоящих атомов, частотами переходов легко управлять, меняя размеры кристалла. Собственно, сопоставление лю- минисценции кристаллов селенида кадмия с ее частотой, определяемой размером кристалла, и позволило впервые выявить квантовые точки.

В настоящее время множество экспериментов посвящено квантовым точкам, сформированным в двумерном электронном газе. В нем движение электронов перпендикулярно плоскости уже ограничено, а область на плоскости можно выделить с помощью затворных металлических электродов, накладываемых на гетероструктуру сверху. Квантовые точки в двумерном электронном газе можно связать туннельными контактами с другими областями двумерного газа и изучать проводимость через них.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >