11.5. Квантовые размерные эффекты

Рассмотренная выше теория является полуклассической, так как наряду с классическими кулоновскими эффектами присутствуют такие эффекты как квантовое туннелирование. Однако в одноэлектронных системах возможны и чисто квантовые эффекты, связанные с пространственным ограничением объектов. При использовании двух и более переходных систем между двумя электродами находятся малые объекты, которые при определенных условиях (геометрические размеры и температура) могут рассматриваться как квантовые точки, т.е. нульмерные объекты, в которых энергетический спектр представляет собой набор дискретных уровней. Проведя несложный анализ, можно увидеть, например, что для Al-зерна размером 4,3 нм для наблюдения квантово-размерных эффектов необходима температура <1,5 К.

Для полупроводниковых точек, однако, необходимая температура будет гораздо выше из-за более низкой плотности состояний. При наличии отдельных дискретных энергетических уровней электрон сможет туннелировать только через них, и на вольт-амперной характеристике одноэлектронной системы и на "кулоновской лестнице" (рис. 11.4) будет проявляться структура энергетических уровней.

Более подробно транспорт электронов через дискретные энергетические уровни в квантовой точке рассматривается в работах Исавы и Сувы. (Isawa Y, Suwa F. "Transport through discrete energy levels in quantum dots", Jpn. J. Apll Rhys, 1995, No. 34, p. 4492-4495)

I, нА

Рис. 11.4. Вольт-амперная характеристика квантовой точки

11.6. Классификация одноэлектронных приборов

Конструкции одноэлектронных приборов весьма различны, тем не менее, их можно классифицировать по следующим признакам:

1) по направлению протекания тока

Здесь приборы различают на горизонтальные (латеральные) и вертикальные. В горизонтальных приборах направление протекания тока параллельно плоскости поверхности структуры. В вертикальных – направление протекания тока перпендикулярно плоскости поверхности;

2) по способу формирования квантовых точек

Конструктивно одноэлектронные приборы делятся на приборы на постоянных и временных квантовых точках. Заметим, что термин "квантовая точка" по отношению к малому объекту не всегда корректен, так как, вообще говоря, квантования энергетического спектра может и не наблюдаться. Однако данный термин широко используется в силу того, что для квантования спектра достаточно лишь понизить температуру. Постоянная квантовая точка существует все время и представляет собой чаще всего какой-либо кластер. Временная квантовая точка создаётся в двумерном электронном газе путем приложения пониженных напряжений, т.е. существует лишь во время работы прибора. Кроме того, приборы на временных квантовых точках можно разделить по способу формирования двумерного электронного газа на инверсные и гетероструктурные. В инверсных приборах двумерный электронный газ формируется в инверсных приповерхностных слоях путём приложения соответствующего напряжения. В гетероструктурных приборах двумерный электронный газ существует на гетерогранице;

3) по количеству и геометрии расположения квантовых точек

Здесь имеем нульмерные (одноточечные), одномерные (цепочка точек) и двумерные (массив точек) устройства;

4) по управляемости параметрами квантовых точек

Делятся на неуправляемые (двухэлектродные) и управляемые (многоэлектродные, с одним или несколькими затворами) приборы.