Структуры с вертикальным переносом и сверхрешетки на квантовых ямах

В том случае, когда несколько квантовых ям расположены близко друг от друга, носители зарядов могут туннелировать между ними, что является дополнительным физическим эффектом.

Системы параллельных квантовых ям с очень тонкими (порядка единиц нм) широкозонными разделяющими слоями, через которые возможно туннелирование электронов между смежными ямами называется структурой с вертикальным переносом.

Такие структуры можно получить путем последовательного чередования слоев GaAs и Al_xGa_1-xAs с характерными толщинами нанометрового диапазона (<100 нм). Графически эту структуру можно представить.

 

 

 

W_Я – толщина ямы

W_Б – толщина барьера.

Зонная диаграмма такой системы выглядит следующим образом

 

 

 

W= W_Я+ W_Б – период структуры.

Для нее должно выполняться условие

 

a <W<L

 

а – постоянная решетки,

L – диффузионная длина неосновных носителей

 

∆Е_с - для электронов

∆Е_v - для дырок высоты потенциальных барьеров.

Если число параллельных слоев в структуре с вертикальным переносом более нескольких десятков, то такие структуры называются сверхрешетками.

В природе таких структур нет.

Структуры с вертикальным переносом и сверхрешетки служат основой для ряда важных приборов наноэлектроники, таких, как резонансно-туннельный диод, одноэлектронный транзистор.

Энергетический спектр электронов в сверхрешетках, как и в одиночной квантовой яме, имеет дискретный характер, но уровни квантования принимают другие значения, обусловленные прямоугольным потенциалом периодического характера, связанным с разрывами зон на гетерограницах.

Как и потенциал кристаллической решетки, этот потенциал является периодическим, поэтому к нему применимы все квантово-механические выводы о свойствах уравнения Шредингера с периодическим потенциалом.

Важнейшими выводами являются:

· Движение носителей вдоль оси сверхрешетки может быть описано с помощью периодических функций для импульса и энергии с периодом

· Энергетический спектр в зоне проводимости и в валентной зоне распадается (дробится) на чередующиеся ряды разрешенных и запрещенных зон, которые называются минизонами.

· Для минизон соответствующих нижним уровням квантовой ямы, в которых сконцентрирована основная масса носителей, спектр электронов может быть записан как:

где - энергетический спектр электрона в сверхрешетке;

 

- дискретный уровень в отдельной квантовой яме;

 

- поправка из квантовой теории.

- характерная ширина минизон, составляющая величину порядка десятых, сотых долей эВ, что в принципе сравнимо с тепловой энергией электронов kT.

При этом движение носителей в минизонах не описывается постоянной эффективной массой.

Явление резкого возрастания прозрачности системы барьеров (относительно прозрачности единичного барьера) в том случае, когда энергия носителей, налетающих на систему барьеров, равна энергии дискретного уровня в квантовой яме, называется резонансным туннелированием.

 

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.