1.2 Туннелирование носителей заряда
Термин туннелирование означает перенос частицы через область, ограниченную потенциальным барьером, высота которого больше полной энергии данной частицы (или проникновение в эту область). Такой эффект невозможен с точки зрения классической механики, однако имеет место для квантовых частиц, которым, как известно, присущ корпускулярно-волновой дуализм. Волновые свойства квантовых частиц приводят и к другому, аномальному с точки зрения классической механики, эффекту — надбарьерному отражению. Взаимодействие квантовых частиц с различными потенциальными барьерами иллюстрирует рис. 1.1. На языке квантовой механики движение частицы в одномерном потенциальном поле U(x) описывается уравнением Шредингера:
где m — масса частицы, ψ(x) — ее волновая функция. Из квантовой теории следует, что даже в случае, когда энергия падающей на потенциальный барьер частицы больше высоты этого барьера, коэффициент ее отражения может быть отличен от нуля. Этим квантовая частица отличается от классической, для которой никакого отражения в подобной ситуации быть не может. Существование прошедшей через барьер волны, отвечающей квантовой частице с энергией меньше высоты барьера, называют туннельным эффектом. 
Рисунок 1.1- Взаимодействие квантовой частицы с полной энергией E со ступенчатым барьером конечной высоты U0, с бесконечно высоким потенциальным барьером и с прямоугольным барьером высотой U0 и шириной a
Туннелирование электронов является достаточно общим явлением для твердотельных структур. В низкоразмерных структурах это явление приобретает специфические особенности, отличающие его от эффектов в объемных системах. Одна из таких особенностей связана с дискретной природой переносимого электронами заряда и обнаруживает себя в явлении, которое получило название «одноэлектронное туннелирование». Другая особенность определяется дискретностью энергетических состояний носителей заряда в полупроводниковых наноструктурах с квантовыми колодцами, которая возникает из-за квантового ограничения. Туннельный перенос носителей заряда через потенциальный барьер с определенного уровня в эмиттирующей области на энергетически эквивалентный ему уровень в квантовом колодце происходит с сохранением энергии и импульса электрона. Такое совпадение уровней приводит к возрастанию туннельного тока, известному как эффект резонансного туннелирования. Более того, в наноструктурах, содержащих магнитные и немагнитные материалы, определенная спиновая поляризация туннелирующих электронов приводит к дополнительным эффектам. Все эти явления находят широкое применение в наноэлектронных приборах.
1.3 Структуры с вертикальным переносом и квантовые сверхрешетки
Рассмотренные ранее выше элементарные низкоразмерные структуры в определенном смысле являются идеализированными объектами. Реальные экспериментальные образцы содержат большое количество одинаковых или почти одинаковых квантовых объектов. Как правило, это не меняет физической картины, т.к. вклады от всех объектов просто суммируются. Ситуация резко меняется, если отдельные объекты находятся так близко друг к другу, что носители заряда могут туннелировать между ними. Рассмотрим систему параллельных квантовых ям, показанную на рис. 1.2., с очень тонкими (порядка единиц нанометров) широкозонными разделяющими слоями. При этом ямы уже не являются независимыми и могут обмениваться электронами за счет туннелирования через широкозонный слой.
Рисунок 1.2- Система параллельных квантовых ям
|
