1.4 Система параллельных квантовых ям
Подобные структуры принято называть структурами с вертикальным переносом. Рисунок отвечает системе квантовых ям, но, подвергнув эту систему литографической процедуре, можно иметь систему квантовых нитей или точек, между которыми возможен вертикальный перенос. Подобные структуры служат основой для ряда приборов наноэлектроники. Если число параллельных слоев в структурах с вертикальным переносом велико (как минимум, несколько десятков), мы имеем искусственную периодическую структуру, или сверхрешетку. Наиболее важным свойством сверхрешеток, определяющим все их уникальные физические свойства, является видоизменение их энергетического спектра по сравнению со спектром одиночной квантовой ямы. На электроны и дырки в сверхрешетке действует дополнительный прямоугольный потенциал V(z), связанный с разрывами зон на гетерограницах. Этот потенциал является периодическим, как и потенциал кристаллической решетки, и к нему применимы все основные выводы о свойствах уравнения Шредингера с периодическим потенциалом. Движение носителей вдоль оси z (ось сверхрешетки) может быть описано с помощью квазиимпульса pz, причем энергия является периодической функцией с периодом h/(а + b). Энергетический спектр носит зонный характер и представляет собой чередование разрешенных и запрещенных зон. Эти зоны есть результат дробления исходной зоны проводимости (для электронов) и валентной зоны (для дырок), поэтому их принято называть минизонами. Между энергетическими спектрами сверхрешетки и обычной кристаллической решетки существуют большие различия. Во-первых, зонным спектром характеризуется лишь движение вдоль оси сверхрешетки z. В плоскости слоев носители движутся как свободные и полный спектр сверхрешетки резко анизотропен, так же как в рассмотренных выше двумерных системах. Во-вторых, благодаря тому, что период сверхрешетки намного больше, чем параметр решетки кристалла, характерный масштаб энергий и импульсов в спектре оказывается значительно меньшим. Характерные ширины минизон измеряются десятыми или сотыми долями электронвольта, что сравнимо с тепловой энергией электрона. Поэтому движение по минизоне нельзя описать постоянной эффективной массой. Динамика в направлении оси сверхрешетки носит сложный характер, что служит причиной ряда необычных эффектов.
1.5 Одноэлектронное туннелирование
Известно, что электрический ток в проводнике обусловлен движением электронов относительно неподвижных ионов решетки. Хотя каждый электрон несет дискретный единичный заряд, общий перенесенный ими заряд изменяется не скачкообразно, как можно было бы ожидать, а непрерывно, поскольку этот заряд определяется суммой смещений всех электронов относительно ионов. Свободные электроны в проводнике могут смещаться на сколь угодно малые расстояния. Поэтому суммарный переносимый ими заряд изменяется монотонно с дискретностью меньшей, чем единичный заряд электрона. В структуре, состоящей из двух областей проводника, разделенных тонким диэлектриком, электрический заряд переносится комбинированно – непрерывно в проводнике и дискретно через диэлектрик. Первоначально граница раздела между проводником и диэлектриком электрически нейтральна. При приложении к внешним контактам структуры электрического потенциала начинается непрерывное изменение заряда в проводнике. Оно сопровождается накоплением заряда на границе с диэлектриком. Этот заряд возникает вследствие небольших непрерывных смещений электронов в приграничной области проводника относительно своих равновесных положений. Накопление заряда продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После акта туннелирования система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Электрон приобретает возможность туннелировать через диэлектрик, когда накопленный заряд становится больше + e/2 (туннелирование в «прямом» направлении) или меньше – e/2 (туннелирование в «обратном» направлении), поскольку только при этом уменьшается электростатическая энергия системы. Внутри этого интервала туннелирование невозможно из-за кулоновского взаимодействия электрона с другими подвижными и неподвижными зарядами в проводнике. Данное явление называют кулоновской блокадой. Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады было впервые рассмотрено советскими учеными Д. Авериным и К. Лихаревым. На основе их работ (1985–1986 гг.) сформировалось новое направление в наноэлектронике – одноэлектроника.[4]
|
