Квантовая яма


Квантовая яма — узкая потенциальная яма, которая ограничивает возможность движения частиц с трех до двух измерений, тем самым заставляя их перемещаться в плоском слое. Является двумерной (англ. two-dimensional, 2D) системой. Квантово-размерные эффекты проявляют себя, когда ширина ямы становится сравнимой с длиной волны де Бройля частиц (обычно электронов или дырок), и приводят к появлению энергетических подзон размерного квантования.

Энергия частицы в яме может быть представлена как сумма энергии движения в направлении квантования ( на рис.) и свободного движения в перпендикулярной плоскости ( на рис.). При этом принимает только дискретные значения, равные энергии дна какой-то из подзон, а на ограничений нет.

Квантовой ямой иногда называют систему с ограничением движения не только по одному, но и по двум или по трём декартовым координатам — с уточнением (по числу свободных направлений): «двумерная» (2D), «одномерная» (1D) или «нульмерная» (0D) яма. Но чаще в последних случаях используются термины «квантовый провод» (1D) и «квантовая точка» (0D).

Один из наиболее распространённых способов формирования квантовых ям в современных условиях — последовательное нанесение слоёв A—B—A полупроводниковых материалов, где материал B таков, что либо край его зоны проводимости лежит ниже края зоны проводимости материала A, либо край валентной зоны В лежит выше края валентной зоны А, либо и то и другое. Толщина слоя B обычно составляет несколько нанометров.

Энергию дна каждой из подзон размерного квантования можно приблизительно оценить с помощью выражения:

где  — номер подзоны размерного квантования,  — эффективная масса соответствующей квазичастицы,  — ширина квантовой ямы. Формула справедлива только тогда, когда энергия меньше, чем глубина ямы.