Наноелектроніка

Нагадування:
В квантовій ямі енергетичний спектр електронів твердого тіла змінюється, і утворюються
підзони розмірного квантування.

Двовимірні, одновимірні та нуль-вимірні носії –
класифікація

Двовимірні носії
Нехай всі електрони в системі мають Е < Е2. Тоді ніякий пружний процес (напр., розсіяння на домішках, акустичних фононах і електронів один на одному) не може змінити квантове число n (це потребує затрат енергії).
→ Електрони можуть змінювати свій імпульс лише в площині xy → електрони поводяться як суто двовимірні частинки.

Одновимірні носії
Рух носіїв може бути обмежений не в одному, а в двох напрямках.
Приклад - надтонкі дротинки або нитки.
У цьому випадку носії можуть вільно рухатися лише в одному напрямку (нехай це вісь x).
Тоді в площині yz енергія квантується і набуває дискретних значень Еmn.

Повний спектр є дискретно-неперервним (лише з одним неперервним ступенем вільності):
Цей спектр - система одновимірних підзон розмірного квантування.
Носії з таким спектром називаються одновимірними, а системи - одновимірними електронними структурами або квантовими нитками.

Системи, в яких рух носіїв обмежений у всії 3-х напрямках нагадують штучні атоми.
Енергетичний спектр уже не має неперервної компоненти, тобто складається не з підзон, а з дискретних рівнів Еlmn.
Це - нуль-вимірні системи або квантові точки.
Нуль-вимірні носії

1. Структури з двовимірним електронним газом
Спостереження двовимірного електронного газу можливе в:
тонких плівках,
МДН - структурах,
квантових гетероструктурах.
Квантові розмірні ефекти були вперше спостережені в плівках Ві - дуже високоякісних.
Увага! - з інших матеріалів важко отримати плівки такої якості: висока густина поверхневих станів → сильне розсіяння носіїв → тепер основним об’єктом досліджень є 2) і 3).

МДН - структури
У напівпровіднику утворюється вигин зон. Біля межі з діелектриком утворюється тонкий інверсійний шар (містить носії протилежного знаку до власних носіїв).
Енергетична діаграма МДН-структури

Контакт метал-напівпровідник.
Бар’єр Шотткі (нагадування)
Блокуючий контакт метал - напівпровідник (бар’єр Шотткі) утворюється, коли термодинамічна робота виходу з напівпровідника Фн/п не рівна роботі виходу з металу ФМ.
Струм термоелектронної емісії з поверхні напівпровідника буде більший (або менший), ніж струм термоелектронної емісії з поверхні металу.

При контакті таких матеріалів у початковий момент струм із напівпровідника в метал буде перевищувати зворотній струм із металу в напівпровідник
В приповерхневих областях напівпровідника та металу будут накопичуватися об’ємні заряди – від’ємні в металі і додатні у напівпровіднику.
В області контакту виникне ел.поле, в результаті чого утвориться вигин енергетичних зон.
Конкретизуємо: напівпровідник n-типу → повинно бути
Фм>Фн/п

Зонна діаграма, яка ілюструює утворення бар’єру Шотткі
Приповерхнева область напівпровідника збіднена основними носіями → в області контакту зі сторони напівпровідника формується область просторового заряду йонізованих донорів
n-тип

Гетероструктури
Основною перевагою гетероструктур є висока якість гетерограниці:
густина поверхневих станів ~ 108 см-2 (на кілька порядків менше, ніж в МДН-структурах) ⇒
дуже висока рухливість носіїв, до 107 см2/(В⋅с) (в МДН-структурах - до 5⋅104 см2/(В⋅с)) ⇒
уширення рівнів незначне ⇒
можна спостерігати тонкі ефекти.
Для досягнення такої якості необхідно підбирати речовини з близькими значеннями постійних гратки.

Приклад 1:
гетероструктура утворена контактом широкозонного та вузькозонного напівпровідників
Потенціальна яма утворена розривом зон ΔЕс з одного боку та електростатичним полем переходу з іншого боку.
Це - аналог інверсійного шару МДН-структури, оскільки відбувається квантування лише одного типу носіїв.
Зонна діаграма окремого гетеропереходу

Приклад 2.
Гетероструктура являє собою тонкий шар вузькозонного напівпровідника між двома шарами широкозонного.
Якщо ширина вузькозонного шару набагато менша від довжини екранування, то вигини зон за рахунок об’ємного заряду в напівпровідниках незначні →
потенціальна яма прямокутна
Зонна діаграма подвійної гетероструктури

Зонна діаграма системи з багатократними квантовими ямами
(Multiple quantum wells)

Дельта-шари
Це напівпровідники з сильно неоднорідним профілем легування - домішки розташовані в тонкому шарі шириною в один чи кілька періодів гратки.
Носії, що утворюються при іонізації домішок, утримуються поблизу площини шару зарядом домішок ⇒
електричне поле шару іонів екранується зарядом носіїв
⇒
результуюча потенціальна яма має вигляд «галочки»
⇒
відбувається квантування енергії в майже «трикутній» ямі.

Характерна риса дельта-шарів - можливість отримати високі концентрації розмірно-квантованих носіїв (до 1014 см-2).
Але! - рухливість відносно мала. Чому? - розсіяння на великій кількості домішкових іонів.

Структури з вертикальним переносом
Якщо квантово-розмірні структури - напр., шари, нитки або точки - розташовані близько одна до одної, то носії заряду можуть тунелювати між ними.

Система квантових ям з вузькими (~ кількох нм) широкозонними шарами.
Ями можуть обмінюватися електронами за рахунок тунелювання.
Якщо ям багато - маємо штучну періодичну структуру, або надгратку.

На електрони і дірки в надгратці діє додатковий прямокутний періодичний потенціал ⇒
як і в кристалічній гратці, рух електрона в надгратці можна охарактеризувати квазіімпульсом p(z) ⇒
енергія є періодичною функцією p(z) з періодом ⇒
енергетичний спектр являє собою чергування дозволених і заборонених зон - мінізон.