Квантовый перенос в наноструктурах

Рассмотрим далее процессы квантового переноса, происходя­щие при протекании через наноструктуры тока от присоеди­ненных к ним внешних источников. Такие процессы можно также назвать мезоскопическим переносом, исходя из предло­женного в разделе 1.3 термина «мезоскопический», относяще­гося к системам, промежуточным между макроскопическими и микроскопическими (или атомарными, которые описывают­ся квантовой механикой). В электронике или, точнее, в микроэлектронике такие системы известны как приборы с размерами в субмикронном или нанометровом диапазоне. Очень интерес­ным явлением, проявляющимся при мезоскопическом перено­се, является квантование проводимости в единицах 2е²/h. Другое не менее интересное явление называется кулоновской блокадой и может наблюдаться в очень малых наноструктурах (типа квантовых точек).

Для наблюдения квантовых эффектов в полупроводниковых наноструктурах должен быть удовлетворен ряд условий. Из на­иболее общих требований стоит отметить, прежде всего, то, что при заданной температуре квантовый перенос сильнее проявля­ется в тех наноструктурах, эффективная масса электрона в кото­рых меньше, поскольку это обычно подразумевает и более высо­кую подвижность. Кроме того, уменьшение эффективной массы способствует повышению энер­гетических уровней электрона в квантовой яме. В целом можно утверждать, что, чем меньше эффективная масса, тем при более высокой температуре может наблюдаться квантовый перенос.

Перенос в мезоскопических системах обычно происходит в баллистическом режиме, так как их размеры обычно меньше, чем средний свободный пробег электронов, ко­торый в гетероструктурах АlGаАs/GаАs при низких температу­рах обычно составляет несколько микрон. Помимо отсутствия процессов рассеяния, баллистический перенос отличается еще и тем, что при нем электроны не теряют фазовую когерентность, поскольку не участвуют в неупругих столкновениях. Благодаря этой особенности электроны в мезоскопических системах могут демонстрировать фазовые интерференционные эффекты.