Квантовые процессы переноса

В течение последних двадцати лет изучение процессов переноса в наноструктурах было связано с исследованием различ­ных эффектов квантовой интерференции, а также с изучением одноэлектронных процессов переноса. Причина такого интереса заключается в том, что сред­ний свободный пробег электронов в полупроводниках обыч­но значительно больше, чем в металлах, вследствие чего и ин­терференционные эффекты в полупроводниковых структурах проявляются намного сильнее. В большинстве ранних иссле­дований макроскопических процессов переноса различали два механизма переноса (диффузионный и баллистический. Диффузионный перенос практически не связан с формой системы, поскольку при нём электроны участвуют в многочисленных процессах неупруго­го рассеяния, подобно переносу в объемных телах. С другой стороны, в квантовых гетероструктурах (где >> L) электроны двигаются баллистически, рассеиваясь лишь на границах системы. В этом случае (когда дополнительно параметр λВ сравним или превышает значение L) квантование энергии электрона в ямах становится весьма существенным. Баллис­тические электроны, проходящие через структуру без рас­сеяния, могут демонстрировать заметные интерференцион­ные эффекты. Особенно часто такие эффекты проявляются при наложении внешних магнит­ных полей.

В металлических наноструктурах величина составляет около 100 Å, и перенос в них осуществляется обычно по диффузионному механизму. С другой стороны, в полупроводниковых гетероструктурах величина £ доходит до нескольких микрон, в результате чего эффекты пространственной локализации становятся более существенными. В этом случае мы вообще не можем описать процессы переноса, пользуясь макроскопическими понятиями и представлениями (типа общеизвестного коэффициента электропроводности), и вынуждены как-то опе­рировать волновыми характеристиками функции, определяемой уравнением Шрёдингера. И действительно, в таких системах следует пользоваться новыми определениями, сформулирован­ными Ландауэром и Бутиккером, позволяющими объяснить наблюдаемое квантование проводимости. Понятие о квантовом переносе относится и ктуннелированию электронов через потенциальные барьеры регулируемой высоты и ширины. Примером практического использования квантового переноса могут служить диоды с резонансным туннелированием, которые демонстрируют очень высокую вероятность квантового туннелирования (достигающую при некоторых энергиях почти 100%), а также область отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперных характеристиках.