Кулоновская блокада
Помимо большой совокупности физических свойств, которыми обладают одиночные квантовые ямы, нити и точки, существует еще одна группа явлений, связанных с прохождением тока через структуры, отделенные от массивных внешних электродов туннельно-прозрачными барьерами.
Рис. 1 Схематическое изображение структуры для наблюдения явления кулоновской блокады (а) и ее вольт-амперная характеристика (б)
На рис. 1, а представлено схематическое изображение такой структуры с квантовой точкой в качестве центрального электрода. Кроме эффекта резонансного туннелирования через квантовую яму, рассмотрим еще одну принципиально новое явление, возникающее при туннелировании носителей через квантовую точку.
Это явление, называемое кулоновской блокадой,опирается на тот факт, что заряд не может дробиться бесконечно и переносится через барьер дискретными порциями, кратными заряду электрона. [1, 2] Если размер, а, следовательно, и емкость квантовой точки C = Cл + Cп (Сл и Cп - емкости правого и левого туннельных переходов) достаточно малы, то перенос одного электрона в точку или из нее меняет электростатическую энергию на величину е2/2C. Указанный энергетический барьер и должен быть преодолен в процессе токопереноса. Это означает, что при малых напряжениях, приложенных к туннельной структуре, ток будет отсутствовать и возникнет лишь тогда, когда приложенное напряжение V превзойдет по абсолютной величине значение е/2C. В результате, вольт-амперная характеристика туннельного контакта при малых V будет существенно нелинейна (рисунок, б).
Для наблюдения эффектов кулоновской блокады требуются достаточно малые размеры квантовых точек и низкие температуры. Действительно, упомянутый электростатический потенциальный барьер будет существенно изменять свойства структуры, если его величина заметно превосходит тепловую энергию носителей:
(1)
Например, для структуры, где квантовая точка имеет характерный диаметр 0,1 мкм и отделена от контакта диэлектрическим слоем толщиной 20 нм, ее емкость составляет С ≈ 5.10-17 Ф. При этом условие (1) соответствует требованию Т << 30 К. Для наблюдения эффекта кулоновской блокады при более высоких температурах необходимо уменьшать размеры квантовой точки, а, значит, и ее электрическую емкость.
Следует подчеркнуть, что, хотя эффекты кулоновской блокады для своей реализации также требуют малых размеров точки а, что, условие (1), налагаемое на а, существенно иное, нежели условия для наблюдения квантовых размерных эффектов, рассмотренных нами в самом начале курса. Поэтому эффекты кулоновской блокады и размерного квантования являются независимыми. В частности, кулоновская блокада наблюдается в таких, например, структурах, как островковые пленки металла, где в силу достаточно большой эффективной массы электронов и высокой энергии Ферми размерное квантование практически не наблюдаемо.
На основе явления кулоновской блокады может быть изготовлен принципиально новый прибор - одноэлектронный транзистор.
1. Kelly M. J. Low-dimensional semiconductors. Oxford: University Press, 1995.
2. Ford С J. В., Simpson P. J., Pepper M. et al. Coulomb blockade in small quantum dots // Nanostructured Materials. 1993. Vol. 3. P. 283.