Un puits quantique est utilisé pour confiner les électrons à des niveaux d’énergie spécifiques. Les puits quantiques sont constitués d’un semi-conducteur extrêmement mince avec une petite bande interdite, reposant entre un matériau avec une plus grande bande interdite. Ils sont extrêmement petits, généralement entre 1 et 20 nanomètres. Ils sont le plus souvent utilisés dans les diodes laser et l’imagerie infrarouge.
Ce puits utilise les propriétés du comportement des électrons et des bandes interdites pour fonctionner. Les bandes interdites sont des zones de l’orbitale d’un électron entre l’état fondamental, où les électrons reposent normalement, et la bande de conduction, vers laquelle les électrons des orbitales d’énergie plus élevées se déplacent lorsqu’ils sont excités. Les écarts sont des barrières entre les bandes d’état fondamental et les bandes de conduction, qui empêchent les électrons d’atteindre la bande de conduction sans gagner plus d’énergie qu’ils n’en ont dans leurs états fondamentaux. Plus la bande interdite est grande, plus il faut d’énergie aux électrons pour sauter cette bande interdite et atteindre la bande de conduction.
Une fois que l’électron atteint la bande de conduction, il libère son excès d’énergie et retombe dans son état fondamental. En plaçant un semi-conducteur microscopiquement mince entre un matériau avec des bandes interdites trop larges pour que les électrons sautent facilement, les scientifiques peuvent forcer les électrons à rester dans la zone bidimensionnelle du semi-conducteur mince. Le piégeage des électrons de cette manière permet une manipulation spécifique de l’énergie.
Étant donné que les électrons ne peuvent se déplacer que dans deux directions, ils ne peuvent produire que le type d’énergie souhaité par le scientifique ou le fabricant. Cette énergie est également concentrée dans un flux extrêmement étroit. En raison de cette focalisation, les puits quantiques créent des lasers précis pour les dispositifs optiques. Un exemple bien connu de puits quantique se trouve dans les lasers de lecture des lecteurs de disques compacts (CD).
Les puits quantiques sont appelés «puits» non seulement en raison de leur comportement de piégeage des électrons comme un puits piégerait l’eau, mais aussi en raison de leur apparence lorsqu’ils sont représentés graphiquement. Lorsque les puits quantiques sont représentés sur des graphiques d’énergie par rapport à la position, ils ressemblent à des vallées profondes, ou à des puits, souvent de forme rectangulaire. Un puits quantique est un type de puits de potentiel, ce qui signifie qu’il existe un potentiel pour une quantité minimale et fixe d’énergie à produire.
Cultivé, plutôt que créé, un puits quantique est généralement constitué d’un matériau comme l’arséniure de gallium entouré d’arséniure d’aluminium. Les puits sont cultivés, le plus souvent, par un processus appelé épitaxie par faisceau moléculaire, qui utilise une cellule d’effusion pour tirer des molécules de la substance sur une substance de base. Cette méthode crée une seule couche atomique du matériau du puits à chaque mise à feu de la cellule.