فضای چهار بعدی را تصور کنید

توده، چاه، سیم و نقطه کوانتومی
اگر یک حجم یا توده‌ای از اتم‌ها و مولکول‌ها داشته باشیم که هیچ نوع محدودیتی نداشته باشند و الکترون‌ها بتوانند در جهت دلخواه حرکت کنند، به این حجم یک توده کوانتومی می‌گویند، انرژی این سیستم کاملا پیوسته است و هر مقداری می‌تواند باشد. مثلا تعداد زیادی اتم سیلیکون را در جهت خلاف فرآیند بالا حرکت دهیم. چاه کوانتومی از محدود کردن توده بالا در یک جهت به‌دست می‌آید‌. بدین‌معنی که ماده دارای سطوح مختلف انرژی است که هر سطح را به اسم نوار می‌شناسیم، مانند نوار ظرفیت و نوار رسانش. الکترون‌هایی که در نوار ظرفیت هستند، در واقع مقید به هسته بوده و نمی‌توانند به آسانی در اتم حرکت کنند و برای اینکه بتوانند از قید هسته رهایی پیدا کنند، باید به یک نوار رسانش بروند. بدین‌منظور باید انرژی لازم برای رفتن از نوار ظرفیت به نوار رسانش را داشته باشند. به فاصله بین این دو نوار گاف انرژی می‌گویند. در فلزات این گاف صفر است، در مواد عایق از مرتبه چند الکترون ولت و در مواد نیمه‌رسانا بین این دو انرژی است. در یک ماده رسانا الکترون‌ها به راحتی می‌توانند در هر جهتی حرکت کنند. حال اگر در یک راستا مثلا در چپ و راستِ این ماده، ماده‌ای دیگر قرار دهیم، سیستم تبدیل به یک چاه کوانتومی می‌شود. بدین‌معنی که سطح انرژی ماده اولیه پایین‌تر از ماده محدودکننده است و الکترون‌ها در ماده اولیه باید به یک سطح انرژی بالاتری برسند و این یعنی چاه کوانتومی، چاه کوانتومی از مهمترین مسائل در فیزیک کوانتومی است که کاربردهای فراوانی در نیمه رساناها دارد. توجه کنید که ما توده را در یک جهت محدود کردیم و در دو جهت دیگر الکترون‌ها می‌توانند آزادانه حرکت کنند.
اما اگر چاه را در یک جهت دیگر مثل بالا و پایین محدود کنیم، به یک سیم می‌رسیم‌. سیمی که در یک جهت الکترون‌ها می‌توانند آزادانه حرکت کنند. سیم‌های معمولی هم همین‌گونه‌اند یعنی در یک جهت تا بی‌نهایت ادامه دارند و در دو جهت دیگر محدود هستند و به همین خاطر به این سیستم سیم کوانتومی می‌گویند.
اما نقطه کوانتومی چیست‌، نقطه از محدود کردن یک توده در هر سه جهت به دست می‌آید. مثلا یک سیلیسیم که در اطراف آن ژرمانیوم قرار داده‌ایم. نقطه کوانتومی به‌علت محدود بودن، دارای انرژی گسسته‌ای می‌باشد که به آن اتم مصنوعی می‌گویند‌. به نقطه کوانتومی یک ساختار صفر بعدی گفته می‌شود. نقطه کوانتومی به علت اینکه با انتخاب مواد می‌توانیم سطوح انرژی آن‌را به هر مقدار دلخواهی تغییر دهیم، کاربردهای فراوانی دارند مانند دیودها، لیزرها، سلول‌های خورشیدی، آشکارسازها و....
در شکل‌های زیر انرژی‌های هر سه ساختار و نوع محدود کردن آنها را نشان داده‌ایم. در این شکل چگونگی محدود شدن انرژی را مشاهده می‌کنیم و می‌بینیم چگونه ساختار انرژی نقطه کوانتومی محدود شده است.

منبع : مجله دانشمند