Ένα κβαντικό φρεάτιο χρησιμοποιείται για τον περιορισμό των ηλεκτρονίων σε συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας. Τα κβαντικά φρεάτια αποτελούνται από έναν εξαιρετικά λεπτό ημιαγωγό με μικρό διάκενο ζώνης, που στηρίζεται μεταξύ υλικού με μεγαλύτερο διάκενο ζώνης. Είναι εξαιρετικά μικρά, συνήθως μεταξύ 1 και 20 νανόμετρα. Χρησιμοποιούνται συχνότερα σε διόδους λέιζερ και υπέρυθρη απεικόνιση.
Αυτό το καλά χρησιμοποιεί τις ιδιότητες της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων και τα διάκενα ζώνης για να λειτουργήσει. Τα κενά ζώνης είναι περιοχές στο τροχιακό ενός ηλεκτρονίου μεταξύ της θεμελιώδους κατάστασης, όπου τα ηλεκτρόνια στηρίζονται κανονικά, και της ζώνης αγωγιμότητας, των τροχιακών υψηλότερης ενέργειας, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται όταν διεγείρονται. Τα κενά είναι εμπόδια μεταξύ των ζωνών θεμελιώδους κατάστασης και των ζωνών αγωγιμότητας, τα οποία εμποδίζουν τα ηλεκτρόνια να φτάσουν στη ζώνη αγωγιμότητας χωρίς να αποκτήσουν περισσότερη ενέργεια από αυτή που έχουν στη θεμελιώδη κατάσταση τους. Όσο μεγαλύτερο είναι το διάκενο της ζώνης, τόσο περισσότερη ενέργεια απαιτείται για τα ηλεκτρόνια για να πηδήξουν αυτό το χάσμα και να φτάσουν στη ζώνη αγωγιμότητας.
Μόλις το ηλεκτρόνιο φτάσει στη ζώνη αγωγιμότητας, απελευθερώνει την περίσσεια ενέργειά του και πέφτει ξανά στη βασική του κατάσταση. Τοποθετώντας έναν μικροσκοπικά λεπτό ημιαγωγό μεταξύ υλικού με πολύ μεγάλα κενά ζώνης ώστε τα ηλεκτρόνια να πηδούν εύκολα, οι επιστήμονες μπορούν να αναγκάσουν τα ηλεκτρόνια να παραμείνουν στη δισδιάστατη περιοχή του λεπτού ημιαγωγού. Η παγίδευση ηλεκτρονίων με αυτόν τον τρόπο επιτρέπει τον συγκεκριμένο χειρισμό ενέργειας.
Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινηθούν μόνο προς δύο κατευθύνσεις, μπορούν να παράγουν μόνο τον τύπο ενέργειας που επιθυμεί ο επιστήμονας ή ο κατασκευαστής. Αυτή η ενέργεια εστιάζεται επίσης σε ένα εξαιρετικά στενό ρεύμα. Λόγω αυτής της εστίασης, τα κβαντικά φρεάτια δημιουργούν ακριβή λέιζερ για οπτικές συσκευές. Ένα πολύ γνωστό παράδειγμα κβαντικού πηγαδιού είναι τα λέιζερ ανάγνωσης σε συσκευές αναπαραγωγής συμπαγούς δίσκου (CD).
Τα κβαντικά πηγάδια ονομάζονται «πηγάδια» όχι μόνο λόγω της συμπεριφοράς τους να παγιδεύουν ηλεκτρόνια όπως ένα πηγάδι παγίδευε νερό, αλλά και λόγω της εμφάνισής τους όταν απεικονίζονται γραφικά. Όταν τα κβαντικά πηγάδια απεικονίζονται σε γραφήματα ενέργειας έναντι θέσης, μοιάζουν με βαθιές κοιλάδες ή πηγάδια, συχνά σε ορθογώνιο σχήμα. Ένα κβαντικό φρεάτιο είναι ένας τύπος πηγαδιού δυναμικού, που σημαίνει ότι υπάρχει δυνατότητα για μια ελάχιστη, σταθερή ποσότητα ενέργειας που θα παραχθεί.
Ένα κβαντικό φρεάτιο που καλλιεργείται, αντί να δημιουργείται, είναι συνήθως κατασκευασμένο από υλικό όπως το αρσενίδιο του γαλλίου που περιβάλλεται από αρσενίδιο αλουμινίου. Τα φρεάτια αναπτύσσονται, τις περισσότερες φορές, με μια διαδικασία που ονομάζεται επιταξία μοριακής δέσμης, η οποία χρησιμοποιεί ένα κύτταρο έκχυσης για να εκτοξεύει μόρια της ουσίας σε μια βασική ουσία. Αυτή η μέθοδος δημιουργεί ένα ενιαίο ατομικό στρώμα του υλικού του φρεατίου με κάθε πυροδότηση της κυψέλης.