Kvanttikaivoa käytetään elektronien rajoittamiseen tietyillä energiatasoilla. Kvanttikaivot koostuvat erittäin ohuesta puolijohteesta, jolla on pieni kaistarako ja jotka lepäävät materiaalin välillä, jolla on suurempi kaistarako. Ne ovat erittäin pieniä, yleensä 1–20 nanometriä. Niitä käytetään useimmiten laserdiodeissa ja infrapunakuvauksessa.
Tämä käyttää hyvin elektronien käyttäytymisen ominaisuuksia ja kaistarakoja toimimaan. Kaista -aukot ovat alueita elektronin kiertoradalla perustilan, jossa elektronit lepäävät normaalisti, ja johtumiskaistan, korkeamman energian kiertoradan elektronien välillä, kun ne ovat innoissaan. Aukot ovat esteitä perustilan kaistojen ja johtavuuskaistojen välillä, jotka estävät elektroneja pääsemästä johtavuuskaistalle saamatta enemmän energiaa kuin perustilassaan. Mitä suurempi kaistarako, sitä enemmän energiaa tarvitaan, jotta elektronit hyppäävät tämän raon yli ja saavuttavat johtavuuskaistan.
Kun elektroni saavuttaa johtuskaistan, se vapauttaa ylimääräisen energian ja putoaa takaisin perustilaansa. Asettamalla mikroskooppisen ohuen puolijohteen materiaalin väliin, jonka kaistaraot ovat liian leveät, jotta elektronit voivat hypätä helposti, tutkijat voivat pakottaa elektronit pysymään ohuen puolijohteen kaksiulotteisella alueella. Elektronien sieppaaminen tällä tavalla mahdollistaa tietyn energiakäsittelyn.
Koska elektronit voivat liikkua vain kahteen suuntaan, ne voivat tuottaa vain sellaista energiaa, jonka tiedemies tai valmistaja haluaa. Tämä energia keskittyy myös erittäin kapeaan virtaan. Tämän keskittymisen ansiosta kvanttikaivot luovat tarkkoja lasereita optisille laitteille. Tunnettu esimerkki kvanttikaivosta on CD-soittimien lukulasereissa.
Kvanttikaivoja kutsutaan “kaivoiksi” paitsi siksi, että ne käyttäytyvät elektronien vangitsemisessa kuten kaivo loukustaisi vettä, vaan myös niiden ulkonäön vuoksi. Kun kvanttikaivot kuvataan energia- ja sijaintikaavioissa, ne näyttävät syvältä laaksoilta tai kaivoilta, usein suorakulmaisina. Kvanttikaivo on eräänlainen potentiaalikaivo, mikä tarkoittaa, että on mahdollista tuottaa vähimmäismäärä, kiinteä määrä energiaa.
Kasvatettu, ei luotu, kvanttikaivo on yleensä valmistettu materiaalista, kuten gallium -arsenidi, jota ympäröi alumiiniarsenidi. Kaivoja kasvatetaan useimmiten molekyylisäteen epitaksiksi kutsutulla menetelmällä, joka käyttää effuusiosolua ampumaan aineen molekyylejä emäsaineeseen. Tämä menetelmä luo yhden atomikerroksen kaivomateriaalista jokaisen solun laukaisun yhteydessä.