量子隧道效应教学教材.ppt

隧道效应的发现 1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈（LeoEsaki，1940～）在改良高频晶体管2T7的过程中发现，当增加PN结两端的电压时电流反而减少，江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。 隧道效应-基本简介 在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。 对于谐振子，按经典力学，由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在，此现象也是一种隧道效应。隧道效应是理解许多自然现象的基础。在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。使电子从金属中逸出需要逸出功，这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低．于是电子隧道结对电子的作用可用一个势垒来表示，为了简化运算，把势垒简化成一个一维方势垒。 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantumtunneling）。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。 隧道效应产生原因 隧道效应-主要用途 隧道效应本质上是量子跃迁，电子迅速穿越势垒。隧道效应有很多用途。如制成分辨力为0.1nm（1A）量级的扫描隧道显微镜，可以观察到Si的（111）面上的大元胞。但它适用于半导体样品的观察，不适于绝缘体样品的观测。在扫描隧道显微镜（STM）的启发下，1986年开发了原子力显微镜（AFM） AFM工作原理 利用金刚石针尖制成以SiO2膜或Si3N4膜悬臂梁（其横向截面尺寸为100μm×1μm，弹性系数为0.1～1N/m），梁上有激光镜面反射镜。当针尖金刚石的原子与样品的表面原子间距离足够小时，原子间的相互作用力使悬臂梁在垂直表面方向上产生位移偏转，使入射激光的反射光束发生偏转，被光电位移传感器灵敏地探测出来。原子力显微镜对导体和绝缘体样品都适用，且其分辨力达到0.01mm（0.1A），可以测出原子间的微作用力，实现原子级表面观测。 隧道巨磁电阻效应 4.2K低温下，磁电阻变化率高达30%，室温下达18%。在这种结构中如果两铁磁层的磁化方向平行，一个铁磁层中多数自旋子带的电子将进入另一个电极中的多数自旋子带的空态，同时少数自旋子带的电子也从一电极进入另一电极的少数自旋子带的空态；如果两电极的磁化方向反平行，则一个电极中的多数子带的自旋与另一个电极的少数自旋子带电子的自旋平行，这样，隧道电导过程中一个电极中多数自旋子带的电子必须在另一个电极中寻找少数自旋子带的空态，因而其隧道电导必须与两极的磁化方向平行时的电导有所差别，将隧道电导与铁磁电极的磁化方向相关的现象称为磁隧道阀效应（magneticvalveeffect）。 理论上假定电子穿越绝缘体势垒时保持其自旋方向不变，在实际制备过程中由于氧化层生成时难免导致相邻铁磁层氧化，致使反铁磁性的氧化薄层的出现影响磁电电阻效应。所以实验的结果比理论上的预计要小。 半导体 隧道效应──微观粒子能透入按经典力学规律它不可能进入的势垒区，是反映微观粒子的波动性的一种基本效应。可以把半导体（或绝缘体）中的电子迁移现象理解为在外电场下，束缚在一个原子中的电子，通过隧道穿透势垒，到另一个原子中。不过，通常说的半导体中的隧道效应指的不是这种对原子势场的量子隧道效应。而是指电子对半导体中宏观势垒的穿透，这个宏观势垒是半导体的禁带造成的。 C.曾讷在1934年最先提出，在外电场下，固体的能带在空间上变成图1[曾讷击穿]所示的倾斜情况,价带的电子可以穿过禁带进入导带。在禁带中电子波函数指数衰减（波矢是复数的），就和穿过势垒时相似；曾讷认为这是强场下半导体(或绝缘体)电击穿的一种原因。但实验表明，通常半导体电击穿过程中，这种原因（称曾讷击穿）只起很次要的作用。只有在某些特殊类型的PN结的反向击穿中，才有以曾讷击穿为主的情况。这种类型的PN结称曾讷二极管，或按其用途叫稳压二极管。通常是硅二极管。 隧道二极管正向伏安特性中有一段负阻区，