隧道效应

物理效应及其应用主题研讨课：隧道效应隧道效应及应用研讨课80A、光学隧道效应（扫描隧道显微镜）B、原子力显微镜C、隧道结巨磁电阻效应D、隧道二极管E、MIM隧道效应（金属-绝缘体-金属结）（或隧道二极管）第一节隧道效应物理模型：一维方形势垒（可以二维三维）能量EV的微观粒子从x0的区域朝势垒运动过来，按经典力学观念，它绝对不可进入0xa的区域，因为纵使将全部动能转化为势能也不足以满足粒子在该区域存在所需要的势能，当然，也就不能跨越势垒进入xa的区域。实验事实却是：能量E低于势垒高度V的微观粒子不仅进入了0xa的区域，而且还穿过它进入了xa的区域。也就是说,当粒子的EV时，在势垒一侧的粒子有一部分能隧穿势垒到达另一侧，这种现象称为隧道效应，是量子力学必然结果axVaxxxV0,00V0axEV=0V=0在量子理论发展初期，德布罗意提出了波粒二象性的假设，指出原来认为是粒子的电子、质子、粒子等微观粒子也具有波动性，这设想很快被著名的电子衍射实验所证实。后来知道，这种性质由薛定谔方程的解——波函数表示。波动性是理解隧道效应之根本。1．隧道效应的量子力学解释电子具有波动性，且德布罗意波长其中m，v，E分别为电子质量，速度和动能若它试图进入势能为V的区域，可能遇到两种情况：①EV时，波长变为；②EV时，不能形成具有一定德布罗意波长的波动，但电子仍能进入此区域的一定深度。若势能区域较窄，电子就有可能穿透它而自身动能不变。mEhmvh2//VEmh2/'为使这三个波函数有实在的物理意义，边界条件Ψ和dΨ/dx在x=0和x=a处连续xiBxiA2exp2exp1xiA2exp2pxDpxC2exp2expV0axEV=0V=0在x0，动能EV的电子入射势垒定有反射电子波，电子波可用右传波和左传渡之和表示，即在xa区域，电子波只能是右传波而无左传波，波函数为在0xa区域，由薛定谔方程知波函数除指数衰减项外还有指数增长项，即其中p=h/√2m（V-E）由此得到的粒子透射系数：T=∣A2∣2∕∣A1∣2是一个与a，E，V有关的非零值，证明了确实存在隧道效应。隧道效应可用图2-41表示。当粒子能量E较小时，粒子隧穿势垒的透射系数图2－41hEVmaT24exp上式表明投射系数T一般随势垒高度V和宽度a的增大而迅速减小，例如，V—E=5eV时，若a由0.1nm变为0.5nm，则T可下降4个数量级。2、隧道效应的应用1957年，江崎制成了隧道二极管，第一次令人信服地证实了固体中的电子隧道效应。1960年贾埃弗利用隧道效应测量了超导能隙，验证了超导理论。1982年德国的宾尼等研制成功第一台扫描隧道显微镜，把隧道效应的应用推向一个新的阶段。以上三人均分别获得了诺贝尔物理奖。3、光隧道效应当光由光密媒质向光疏媒质入射，入射角１大于临界角Ｃ时，便会发生全反射，界面将能量全部反回第一种媒质，但这并不是说第二种媒质中没有光波电磁场。利用电磁场理论可得：当入射角大于临界角，第二种媒质中电场分量为：Ez＝E0exp[-(2π/λ)•√n12sin2θi－n22z]•exp[-iω•(t－xsinθi/υ1)]１代表光波在第一种媒质中传播的速度光隧道效应上式描绘一个振幅随ｚ的增加而衰减，等相面以速度１／sin１沿Ｘ轴传播的非均匀波－－消逝波。如图６－1（a）所示等幅面是平行界面ｚ＝常数的面等相面是垂直界面Ｘ＝常数的面如果界面有极微小的起伏，如图６－1（b）所示，则等幅面也跟随着起伏，表面的形貌信息便反映到等幅面形状上了。依上式可知Z＝λ/2π√(n1sinθi)2－n22图６－１光全反射光学隧道效应光通过折射率为n1的介质发生全反射在距离介质n1和n2界面很近处，放一折射率为n3的棱镜（n3n2，或等于n1）这时会发现，只要间隔足够小(小于穿透深度）媒质n1中的全反射会受到抑制光线将能穿越n2进入媒质n3区，这现象称为光学隧道效应。图６－３光学隧道效应它与电子穿透势垒的隧道效应类似，是光的波动性必然结果。光学隧道效应可目来实现光信号的耦合，在集成光学、光纤技术中十分有用n1n2n3扫描隧道显微镜•在压电陶瓷扫描控制系统的控制下，让光纤探头对消逝场作等场强（等幅面）扫描，根据光电倍增管反馈回的信号，在扫描Ｘ，Ｙ时。调节探针的高度Ｚ，使光电倍增管的信号在扫描中保持在一个给定的值，提取Ｘ、Ｙ位置对应的Ｚ，经图象处理和显示系统就可看到样品表面的形貌图象。图６－５光隧道显微镜示意图•由图６－１（ｂ）可见，消逝波的等幅面包含表面形貌信息•用一根光导纤维做成的探针，扫描等幅面，就可得知表面“地形”•因为光隧道效应，光纤探针所到处的全反射受到抑制，有光隧穿进入光纤的光可由光电探测器检测。图６－5表明激光光隧道显微镜的示意方块图，激光束打在样品表面，形成消逝场。扫描隧道显微镜(STM)•扫描隧道显微镜的核心是一个极尖锐的探针，如图2-46(a)，它能够在精密的压电系统控制下沿x、y、z方向移动，沿z方向的移动以调节针尖与样品之间的距离，在xy面内的移动用以扫描样品表面•对于电子来说，针尖与样品之间的间隙，粗略地看．宛如一个图2-46(b)右边所示的势垒，在二者之间外加偏压，电子就会有如式(2-9)表示的透射系数T，穿过间隙(势垒)的电子形成纳安(A)级的隧道电流，它与偏压和电子透射系数T成比例，即隧道电流图2－46kaSSeVJ2原子力显微镜•原理如图2-47所示。一个针尖装在一个灵敏的悬臂粱上，针尖上的原子与样品表面原子之间的相互作用力使悬臂梁在垂直样品表面方向发生偏转，偏转是针尖与样品表面原子距离的函数，是对表面形貌的响应。这偏转使在悬臂粱上面的镜面反射的激光束发生偏转，光电位移探测器可灵敏地探测光束的位移•原子力显微镜的关键是既要测出原子间的微小力，又不要扰乱表面原于的结构。悬臂梁是用SiO2膜或Si3N4膜采取光刻的方法制成的横向尺度为100μm，厚度为lμm的，弹性系数为0.1~1N／m的精细的梁，针尖是小颗金刚石胶合而成。原子力显微镜可探测0．01nm的位移，对导体、绝缘体样品都适用。图2-4715半导体异质结中的隧道效应瑞典皇家科学院于2000年10月10日决定，将2000年诺贝尔物理学奖授于俄罗斯圣彼得堡物理技术研究所的若列斯·阿尔费洛夫博士、美国加州大学圣巴巴拉分校的赫伯特·克勒默教授和美国得克萨斯仪器公司的杰克·基尔比教授，以表彰他们在半导体异质结等方面所从事的开拓性研究，尤其是他们所发明的，快速晶体管激光、二极管和集成电路(芯片)，为现代信息技术奠定了基础。他们的研究工作促使计算技术从“马拉大车”般的晶体管阶段进入了赛车般的硅芯片阶段。161、异质结能带结构2齐纳效应•在外加强电场作用下，由于隧道效应使流过半导体或绝缘体的电流增大的现象称为齐纳效应。用来解释电介质击穿现象。图2－481．电介质的齐纳效应电介质的能带为图2-48(a)的形状。当外加向左的匀强电场时，左方电子电位降低，但电子能量增大，故能带相对上升，而右方能带相对下降，即能带发生倾斜，如图2-48(b)所示。左方能量为E的电子在电场作用下有右边漂移的趋势，但要受到三角形势垒ABC的阻拦，因而不能实现。若电场很大，情况就不同了，此时能带倾斜得很厉害，使势垒宽度a较窄，根据隧道效应原理，电子有较大的几率从A点跃迁到B点。实现这种跃迁的电子不仅由价带进入了导带，而且能在电场作用下向右漂移。•图中BC的斜率为一eξ，势垒宽度a＝Eg/eξ，不同位置的势垒相对于电子能量E的高度为Eg－eξx，•电子贯穿势垒(也即由价带进入导带)的透射几率为agdxxeEhT024exp3.隧道二级管当杂质浓度很高时，P型半导体的费密能级要进入价带，而N型半导体的费密能级则要进入导带，这两种半导体构成PN结时，能带如图3-1(a)。至于能带弯曲是由异质半导体材料的“接触效应”引起的。具有这样的PN结(隧道结)的二极管叫做隧道二级管，它的特性与用途同普通整流二极管有所不同。隧道结未加电压时能带如图3-1(a)两侧费密能级相等，无隧道电流如图3-1(b)所示：加一很小的正向电压，N区能带相对于P区升高，，N区费密能级高于P区的，产生一正向小隧道电流；增大正向电压，隧道电流也增加，如图3-1(c)所示：当P费密能级与N区导带底一样高时，N区穿过隧道结区进入P区电子最多，电流也最大如图3-1(d)所示：再增大正向电压，P区价带与N区导带能级交叠部分减少，隧穿电子数减小，电流减小；如图3-1(e)所示：当正向电压大到使P区价带顶与N区导带底持平时，无上述隧道电流，但由于杂质，缺陷等原因引起的小电流；增加正向电压，隧道结与一般PN结特性相同；当加反向电压时，如图3-1(f)所示：N区能带相对于P区降低，产生反向隧道电流，并随电压增加而迅速增大图3－1abCDEF隧道效应本质上是一量子跃迁，电子穿越势垒极其迅速，这使隧道二极管可在极高频率下(1011Hz)工作，此外它还有噪声低、功耗小、工作温度范围大等优点。因此隧道二极管可广泛应用于微波混频、检波、低噪声放大振荡以及超高速开关逻辑电路、触发器和存贮器等。由以上分析可知隧道二极管的电流一电压特性如图3-2，字母序列与图3-2是对应的图3－2异质Ｐ－Ｎ结加反向电压发光•加反向电压，P一N结也可发光，只是要加较高的反向电压，发光的机理也有差别。•如图2一1８（a）所示为Ｃｕ２Ｓ－ＺｎＳ异质P－N结未加电压时的能带情形。图2．1８（b）表明，当加反向电压V时，Ｃｕ２Ｓ价带电子可隧穿到ＺｎＳ的导带。•高的反向电压形成的强电场使隧穿电子获得有效加速，足以产生碰撞离化，当电子再与已离化的发光中心复合时就会发光。•在反向电压激发下的金属－半导体（ＭＳ）结和金属一绝缘层－半导体（ＭＩＳ）结都能实现场致发光，如将稀土元素注入ZnS晶体中制备出在反向电压下可发黄、绿、蓝光的发光二极管。•适当选择PN结杂质浓度，可制成反向击穿以齐纳击穿为主的齐纳二极管，其电流一电压特性如图2-50。它有很陡峭的反向击穿特性，在击穿电压处有稳定电压的作用。由于采用特殊的制造工艺，击穿在一定范围内是可逆的，当去除反向偏压时二极管仍可恢复正常。3.齐纳二极管图2-50•它的稳压原理如下：•(1)当负载RL不变，而Vi增大时，Vo，Vz将上升，随后Iz大大增加，于是I＝Iz＋IL•增加很多，IR也增加，这样Vi增量的绝大部分都落在R上，而Vo基本不变。•(2)当Vi不变，RL增大时，IL将减小，I也减小，IR分压减小，Vo和Vz上升，Iz迅速增大。Iz与IL一增一减使I基本不变，Vo也就稳定了。•可见，Dz与R共同作用的结果就使在Vi或RL变化的情况下维持输出电压Vo的恒定。图2－51•图2-51是应用齐纳二级管组成的稳压电路，其中Dz是齐纳二级管，输入电压Vi、输出电压V0及齐纳二级管端电压Vz的关系为V0＝Vi－IR＝Vz24双异质结结构隧道结巨磁电阻效应2007年10月，科学界的最高盛典—瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了本年度，法国科学家阿尔伯特·费尔(AlbertFert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(PeterGrünberg)分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖ALBERTFERTPETERGRÜNBERGFranceGermany1938-1939-在两个磁性层中，如果磁化的方向相同，具有平行自旋的电子（红色）就可以通过整个体系而不会有大范围的散射。因此，体系的总电阻很小。在两个磁性层中，如果磁化的方向相反，在其中一层具有反平行自旋的所有电子将被强烈的散射。因此，体系的总电阻很高。12-318出品1995年,人们以绝缘层Al2O3代替导体Cr,在Fe/Al2O3/Fe三明治结构中观察到很大的隧道磁电阻(Tunne