Тунельний ефект
Подолання часткою енергетичного бар'єру. Розвиток електроніки. Теорія тунельного ефекту. Тунелювання електронів у твердих тілах. Квантові транзистори. Умова максимуму пропускання. Тунельний діод. Рух частки з однієї орбіталі до іншої.
Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
1. Теорія тунельного эффекта……………………………………..3
2. Тунелювання електронів у твердих тілах….……. 5
3. Квантові транзистори……………………… .…………………. 7
Список використаної литературы…………………………………. 14
70 років тому наш співвітчизник Г.А. Гамов вперше отримав рішення рівняння Шредінгера, що описують можливість подолання часткою енергетичного бар'єру навіть у разі, коли енергія частки менша за висоту бар'єру. Нове явище, зване тунелюванням, дозволило пояснити багато процесів, що експериментально спостерігалися. Знайдене рішення дозволило зрозуміти велике коло явищ і було застосовано для опису процесів, що відбуваються при вильоті частки з ядра, – основи атомної науки та техніки. Багато хто вважає, що за грандіозність результатів його робіт, які стали основоположними для багатьох наук, Г.А. Гамов мав бути удостоєний кількох Нобелівських премій. Розвиток електроніки підійшов до використання процесів тунелювання лише майже через 30 років: з'явилися тунельні діоди, відкриті японським ученим Л. Есакі, удостоєним за це відкриття Нобелівської премії. Ще за 5 років Ю.С. Тиходеєв, який керував сектором фізико-теоретичних досліджень у московському НДІ "Пульсар", запропонував перші розрахунки параметрів та варіантивикористання приладів на основі багатошарових тунельних структур, що дозволяють досягти рекордних по швидкодії результатів. Через 20 років вони були успішно реалізовані. Нині процеси тунелювання лягли основою технологій, дозволяють оперувати з надмалими величинами порядку нанометрів (1нанометр=10-9 м).
1.Теорія тунельного ефекту
Тунельний ефект - квантове явище проникнення мікро-частинки з однієї класично доступної області руху в іншу, відокремлену від першої потенційним бар'єром (рис.1.1).
Рис.1.1 Рух частинки з однієї орбіталі в іншу відокремлених один від одного потенційним бар'єром
Якщо розглядається мікрооб'єкт, наприклад, електрон у потенційній ямі, то, на відміну від класичної механіки, існує кінцева ймовірність виявити цей об'єкт у забороненій області простору, там, де його повна енергія менша, ніж потенційна енергія в цій точці. Ймовірність виявлення частки у будь-якій точці простору пропорційна квадрату модуля хвильової функції. При підльоті до потенційного бар'єру частка пройде крізь нього лише з якоюсь часткою ймовірності, а з якоюсь часткою ймовірності позначиться. Коефіцієнт тунелювання (проходження, просочування) частки через бар'єр D дорівнює:
де а – ширина бар'єру, U0 – висота бар'єру.
Головна особливість (1) полягає в тому, що дуже мала величина ћ (постійна Планка) стоїть у знаменнику експоненти, внаслідок чого коефіцієнт тунелювання через бар'єр класичної частки великої маси дуже малий. Так, при висоті бар'єру в 2 ев і ширині 10_8см ймовірність проходження крізь бар'єр для електрона з енергією 1 еВ дорівнює 0,78, а для протона зтією самою енергією лише 3,610-19 . Якщо ж взяти макроскопічне тіло - кулька масою в 1 г, що рухається по горизонтальній поверхні з дуже малою швидкістю (кінетична енергія близька до нуля), то ймовірність подолання їм перешкоди - леза бритви товщиною 0,1 мм, що виступає над горизонтальною поверхнею на 0,1 мм, дорівнює 10-26.
Проходження частки крізь потенційний бар'єр можна пояснити за допомогою співвідношення невизначеностей. Невизначеність імпульсу р на відрізку х, що дорівнює ширині бар'єру а, становить: р > ћ/а. Пов'язана з цим розкидом значення імпульсу кінетична енергія (р)2/2m0 може виявитися достатньою для того, щоб повна енергія частинки виявилася більш потенційною.
2. Тунелювання електронів у твердих тілах
У 1922 р. було відкрито явище холодної електронної емісії з металів під впливом сильного зовнішнього електричного поля. Воно відразу поставило фізиків у глухий кут. Графік потенційної енергії електрона у разі зображений на (рис. 1.2.) зліва, при негативних значеннях координати х -- область металу, у якому електрони можуть рухатися майже вільно. Тут потенційну енергію вважатимуться постійною. На межі металу виникає Потенційна стінка, що не дозволяє електрону залишити метал; він може це зробити, лише придбавши додаткову енергію, рівну роботі виходу Авих. За низької температури таку енергію може одержати лише нікчемна частка електронів.
Мал. 1.2. Графік потенційної енергії електрона під впливом сильного зовнішнього електричного поля
Якщо зробити метал, негативною пластиною конденсатора, приклавши до нього досить потужне електричне поле, то потенційна енергія електрона через його негативний заряд поза металом почне зменшуватися.Класична частка, все одно не проникне через такий потенційний бар'єр, квантова цілком може протунелювати.
Відразу після появи квантової механіки Фаулер та Нордгейм пояснили явище холодної емісії за допомогою тунельного ефекту для електронів. Електрони всередині металу мають різні енергії навіть при температурі абсолютного нуля, оскільки згідно з принципом Паулі в кожному квантовому стані може бути не більше одного електрона (з урахуванням спина). Тому кількість заповнених станів дорівнює числу електронів, а енергія найвищого заповненого стану ЕF - енергія Фермі у звичайних металах становить величину порядку кількох електронвольт, так само як і робота виходу.
Найлегше тунелюватимуть електрони з енергією ЕF, зі зменшенням енергії ймовірність тунелювання різко падає. Усі експериментальні особливості, і навіть повна величина ефекту чудово описувалися формулою Фаулера Нордгейма. Холодна електронна емісія - перше явище, успішно пояснене тунелюванням частинок.
3.Квантові транзистори
Оптична аналогія дозволяє наочно уявити роботу квантового транзистора. На (рис.1.3.) зображено оптичний двопроменевий інтерферометр, а також схема електронного транзистора з квантовим кільцевим контуром. Пропуск інтерферометра (оптичного або електронного) визначається простою формулою і однозначно залежить від різниці набігу фаз по двох шляхах.
Транзисторний ефект досягається за рахунок зміни фази хвилі електрона в одному з плечей інтерферометра за допомогою напруги, що прикладається до електрода Е3. Тут оптичний резонатор, утворенийдзеркалами М1 і М2, реалізується в транзисторі за допомогою тонкого провідного нитки - квантового дроту довжиною L, відокремленого від електродів Е1 і Е2 напівпрозорими для електронної хвилі бар'єрами.
Умова максимуму пропускання має такий самий вигляд, як умова резонансу хвилі де Бройля в квантовій ямі довжиною L. Транзисторний ефект досягається шляхом зміни довжини хвилі електрона за допомогою напруги, доданої до електрода Е3. Поруч із інтерференційними транзисторами розробляються квантові транзистори інших типів - балістичного, з ефектом Джозефсона, з кулонівської блокадою. У транзисторах на квантових ефектах хвильова природа електронів і відповідні явища стають основними у роботі.
4. Тунельний діод.
ТД є простий p-n перехід обидві сторони якого вироджені (тобто сильно леговані домішками). На (рис 1.5) наведена енергетична діаграма ТД, що знаходиться в стані термічної рівноваги.
внаслідок сильного легування рівень Фермі проходить усередині дозволених зон. Ступені виродження Vp і Vn зазвичай становлять кілька kT/q, а ширина збідненого шару
100 і менше, тобто. набагато менше, ніж у звичайному p-n переході. На (рис.1.6.) наведена типова статична вольт-амперна характеристика тунельного діода, з якої видно, що струм у зворотному напрямку (потенціал p-області негативний по відношенню до потенціалу n-області) монотонно збільшується. Повний статичний струм діода є сумою струму тунелювання із зони в зону, надлишкового та дифузійного струму. Рівні Фермі проходять всередині дозволених зон напівпровідника і постійний по всьому напівпровіднику. Вище рівня Фермі всі стани з обох боків переходу виявляються порожніми, а нижче всідозволені стани з обох боків переходу заповнені електронами. У відсутності прикладеної напруги тунельний струм не протікає. На (рис 1.7) показано, як тунелюють електрони з валентної зони в зону провідності при зворотному напрузі на діоді. Для того щоб відбувалося пряме тунелювання, положення дна зони провідності та стелі валентної зони у просторі імпульсів повинні збігатися.
Ця умова виконується в напівпровідниках із прямою забороненою зоною (у таких, як GaAs та GaSb). Воно може виконуватися також у напівпровідниках з непрямою забороненою зоною (наприклад, Ge) при досить великих прикладених напругах, таких, що максимум валентної зони знаходиться на одному рівні з непрямим мінімумом зони провідності. Досліджували ВАХ при різних температурах у бар'єрних діодах Шоттки з Al та полі-3-октилтіодину.
Висновок
Тунельний ефект визначає процес міграції валентних електронів у кристалічній решітці твердих тіл. Тунельний ефект лежить в основі ефекту Джозефсона - протікання надпровідного струму між двома надпровідниками через екстремально тонкий прошарок з діелектрика. Розглянуто взаємозв'язок міжмолекулярних потенціалів та спектрів для молекулярних систем. Коротко представлені методи розрахунку коливально-обертальних спектрів з урахуванням процесів тунелювання та детально проілюстровані на прикладі комплексу Ar-СН4, димера та тримера Н20. Наведено також огляд останніх теоретичних та експериментальних досліджень у рамках порушеної проблеми для цілої низки інших комплексних систем. З наведеного матеріалу видно, що тунельний ефект відіграє істотну роль у різних областях фізики і техніки. У 1986 році радянськими вченими К.К. Ліхарєвим та Д.В. Аверіним, які вивчалиодноелектронне тунелювання був запропонований, а пізніше і випробуваний одноелектронний транзистор на ефекті кулонівської блокади.
Однак найбільш широкий інтерес до тунельного ефекту обумовлений тим, що це принципово квантово-механічний ефект, який не має аналога у класичній механіці. Своїм існуванням тунельний ефект підтверджує основне становище квантової механіки – корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей елементарних частинок.
1. Матвєєв А.М. Оптика. М: Вища. шк., 1985. 16-18.
2. Блохінцев Д.І. Основи квантової механіки. М.: Наука, 1976. Гол. XVI.
3. Делоне Н.Б., Крайнов В.П. // Успіхи фіз. наук. 1998. Т. 168. С. 531.
4. “Туннельні діоди та його застосування”, Р.В. Гострем, Г.С. Зінов'єв, Новосибірськ 1964
5. “Напівпровідникові діоди. Параметри, методи вимірів”, за ред. Н.М. Горюнова, Ю.Р. Носова, вид. "Совістське радіо", 1968
6. "Фізика напівпровідникових приладів", Г.А. Розман, Псков 1994 року.
Подібні документи
Вивчення руху вільної частки. Частка в одновимірній прямокутній ямі з нескінченними зовнішніми стінами. Гармонійний осцилятор. Проходження частинок через потенційний бар'єр. Тунельний ефект. Якісний аналіз рішень рівняння Шредінгера.
Вивчення поняття та властивостей напівпровідників. Квантовий розмірний ефект електронів та дірок. Класифікація квантових ям, що багаторазово повторюються, і надграток. Електричний транспорт: резонансне тунелювання через квантову яму з подвійним бар'єром.
Квантове перенесення в мезоскопічних системах. Розсіяння на домішкових атомах. Резонансне тунелювання електронів. Електрон-фононне розсіювання. Розсіювання на шорсткості межі розділу. Міжпідзонне розсіювання. Ефект сплеску дрейфової швидкості.
Об'єднання ізольованих атомів у кристал. Схема локальних енергетичних рівнів електронів Основні елементи зонної теорії. Особливість станів електронів у кристалах. Зменшення опору металів. Фізичні засади квантової електроніки.
Скануючий тунельний мікроскоп, застосування. Принцип впливу атомного силового мікроскопа. Дослідження біологічних об'єктів – макромолекул (у тому числі молекул ДНК), вірусів та інших біологічних структур методом атомно-силової мікроскопії.
Ефект дальнодії при іонному та фотонному опроміненні. Метод мікротвердості як спосіб реєстрації ефекту дальнодії. Біологічна дія електромагнітних хвиль міліметрового діапазону (КВЧ). Ефект далекодії в системі кремнієвий діод.
Значення дробового квантового ефекту Холла для досліджень у галузі фізики твердого тіла та квантової електродинаміки. Двовимірний електронний газ та його властивості. Причини ефекту Холла. Електрони та кванти потоку, композиційні частинки.
Визначення надсвітлової швидкості матеріальної точки, принцип причинності. Сонячний кролик, тіні, ножиці. Надсвітовий рух у середовищі. Теорія відносності: розширення Всесвіту, двигун Алькуб'єрре. Надсвітлові частки, ефект Шарнхорста.
Феноменологічна та мікроскопічна теорія дифузії. Дифузійна релаксація Сноека, Зінера, магнітна також сутність ефекту Горського. Магнітострикція чистих металів та бінарних сплавів. Рентгенографічний метод виміру коефіцієнта дифузії.