тунелен ефект
Преодоляване на енергийната бариера на частиците. Развитие на електрониката. Теория на тунелния ефект. Тунелиране на електрони в твърди тела. квантови транзистори. Условие за максимално предаване. тунелен диод. Преместването на частица от една орбитала в друга.
Изпратете добрата си работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу
Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.
1. Теория на тунелния ефект……………………………………..3
2. Тунелиране на електрони в твърди тела….……. 5
3. Квантови транзистори……………………… .…………………. 7
Списък на използваната литература…………………………………. 14
Преди 70 години нашият сънародник Г.А. Гамов е първият, който получава решения на уравнението на Шрьодингер, които описват възможността за преодоляване на енергийната бариера от частица дори в случай, че енергията на частицата е по-малка от височината на бариерата. Нов феномен, наречен тунелиране, направи възможно обяснението на много експериментално наблюдавани процеси. Намереното решение направи възможно разбирането на широк спектър от явления и беше приложено за описание на процесите, които се случват, когато една частица напусне ядрото - основата на атомната наука и технология. Мнозина вярват, че G.A. Гамов трябваше да получи няколко Нобелови награди. Развитието на електрониката се приближи до използването на тунелни процеси едва почти 30 години по-късно: появиха се тунелни диоди, открити от японския учен Л. Есаки, който получи Нобелова награда за това откритие. След още 5 години Ю.С. Тиходеев, който ръководи сектора за физически и теоретични изследвания в Московския изследователски институт "Пулсар", предложи първите изчисления на параметрите и опциитеизползването на устройства, базирани на многослойни тунелни структури, които позволяват постигането на рекордни резултати по отношение на скоростта. След 20 години те бяха успешно изпълнени. Понастоящем процесите на тунелиране са формирали основата на технологиите, които ни позволяват да работим с ултра-малки стойности от порядъка на нанометри (1 нанометър = 10-9 m).
1.Теория за тунелния ефект
Тунелният ефект е квантов феномен на проникване на микрочастица от една класически достъпна зона на движение в друга, отделена от първата с потенциална бариера (фиг. 1.1).
Фиг.1.1 Движение на частица от една орбитала към друга, разделени една от друга с потенциална бариера
Ако се разглежда микрообект, например електрон в потенциална яма, тогава, за разлика от класическата механика, има крайна вероятност да се намери този обект в забранена област на пространството, където общата му енергия е по-малка от потенциалната енергия в тази точка. Вероятността за намиране на частица във всяка точка на пространството е пропорционална на квадрата на модула на вълновата функция. Когато се приближи до потенциална бариера, частицата ще премине през нея само с определена степен на вероятност и ще бъде отразена с определена степен на вероятност. Коефициентът на тунелиране (преминаване, просмукване) на частица през бариерата D е равен на:
където a е ширината на бариерата, U0 е височината на бариерата.
Основната характеристика на (1) е, че много малка стойност ћ (константата на Планк) е в знаменателя на степента, в резултат на което коефициентът на тунелиране през бариерата на класическа частица с голяма маса е много малък.Колкото по-малка е масата на частицата, толкова по-голяма е вероятността за тунелния ефект. Така при височина на бариерата 2 eV и ширина 10_8 cm вероятността за преминаване през бариерата за електрон с енергия 1 eV е 0,78, а за протон ссъщата енергия е само 3.610-19. Ако вземем макроскопично тяло - топка с тегло 1 g, движеща се по хоризонтална повърхност с много ниска скорост (кинетичната енергия е близка до нула), тогава вероятността за преодоляване на препятствие - бръснач с дебелина 0,1 mm, стърчащ на 0,1 mm над хоризонталната повърхност, е 10-26.
Преминаването на частица през потенциална бариера също може да се обясни с помощта на съотношението на неопределеността. Несигурността на импулса p върху отсечката x, равна на ширината на бариерата a, е: p > ћ/а. Кинетичната енергия (p)2/2m0, свързана с това разсейване в стойностите на импулса, може да се окаже достатъчна, за да бъде общата енергия на частицата по-голяма от потенциалната енергия.
2. Тунелиране на електрони в твърди тела
През 1922 г. е открито явлението излъчване на студени електрони от метали под действието на силно външно електрическо поле. Това веднага озадачи физиците. Графиката на потенциалната енергия на електрона в този случай е показана на (фиг. 1.2.) Отляво, с отрицателни стойности на координатата x, областта на метала, в която електроните могат да се движат почти свободно. Тук потенциалната енергия може да се счита за постоянна. На границата на метала се появява потенциална стена, която не позволява на електрона да напусне метала; той може да направи това само чрез придобиване на допълнителна енергия, равна на работната функция Aout. При ниски температури само малка част от електроните могат да получат такава енергия.
Ориз. 1.2. Графика на потенциалната енергия на електрона под въздействието на силно външно електрическо поле
Ако направим метал отрицателна плоча на кондензатор чрез прилагане на достатъчно мощно електрическо поле към него, тогава потенциалната енергия на електрона, поради неговия отрицателен заряд извън метала, ще започне да намалява.Една класическа частица все още няма да проникне през такава потенциална бариера, докато квантовата частица може да премине през тунел.
Веднага след появата на квантовата механика, Фаулър и Нордхайм обясняват феномена на студената емисия, използвайки тунелен ефект за електрони. Електроните вътре в метала имат голямо разнообразие от енергии дори при абсолютна нулева температура, тъй като според принципа на Паули във всяко квантово състояние не може да има повече от един електрон (включително спин). Следователно броят на заетите състояния е равен на броя на електроните, а енергията на най-високото заето състояние EF, енергията на Ферми в обикновените метали, е от порядъка на няколко електронволта, както и работната функция.
Електроните с енергия EF ще тунелират най-лесно, с намаляване на енергията вероятността за тунелиране рязко пада. Всички експериментални характеристики, както и общата величина на ефекта, бяха перфектно описани от формулата на Fowler Nordheim. Излъчването на студени електрони е първото явление, успешно обяснено чрез тунелиране на частиците.
3.Квантови транзистори
Оптичната аналогия ни позволява да визуализираме работата на квантов транзистор. На (фиг. 1.3.) е показан оптичен двулъчев интерферометър, както и схема на електронен транзистор с квантова пръстенна верига. Предаването на интерферометър (оптичен или електронен) се определя по проста формула и зависи еднозначно от разликата във фазовото изместване по двата пътя.
Транзисторният ефект се постига чрез промяна на фазата на електронната вълна в едно от рамената на интерферометъра с помощта на напрежение на затвора, приложено към електрода E3.Още по-проста квантова транзисторна верига се получава, ако вземем идеята за интерферометъра на Фабри-Перо като основа (фиг. 1.4.). Тук се образува оптичният резонаторогледала M1 и M2, се реализира в транзистор с помощта на тънка проводима нишка - квантова жица с дължина L, отделена от електродите E1 и E2 с бариери, полупрозрачни за електронната вълна.
Условието за максимално предаване има същата форма като условието за вълнов резонанс на де Бройл в квантова яма с дължина L. Транзисторният ефект се постига чрез промяна на дължината на вълната на електрона с помощта на напрежение, приложено към електрода E3. Наред с интерферентните транзистори се разработват квантови транзистори от друг тип - балистични, с ефекта на Джоузефсон, с кулонова блокада. В транзисторите, базирани на квантови ефекти, вълновата природа на електроните и съответните явления стават основни в тяхната работа.
4. Тунелен диод.
TD е прост p-n преход, двете страни на който са изродени (т.е. силно легирани с примеси). На (Фигура 1.5.) е показана енергийната диаграма на ТД, която е в състояние на топлинно равновесие.
В резултат на силно допинг нивото на Ферми преминава в рамките на разрешените ленти. Степените на израждане Vp и Vn обикновено са няколко kT/q, а ширината на изчерпания слой
100 A или по-малко, т.е. много по-малко, отколкото в конвенционален p-n преход. (фиг. 1.6.) показва типична статична ток-напрежение характеристика на тунелен диод, от която се вижда, че токът в обратна посока (потенциалът на p-областта е отрицателен по отношение на потенциала на n-областта) монотонно нараства. Общият статичен ток на диод е сумата от тунелния ток от зона до зона, свръхток и дифузионен ток. Нивата на Ферми преминават в разрешените ленти на полупроводника и са постоянни в целия полупроводник. Над нивото на Ферми всички състояния от двете страни на прехода се оказват празни, а под нивото - всичкипозволените състояния от двете страни на прехода са запълнени с електрони. При липса на приложено напрежение тунелният ток не протича. (Фиг. 1.7.) показва как електроните тунелират от валентната зона към проводимата зона с обратно напрежение в диода. За да се осъществи директно тунелиране, позициите на дъното на проводящата лента и горната част на валентната лента в импулсното пространство трябва да съвпадат.
Това условие е изпълнено в полупроводниците с директна забранена зона (като GaAs и GaSb). Може да се извърши и в полупроводници с индиректна забранена зона (например в Ge) при достатъчно високи приложени напрежения, така че максимумът на валентната лента да е на същото ниво като индиректния минимум на проводящата лента. Характеристиките на ток-напрежението са изследвани при различни температури в диоди с бариера на Шотки, изработени от Al и поли-3-октилтиодин.
Заключение
Тунелният ефект определя процеса на миграция на валентните електрони в кристалната решетка на твърдите тела. Тунелният ефект е в основата на ефекта на Джоузефсън - протичането на свръхпроводящ ток между два свръхпроводника през изключително тънък диелектричен слой. Разглежда се връзката между междумолекулните потенциали и спектрите за молекулни системи. Методите за изчисляване на вибрационно-ротационни спектри са представени накратко, като се вземат предвид процесите на тунелиране и са подробно илюстрирани с примера на Ar-CH4 комплекс, димер и тример H20. Представен е и преглед на най-новите теоретични и експериментални изследвания в рамките на разглеждания проблем за редица други сложни системи. От горния материал може да се види, че тунелният ефект играе важна роля в най-различни области на физиката и технологиите. През 1986 г. съветските учени К.К. Лихарев и Д.В. Аверин, който учиедноелектронно тунелиране, беше предложен и по-късно тестван едноелектронен транзистор, базиран на блокадния ефект на Кулон.
Но най-широкият интерес към тунелния ефект се дължи на факта, че това е фундаментално квантово-механичен ефект, който няма аналог в класическата механика. Със своето съществуване тунелният ефект потвърждава фундаменталното положение на квантовата механика - корпускулярно-вълновия дуализъм на свойствата на елементарните частици.
1. Матвеев A.N. Оптика. М.: По-високо. училище, 1985. ¦ 16-18.
2. Блохинцев Д.И. Основи на квантовата механика. М.: Наука, 1976. Гл. XVI.
3. Delaunay N.B., Крайнов V.P. // Успехи на физ. науки. 1998. Т. 168. С. 531.
4. “Тунелни диоди и тяхното приложение”, R.V. Гострем, Г.С. Зиновиев, Новосибирск, 1964 г
5. “Полупроводникови диоди. Параметри, методи за измерване”, изд. Н.Н. Горюнова, Ю.Р. Носова, изд. "Съветско радио", 1968 г
6. "Физика на полупроводниковите устройства", G.A. Розман, Псков, 1994 г.
Подобни документи
Изследване на движението на свободна частица. Частица в едномерен правоъгълен кладенец с безкрайни външни стени. Хармоничен осцилатор. Преминаване на частици през потенциална бариера. тунелен ефект. Качествен анализ на решенията на уравнението на Шрьодингер.
Изучаване на концепцията и свойствата на полупроводниците. Квантов размерен ефект на електрони и дупки. Класификация на многократно повтарящи се квантови ями и свръхрешетки. Електрически транспорт: резонансно тунелиране през квантова яма с двойна бариера.
Квантов трансфер в мезоскопски системи. Разсейване върху примесни атоми. Резонансно тунелиране на електрони. Електронно-фононно разсейване. Разсейване върху грапавостта на интерфейса. Междуподлентово разсейване. Пълен ефект на скоростта на дрейф.
Комбиниране на изолирани атоми в кристал. Схема на локалните енергийни нива на електроните. Основни елементи на зоновата теория. Характеристики на състоянията на електроните в кристалите. Намаляване на устойчивостта на металите. Физически основи на квантовата електроника.
Сканиращ тунелен микроскоп, приложение. Принципът на действие на атомно-силовия микроскоп. Изследване на биологични обекти - макромолекули (включително ДНК молекули), вируси и други биологични структури чрез атомно-силова микроскопия.
Ефектът от действието на дълги разстояния по време на йонно и фотонно облъчване. Методът на микротвърдостта като начин за регистриране на ефекта на дълги разстояния. Биологичен ефект на електромагнитните вълни от милиметровия диапазон (EHF). Ефект на дълги разстояния в силициева диодна система.
Значение на фракционния квантов ефект на Хол за изследвания във физиката на твърдото тяло и квантовата електродинамика. Двумерен електронен газ и неговите свойства. Причини за ефекта на Хол. Електрони и кванти на потока, съставни частици.
Определяне на свръхсветлинна скорост на материална точка, принцип на причинно-следствената връзка. Слънчево зайче, сенки, ножици. Свръхсветлинно движение в среда. Теория на относителността: разширяването на Вселената, двигателят на Алкубиер. Свръхсветлинни частици, ефект на Шарнхорст.
Феноменологична и микроскопична теория на дифузията. Дифузионна релаксация на Snoek, Zener, магнитна и същност на ефекта на Горски. Магнитострикция на чисти метали и бинарни сплави. Рентгенов метод за измерване на коефициента на дифузия.