隧道效應(yīng)

目錄
·定義
·概述
·原理
·發(fā)現(xiàn)者
·用途
·隧道二極管
·隧道巨磁電阻效應(yīng)
·宏觀量子隧道效應(yīng)




　　
　　隧道效應(yīng)
　　 tunnel effect
定義
　　由微觀粒子波動性所確定的量子效應(yīng)。又稱勢壘貫穿 �？紤]粒子運動遇到一個高于粒子能量的勢壘，按照經(jīng)典力學，粒子是不可能越過勢壘的；按照量子力學可以解出除了在勢壘處的反射外，還有透過勢壘的波函數(shù)，這表明在勢壘的另一邊，粒子具有一定的概率，粒子貫穿勢壘。理論計算表明，對于能量為幾電子伏的電子，方勢壘的能量也是幾電子伏 ，當勢壘寬度為1埃時 ， 粒子的透射概率達零點幾 ；而當勢壘寬度為10時，粒子透射概率減小到10-10 ，已微乎其微�？梢娝淼佬�應(yīng)是一種微觀世界的量子效應(yīng)，對于宏觀現(xiàn)象，實際上不可能發(fā)生。
　　在勢壘一邊平動的粒子，當動能小于勢壘高度時，按經(jīng)典力學，粒子是不可能穿過勢壘的。對于微觀粒子，量子力學卻證明它仍有一定的概率穿過勢壘，實際也正是如此，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。對于諧振子，按經(jīng)典力學，由核間距所決定的位能決不可能超過總能量。量子力學卻證明這種核間距仍有一定的概率存在，此現(xiàn)象也是一種隧道效應(yīng)。
　　隧道效應(yīng)是理解許多自然現(xiàn)象的基礎(chǔ)。
概述
　　在兩層金屬導體之間夾一薄絕緣層，就構(gòu)成一個電子的隧道結(jié)。實驗發(fā)現(xiàn)電子可以通過隧道結(jié)，即電子可以穿過絕緣層，這便是隧道效應(yīng)。使電子從金屬中逸出需要逸出功，這說明金屬中電子勢能比空氣或絕緣層中低．于是電子隧道結(jié)對電子的作用可用一個勢壘來表示，為了簡化運算，把勢壘簡化成一個一維方勢壘。
　　所謂隧道效應(yīng)，是指在兩片金屬間夾有極薄的絕緣層（厚度大約為1nm（10-6mm），如氧化薄膜），當兩端施加勢能形成勢壘V時，導體中有動能E的部分微粒子在E＜V的條件下，可以從絕緣層一側(cè)通過勢壘V而達到另一側(cè)的物理現(xiàn)象。
　　產(chǎn)生隧道效應(yīng)的原因是電子的波動性。按照量子力學原理，有能量（動能）E的電子波長=（其中，——普朗克常數(shù)；——電子質(zhì)量；E——電子的動能），在勢壘V前：若E＞V，它進入勢壘V區(qū)時，將波長改變?yōu)棣恕?；若E＜V時，雖不能形成有一定波長的波動，但電子仍能進入V區(qū)的一定深度。當該勢壘區(qū)很窄時，即使是動能E小于勢壘V，也會有一部分電子穿透V區(qū)而自身動能E不變。換言之，在E＜V時，電子入射勢壘就一定有反射電子波存在，但也有透射波存在。
原理
　　經(jīng)典物理學認為，物體越過勢壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。例如騎自行車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。
　　量子力學則認為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢壘，一部分粒子反彈，還會有一些粒子能過去，好像有一個隧道，故名隧道效應(yīng)（quantum tunneling）�？梢�，宏觀上的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下，隧道效應(yīng)并不影響經(jīng)典的宏觀效應(yīng)，因為隧穿幾率極小，但在某些特丁的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會出現(xiàn)。
發(fā)現(xiàn)者
　　1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈（Leo Esaki，1940～）在改良高頻晶體管2T7的過程中發(fā)現(xiàn)，當增加PN結(jié)兩端的電壓時電流反而減少，江崎玲於奈將這種反常的負電阻現(xiàn)象解釋為隧道效應(yīng)。此后，江崎利用這一效應(yīng)制成了隧道二極管（也稱江崎二極管）。 1960年，美裔挪威籍科學家加埃沃（Ivan Giaever，1929～）通過實驗證明了在超導體隧道結(jié)中存在單電子隧道效應(yīng)。在此之前的1956年出現(xiàn)的“庫珀對”及BCS理論被公認為是對超導現(xiàn)象的完美解釋，單電子隧道效應(yīng)無疑是對超導理論的一個重要補充。 1962年，年僅20歲的英國劍橋大學實驗物理學研究生約瑟夫森（Brian David Josephson，1940～）預(yù)言，當兩個超導體之間設(shè)置一個絕緣薄層構(gòu)成SIS（Superconductor-Insulator- Superconductor）時，電子可以穿過絕緣體從一個超導體到達另一個超導體。約瑟夫森的這一預(yù)言不久就為P.W.安德森和J.M.羅厄耳的實驗觀測所證實——電子對通過兩塊超導金屬間的薄絕緣層（厚度約為10埃）時發(fā)生了隧道效應(yīng)，于是稱之為“約瑟夫森效應(yīng)”。 宏觀量子隧道效應(yīng)確立了微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應(yīng)而穿透絕緣層，使器件無法正常工作。因此，宏觀量子隧道效應(yīng)已成為微電子學、光電子學中的重要理論。
用途
　　隧道效應(yīng)本質(zhì)上是量子躍遷，電子迅速穿越勢壘。隧道效應(yīng)有很多用途。如制成分辨力為0.1nm（1A）量級的掃描隧道顯微鏡，可以觀察到Si的（111）面上的大元胞。但它適用于半導體樣品的觀察，不適于絕緣體樣品的觀測。在掃描隧道顯微鏡（STM）的啟發(fā)下，1986年開發(fā)了原子力顯微鏡（AFM），其工作原理如圖5所示。利用金剛石針尖制成以SiO2膜或Si3N4膜懸臂梁（其橫向截面尺寸為100μm×1μm，彈性系數(shù)為0.1～1N/m），梁上有激光鏡面反射鏡。當針尖金剛石的原子與樣品的表面原子間距離足夠小時，原子間的相互作用力使懸臂梁在垂直表面方向上產(chǎn)生位移偏轉(zhuǎn)，使入射激光的反射光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，被光電位移傳感器靈敏地探測出來。原子力顯微鏡對導體和絕緣體樣品都適用，且其分辨力達到0.01mm（0.1A），可以測出原子間的微作用力，實現(xiàn)原子級表面觀測。
　　根據(jù)光隧道效應(yīng)原理，利用光纖探測頭、壓電陶瓷、光電倍增管、掃描控制跟蹤系統(tǒng)和微機，可以構(gòu)成光隧道顯微鏡。它可以探測樣品的表面形貌。在經(jīng)典物理中，光在光纖內(nèi)部全反射，在量子物理中，激光可以從一根光纖內(nèi)通過隧道效應(yīng)進入相距很近的另一個光纖內(nèi)部，分光器就是利用量子隧道效應(yīng)而制成的。
　　電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0．25微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。
隧道二極管
　　隧道二極管是一種具有負阻特性的半導體二極管。目前主要用摻雜濃度較高的鍺或砷化鎵制成。其電流和電壓間的變化關(guān)系與一般半導體二極管不同。當某一個極上加正電壓時，通過管的電流先將隨電壓的增加而很快變大，但在電壓達到某一值后，忽而變小，小到一定值后又急劇變大；如果所加的電壓與前相反，電流則隨電壓的增加而急劇變大。因為這種變化關(guān)系只能用量子力學中的“隧道效應(yīng)”加以說明，故稱隧道二極管。由于“江崎二極管”具有負電阻，并且隧道效應(yīng)發(fā)生速度異常迅速，可用于高頻振蕩、放大以及開關(guān)等電路元件，尤其可以用來提高電子計算機的運算速度。
隧道巨磁電阻效應(yīng)
　　超導隧道結(jié)的發(fā)現(xiàn)在理論和實驗上均有重要的價值。受此啟發(fā)Julliere對Fe/Ge/Co磁性隧道結(jié)輸運性質(zhì)的研究作了開拓性的研究，發(fā)現(xiàn)隧道阻抗隨鐵磁層的磁化狀態(tài)而變化，低溫下電導的相對變化可達14%。1975年后人們對類似結(jié)構(gòu)中的磁電阻效應(yīng)進行了研究，但在室溫下均不能獲得較大的磁電阻效應(yīng)。在GMR效應(yīng)全球研究浪潮推動下，1994年在“磁性金屬/非磁絕緣體/磁性金屬”（FM/I/FM）型隧道結(jié)Fe/Al2O3/Fe中獲得了突破性進展。4.2K低溫下，磁電阻變化率高達30%，室溫下達18%。在這種結(jié)構(gòu)中如果兩鐵磁層的磁化方向平行，一個鐵磁層中多數(shù)自旋子帶的電子將進入另一個電極中的多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，同時少數(shù)自旋子帶的電子也從一電極進入另一電極的少數(shù)自旋子帶的空態(tài)；如果兩電極的磁化方向反平行，則一個電極中的多數(shù)子帶的自旋與另一個電極的少數(shù)自旋子帶電子的自旋平行，這樣，隧道電導過程中一個電極中多數(shù)自旋子帶的電子必須在另一個電極中尋找少數(shù)自旋子帶的空態(tài)，因而其隧道電導必須與兩極的磁化方向平行時的電導有所差別，將隧道電導與鐵磁電極的磁化方向相關(guān)的現(xiàn)象稱為磁隧道閥效應(yīng)（magnetic valve effect）。理論上假定電子穿越絕緣體勢壘時保持其自旋方向不變，在實際制備過程中由于氧化層生成時難免導致相鄰鐵磁層氧化，致使反鐵磁性的氧化薄層的出現(xiàn)影響磁電電阻效應(yīng)。所以實驗的結(jié)果比理論上的預(yù)計要小。Julliere模型給出磁隧道閥電阻的相對變化，即隧道磁電阻（TMR）RTM為：
　　RTM=
　　式中：ρ1和ρ2分別是兩個鐵磁電極的自旋極化度。顯然，ρ1，ρ2越大，則TMR也越高。
　　因為Fe和Co的ρ值分別為40%和34%，故Julliere模型可得Fe/I/Co的24%，但Fe/Ge/Co的實驗值與理論值有一定差距。在磁隧道閥中，磁場克服的鐵磁層的矯頑力就可使它們的磁化方向轉(zhuǎn)至磁場方向而趨于一致，這時TMR為極小值；若將磁場減小至負，矯頑力小的鐵磁層的磁化方向首先反轉(zhuǎn)，兩鐵磁層的磁化方向相反，隧道電阻為極大值。由于只需反轉(zhuǎn)一個單純的鐵磁層，因而只需一個非常小的外場便可實現(xiàn)TMR極大值，所以其磁場靈敏度極高。Fe/Al2O3/Fe 和CoFe/Al2O3的磁場靈敏度分別為8%/Oe和5%/Oe。這些結(jié)果是多層膜的GMR及氧化物的CMR遠所難及的。另外，在磁隧道結(jié)中可以通過改變氧化層的厚度來改變零場下的電阻值，而磁隧道結(jié)電阻值并不因此而改變的。這在金屬多層膜中是很難實現(xiàn)的。這樣根據(jù)不同的器件的驅(qū)動電壓不同可以設(shè)計出不同的磁隧道結(jié)。今后如能解決氧化層的穩(wěn)定制備和制備過程中鐵磁層的氧化問題，其工業(yè)應(yīng)用前景非�？捎^。此外如果技術(shù)手段可以保證的話，制備多層氧化隧道結(jié)也許可以獲得更為豐富的物理效應(yīng)和應(yīng)用價值。隧道結(jié)的磁電阻效應(yīng)取得了突破之后，人們受顆粒膜的啟發(fā)又在Ni-SiO2, Co-SiO2, Fe-MgF2以及Fe-SiO2的鐵磁絕緣物顆粒膜中發(fā)現(xiàn)了高的磁電阻效應(yīng)。實驗表明該體系中磁電阻效應(yīng)與磁性顆粒的大小有關(guān)，數(shù)值不大，飽和場較高，應(yīng)用的前景可能不大。
宏觀量子隧道效應(yīng)
　　各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學已用能級的概念進行了合理的解釋，由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時，單獨原子的能級就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的，從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別，對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。
　　電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0．25微米。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。

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