1. Teoria efectului de tunel
Efect tunel. - fenomen cuantic de penetrare a micro-particulelor dintr-o regiune clasică accesibilă de mișcare la alta, de la, nu sunt împărtășite de prima barieră potențială (Figura 1.1) [2]. Dacă luăm în considerare micro-obiect, de exemplu, un electron într-un potențial de bine, spre deosebire de mecanicii clasice, există o probabilitate finită de a găsi obiectului în regiunea interzisă a spațiului în care energia sa totală este mai mică decât energia potențială în acest moment. [3] Probabilitatea de a găsi o particulă în orice punct în spațiu este proporțională cu pătratul funcției Y. undă Când se apropie de potențialul particulă de barieră trece prin ea numai cu o anumită probabilitate, dar cu un anumit grad de impact probabilitate. Coeficientul de tunel (trecere, scurgere) particulele de barieră este D:
D = e (-2a / j) (2m (U0-E)) ½ (1)
unde a este lățimea barierului și U0 este înălțimea barierului.
Caracteristica principală (1) este că o cantitate foarte mică ž (Planck) stă în numitorul exponent, prin tunelare prin particulele de masă mari clasice coeficient barieră este foarte mică. [4] Cu cât masa particulelor este mai mică, cu atât este mai mare probabilitatea efectului de tunel. Astfel, atunci când înălțimea barierei de 2 eV și lățime 10 # 8209; 8 cm probabilitatea de a trece prin bariera pentru un electron, cu o energie de 1 eV este 0,78, iar pentru protonul aceleiași energii de 3,6 x 10-19. Dacă luăm în considerare un corp macroscopic - bila cântărind 1 g, se deplasează pe o suprafață orizontală cu o viteză foarte mică (energia cinetică este aproape de zero), atunci probabilitatea de depășire a acestora de a pre-obstrucție - ras lama grosime de 0,1 prezente deasupra suprafețelor orizontale vorbitoare mm cu 0,1 mm este egal cu 10-26.
Trecerea unei particule printr-o barieră potențială poate fi, de asemenea, explicată cu ajutorul relației de incertitudine. Incertitudinea impulsului D p pe segmentul D x, egal cu lățimea barierului a, este: Dp> ¾ / a. Energia cinetică (Dp) 2 / 2m0 asociată cu această răspândire în valorile impulsului se poate dovedi a fi suficientă pentru ca energia totală a particulei să fie mai mare decât energia potențială. [2].
3. Efectul tunelului în fizică
3.1. Tunelul de electroni în solide
În 1922, fenomenul emisiilor de electroni reci din metale a fost descoperit prin acțiunea unui câmp electric puternic puternic. Imediat a pus fizicienii la un moment dat. În acest caz, graficul energiei potențiale a electronului este reprezentat în figura 3.1.1 În stânga, pentru valorile negative ale coordonatei x este regiunea metalului în care electronii se pot deplasa aproape liber. Aici energia potențială poate fi considerată constantă. Un perete potențial apare la limita metalului, care nu permite ca electronul să părăsească metalul; el o poate face numai prin dobândirea unei energii suplimentare egale cu munca lui Aveighs. La o temperatură scăzută, o astfel de energie poate fi obținută numai printr-o fracțiune neglijabilă a electronilor.
Dacă facem metalul o plăcuță negativă a condensatorului, atașând un câmp electric suficient de puternic, atunci energia potențială a electronului începe să scadă datorită încărcăturii sale negative în afara metalului. O particulă clasică, încă nu penetrează printr-o astfel de barieră potențială, cuantumul poate fi bine proeminent.
Imediat după apariția mecanicii cuantice, Fowler și Nordheim au explicat fenomenul de emisii la rece, cu ajutorul efectului de tunel pentru electroni. Electronii din interiorul unui metal au energii foarte diferite chiar la zero absolut, deoarece, conform principiului Pauli, în fiecare stare cuantică nu poate exista mai mult de un electron (cu posibilitate de rotire). Prin urmare, numărul de stări umplute este egal cu numărul de electroni, iar energia celei mai înalte stare de umplere EF - energia Fermi în metalele obișnuite este de aproximativ câțiva electroni volți, la fel ca funcția de lucru.
Cea mai ușoară cale este de a tunona electroni cu energie EF. Cu scăderea energiei, probabilitatea de tuneluri scade brusc. Toate trăsăturile experimentale, precum și amploarea totală a efectului, au fost descrise perfect de formula Fowler-Nordheim. Emisia de electroni rece este primul fenomen explicat cu succes prin tunelul de particule. [4].
3.2 Tranzistori cuantice
Analogia optică face posibilă vizualizarea funcționării unui tranzistor cuantic. Figura 3.2.1 prezintă un interferometru optic cu două fascicule, precum și un tranzistor electronic cu un circuit inel cuantic. Transmisia unui interferometru (optic sau electronic) este determinată de o formulă simplă și depinde în mod unic de diferența de fază a celor două căi. Efectul tranzistor se datorează electronilor modificărilor de fază de undă într-unul din brațele interferometru prin poarta de tensiune aplicată electrodului se obține E3.Esche mai simplu tranzistor schemă cuantic dacă luăm ideea interferometrului Fabry-Perot (Fig. 3.2.2). Aici, un rezonator optic format prin oglinzi M1 și M2, este implementat într-un tranzistor folosind un filamente conductoare subțiri - quantum lungime sârmă L, separate de E1 electrozi și bariere translucide E2 pentru val de electroni. Condiții de transmisie maximă are aceeași formă ca și condiție de rezonanță de Broglie lungime de unda in lungime bine cuantice L. Efectul tranzistor este realizat prin schimbarea lungimii de undă a unui electron printr-o tensiune aplicată electrodului E3. Împreună cu tranzistori de interferență cuantice proiectate alte tipuri de tranzistori - balistice, cu efect Josephson, cu blocada Coulomb. [29] În tranzistoarele cu efecte cuantice, natura undelor electronilor și fenomenele corespunzătoare devin fundamentale în activitatea lor. [30]
3.3. Dioda tunelului.
100 A și mai puțin, adică mult mai puțin decât în tranziția uzuală p-n. La (ris.3.3.2.a) prezintă o caracteristică tipică curent-tensiune statică a unei diode tunel, ceea ce arată că curentul în sens invers (potențial p-regiune este relativ negativă la potențialul n-regiunii) crește monoton. curent static complet al diodei este suma curentului de tunelare de la zona la zona, și curentul de difuzie excesivă (Fig 3.3.2.b). Nivelurile Fermi trec în zonele admise ale semiconductorului și sunt constante pe toată suprafața semiconductorului. Deasupra nivelului Fermi, toate statele de pe ambele părți ale tranziției sunt goale, și sub toate statele permise pe ambele părți ale tranziției umplut cu electroni. În absența tensiunii aplicate, curentul tunelului nu curge. Figura 3.3.3 arată modul în care electronii din tunelul benzii de valență se introduc în banda de conducție la tensiunea inversă pe diodă. Pentru a direcționa tunelelor să apară, în poziția de jos în spațiu impuls al benzii de conducție și banda de valență ar trebui să coincidă. Această condiție este satisfăcută în semiconductori cu un decalaj direct al benzii (în cazul GaAs și GaSb). Acesta poate fi, de asemenea, efectuate în semiconductori cu bandgap indirectă (de exemplu, Ge) la tensiuni suficient aplicate ridicată astfel încât maximul benzii de valență este la același nivel cu minimum indirect al benzii de conducție. [31] O caracteristică I-V a fost studiată la temperaturi diferite în diode de barieră Schottky fabricate din Al și poli-3-octiltiodină.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: