百科解釋
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(dòng)性所確定的量子效應(yīng)。又稱勢(shì)壘貫穿 。考慮粒子運(yùn)動(dòng)遇到一個(gè)高于粒子能量的勢(shì)壘,按照經(jīng)典力學(xué),粒子是不可能越過(guò)勢(shì)壘的;按照量子力學(xué)可以解出除了在勢(shì)壘處的反射外,還有透過(guò)勢(shì)壘的波函數(shù),這表明在勢(shì)壘的另一邊,粒子具有一定的概率,粒子貫穿勢(shì)壘。理論計(jì)算表明,對(duì)于能量為幾電子伏的電子,方勢(shì)壘的能量也是幾電子伏 ,當(dāng)勢(shì)壘寬度為1埃時(shí) , 粒子的透射概率達(dá)零點(diǎn)幾 ;而當(dāng)勢(shì)壘寬度為10時(shí),粒子透射概率減小到10-10 ,已微乎其微?梢(jiàn)隧道效應(yīng)是一種微觀世界的量子效應(yīng),對(duì)于宏觀現(xiàn)象,實(shí)際上不可能發(fā)生。 在勢(shì)壘一邊平動(dòng)的粒子,當(dāng)動(dòng)能小于勢(shì)壘高度時(shí),按經(jīng)典力學(xué),粒子是不可能穿過(guò)勢(shì)壘的。對(duì)于微觀粒子,量子力學(xué)卻證明它仍有一定的概率穿過(guò)勢(shì)壘,實(shí)際也正是如此,這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。對(duì)于諧振子,按經(jīng)典力學(xué),由核間距所決定的位能決不可能超過(guò)總能量。量子力學(xué)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(dǎo)體之間夾一薄絕緣層,就構(gòu)成一個(gè)電子的隧道結(jié)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子可以通過(guò)隧道結(jié),即電子可以穿過(guò)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(shuō)明金屬中電子勢(shì)能比空氣或絕緣層中低.于是電子隧道結(jié)對(duì)電子的作用可用一個(gè)勢(shì)壘來(lái)表示,為了簡(jiǎn)化運(yùn)算,把勢(shì)壘簡(jiǎn)化成一個(gè)一維方勢(shì)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(dāng)兩端施加勢(shì)能形成勢(shì)壘V時(shí),導(dǎo)體中有動(dòng)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(guò)勢(shì)壘V而達(dá)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(dòng)性。按照量子力學(xué)原理,有能量(動(dòng)能)E的電子波長(zhǎng)=(其中,——普朗克常數(shù);——電子質(zhì)量;E——電子的動(dòng)能),在勢(shì)壘V前:若E>V,它進(jìn)入勢(shì)壘V區(qū)時(shí),將波長(zhǎng)改變?yōu)棣恕?;若E<V時(shí),雖不能形成有一定波長(zhǎng)的波動(dòng),但電子仍能進(jìn)入V區(qū)的一定深度。當(dāng)該勢(shì)壘區(qū)很窄時(shí),即使是動(dòng)能E小于勢(shì)壘V,也會(huì)有一部分電子穿透V區(qū)而自身動(dòng)能E不變。換言之,在E<V時(shí),電子入射勢(shì)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(xué)認(rèn)為,物體越過(guò)勢(shì)壘,有一閾值能量;粒子能量小于此能量則不能越過(guò),大于此能量則可以越過(guò)。例如騎自行車過(guò)小坡,先用力騎,如果坡很低,不蹬自行車也能靠慣性過(guò)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(xué)則認(rèn)為,即使粒子能量小于閾值能量,很多粒子沖向勢(shì)壘,一部分粒子反彈,還會(huì)有一些粒子能過(guò)去,好像有一個(gè)隧道,故名隧道效應(yīng)(quantum tunneling)?梢(jiàn),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?yàn)樗泶⿴茁蕵O小,但在某些特丁的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會(huì)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(guò)程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)增加PN結(jié)兩端的電壓時(shí)電流反而減少,江崎玲於奈將這種反常的負(fù)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(xué)家加埃沃(Ivan Giaever,1929~)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了在超導(dǎo)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(kù)珀對(duì)”及BCS理論被公認(rèn)為是對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象的完美解釋,單電子隧道效應(yīng)無(wú)疑是對(duì)超導(dǎo)理論的一個(gè)重要補(bǔ)充。 1962年,年僅20歲的英國(guó)劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)研究生約瑟夫森(Brian David Josephson,1940~)預(yù)言,當(dāng)兩個(gè)超導(dǎo)體之間設(shè)置一個(gè)絕緣薄層構(gòu)成SIS(Superconductor-Insulator- Superconductor)時(shí),電子可以穿過(guò)絕緣體從一個(gè)超導(dǎo)體到達(dá)另一個(gè)超導(dǎo)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(shí)驗(yàn)觀測(cè)所證實(shí)——電子對(duì)通過(guò)兩塊超導(dǎo)金屬間的薄絕緣層(厚度約為10埃)時(shí)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(jìn)一步微型化的極限,當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如,在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí),當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí),電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而穿透絕緣層,使器件無(wú)法正常工作。因此,宏觀量子隧道效應(yīng)已成為微電子學(xué)、光電子學(xué)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(shì)壘。隧道效應(yīng)有很多用途。如制成分辨力為0.1nm(1A)量級(jí)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(dǎo)體樣品的觀察,不適于絕緣體樣品的觀測(cè)。在掃描隧道顯微鏡(STM)的啟發(fā)下,1986年開(kāi)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(dāng)針尖金剛石的原子與樣品的表面原子間距離足夠小時(shí),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(cè)出來(lái)。原子力顯微鏡對(duì)導(dǎo)體和絕緣體樣品都適用,且其分辨力達(dá)到0.01mm(0.1A),可以測(cè)出原子間的微作用力,實(shí)現(xiàn)原子級(jí)表面觀測(cè)。 根據(jù)光隧道效應(yīng)原理,利用光纖探測(cè)頭、壓電陶瓷、光電倍增管、掃描控制跟蹤系統(tǒng)和微機(jī),可以構(gòu)成光隧道顯微鏡。它可以探測(cè)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(guò)隧道效應(yīng)進(jìn)入相距很近的另一個(gè)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(dòng)性,因此存在隧道效應(yīng)。近年來(lái),人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量,如微顆粒的磁化強(qiáng)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(huì)是未來(lái)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(jìn)一步微型化的極限,當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如,在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí),當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí),電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而溢出器件,使器件無(wú)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(fù)阻特性的半導(dǎo)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(dǎo)體二極管不同。當(dāng)某一個(gè)極上加正電壓時(shí),通過(guò)管的電流先將隨電壓的增加而很快變大,但在電壓達(dá)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?yàn)檫@種變化關(guān)系只能用量子力學(xué)中的“隧道效應(yīng)”加以說(shuō)明,故稱隧道二極管。由于“江崎二極管”具有負(fù)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(kāi)關(guān)等電路元件,尤其可以用來(lái)提高電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。隧道巨磁電阻效應(yīng) 超導(dǎo)隧道結(jié)的發(fā)現(xiàn)在理論和實(shí)驗(yàn)上均有重要的價(jià)值。受此啟發(fā)Julliere對(duì)Fe/Ge/Co磁性隧道結(jié)輸運(yùn)性質(zhì)的研究作了開(kāi)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(dǎo)的相對(duì)變化可達(dá)14%。1975年后人們對(duì)類似結(jié)構(gòu)中的磁電阻效應(yīng)進(jìn)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(dòng)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(jìn)展。4.2K低溫下,磁電阻變化率高達(dá)30%,室溫下達(dá)18%。在這種結(jié)構(gòu)中如果兩鐵磁層的磁化方向平行,一個(gè)鐵磁層中多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)入另一個(gè)電極中的多數(shù)自旋子帶的空態(tài),同時(shí)少數(shù)自旋子帶的電子也從一電極進(jìn)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(gè)電極中的多數(shù)子帶的自旋與另一個(gè)電極的少數(shù)自旋子帶電子的自旋平行,這樣,隧道電導(dǎo)過(guò)程中一個(gè)電極中多數(shù)自旋子帶的電子必須在另一個(gè)電極中尋找少數(shù)自旋子帶的空態(tài),因而其隧道電導(dǎo)必須與兩極的磁化方向平行時(shí)的電導(dǎo)有所差別,將隧道電導(dǎo)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(shì)壘時(shí)保持其自旋方向不變,在實(shí)際制備過(guò)程中由于氧化層生成時(shí)難免導(dǎo)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果比理論上的預(yù)計(jì)要小。Julliere模型給出磁隧道閥電阻的相對(duì)變化,即隧道磁電阻(TMR)RTM為: RTM= 式中:ρ1和ρ2分別是兩個(gè)鐵磁電極的自旋極化度。顯然,ρ1,ρ2越大,則TMR也越高。 因?yàn)镕e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(shí)驗(yàn)值與理論值有一定差距。在磁隧道閥中,磁場(chǎng)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(chǎng)方向而趨于一致,這時(shí)TMR為極小值;若將磁場(chǎng)減小至負(fù),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(gè)單純的鐵磁層,因而只需一個(gè)非常小的外場(chǎng)便可實(shí)現(xiàn)TMR極大值,所以其磁場(chǎng)靈敏度極高。Fe/Al2O3/Fe 和CoFe/Al2O3的磁場(chǎng)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(yuǎn)所難及的。另外,在磁隧道結(jié)中可以通過(guò)改變氧化層的厚度來(lái)改變零場(chǎng)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(shí)現(xiàn)的。這樣根據(jù)不同的器件的驅(qū)動(dòng)電壓不同可以設(shè)計(jì)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(guò)程中鐵磁層的氧化問(wèn)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(jià)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(xué)已用能級(jí)的概念進(jìn)行了合理的解釋,由無(wú)數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí),單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶,由于電子數(shù)目很多,能帶中能級(jí)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(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別,對(duì)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(jí);能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí),就會(huì)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(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)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(huì)反常變化,光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng),這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此,對(duì)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(dòng)性,因此存在隧道效應(yīng)。近年來(lái),人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量,如微顆粒的磁化強(qiáng)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(huì)是未來(lái)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(jìn)一步微型化的極限,當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如,在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí),當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí),電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而溢出器件,使器件無(wú)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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