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隧道效应是什么意思

许愿 XuYuan.CN 更新时间:2022-03-04
隧道效应是什么意思

隧道效应由微观粒子波动性所确定的量子效应。又称势垒贯穿。考虑粒子运动遇到一个高于粒子能量的势垒,按照经典力学,粒子是不可能越过势垒的;按照量子力学可以解出除了在势垒处的反射外,还有透过势垒的波函数,这表明在势垒的另一边,粒子具有一定的概率,粒子贯穿势垒。

约瑟夫森效应属于遂穿效应,但有别于一般的隧道效应,它是库伯电子对通过由超导体间通过弱连接形成约瑟夫森结的超流效应。

隧道效应──微观粒子能透入按经典力学规律它不可能进入的势垒区,是反映微观粒子的波动性的一种基本效应。可以把半导体(或绝缘体)中的电子迁移现象理解为在外电场下,束缚在一个原子中的电子,通过隧道穿透势垒,到另一个原子中。不过,通常说的半导体中的隧道效应指的不是这种对原子势场的量子隧道效应。而是指电子对半导体中宏观势垒的穿透,这个宏观势垒是半导体的禁带造成的。C.齐纳在1934年最先提出,在外电场下,价带的电子可以穿过禁带进入导带。在禁带中电子波函数指数衰减(波矢是复数的),就和穿过势垒时相似;齐纳认为这是强场下半导体(或绝缘体)电击穿的一种原因。但实验表明,通常半导体电击穿过程中,这种原因(称齐纳击穿)只起很次要的作用。只有在某些特殊类型的PN结的反向击穿中,才有以齐纳击穿为主的情况。这种类型的PN结称齐纳二极管,或按其用途叫稳压二极管。通常是硅二极管。1957年江崎玲於奈发明了隧道二极管。它是高掺杂半导体形成的窄的PN结;当它加上前向偏压时,N区电子可以通过隧道效应,穿过禁带进入P区中价带的空状态。随所加的偏压增大,开始时隧道电流变大(可以进入的空状态增多);随后到达极大值然后逐渐下降(可以进入的空状态减少),最后下降到零(可以进入的空状态没有了)。隧道二极管伏安特性曲线]是隧道二极管的伏安特性曲线,以及对应各部分的PN结能带图。隧道二极管正向伏安特性中有一段负阻区,而且它还是一种多数载流子效应,没有渡越时间的限制,所以隧道二极管可用作低噪声的放大器、振荡器或高速开关器件,频率可达毫米波段。它作为器件的缺点是功率容量太小。隧道过程中,常常有电子-声子相互作用或电子-杂质相互作用参加。从隧道二极管的伏安特性上可分析出参与隧道过程的某些声子的频率。在势垒区中的光吸收或发射中,隧道效应也起着作用,这称夫兰克-凯尔德什效应。杂质的束缚电子态和能带中电子态之间的隧道也观察到。

江崎玲於奈的发明开创了研究固体中隧道效应的新阶段。因此,他和发现超导体中隧道现象的I.加埃沃、B.D.约瑟夫森一起获得了1973年诺贝尔物理学奖。金属半导体接触势垒(肖特基势垒)中的隧道现象也很有趣。1932年,A.H.威耳孙、约飞和夫伦克耳企图用隧道电流来解释肖特基势垒的整流效应,但发现所预言的整流方向是错误的。不过,却发现有些高掺杂的肖特基势垒在小的前向偏压下,隧道电流是主要的电流机制。金属-绝缘体-半导体系统中隧道效应的研究也是有意义的。

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