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隧道效應(yīng)（量子物理現(xiàn)象）

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隧道效應(yīng)

本詞條是多義詞，共2個義項

量子物理現(xiàn)象

隧道效應(yīng)由微觀粒子波動性所確定的量子效應(yīng)。又稱勢壘貫穿。考慮粒子運動遇到一個高于粒子能量的勢壘，按照經(jīng)典力學(xué)，粒子是不可能越過勢壘的；按照量子力學(xué)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。

約瑟夫森效應(yīng)屬于遂穿效應(yīng)，但有別于一般的隧道效應(yīng)，它是庫伯電子對通過由超導(dǎo)體間通過弱連接形成約瑟夫森結(jié)的超流效應(yīng)。

基本信息

中文名	隧道效應(yīng)
外文名	Tunnel effect
用途	制成掃描隧道顯微鏡
定義	由微觀粒子波動性確定的量子效應(yīng)
又稱	勢壘貫穿
作用	理解許多自然現(xiàn)象的基礎(chǔ)

收起

概念介紹

隧道效應(yīng)

在勢壘一邊平動的粒子，當(dāng)動能小于勢壘高度時，按經(jīng)典力學(xué)，粒子是不可能穿過勢壘的。對于微觀粒子，量子力學(xué)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(xué)，由核間距所決定的位能決不可能超過總能量。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)。在兩層金屬導(dǎo)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。

隧道效應(yīng)

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)兩端施加勢能形成勢壘V時，導(dǎo)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(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性。按照量子力學(xué)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(jìn)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(jìn)入V區(qū)的一定深度。當(dāng)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。

效應(yīng)原理

隧道效應(yīng)

經(jīng)典物理學(xué)人們認(rèn)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(xué)則認(rèn)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)（quantumtunneling）。可見，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，但在某些特定的條件下宏觀的隧道效應(yīng)也會出現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)者簡介

隧道效應(yīng)

1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈（LeoEsaki，1940～）在改良高頻晶體管2T7的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(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（IvanGiaever，1929～）通過實驗證明了在超導(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“庫珀對”及BCS理論被公認(rèn)為是對超導(dǎo)現(xiàn)象的完美解釋，單電子隧道效應(yīng)無疑是對超導(dǎo)理論的一個重要補充。1962年，年僅20歲的英國劍橋大學(xué)實驗物理學(xué)研究生約瑟夫森（BrianDavidJosephson，1940～）預(yù)言，當(dāng)兩個超導(dǎo)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(dǎo)體到達(dá)另一個超導(dǎo)體。約瑟夫森的這一預(yù)言不久就為P.W.安德森和J.M.羅厄耳的實驗觀測所證實——電子對通過兩塊超導(dǎo)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(jìn)一步微型化的極限，在微電子器件進(jìn)一步微型化時，必須要考慮上述的量子效應(yīng)。舉例來說，在制造半導(dǎo)體集成電路時，當(dāng)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(xué)、光電子學(xué)中的重要理論。

主要用途

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(dǎo)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(dāng)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(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(jìn)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。放

隧道二極管

隧道效應(yīng)

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(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。因為這種變化關(guān)系只能用量子力學(xué)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(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)

隧道效應(yīng)

超導(dǎo)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(dǎo)的相對變化可達(dá)14%。1975年后人們對類似結(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，一個鐵磁層中多數(shù)自旋子帶的電子將進(jìn)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(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(dǎo)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(dǎo)必須與兩極的磁化方向平行時的電導(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)（magneticvalveeffect）。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(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。

隧道效應(yīng)

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(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(yuǎn)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)用前景非常可觀。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(xué)已用能級的概念進(jìn)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)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(dǎo)體集成電路時，當(dāng)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。

隧道視野效應(yīng)

隧道效應(yīng)

美國的一個攝制組，想拍一部中國農(nóng)民生活的記錄片。于是他們來到中國某地農(nóng)村，找到一位柿農(nóng)，說要買他1000個柿子，請他把這些柿子從樹上摘下來，并演示一下貯存的過程，談好的價錢是1000個柿子給20美元。柿農(nóng)很高興地同意了。于是他找來一個幫手，一人爬到柿子樹上，用綁有彎鉤的長桿，看準(zhǔn)長得好的柿子用勁一擰，柿子就掉了下來。下面的一個人就從草叢里把柿子找了出來，撿到一個竹筐里。柿子不斷地掉下來，滾得到處都是。下面的人則手腳飛快地把它們不斷地?fù)斓街窨鹄铮瑫r還不忘高聲大嗓地和樹上的人拉著家常。在一邊的美國人覺得這很有趣，自然全都拍了下來。接著又拍了他們貯存柿子的過程。

美國人付了錢就準(zhǔn)備離開，那位收了錢的柿農(nóng)卻一把拉住他們說："你們怎么不把買的柿子帶走呢？"美國人說不好帶，也不需要帶，他們買這些柿子的目的已經(jīng)達(dá)到了，這些柿子還是請他自己留著。"天底下哪有這樣便宜的事情呢？"那位柿農(nóng)心里想。看著美國人遠(yuǎn)去的背影，柿農(nóng)搖搖頭感嘆道："沒想到世界上還有這樣的傻瓜！"那位柿農(nóng)不知道，他的1000個柿子雖然原地沒動地就賣了20美元，但那幾位美國人拍的他們采摘和貯存柿子的記錄片，拿到美國去卻可以賣更多更多的錢。他也不知道，在那幾個美國人眼里，他的那些柿子并不值錢，值錢的是他們的那種獨特有趣的采摘、貯存柿子的生產(chǎn)生活方式。柿農(nóng)的蠅頭小利比起那幾個美國人的利益來說實在不算什么。在企業(yè)的投資構(gòu)成中，人們的決策者是像文中的柿農(nóng)一樣只看到眼前的比較直接的"小利益"還是能把眼光放長遠(yuǎn)一些，發(fā)現(xiàn)更大，但可能比較隱蔽的"大利益"呢？

半導(dǎo)體

隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)──微觀粒子能透入按經(jīng)典力學(xué)規(guī)律它不可能進(jìn)入的勢壘區(qū)，是反映微觀粒子的波動性的一種基本效應(yīng)。可以把半導(dǎo)體（或絕緣體）中的電子遷移現(xiàn)象理解為在外電場下，束縛在一個原子中的電子，通過隧道穿透勢壘，到另一個原子中。不過，通常說的半導(dǎo)體中的隧道效應(yīng)指的不是這種對原子勢場的量子隧道效應(yīng)。而是指電子對半導(dǎo)體中宏觀勢壘的穿透，這個宏觀勢壘是半導(dǎo)體的禁帶造成的。C.曾訥在1934年最先提出，在外電場下，固體的能帶在空間上變成圖1[曾訥擊穿]所示的傾斜情況，價帶的電子可以穿過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶。在禁帶中電子波函數(shù)指數(shù)衰減（波矢是復(fù)數(shù)的），就和穿過勢壘時相似；曾訥認(rèn)為這是強場下半導(dǎo)體(或絕緣體)電擊穿的一種原因。但實驗表明，通常半導(dǎo)體電擊穿過程中，這種原因（稱曾訥擊穿）只起很次要的作用。只有在某些特殊類型的PN結(jié)的反向擊穿中，才有以曾訥擊穿為主的情況。這種類型的PN結(jié)稱曾訥二極管，或按其用途叫穩(wěn)壓二極管。通常是硅二極管。

隧道效應(yīng)

1957年江崎玲於奈發(fā)明了隧道二極管。它是高摻雜半導(dǎo)體形成的窄的PN結(jié)；當(dāng)它加上前向偏壓時,N區(qū)電子可以通過隧道效應(yīng)，穿過禁帶進(jìn)入P區(qū)中價帶的空狀態(tài)。隨所加的偏壓增大，開始時隧道電流變大（可以進(jìn)入的空狀態(tài)增多）；隨后到達(dá)極大值然后逐漸下降（可以進(jìn)入的空狀態(tài)減少），最后下降到零（可以進(jìn)入的空狀態(tài)沒有了）。圖2[隧道二極管伏安特性曲線]是隧道二極管的伏安特性曲線，以及對應(yīng)各部分的PN結(jié)能帶圖。隧道二極管正向伏安特性中有一段負(fù)阻區(qū)，而且它還是一種多數(shù)載流子效應(yīng)，沒有渡越時間的限制，所以隧道二極管可用作低噪聲的放大器、振蕩器或高速開關(guān)器件，頻率可達(dá)毫米波段。它作為器件的缺點是功率容量太小。隧道過程中，常常有電子－聲子相互作用或電子-雜質(zhì)相互作用參加。從隧道二極管的伏安特性上可分析出參與隧道過程的某些聲子的頻率。在勢壘區(qū)中的光吸收或發(fā)射中，隧道效應(yīng)也起著作用，這稱夫蘭克－凱爾德什效應(yīng)。雜質(zhì)的束縛電子態(tài)和能帶中電子態(tài)之間的隧道也觀察到。

江崎玲於奈的發(fā)明開創(chuàng)了研究固體中隧道效應(yīng)的新階段。因此，他和發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體中隧道現(xiàn)象的I.加埃沃、B.D.約瑟夫森一起獲得了1973年諾貝爾物理學(xué)獎。金屬半導(dǎo)體接觸勢壘（肖脫基勢壘）中的隧道現(xiàn)象也很有趣。1932年,A.H.威耳孫、.約飛'"class=link>..約飛和..夫倫克耳企圖用隧道電流來解釋肖脫基勢壘的整流效應(yīng)，但發(fā)現(xiàn)所預(yù)言的整流方向是錯誤的。不過，近年來卻發(fā)現(xiàn)有些高摻雜的肖脫基勢壘在小的前向偏壓下，隧道電流是主要的電流機制。金屬－絕緣體－半導(dǎo)體系統(tǒng)中隧道效應(yīng)的研究也是有意義的。

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