Туннельный эффект - Курсовая работа

По классическим представлениям движение частицы будет таким: - если энергия частицы будет больше высоты барьера (E>U0), то частица беспрепятственно проходит над барьером; если же энергия частицы будет меньше высоты барьера (E<U0), то частица отражается и летит в обратную сторону; сквозь барьер частица проникнуть не может. Во-первых, даже при E>U0 имеется отличная от нуля вероятность того, что частица отразится от потенциального барьера и полетит обратно. Во-вторых, при E<U0 имеется вероятность того, что частица проникнет «сквозь» барьер и окажется в области III. Слагаемое соответствует волне, распространяющейся в области I в направлении оси х, А1-амплитуда этой волны.Вследствие того, что уровень Ферми EF1 в М1 (уровень Ферми это то значение энергии уровня, выше которого значения энергии электрон принимать не может при Т=0 К) находится выше, чем EF2 в М2, соответствующие работы выхода А1<А2. При Т=0 К электроны за счет туннелирования будут переходить из М1 в М2, так как напротив заполненных уровней в М1 будут находиться свободные уровни в М2. Электрон, переходящий из М1 в М2, переносит заряд-q, создавая разность потенциалов на контакте-V. Работа, совершаемая электронами по преодолению энергетического барьера-QV, переходит в потенциальную энергию электронов, в результате чего все энергетические уровни в М1 опускаются, а в М2 подымаются (рис. При этом потенциальный барьер для электронов, движущихся слева направо, станет равным потенциальному барьеру для электронов, движущихся из М2 в М1, и поток n12 станет равным n21.Туннельный механизм прохождения электронов сквозь тонкие диэлектрические слои может проявляться и быть преобладающим при малой концентрации носителей тока в пленке диэлектрика, сравнительно высоких барьерах на поверхности диэлектрика, низких температурах и достаточно малых, толщинах пленки. Результирующий туннельный ток из одного электрода в другой сквозь диэлектрический слой находится как разность встречных туннельных составляющих токов в направлении х, перпендикулярном плоскости пленки. Составляющие этой разности определяют интегрированием произведения концентрации электронов в электродах на прозрачность барьера по всем значениям энергии электронов. Полученное таким образом уравнение для туннельного тока имеет вид: , (2.2.1) где n1(Е) и n2(Е)-концентрации электронов с энергиями от Е до Е DE в первом и втором электродах соответственно; D(Е, py, pz)-вероятность проникновения электрона с энергией Е сквозь потенциальный барьер (прозрачность барьера), h-постоянная Планка, ру, pz,-компоненты импульса электрона в плоскости, параллельной плоскости пленки. Поэтому детальный расчет вольтамперной характеристики должен производиться с учетом сил изображения, различия эффективных масс носителей заряда в металле и диэлектрике, а также с учетом пространственного заряда электронов, туннелировавших из металла в зону проводимости диэлектрика, и электронов, попавших на ловушки в диэлектрике.Механизм токопереноса в тонких пленках объясняется либо надбарьерной эмиссией, либо туннелированием через вакуумный зазор, либо туннелированием через ловушки в диэлектрической подложке. Если расстояние между зернами пленки лежит в пределах 1…5 нм (зерно - это область в пленке, где структура кристаллографической решетки симметрична), то для типичного значения работы выхода от 2 до 6 ЭВ при температурах, не превышающих 300 К, преобладающим механизмом токопереноса будет туннелирование. Поэтому, когда электрон переходит из одного зерна в другое, энергия его остается прежней (электрон переходит с энергетического уровня первого зерна на энергетический уровень второго, расположенный на такой же высоте). Такой переход возможен, если в зернах есть свободные энергетические уровни с соответствующей энергией и, кроме того, в одном из зерен на этих уровнях имеются электроны (рис. Уровень Ферми первого зерна смещается относительно уровня Ферми второго на величину , где u - приложенное напряжение.Пробоем называют резкое увеличение тока через переход в области обратных напряжений, превышающих напряжение, называемое напряжением пробоя. Туннельный пробой связан с туннельным эффектом - переходом электронов сквозь потенциальный барьер без изменения энергии. Туннельный пробой наблюдается только при очень малой толщине барьера - порядка 10 нм, то есть в переходах между сильнолегированными p-и n-областями (порядка 1018 см-3). На рис.2.4.1 показана энергетическая диаграмма p-n-перехода при обратном напряжении, стрелкой обозначено направление туннельного перехода электрона из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области.Туннельный ток возникает и между двумя сверхпроводниками, разделенными тонкой пленкой. 2.5.1) включить в цепь постоянного тока, то через контакт будет протекать ток, однако падение напряжения на контакте будет равно нулю. Этот эффект объясняется тем, что через пленку туннелируют куперовские пары.

Содержание

1.ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ

2. КОНТАКТ МЕТАЛЛ-МЕТАЛЛ

3. СТРУКТУРА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-МЕТАЛЛ

4. ТОКОПЕРЕНОС В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ

5. ТУННЕЛЬНЫЙ ПРОБОЙ В p-n-ПЕРЕХОДЕ

6. ЭФФЕКТЫ ДЖОЗЕФСОНА

7. ЭФФЕКТ ФРАНЦА-КЕЛДЫША

8. ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД

ЛИТЕРАТУРА

1.