第八章 单电子隧道效应_651402379.pdfVIP

第八章 单电子隧道效应 (Tunneling Effect) 8.1 引言 I. Giaever 两块正常金属制成的板隔开一个极小的间隙 ( 图示) 若金属板的间隔非常小，则有tunneling effect ，一块金属中 的电子能够跨到另一块金属。在此过程中，金属外部的电子由 振幅下降为 e−x / ξ 的呈指数衰减的驻波表示，而不是金属内部 电子的行波 ξ ~ 10−8 cm 产生隧道效应的三个条件： (1) 金属间隔 ξ (2) 在此过程中能量守恒 (3) 电子要隧穿入的态为空态 Tunnel junction J. Frenkel, Phys. Rev. 36, 1604 (1930) 1959年4月 Giaever Al-Al O -Al 室温：N-I-N 2 3 如何证明是隧道效应 1973年获Nobel奖(与Josephson和Esaki分享) S-I-N N-I-N N-I-N 和S-I-N 电流－电压曲线 8.2 单电子隧道效应的原理 隧道效应是量子现象，量子力学中： 粒子的穿透几率为： T ≈exp{−2d 2m(U −ε) } (1) 0 (U −ε) T对d， 0 和m都很敏感。 加电压前后的方势垒 若电子能量 ε 0.005 eV , U0 0.1eV ，T ∝e−2 d d 2 A 时 T＝0.40 d 20 A 时 T＝0.0013 d 30 A 时 T＝7.4 ×10−5 d 100A 时 T＝1.3 ×10−14 8.3 隧道结及其I-V 曲线 一、隧道结概念 两导体中间插入绝缘层，加电压V后 a.若绝缘层很厚 I ＝0 b. 当绝缘层逐渐减薄，至某一值后 I ≠0，隧道电流 c.若无绝缘层时 I ≠0，正常电流 结电阻(与结厚等有关)和金属电阻不同，I-V 曲线不同， 三种结： N-I-N S-I-N S -I-S 1 2 N －Normal metal ， S － Superconductor 二、隧道结制作 (a)蒸下电极 (b)氧化 (c)蒸上电极 ①利用掩膜技术得到所需的几何图形； ② 氧化通过自然氧化、热氧化、直流或射频辉光放电氧 化、射频溅射氧化等方法 ③膜厚 2 4 ，绝缘层厚几十Å (30~100Å) 10 ~ 10 A