物理效應(yīng)及其應(yīng)用主題研討課：隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)及應(yīng)用研討課80A、光學(xué)隧道效應(yīng)

（掃描隧道顯微鏡）B、原子力顯微鏡C、隧道結(jié)巨磁電阻效應(yīng)D、隧道二極管E、MIM隧道效應(yīng)（金屬-絕緣體-金屬結(jié)）

（或隧道二極管）

第一節(jié)隧道效應(yīng)物理模型：一維方形勢(shì)壘（可以二維三維）

能量E<V的微觀粒子從x<0的區(qū)域朝勢(shì)壘運(yùn)動(dòng)過來，按經(jīng)典力學(xué)觀念，它絕對(duì)不可進(jìn)入0<x<a的區(qū)域，因?yàn)榭v使將全部動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能也不足以滿足粒子在該區(qū)域存在所需要的勢(shì)能，當(dāng)然，也就不能跨越勢(shì)壘進(jìn)入x>a的區(qū)域。實(shí)驗(yàn)事實(shí)卻是：能量E低于勢(shì)壘高度V的微觀粒子不僅進(jìn)入了0<x<a的區(qū)域，而且還穿過它進(jìn)入了x>a的區(qū)域。也就是說,當(dāng)粒子的E<V時(shí)，在勢(shì)壘一側(cè)的粒子有一部分能隧穿勢(shì)壘到達(dá)另一側(cè)，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)，是量子力學(xué)必然結(jié)果V0axEV=0V=0

1．隧道效應(yīng)的量子力學(xué)解釋

電子具有波動(dòng)性，且德布羅意波長(zhǎng)

其中m，v，E分別為電子質(zhì)量，速度和動(dòng)能若它試圖進(jìn)入勢(shì)能為V的區(qū)域，可能遇到兩種情況：①E>V時(shí)，波長(zhǎng)變?yōu)?；②E<V時(shí)，不能形成具有一定德布羅意波長(zhǎng)的波動(dòng)，但電子仍能進(jìn)入此區(qū)域的一定深度。若勢(shì)能區(qū)域較窄，電子就有可能穿透它而自身動(dòng)能不變。

為使這三個(gè)波函數(shù)有實(shí)在的物理意義，邊界條件

Ψ

和dΨ/dx在x=0和x=a處連續(xù)V0axEV=0V=0在x<0，動(dòng)能E<V的電子入射勢(shì)壘定有反射電子波，電子波可用右傳波和左傳渡之和表示，即在x>a區(qū)域，電子波只能是右傳波而無(wú)左傳波，波函數(shù)為在0<x<a區(qū)域，由薛定諤方程知波函數(shù)除指數(shù)衰減項(xiàng)外還有指數(shù)增長(zhǎng)項(xiàng)，即其中p=h/√2m（V-E）由此得到的粒子透射系數(shù)：

T=∣A2∣2

∕∣A1∣2是一個(gè)與a，E，V有關(guān)的非零值，證明了確實(shí)存在隧道效應(yīng)。

隧道效應(yīng)可用圖2-41表示。當(dāng)粒子能量E較小時(shí)，粒子隧穿勢(shì)壘的透射系數(shù)

圖2－41上式表明投射系數(shù)T一般隨勢(shì)壘高度V和寬度a的增大而迅速減小，例如，V—E=5eV時(shí)，若a由0.1nm變?yōu)?.5nm，則T可下降4個(gè)數(shù)量級(jí)。

2、隧道效應(yīng)的應(yīng)用1957年，江崎制成了隧道二極管，第一次令人信服地證實(shí)了固體中的電子隧道效應(yīng)。1960年賈埃弗利用隧道效應(yīng)測(cè)量了超導(dǎo)能隙，驗(yàn)證了超導(dǎo)理論。1982年德國(guó)的賓尼等研制成功第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡，把隧道效應(yīng)的應(yīng)用推向一個(gè)新的階段。以上三人均分別獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。

光隧道效應(yīng)上式描繪一個(gè)振幅隨ｚ的增加而衰減，等相面以速度１／sin１沿Ｘ軸傳播的非均勻波－－消逝波。如圖６－1（a）所示等幅面是平行界面ｚ＝常數(shù)的面等相面是垂直界面Ｘ＝常數(shù)的面如果界面有極微小的起伏，如圖６－1（b）所示，則等幅面也跟隨著起伏，表面的形貌信息便反映到等幅面形狀上了。依上式可知

Z＝λ/2π√(n1sinθi)2－n22圖６－１光全反射

掃描隧道顯微鏡在壓電陶瓷掃描控制系統(tǒng)的控制下，讓光纖探頭對(duì)消逝場(chǎng)作等場(chǎng)強(qiáng)（等幅面）掃描，根據(jù)光電倍增管反饋回的信號(hào)，在掃描Ｘ，Ｙ時(shí)。調(diào)節(jié)探針的高度Ｚ，使光電倍增管的信號(hào)在掃描中保持在一個(gè)給定的值，提?。?、Ｙ位置對(duì)應(yīng)的Ｚ，經(jīng)圖象處理和顯示系統(tǒng)就可看到樣品表面的形貌圖象。圖６－５光隧道顯微鏡示意圖由圖６－１（ｂ）可見，消逝波的等幅面包含表面形貌信息用一根光導(dǎo)纖維做成的探針，掃描等幅面，就可得知表面“地形”因?yàn)楣馑淼佬?yīng)，光纖探針?biāo)教幍娜瓷涫艿揭种?，有光隧穿進(jìn)入光纖的光可由光電探測(cè)器檢測(cè)。圖６－5表明激光光隧道顯微鏡的示意方塊圖，激光束打在樣品表面，形成消逝場(chǎng)。原子力顯微鏡原理如圖2-47所示。一個(gè)針尖裝在一個(gè)靈敏的懸臂粱上，針尖上的原子與樣品表面原子之間的相互作用力使懸臂梁在垂直樣品表面方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)是針尖與樣品表面原子距離的函數(shù)，是對(duì)表面形貌的響應(yīng)。這偏轉(zhuǎn)使在懸臂粱上面的鏡面反射的激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn)，光電位移探測(cè)器可靈敏地探測(cè)光束的位移原子力顯微鏡的關(guān)鍵是既要測(cè)出原子間的微小力，又不要擾亂表面原于的結(jié)構(gòu)。懸臂梁是用SiO2膜或Si3N4膜采取光刻的方法制成的橫向尺度為100μm，厚度為lμm的，彈性系數(shù)為0.1~1N／m的精細(xì)的梁，針尖是小顆金剛石膠合而成。原子力顯微鏡可探測(cè)0．01nm的位移，對(duì)導(dǎo)體、絕緣體樣品都適用。圖2-4715半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的隧道效應(yīng)

瑞典皇家科學(xué)院于2000年10月10日決定，將2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授于俄羅斯圣彼得堡物理技術(shù)研究所的若列斯·阿爾費(fèi)洛夫博士、美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的赫伯特·克勒默教授和美國(guó)得克薩斯儀器公司的杰克·基爾比教授，以表彰他們?cè)诎雽?dǎo)體異質(zhì)結(jié)等方面所從事的開拓性研究，尤其是他們所發(fā)明的，快速晶體管激光、二極管和集成電路(芯片)，為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。他們的研究工作促使計(jì)算技術(shù)從“馬拉大車”般的晶體管階段進(jìn)入了賽車般的硅芯片階段。161、異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)2齊納效應(yīng)在外加強(qiáng)電場(chǎng)作用下，由于隧道效應(yīng)使流過半導(dǎo)體或絕緣體的電流增大的現(xiàn)象稱為齊納效應(yīng)。用來解釋電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象。圖2－481．電介質(zhì)的齊納效應(yīng)電介質(zhì)的能帶為圖2-48(a)的形狀。當(dāng)外加向左的勻強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，左方電子電位降低，但電子能量增大，故能帶相對(duì)上升，而右方能帶相對(duì)下降，即能帶發(fā)生傾斜，如圖2-48(b)所示。左方能量為E的電子在電場(chǎng)作用下有右邊漂移的趨勢(shì)，但要受到三角形勢(shì)壘ABC的阻攔，因而不能實(shí)現(xiàn)。若電場(chǎng)很大，情況就不同了，此時(shí)能帶傾斜得很厲害，使勢(shì)壘寬度a較窄，根據(jù)隧道效應(yīng)原理，電子有較大的幾率從A點(diǎn)躍遷到B點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這種躍遷的電子不僅由價(jià)帶進(jìn)入了導(dǎo)帶，而且能在電場(chǎng)作用下向右漂移。

圖中BC的斜率為一eξ，勢(shì)壘寬度a＝Eg/eξ

，不同位置的勢(shì)壘相對(duì)于電子能量E的高度為Eg－eξx，電子貫穿勢(shì)壘(也即由價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶)的透射幾率為隧道效應(yīng)本質(zhì)上是一量子躍遷，電子穿越勢(shì)壘極其迅速，這使隧道二極管可在極高頻率下(1011Hz)工作，此外它還有噪聲低、功耗小、工作溫度范圍大等優(yōu)點(diǎn)。因此隧道二極管可廣泛應(yīng)用于微波混頻、檢波、低噪聲放大振蕩以及超高速開關(guān)邏輯電路、觸發(fā)器和存貯器等。由以上分析可知隧道二極管的電流一電壓特性如圖3-2，字母序列與圖3-2是對(duì)應(yīng)的圖3－2異質(zhì)Ｐ－Ｎ結(jié)加反向電壓發(fā)光

加反向電壓，P一N結(jié)也可發(fā)光，只是要加較高的反向電壓，發(fā)光的機(jī)理也有差別。如圖2一1８（a）所示為Ｃｕ２Ｓ－ＺｎＳ異質(zhì)P－N結(jié)未加電壓時(shí)的能帶情形。圖2．1８（b）表明，當(dāng)加反向電壓V時(shí)，Ｃｕ２Ｓ價(jià)帶電子可隧穿到ＺｎＳ的導(dǎo)帶。高的反向電壓形成的強(qiáng)電場(chǎng)使隧穿電子獲得有效加速，足以產(chǎn)生碰撞離化，當(dāng)電子再與已離化的發(fā)光中心復(fù)合時(shí)就會(huì)發(fā)光。在反向電壓激發(fā)下的金屬－半導(dǎo)體（ＭＳ）結(jié)和金屬一絕緣層－半導(dǎo)體（ＭＩＳ）結(jié)都能實(shí)現(xiàn)場(chǎng)致發(fā)光，如將稀土元素注入ZnS晶體中制備出在反向電壓下可發(fā)黃、綠、藍(lán)光的發(fā)光二極管。它的穩(wěn)壓原理如下：

(1)當(dāng)負(fù)載RL不變，而Vi增大時(shí)，Vo，Vz將上升，隨后Iz大大增加，于是I＝Iz＋I(xiàn)L增加很多，IR也增加，這樣Vi增量的絕大部分都落在R上，而Vo基本不變。

(2)當(dāng)Vi不變，RL

增大時(shí)，IL

將減小，I也減小，IR分壓減小，Vo和Vz上升，Iz迅速增大。Iz與IL一增一減使I基本不變，Vo也就穩(wěn)定了?？梢?，Dz與R共同作用的結(jié)果就使在Vi或RL變化的情況下維持輸出電壓Vo的恒定。圖2－51圖2-51是應(yīng)用齊納二級(jí)管組成的穩(wěn)壓電路，其中Dz是齊納二級(jí)管，輸入電壓Vi、輸出電壓V0及齊納二級(jí)管端電壓Vz的關(guān)系為V0＝Vi

－IR＝Vz24雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

2007年10月，科學(xué)界的最高盛典—瑞典皇家科學(xué)院頒發(fā)的諾貝爾獎(jiǎng)揭曉了本年度，法國(guó)科學(xué)家阿爾伯特·費(fèi)爾(AlbertFert)和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾(PeterGrünberg)分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)ALBERTFERT

PETERGRüNBERG

FranceGermany

1938-1939-

反平行自旋－總電阻大在兩個(gè)磁性層中，如果磁化的方向相反，在其中一層具有反平行自旋的所有電子將被強(qiáng)烈的散射。因此，體系的總電阻很高。12-318出品1995年,人們以絕緣層Al2O3代替導(dǎo)體Cr,在Fe/Al2O3/Fe三明治結(jié)構(gòu)中觀察到很大的隧道磁電阻(TunnelingMagnetoresistance,TMR)現(xiàn)象,從而開辟了自旋電子學(xué)研究的又一個(gè)新方向.TMR效應(yīng)反平行自旋電子平行自旋電子鐵磁場(chǎng)取向兩磁層的自旋排列對(duì)準(zhǔn)時(shí)，電子的隧穿能量比起只有一層的自旋對(duì)準(zhǔn)時(shí)要小。當(dāng)兩磁層的取向相同時(shí)，自旋對(duì)準(zhǔn)的電子有較高的隧穿幾率通過絕緣層（上圖低阻態(tài)）。當(dāng)兩磁層的取向相反時(shí)，兩種自旋的電子的隧穿幾率都會(huì)降低（下圖高阻態(tài)）。

鐵磁層絕緣層鐵磁層12-318出品

GMR效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以后。人們?cè)O(shè)計(jì)出一種三明治結(jié)構(gòu),使相鄰鐵磁層的磁矩不存在(或只存在很小的)交換耦合,則在較低的外磁場(chǎng)下相鄰鐵磁層的磁矩能夠在平行與反平行排列之間變換,從而引起磁電阻的變化,這就是所謂的自旋閥結(jié)構(gòu)(spinvalve).自旋閥結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),使得巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用很快變?yōu)楝F(xiàn)實(shí).巨磁電阻在硬盤存儲(chǔ)中的應(yīng)用巨磁電阻隨機(jī)存儲(chǔ)器MRAM巨磁電阻效應(yīng)在傳感器中的應(yīng)用巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用硬盤的信息密度面密度(giga-bits/cm2)Year10010

1

0.10.010.0011980199020002010MRGMR(10億比特/cm2)硬盤讀出頭硬盤原理MagneticRandomAccesMemory優(yōu)點(diǎn)第一，MRAM屬于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。由于它依靠存儲(chǔ)單元中磁矩的方向來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，所以其具有斷電信號(hào)保存功能。第二，MRAM具有很快的讀寫速度。它的讀寫速度比傳統(tǒng)的EEPROM和flash快了1000倍。第三，MRAM具有低能耗的特性?！敖饘?絕緣體-金屬”

二極管

（MIM：metal-insulator-metal）MIM二極管是美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的研究人員首次研制出的高性能“金屬-絕緣體-金屬”（MIM：metal-insulator-metal）二極管。這項(xiàng)研究是在綠色材料化學(xué)中心進(jìn)行的，支持者有美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和俄勒岡州納米科學(xué)和微技術(shù)研究所。美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)（Oregon

State

University）的研究人員已經(jīng)解決了基礎(chǔ)材料科學(xué)方面的一個(gè)難題，這個(gè)難題自20世紀(jì)60年代起就一直困擾著科學(xué)家們，解決了這一難題，就奠定了一個(gè)基礎(chǔ)，可以用新的工藝開發(fā)電子產(chǎn)品?！斑@是一個(gè)基本的方法，可以突破目前的速度限制，使電子在材料中的傳輸比以往更快?！?/p>

“金屬-絕緣體-金屬”

二極管

（MIM：metal-insulator-metal）

圖中是不對(duì)稱的金屬-絕緣體-金屬二極管，是材料科學(xué)的重大突破，可帶來成本更低速度更高的電子產(chǎn)品。傳統(tǒng)電子產(chǎn)品用硅基材料制成，運(yùn)行時(shí)配有晶體管，有助于控制電子的流動(dòng)。雖然速度快而且比較便宜，但這種方法仍然有局限性，這個(gè)局限性就是電子在這些材料中傳輸?shù)乃俣取！敖饘?絕緣體-金屬”

二極管

（MIM：metal-insulator-metal）相反，金屬-絕緣體-金屬，或MIM二極管，可以用來發(fā)揮一些相同的功能，但其方式卻根本不同。在這個(gè)系統(tǒng)中，這種結(jié)構(gòu)就像三明治，絕緣體在中間，兩層金屬夾在上方和下方。運(yùn)行時(shí)，電子不需要那么多地穿過材料，因?yàn)樗梢浴按┻^”絕緣體，幾乎即時(shí)就出現(xiàn)在另一邊。

“金屬-絕緣體-金屬”

二極管

（MIM：metal-insulator-metal）至于奧勒岡州立大學(xué)的研究人員，則聲稱已經(jīng)藉由用非晶體(amorphous)金屬取代晶體金屬觸點(diǎn)，解決了可能的良率問題?！拔覀兊慕鉀Q方案應(yīng)該可以克服良率問題，并可實(shí)現(xiàn)低溫制程；”該大學(xué)教授DouglasKeszler表示：“此外也能提供一種隨時(shí)調(diào)節(jié)隧穿器件特性的折衷方法。”

“金屬-絕緣體-金屬”

二極管

（MIM：metal-insulator-metal）在這項(xiàng)新的研究中，俄勒岡州立大學(xué)的科學(xué)家和工程師描述，使用

“非晶態(tài)金屬接點(diǎn)”這種工藝，就解決了先前困擾MIM二極管的問題。俄勒岡州立大學(xué)二極管的制備溫度相對(duì)較低，所采用的技術(shù)可用于制造一些其他設(shè)備，可使用各種各樣的基質(zhì)，而且可以大范圍使用。MIM二極管應(yīng)用前景高速計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備，不依賴晶體管也是可能的。即將出現(xiàn)的還有“能量收獲”技術(shù)，比如，在夜間獲取再次輻射的太陽(yáng)能，這種方法可以從地面上產(chǎn)生能量，盡管地面在夜晚會(huì)變涼。

“長(zhǎng)期以來，每個(gè)人都想要某種東西，以使我們超越硅，”科斯勒說。“這可能是一種方法，只需簡(jiǎn)單地打印電子產(chǎn)品，但卻是在巨大的尺寸規(guī)模上進(jìn)行，比我們現(xiàn)在能做到的要更便宜。當(dāng)這種產(chǎn)品開始出現(xiàn)的時(shí)候，運(yùn)行速度的提高將是巨大的。”可能的技術(shù)突破已經(jīng)利用金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal，MIM)架構(gòu)，找到了一種更好的量子隧穿(quantumtunneling)方案，可望催生速度更快、耗電更少、運(yùn)作溫度更低的電子器件。量子隧穿能提供超越傳統(tǒng)電流的模式，在這種模式下，電子(electrons)是會(huì)跳躍過器件屏障，而不是穿越它們；后者會(huì)降低電流速度、提高耗電需求并產(chǎn)生過多的熱量。不過傳統(tǒng)的隧道二極管(tunnelingdiodes)，采用重?fù)诫s的p-n結(jié)(heavilydopedp–njunction)，也限制了它們?cè)陔x散器件內(nèi)的應(yīng)用。MIM二極管采用兩種功函數(shù)(workfunctio