单电子隧道效应

隧道效应及其应用隧道效应是指电荷穿过微小通道时，隧道效应波在均匀媒质中传播，并在微小距离内消失，也就是说，将一种粒子注入到一个势垒中时，隧道效应将允许这种粒子到过势垒。

在材料科学技术中，隧道效应有着广泛的应用。

例如，金属-绝缘体-金属隧道结是一种重要的电子器件。

它在纳米电子学、超导电子学、晶体管和以太网协议等多种领域得到广泛应用。

本文将探讨隧道效应的相关知识和其应用。

一、隧道效应的基础知识隧道效应是一种量子力学现象，是发生在纳米尺度下的粒子动力学现象。

在典型的隧道效应过程中，电子“透过”屏障，而非越过屏障。

隧道效应中的关键因素是隧道势垒的高度和宽度，这是隧道效应发生的必要条件。

隧道效应是由卡尔·波普尔（Karl Popper）首先提出的，通过用微波照射大约10mm范围内的铍结构，波普尔和一组研究人员成功地验证了隧道效应假说。

事实上，隧道效应已经成为科学研究的基础，作为微电子器件的设计和制造过程中重要的一环。

二、金属-绝缘体-金属隧道结的应用金属-绝缘体-金属（MIM）隧道结是一种电子器件，其制备工艺为将绝缘层夹在两层金属层之间。

这种器件的应用可追溯到20世纪70年代，当时Dr. James Francis Gibbons将其应用于元越隧道效应（ESD）测量。

十年后，MIM隧道结被首次用于超导磁通量量子位的变化探测器。

现在，MIM隧道结被广泛运用于各种电子器件，包括晶体管、存储器、逻辑门和模拟单元。

这些器件源自于MIM隧道结具有优秀的诸如电流电压特性和噪声特性的性质。

三、隧道效应在半导体行业的应用半导体行业中，隧道效应在器件的制造和测试过程中具有重要的作用。

隧道效应被用作某些器件的基础结构，这些器件包括MOSFET、BIT、TET和BJT等。

在制造这些器件时，隧道效应被用作材料特性的测定和校准。

此外，隧道效应还被用于各种类型的测量，包括光子计数、电子自旋共振（ESR）、电子电感（ELI）测量等。

隧道（Josephson）效应及其应用Josephson 效应josephson 效应 即 隧道效应 。

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若连接形成约瑟夫森结的超流效应。

历史沿革1957年，江崎玲於奈在改良高频晶体管2T7的过程中发现，当增加PN 结两端的电压时，电流反而减少，他将这种现象解释为隧道效应。

1960年，美裔挪威籍科学家加埃沃通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。

1962年，英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS 时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。

这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。

隧道效应(势垒贯穿）设一个质量为m 的粒子，沿x 轴正方向运动，其势能为：这种势能分布称为一维势垒。

粒子在 x < 0 区域里，若其能量小于势垒高度，经典物理来看是不能越过势垒 达到 x > a 的区域。

在量子力学中，情况则不一样。

为讨论方便，我们把整个空间分成三个区域：在各个区域的波函数分别表示为Ψ1 Ψ2 Ψ3 。

=)(x U ,0,0U ax x ><和0ax ≤≤00U VOa IIIxIII)(),0(),0(a x a x x ≥I∏≤≤∏≤I ),()(212122x E dxx d m ϕϕ=- 0≤x三个区间的薛定谔方程简化为：方程的通解为：三式的右边第一项表示沿x 方向传播的平面波，第二项为沿x 负方向传播的平面波。

纳米科学技术(简称Nano ST)是1990年才正式诞生的一门具有广阔前景的新技术，是在0.1～100nm尺度空间内研究电子、原子、分子特性和技术应用的高科技学科。

它的最终目标是人类按自己的意志直接操纵单个原子或分子，制造具有特定功能的产品。

纳米科学技术起源于1981年美国IBM公司、瑞士苏黎世研究实验室的宾尼格(G．Binnig)和罗赫尔(H．Rohrer)发明的扫描隧道显微镜(简称STM)，在技术上实现了对单个原子的控制与操作。

为此，他们与显微镜发明人蜀斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。

扫描隧道显微镜是根据量子力学中的隧道效应原理，通过探测固体表面原子中电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。

根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。

在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。

用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时，两者的电子云略有重叠，如图1所示。

若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流I 。

隧道电流I 的大小与针尖和样品间的距离s 以及样品表面平均势垒的高度有关，其关系为，式中A为常量。

如果s以nm为单位，以eV为单位，则在真空条件下，A ≈1，。

由此叧见，隧道电浀I 对针尖与样品表面之间的距离s极串敏感，如果s减小0.1nm，隧遑电流就会增傠一个数量级。

当针尖ᜨ样品表面上方扫描时，即使其表靂只有厛子尺庢的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。

借助于电孀仪器和计算机，在屏幑上即显示出栗品的表面形貌。

一般说来，扫描隧道显微镜由扫描隧道显微镜主体、控制电路、控制计算机(测量软件和数据处理软件)三大部分组成。

扫描隧道显微镜主体包括针尖的平面扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构及系统与外界振动的隔离装置。

1973年12月10日第七十三届诺贝尔奖颁发。

物理学奖日本科学家江崎岭于奈因发现半导休中的隧道效应并发明隧道二极管、美国科学家贾埃沃因发现超导体隧道结单电子隧道效应、英国科学家约瑟夫森因创立超导电流通过的势垒的约瑟夫森效应而共同获得诺贝尔物理学奖。

江崎玲于奈1925年3月12日出生于日本大阪，1940年就读于京都第三高等学校，1947年毕业于东京大学。

后进入川西机械制作所工作，进行由真空管的阴极放出热电子的研究工作。

1956年，转入东京通信工业株式会社（现索尼）。

1973年因在半导体中发现电子的量子穿隧效应获得诺贝尔物理学奖。

基本信息江崎玲于奈1925年3月12日出生于日本大阪，1940年就读于京都第三高等学校，1944年进入东京帝国大学，是日本近代著名固体物理学家江，是建筑学家江崎壮一郎的长子。

20世纪50年代，根据理论分析，人们认为在PN结反向击穿的过程中应当能够观测到隧道效应，但实验上一直未能发现。

1957年，江崎玲于奈在研制新型高频晶体管时，意外地发现了高掺杂、窄PN结的正向伏安特性中存在着异常的负阻现象。

通过理论分析，他认为这种负阻特性是由于电子空穴直接穿透结区而形成的，从而为隧道效应提供了有力的证据。

在随后的研究中，他发明了由隧道结制成的隧道二级管。

隧道二极管的发明，开辟了一个新的研究领域——固体中的隧道效应。

研究历程1944年，江崎进入日本东京帝国大学专攻实验物理，1947年获得硕士学位（后来于1959由于研究隧道效应获得博士学位），随即服务于神户工业股份有限公司，开始了作为晶体管材料的锗和硅等半导体的研究，1956年成为东京通信工业股份有限公司（现在的索尼）的主任研究员，领高掺杂锗与硅的研究，这一研究的结果导致了隧道二极管的发明。

所谓“隧道现象”是指电子偶然地穿过其运动方向上的从经典理论观点看来是不可越的能量势垒（不太大）时，会在势垒的另一边发现电子运动的一种波动性的奇怪现象，这在本纪二十年代就已经发现了。

一 什么是单电子器件（SED ）二 单电子器件的基本原理 库仑阻塞效应和单电子隧穿三 单电子晶体管（SET ）及其工作原理（量子旋转门效应）四 单电子器件的应用一 引言对于目前的电子器件来说，器件的最小尺寸要大于电子的德布罗意波长，也就是说我们都是将电子看成是经典的粒子，我们不妨将这种器件称为经典器件。

但近些年来，随着微细加工技术的飞快发展和电子电路集成度的提高，都要求电子器件的尺寸越小越好。

但是器件尺寸的缩小并不是无限度的，就像CMOS 器件，它由于受固体结构特性的最小尺寸，电流、电压感应击穿，功率耗散，热噪声和海森堡测不准原理等因素的限制, 已经接近物理极限, 要想进一步发展大规模集成电路, 就需要更小的器件。

例如其沟道长度如果缩小到小于0.25微米，甚至几十纳米几纳米数量级时，因为量子隧穿，器件就会失效。

也就是说随着器件尺寸的缩小就必须要考虑器件的量子效应，所以量子器件成为了人们的研究热点。

今天我将给大家介绍一种量子器件--单电子器件。

二 什么是单电子器件？单电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本物理原理来控制一个或少数几个电子的位置和移动的一种新型纳米电子器件。

（单电子效应：通过改变电压的方法来操纵电子一个一个的运动）三 单电子器件的基本理论（库伦阻塞效应和单电子隧穿现象）1.我们先从一个简单的模型来解释库仑阻塞和单电子隧穿现象库伦阻塞效应最早是在微小隧道结实验中发现的，如图1所示，一个理想的没有旁路电导的金属隧穿结。

它实际上就是一个平行板电容器，只不过电极板之间的间距只有十几个Å，结面积也很小所以隧穿结的电容也很小假设只有1×10-16F 的量级。

当有电子隧穿过隧道结时会使结两端的电位差发生变化，从而使节的静电能也发生变化，给结附加的充电能Ce 2，如果此时的静电能远远大于低温下的热运动能量k B T( k B 玻耳兹曼常数0.38066×10-23，T 是绝对温度)。

6.1.1 真空磁导率(permeability of vacuum) 6.1.2 介电系数，电容率(permittivity)0也称电常数(electric constant)。

6.1.3电动势(electromotive force)6.1.4接触电动势(contact electromotive force) 6.1.5感应电(动)势(induced electromotive force)6.1.6导体(conductor)6.1.7绝缘体(insulator)6.1.8半导体(semiconductor)6.1.9超导体(superconductor)6.1.10接触电位(差)（contact potential[difference]）6.1.11热电效应(thermoelectric effect)6.1.12塞贝克效应(Seebeek effect)6.1.13珀耳帖效应(Polfier effect)6.1.14汤姆逊效应(Thomson effect)6.1.15约瑟夫森效应(Josephson effect)6.1.16量子化霍尔效应(quantum Hall effect) 6.1.17单电子隧道效应(single electron tunnel effect)6.1.18 功率天平（Watt balance）6.1.19交流电阻时间常数(time constant of ac resistor)6.1.20介电强度(dielectric strength)6.1.21绝缘电阻(insulation resistance)6.1.22 电流(electric current)6.1.23 电压(voltage)6.1.24 电阻(resistance)6.1.25 电导(conductance)6.1.26 阻抗(impedance)6.1.27 导纳(admittance)6.1.28 电容(capacitance)6.1.29 电感(inductance)6.1.30 电阻率(resistivity)6.1.31 电导率(conductivity)6.1.32 磁导率（permeability）6.1.33 静电场(electrostatic field)6.1.34 电场强度(electric field intensity)6.1.35 电位(electric potential)6.1.36 电荷(electric charge)6.1.37 库伦定律(Coulomb’s law)6.1.38 电位移(electric displacement)6.1.39 拉普拉斯方程(Laplace’s equation) 6.1.40 静电感应(electrostatic induction)6.1.41 恒定电场(steady electric field)6.1.42 欧姆定律(Ohm law)6.1.43 焦耳定律(Joule’s law)6.1.44 安培(ampere)6.1.45 伏特(volt)6.1.46 库仑(couomb)6.1.47 欧姆(ohm)6.1.48 西门子(siemens)6.1.49 法拉(farad)6.1.50 亨利(henry)6.1.51 瓦特(watt)6.1.52 电路(electric circuit)6.1.53 激励(excitation)6.1.54 响应(response)6.1.55 电路元件(electric circuit elements) 6.1.56 无源二端元件(passive two-terminal elements)6.1.57 电压源(voltage sources)6.1.58 电流源(current sources)6.1.59 受控源(controlled sources)6.1.60 开路(open circuit)6.1.61 短路(short circuit)6.1.62 理想变压器(ideal transformer)6.1.63 基尔霍夫定律(Kirchhoff’s law)6.1.64 直流(direct current)6.1.65 交流(alternating current)6.1.66 正弦电流(sinusoidal current)6.1.67 频率(frequency)6.1.68 赫兹(hertz)6.1.69 相位(phase)6.1.70 相量(phasor)6.1.71相量图(phasor diagram)6.1.72 谐振(resonance)6.1.73 铁磁谐振电路(ferro- resonance circuit)6.1.74 三相电路(three-phase circuit)6.1.75 三相电源(three-phase sources)6.1.76 三相负载(three-phase loads)6.1.77 相电压(phase voltages)6.1.78 线电压(line voltages)6.1.79 相电流(phase currents)6.1.80 线电流(line currents)6.1.81 对称三相电路(symmetricalthree-phase circuit)6.1.82 非对称三相电路(unsymmetrical three-phase circuit)6.1.83 三相电路功率(power of three-phase circuit)6.1.84 非正弦周期电流电路(non-sinusoidal periodic current circuits)6.1.85 基波电流(fundamental current)6.1.86 谐波电流(harmonic current)6.1.87 频谱(frequency spectrum)6.1.88 瞬时值(instantaneous value)6.1.89 平均值(average value)6.1.90有效值(effective value)6.1.91 峰值（peak [value]）6.1.92波形因数(wave factor)6.1.93 总谐波畸变率(total harmonic distortion)6.1.94 平均功率(average power)6.1.95视在功率(apparent power)6.1.96无功功率(reactive power)6.1.97 复功率(complex power)6.1.98 谐波功率(harmonic power)6.1.99 畸变功率(distortion power)6.1.100 伏安(volt ampere)6.1.101 乏(var)6.1.102 瓦特小时(watt hour)6.1.103 串联(series connection)6.1.104 并联(parallel connection)6.1.105 星形阻抗与三角形阻抗的变换(transformation between star-connected and delta connected impedances)6.1.106电源的等效变换(equivalent transformation between sources)6.1.107回路法(loop analysis)6.1.108节点法(node analysis)6.1.109叠加定理(superposition theorem)6.1.110替代定理(substitution theorem)6.1.111 互易定理(reciprocity theorem)6.1.112戴维南定理(Thevenin theorem)6.1.113诺顿定理(Norton theorem)6.1.114 二端口(2-port)6.1.115 特性阻抗(characteristic impedance) 6.1.116 输入阻抗(input impedance)6.1.117 输出阻抗(output impedance) 6.1.118 传播常数(propagation constant)6.1.119 品质因数(quality factor )6.1.120 阻抗匹配(impedance matching)6.1.121 网络函数(network functions)6.1.123 分布参数电路(distributed parameter circuit)6.1.124 一阶电路(first order circuit)6.1.125 二阶电路(second order circuit)6.1.126 高阶电路(high order circuit)6.1.127 非线性电路(nonlinear electric circuit)6.1.128 端子（terminal）6.1.129 端变量（terminal variable）6.1.130 两端(2T) (2-terminal)6.1.131 三端(3T) (3-terminal)6.1.132 四端(4T) (4-terminal)6.1.133五端(5T) (5-terminal)6.1.134四端对(4TP)(4-terminal pair)6.1.135磁场(magnetic field)6.1.136 磁感应强度(magnetic induction)6.1.137磁通量(magnetic flux)6.1.138 磁导率(permeability)6.1.139 相对磁导率(Reletive permeability) 6.1.140磁矩（Magnetic(area) moment）6.1.141 磁化强度（Magnetization）6.1.142 磁极化强度(magnetic polarization) 6.1.143 磁场强度（magnetic intensity）6.1.144磁偶极矩（magnetic dipole moment）6.1.145 磁通势（magnetomotive force）6.1.146 磁阻（reluctance）6.1.147 磁导（permeance）6.1.148 磁化率（magnetic susceptibility）6.1.149 磁共振（magnetic resonance）6.1.150核磁共振（nuclear magnetic resonance）6.1.151霍尔效应（hall effect）6.1.152 波尔磁子（Bohr magneton）6.1.153 质子旋磁比（Proton gyro magnetic ratio）6.1.154 磁通量子（F1ux quantum (F1uxon)）6.2 电学计量6.2.1.1直流电压基准(Primary Standard of DC V oltage)6.2.1.2直流电动势基准(Primary Standard of DC Electromotive Force)6.2.1.3直流电阻基准(Primary Standard of DC Resistance)6.2.1.4电容基准(Primary Standard of Capacitance)6.2.1.5电容器损耗因数基准(Primary Standard of Dissipation Factor)6.2.1.6电感基准(Primary Standard of Inductance)6.2.1.7交流电流基准(Primary Standard of AC Current)6.2.1.8交流电压基准(Primary Standard of AC V oltage)6.2.1.9交流功率基准(Primary Standard of AC Power)6.2.1.10工频电能基准(Primary Standard of AC Energy at Industrial Frequency)6.2.1.11磁感应强度基准(Primary Standard of Magnetic Flux Density)6.2.1.12数字阻抗电桥标准(Standard for LCR meter)6.2.1.13数字多用表检定装置(Standard of Multimeter)6.2.1.14超导强磁场标准(Standard of Supper Conducting High Magnetic Field)6.2.1.15非铁磁金属电导率标准(Standard of Conductivity for Nonferrous Metals)6.2.1.16模/数、数/模转换测量标准（Standard of ADC and DAC）6.2.1.17标准电池(standard cell)6.2.1.18固态电压标准(solid state voltage standard)6.2.1.19标准电阻(standard resistor)6.2.1.20计算电容(cross capacitor)6.2.1.21感应分压器(inductive voltage divider)6.2.1.22分流器(shunt)6.2.1.23直流电流比较仪(direct current comparator)6.2.1.25多功能校准源(multifunction calibrator)6.2.1.26数字阻抗电桥(LCR meter)6.2.1.27 电压表（voltmeter）6.2.1.28 电流表(amperometer)6.2.1.29 电阻表(ohnneter)6.2.1.30 功率表(Watt meter)6.2.1.31 电能表(kWh meter)6.2.2电学计量常用测量方法6.2.2.1 直接测量（法）(direct (method of) measurement)6.2.2.3组合测量（法）(combination (method of) measurement)6.2.2.4 比较测量（法）(comparison (method of) measurement)6.2.2.5 零值测量（法）(null (method of) measurement)6.2.2.6 差值测量（法）(differential (method of) measurement)6.2.2.7 替代测量（法）(substitution (method of) measurement)6.2.2.8 不完全替代法(semi-substitution method of measurement)6.2.2.9 内插测量（法）(interpolation (method of) measurement)6.2.2.10 互补测量（法）(complementary (method of) measurement)6.2.2.11 差拍测量（法）(beat (method of) measurement)6.2.2.12 谐振测量（法）(resonance (method of) measurement)6.2.2.13 模数转换(analogue to digital conversion)6.2.2.14 数模转换(digital to analogue conversion)6.2.2.15 静电屏蔽(electrostatic screen)6.2.2.16 磁屏蔽(magnetic screen)6.2.2.17 泄漏电流(leakage current)6.2.2.18 电位屏蔽(potential screen)6.2.2.19 等电位屏蔽(equip—potential screen)6.2.2.20 无定向结构(astatic construction)6.2.2.21交流-直流转换(AC-DC conversion) 6.2.2.22交流-直流转换器<AC-DC converter) 6.2.2.23交流-直流比较仪(AC-DC comparator)6.2.2.24热电变换器(thermal converter)6.2.2.25 共模电压(common mode voltage)6.2.2.26 串模电压(series mode voltage)6.2.2.27 共模抑制比(common mode rejection ratio ———CMRR)6.2.2.28 串模抑制比(series mode rejection ratio——SMRR)6.2.2.29 非对称输入(asymmetrical input) 6.2.2.30 非对称输出(asymmetrical output) 6.2.2.31 对称输入(symmetrical input)6.2.2.32 对称输出(symmetrical output)6.2.2.33 差分输入电路(differential input circuit)6.2.2.34 接地输入电路(earthed input circuit 或grounded input)6.2.2.35 接地输出电路(earthed output circuit或grounded output)6.2.2.36 浮置输入电路(floating input circuit)6.2.2.37 浮置输出电路(floating output circuit)6.2.3.1 模拟（测量）仪表（analogue (measuring) instrument）模拟指示仪表（analogue indicating instrument）6.2.3.2 数字（测量）仪表（digital (measuring) instrument）6.2.3.3 热电系仪表（electrothermal instrument）6.2.3.4 双金属系仪表（bimetallic instrument）6.2.3.5 热偶式仪表（thermocouple instrument）6.2.3.6 整流式仪表（rectifier instrument）6.2.3.7 振簧系仪表（vibrating reed instrument）6.2.3.8 多用表、万用表（multimeter）6.2.3.9（测量）电桥（(measuring) bridge）6.2.3.10（测量）电位差计（(measuring) potentiometer）6.2.3.11 分压器（voltage divider）6.2.3.12 比较仪（comparator）6.2.3.13 指针式仪表（pointer instrument）6.2.3.14 光标式仪表（instrument with optical index）6.2.3.15 动标度仪表（moving-scale instrument）6.2.3.16 影条式仪表（shadow column instrument）6.2.3.17 静电系仪表（electrostatic instrument）6.2.3.18 磁电系仪表（(permanent magnet) moving-coil instrument）6.2.3.19 动磁系仪表（moving magnet instrument）6.2.3.20 电磁系仪表（moving-iron instrument）6.2.3.21 电动系仪表（electrodynamic instrument）6.2.3.22 铁磁电动系仪表（ferrodynamic instrument）6.2.3.23 感应系仪表（induction instrument）。

nin,sin,sis三种结的单粒子隧道效应单粒子隧道效应是指单个粒子通过隧道效应穿越一个势垒的现象。

在量子力学中，粒子的行为是以波动的形式描述的，而隧道效应则是波动性质的一种体现。

在隧道效应中，粒子的波函数会在势垒前后存在不连续的跃迁，使得在经典物理学中无法解释的现象发生。

在量子力学中，存在着许多不同类型的结构，其中包括nin结、sin结和sis结。

下文将分别对这三种结构进行详细阐述。

1. nin结:nin结是一种由n型半导体、绝缘层和另一个n型半导体构成的结。

在nin结中，绝缘层不允许电子自由通过，因此可以将它视为一个势垒。

当电子在这种结构中穿越势垒时，将产生单粒子隧道效应。

nin结被广泛应用于各种光电器件中，如光电二极管、激光二极管等。

2. sin结:sin结是由p型半导体、绝缘层和n型半导体组成的结构。

相比于nin结，sin结具有不同的载流子类型和不同的电荷分布。

当载流子穿越sin结时，同样也会出现单粒子隧道效应。

sin结可以用于制造多种电子器件，如太阳能电池、双极性晶体管等。

3. sis结:sis结是由两个超导体之间的绝缘层构成的结构。

在sis结中，超导体之间的绝缘层会形成一个势垒。

当电子在超导体之间穿越这个势垒时，就会出现单粒子隧道效应。

sis结是超导体量子干涉器件中重要的组成部分，例如超导量子干涉器及超导通道。

单粒子隧道效应在各种领域中有着重要的应用。

例如，在纳米电子学领域，隧道效应是实现纳米尺度电子器件的基础。

此外，实验上观察到的电子在分子和原子尺度物体表面的隧道效应也为其物性研究提供了重要线索。

在量子计算和量子通信领域，单粒子隧道效应也被广泛应用于实现量子比特的隧道输运、量子隧道二极管等。

总的来说，nin结、sin结和sis结是三种常见的结构，它们分别由不同类型的半导体和绝缘层组成。

在这些结构中，当粒子的波函数穿越势垒时，会出现单粒子隧道效应。

这种效应在各种物理和工程应用中具有重要的作用，并且是量子力学中波动性质的重要体现。

表面科学中的电子隧道效应_10476866[General Information]书名=表面科学中的电子隧道效应作者=页数=190SS号=10476866出版日期=封面书名版权前言目录目录1 电子隧道现象1.1 简要介绍1.2 弹性隧道效应稳态隧道模型过渡哈密顿量方法等价性讨论1.3 非弹性隧道效应吸附分子导致的非弹性隧道现象非弹性隧道谱线分析二步隧道过程共振隧道现象2 扫描隧道显微学2.1 基本原理Tersoff-Hamann模型局域能态密度介绍2.2 STM形貌图像起伏的物理本质关于隧道跃迁矩阵的讨论跃迁矩阵与STM检测灵敏度2.3 隧道谱测量扫描隧道谱方法的基本原理固定高度法变化高度法2.4 隧道结势垒高度测量2.5 针尖效应的实验研究3 电子超晶格的STM研究3.1 电荷密度波介绍3.2 低维化合物结构介绍及CDW形成的实验证据3.3 CDW超晶格的STM观测准一维晶体材料中的CDW超晶格层状化合物中的二维CDW超晶格3.4 STM图像中表面起伏分析Tersoff节点模型原子间力模型-弹性模型势垒效应4 隧道谱（STS）分析4.1 隧道谱分析介绍4.2 表面电子能态的STS研究表面电子能态介绍STM与表面电子能态研究二维电子驻波4.3 单电子隧道效应单电子隧道效应介绍单隧道结库仑阻塞4.4 隧道谱分析举例电荷密度波能隙测量电荷转移现象的STS测量金属氧化物的STS分析其它化合物的隧道谱分析5 单原子／分子吸附现象的STS研究5.1 金属吸附原子的STM/STS研究 5.2 吸附分子的STM/STS研究吸附液晶分子的STM研究酞菁类化合物的STM/STS研究富勒烯分子的STS研究5.3 吸附单分子膜的STM/STS研究6 隧道效应与表面纳米加工和原子操纵6.1 场发射电子现象介绍6.2 低能电子与物质相互作用6.3 强电场及强电流效应分析6.4 入射电子的分布特征7 相关的扫描探针显微技术7.1 弹道电子发射显微镜弹道电子发射显微镜基本原理理论分析实验结果分析界面纳米加工7.2 近场扫描光学显微镜7.3 原子力显微镜7.4 其它扫描探针显微技术扫描噪声显微镜扫描离子电导显微镜扫描热显微镜8 结束语8.1 扫描探针显微术与单分子物理和化学 8.2 纳米电子学8.3 纳米材料学8.4 纳米生物学8.5 纳米机械学与超微加工技术参考文献内容索引。

单电子隧道效应
单电子隧道效应一个包含极少量电子，具有极小电容值的粒子称为库仑岛，其能量由电势能及电子间互作用库仑能组成，可表示为E=-QVgQ2/2C。

当库仑岛上增加或减少一个电子时，其能量增加e2/C。

单个电子进入或离开库仑岛需要e2/C的激活能。

在极低温和小偏压下，导体内的电子不具备e2/C的能量，故电子不能穿越库仑岛，此现象称为库仑阻塞。

通过给库仑岛加栅压可以改变其电势能及总能量，在某个特定的栅压下，库仑岛总电荷
Q=Ne和Q=(n1)e的最小能量是简并的，即态密度间隙消失。

此时，即发生单个电子隧穿库仑岛的现象，称为单电子隧穿效应。

1表（界）面效应随着尺寸的减小，颗粒的比表面积迅速增大，当尺寸达到纳米级时，颗粒中位于表面上的原子占相当大的比例，颗粒具有非常高的表面能。

人们把这种纳米材料显示的特殊效应称为表面效应。

纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。

表1中列出纳米Cu微粒的粒径与比表面积，表面原子数比例，表面能和一个粒子中原子数的关系。

由表1可看出，随着粒径减小，表面原子数迅速增加。

这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。

例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2/g，粒径为5nm时，比表面积为180m2/g，粒径下降到2nm，比表面积猛增到450m2/g。

这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，同时，表面能迅速增加，由表看出，Cu的纳米微粒粒径从100nm®10nm®1nm，Cu微粒的比表面积和表面能增加了2个数量级。

表1 纳米Cu颗粒的粒径与比表面积、表面原子数比例、表面能和一个粒子中的原子数的关系表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间关系见图1。

纳米颗粒中位于表面上的原子占相当大的比例，即具有非常高的比表面和表面能。

由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。

例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。

图1 表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系下面举例说明纳米粒子表面活性高的原因。

图2所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面图，假定颗粒为圆形，实心圆代表位于表面的原子，空心圆代表内部原子，颗粒尺寸为3nm，原子间距为约0.3nm，很明显，实心圆的原子近邻配位不完全，存在缺少一个近邻的“E”原子，缺少两个近邻的“D”原子和缺少3个近邻配位的“A”原子，像“A”这样的表面原子极不稳定，很快跑到“B”位置上，这些表面原子一遇见其他原子，很快结合，使其稳定化，这就是活性的原因。

库仑阻塞1. 原理依据经典理论，若外电压低于击穿电压，尽管总电能降低，但由于中间存在介质的势垒，电子不会从电容器一极穿过极板间介质流至另极，只能在道题内部流动。

依据量子理论中的测不准原理，成立公式：。

这意味着如果势垒足够窄，及电容器两极间距足够小，则电子可在较短时间中“借得”足够能量，穿过势垒，再将能量返还，从而直接从电容器一极穿过极板间介质流至另极。

这就是量子隧道效应。

要发生隧道效应，除了要满足电容器两极间距足够小的条件外，整个过程必须是能量减少的。

考虑如下简化模型（单电子箱）：左侧为电容器，右侧为隧道结。

在外电场V G 的作用下，电子通过右侧隧道结隧穿至中间电子箱的两个极板上并保留住。

存在等式：易推出： 从而推出自由能：为使自由能降低，须满足： 从而得出要发生隧道效应，须满足：因此，如右图，当V G 从0逐渐上升时，会在一系列特定值处满足以上条件。

只有在这些值处，才会发生单电子的隧道效应，使电子箱中增加一个电子，而在其他值处，不会发生电子的隧道效应。

特别地，当0<V G <V th =e/2C 1时，不F /E cV G C 1/e橙色线表示最小能量，Ec=e 2/2C 单电子箱会有任何电子发生隧道效应，电子箱中无电子，这就是库仑阻塞。

这些讨论同样适用于下图所示的模型（单电子晶体管）。

在上述讨论中，并没有考虑热的影响。

然而，在现实中如果温度足够高，电子可以利用热运动的能量进行隧道效应。

根据吉布斯分布，成立：（其中Z为归一化常数）考虑热效应后，在不同温度下图像如下图所示：V G*C/e温度为：T=0.01E c（阶梯状）；T=0.1E c；T=0.3E c；T=E c（线状）（Ec=e2/2C）由此可见，只有在低温时或C很小才会出现预期的阶梯状图像。

此外，为使电子定域在电子箱或电子岛中，隧道结必须足够地“不透明”，这就要求隧道电阻满足：R T > h/e2≈ 25813 Ω2. 历史1925年，Werner Heisenberg创立了矩阵力学，在其中，矩阵算符与动量算符是非对易的，存在关系：。

隧道效应及其在电子学中的应用隧道效应是一种奇特的量子力学现象，它在电子学领域中发挥着重要作用。

本文将介绍隧道效应的基本原理以及它在电子学中的应用。

一、隧道效应的基本原理隧道效应是指当粒子穿过高能势垒时，虽然根据经典物理学的观点，粒子的能量不足以克服势垒，但量子力学的隧道效应却使粒子在没有足够能量的情况下穿越势垒。

这一现象的发生是由于当粒子接近势垒时，其波函数逐渐渗透到势垒内，并在势垒内部存在一定的概率，最终使得粒子穿越势垒。

隧道效应的发生需要满足几个条件。

首先，粒子的波长要比势垒宽度大得多，以保证波函数能够渗透到势垒内。

其次，势垒高度不能过高，否则粒子将无法穿越。

最后，温度要足够低，以保证粒子的能量较低。

二、隧道效应在电子学中的应用1. 隧道二极管隧道二极管是利用隧道效应制造的一种特殊二极管。

由于隧道效应的存在，电子能够在势垒中的能带间穿越，从而在电子能谱中形成一片隧道能带。

利用这个特性，隧道二极管可以实现低电压下的高速开关特性，因此被广泛应用于超高速电路、低功耗电路等领域。

2. 隧道场效应晶体管隧道场效应晶体管（TFET）是一种基于隧道效应的新型固态器件。

传统的场效应晶体管通过载流子在沟道中的迁移来实现导通，而TFET利用隧道效应实现载流子的输运和控制。

由于隧道效应的存在，TFET具有较低的开启电压和较小的漏电流，因此具有很好的低功耗特性。

TFET在集成电路中的应用前景广阔，可望替代传统MOSFET，实现更低功耗的电子器件。

3. 隧道磁阻元件隧道磁阻元件是一种利用隧道效应来检测磁场变化的器件。

它由两个磁性层夹持着一层绝缘层构成。

当外部磁场作用于器件时，磁性层的磁化方向发生变化，导致在绝缘层中形成隧道效应。

通过测量隧道电阻的变化，可以间接检测到外部磁场的变化。

隧道磁阻元件具有灵敏度高、响应速度快等优点，广泛应用于传感器、磁存储器等领域。

结语：隧道效应作为量子世界的奇妙现象，在电子学中的应用得到了广泛研究和开发。