MS PowerPoint, 717 Кб

Л.42 (35) Туннельный эффект
10
Физическое квантовое явление: прохождение
частицы из одной классически разрешённой области в другую
Классический подход: анализ одномерного движения частицы
Состояние частицы задают скорость и координата
W  Wk  t   W p  t 
2
mv
 0 (102)
2
Закон сохранения механи(101) ческой энергии для частицы
W  W p  xstop  (103)
Формула (103) позволяет найти точки остановки, которые
делят ось х на разрешённые и запрещённые области
15
Анализ одномерного движения с помощью графика
ПЕ – финитное движение является периодическим
Wp
Потенциальная яма колебания
Потенциальный барьер.
Классически
Запрещённая
область
W
x1
x2
x3
x
Квантовый подход: анализ одномерного движения частицы
Состояние частицы задаётся амплитудой вероятности
Финитное движение – стоячая дебройлевская волна
вероятности. Пример: БГОППЯ
17
18
Финитное движение – стоячая дебройлевская
волна вероятности. Пример: ГО
Wp
n
2
1
0
2
Граничные условия
x  
 n  0 (181)
1
0
x
Хорошо видно,
что частица
проникает в
классически
запрещённую
область: на
короткое время
становится
виртуальной
Количественная характеристика туннельного эффекта:
коэффициент прозрачности барьера = вероятность того,
что частица пройдёт из одной классически разрешённой
области в другую с одной попытки
20
Пример: прямоугольный барьер
Wb
k
W
kb 
0 
2
k
b
2
k

4kb k
2 2
2
2
(203)
2m Wb  W 
2
sh kbb  4kb k
2
2mW
(201)
(202)
Если барьер прямоугольный, а
процесс глубоко подбарьерный
Wb  W (301)
0
 2

exp   b 2m Wb  W   (302)


Поанализировать влияние толщины барьера, высоты
барьера, массы частицы, её энергии
30
Если барьер НЕ прямоугольный, а
процесс глубоко подбарьерный
x2


 2

 0  exp   dx 2m Wp  x   W   (401)
x1




Wp
W
x1
x2
x
40
50
Альфа-распад – теория – туннельный эффект
A
Z
X  He 
4
2
A4
Z 2
Y (501)
Wk
Закон Гейгера-Неттола (1911-1922):
связь периода полураспада с
кинетической энергией
вылетающих альфа-частиц
0
lg1/ 2  C  D Wk (502)
 2

exp   b 2m Wb  W   (302)


Flash memory – пример широкого применения
туннельного эффекта в микроэлектронике
60
Технологии
180 нм 2002
130 нм 2003
90 нм 2005
2007
50 нм
0,7 В
Плавающий затвор – электрически изолированная область,
способная хранить заряд годы
ПЗ заряжен (электроны) – логический 0
ПЗ не заряжен
– логическая 1
Flash memory – считывание информации
65
При чтении, в отсутствие
заряда на "плавающем"
затворе, под воздействием
положительного поля на
управляющем затворе,
образуется n-канал в
подложке между истоком и
стоком, и возникает ток.
Наличие заряда на
"плавающем" затворе меняет
вольт-амперные
характеристики транзистора
таким образом, что при
обычном для чтения
напряжении канал не
появляется, и тока между
истоком и стоком не
возникает.
Flash memory – стирание информации
туннелирование электронов с ПЗ
70
При стирании высокое
положительное напряжение
подаётся на исток. На
управляющий затвор
(опционально) подаётся
высокое отрицательное
напряжение. Электроны
туннелируют на исток.
Flash memory – найдите ошибку в этом ИНТЕРНЕТ-тексте
В то же время Intel уже представляет свою
разработку StrataFlash Wireless Memory System
(LV18/LV30) – универсальную систему флэшпамяти для беспроводных технологий. Объем ее
памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее
напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления
чипов – 0.13 нм, в планах переход на 0.09 нм
техпроцесс. Среди инноваций данной компании
также стоит отметить организацию пакетного
режима работы с NOR-памятью. Он позволяет
считывать информацию не по одному байту, а
блоками — по 16 байт: с использованием 66 МГц
шины данных скорость обмена информацией с
процессором достигает 92 Мбит/с! (2004 год)
75
Пример туннельного эффекта в природе: спонтанное
деление тяжёлых ядер (Г.Н. Флёров, К.А.Петржак, 1940)
80
Пример туннельного эффекта в электронике:
одноэлектронные транзисторы
www.physicsweb.org/article/news/7/6/16.
1]
Компьютерра, 2005
В Кембриджском университете и токийской Japan Science &
Technology Corporation разработан одноэлектронный
транзистор, функционирующий при комнатной температуре
[1] (список литературы см. в конце статьи). Его устройство и
схема включения показаны на рис. 2. Проводящий канал
транзистора (остров) отделен от стока и истока туннельными
барьерами из тонких слоев изолятора. Чтобы транзистор мог
работать при комнатной температуре, размеры острова не
должны превышать 10 нм. Высота потенциального барьера
равна 0,173 эВ. В более ранней (2001 г.) конструкции тех же
разработчиков остров был крупнее, высота потенциального
барьера была 0,04 эВ, и рабочая температура не превышала
60 °К. Материалом для острова служит отдельный кластер
аморфного кремния, поверхность которого оксидирована при
низкой температуре для создания тонкого барьерного слоя
1