文档介绍：第 22 卷第 2 期高Þ 师理科学刊 Vol. 22 No. 2
2002 年 5 月 Journal of Science of Teachers′College and University May 2002
文章编号:1007 - 9831 (2002) 02 - 0023 - 04
半导体器件中的量子隧道效应
齐吉泰
(绥化师范专科学校物理系,黑龙江绥化 152061)
摘要:利用隧道效应器件的量子力学理论,说明了隧道效应电子在势垒区内部的行为.
关键词:半导体;隧道效应;势垒
中图分类号:O471. 1 文献标识码:A
1 隧道效应和半导体器件
隧道效应(或称势垫贯穿) 是一种十分有趣,也十分重要的量子力学效应. 在量子力学教学中,它不仅
¨
作为准确求解 SchrOdinger 方程(方势垒) 和运用近似方法( W K B 近似和微扰法) 的十分简洁的例子,而
且是帮助初学者摆脱经典概念束缚,理解量子力学新思想的有力工具.
尽管量子力学主要用于微观现象,隧道效应却是在宏观尺度上可以广泛观察到的量子效应. 依据隧
道效应几率最简单的表达式
- 2 Kd 2 m ( V - E)
W ∝ e , K = (1)
h
可以方便地估计隧道效应可观察的条件. 在数量级的估计中可以把这条件表示为:
Kd ≤1 (2)
对于α粒子,互相作用势 V 和质量 m 都较大,仅对 d < 10 - 12cm 的原子核势垒可以观察到隧道效应,
这是典型的微观尺度.
对于固体中的电子,质量比α粒子小 7400 倍,相互作用势也比核力势低得多,因而可望在大得多的尺
度内观察到隧道效应. 例如以固体中典型的几个电子伏的量级估算, d < 10 nm.
半导体技术的发展使得制备这样尺度的宏观结构成为可能. 1957 年江崎首先在重掺杂 Ge P —N 结二
极管中观察到了电子的隧道效应, 引起了隧道效应半导体器件的迅速发展. 研究表明, Si 、GaAs 和其它
Ⅲ—Ⅴ、Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体当掺杂足够高(1013 ~ 1020cm - 3) 时,其 P —N 结势垒区就落到 10 nm 范围
内,从而表现出足够强的隧道效应. 随后,薄膜技术(蒸发、外延⋯⋯) 发展到能够制造薄于 10 nm 的夹层,
大大扩展了隧道效应出现的范围,导致 1960 ~ 1962 年 Giaever 和Josephson 相继揭示涉及超导体的量子隧
道效应. 他们的发现不仅推动了隧道效应理论和超导理论的发展, 而且开发了一类新型器件———超导隧
道效应器件. 目前,隧道效应器件已经发展为 3 类:
(1) 半导体 P —N 结隧道二级管. 主要用于微波放大、振荡、检波和开关电路〔1〕. 低电压稳压二级管
(也称齐纳二极管) 也是利用 P —N 结反向隧道效应的器件.
(2) 金属———绝缘体———金属(M IM) 或金属———绝缘体———半导体(M IS) 结构. 其中薄绝缘膜就
构成隧道效应电子所要贯穿的势垒区. 在非挥发性存储器、辐射探测器件、太阳电池等含有薄绝缘膜的半
导体器件中,隧道效应都是一种不可忽略的(并且在有些情况下还是主要的) 传导机制, 影响或决定着器
件的