超导体的单电子隧道效应
【精品】3超导体微观理论
3 超导体微观理论超导微观机制经典理论对超导电性产生的原因无法解释。
在量子论建立不久，F.伦敦就指出，超导环内的磁通是量子化的。
因此，超导电性是宏观世界的量子现象。
1962 年，实验证实磁通是量子化的。
同位素效应所谓同位素效应是指超导体的临界温度依赖于同位素质量的现象。
1950 年英国H.弗罗利希指出，金属中电子通过交换声子（点阵振动）可以产生吸引作用。
他预言超导体的临界温度与同位素的质量之间存在一定的关系。
所谓“临界温度”，就是导体从正常导电状态变为超导电状态时的转变温度。
果然，弗罗里希的预言得到了实验的证实。
1950 年麦克斯韦（E.Maxwell）和雷诺（C.A.Rayhold）各自独立圣测量了水银同位素的临界转变温度。
-1/2 实验发现：TC∝М 其中М为同位素质量。
同位素效应把晶格振动（其量子称为声子）与电子联系起来了，它告诉人们电子-声子的相互作用与超导电性密切相关。
弗罗利希经过分析后认为，同位素之间的电子分布状态是相同的，而原子质量是不同的，那么，超导电性会不会与晶格原子的性质有关呢？也许，超导的出现（即电阻的消失）是由于电子和晶格原子的相互作用才产生的吧！那么，电子和晶格原子是怎样互相作用的呢？弗罗里希对这一问题一筹莫展，无能为力。
空带空带p2′ EF 能隙2Δ p1′ EF 占满占满p1 q p2 T0K 下的正常态和超导态电子能谱超导能隙（energy gap of superconductors）实验证明，超导态的电子能谱与正常态不同，在费密能EF（最低激发态与基态之间）附近出现了一个半宽度为Δ能量间隙。
Δ≈10-310-4eV。
如上图拆散一个电子对（库珀对）产生两个单电子至少需要能隙宽度2Δ的能量。
热运动可以拆散电子对产生单电子。
能隙的存在使得在温度T 远低于临界温度Tc 时超导体中单电子（正常电子）的数目按exp-2Δ/kT 变化。
这就导致超导体的电子比热容和热导率按温度指数规律变化。
SQUID(超导量子干涉仪)
A.dl)
2q (2 1 t
A.dl) 2qV /
Supercon.1 Ψ1
若考虑结两边不加电压的情况， 若磁场沿x方向，大小为B0，则A (0, 0, B0y) 则有
j jc sin(2 1
I
Lx 2 Lx 2
Superconductiong flux transformers
Magnetometer
Gradmeter
Voltmeter
Modulation and feedback circuit
Principles and applications of SQUID J.Clarke
SSM（扫描超导量子干涉显微镜）
Phys. Rev. Lett. 12, 159 - 160 (1964) R. C. Jaklevic et al.
• 60年代下半叶，制造简陋的dc SQUID开始为低温物理学家用于测量。 • 60年代末开始出现RF SQUID。 • 相当长的时间内，dc SQUID被摒弃，直到1974年出现灵敏性高于 RFSQUID的仪器。 • 1987年Koch和Nakane首先制造出了高温dc-SQUID。 Appl. Phys. Lett. 51(3). 20 July
J=0
无自感时
2 1 2n
i 2 IC cos(
)sin(1
0
2 0
)
ext
0
)sin(1
ext
0
)
imax 2 I C cos(
一个磁通量子约
ext
0
)
20 1015 Wb 因而对外加场的微小变化都很灵敏
约瑟夫森效应
约瑟夫森效应（超导隧道效应）1962年，英国剑桥大学的研究生约瑟夫森从理论上预言：当两块超导体（S）之间用很薄的氧化物绝缘层（I）隔开，形成S－I－S结构，将出现量子隧道效应．这种结构称为隧道结，即使在结的两端电压为0时，也可以存在超导电流．这种超导隧道效应现在称为约瑟夫森效应．1911年，荷兰莱顿大学的卡茂林·昂尼斯意外地发现，将汞冷却到-268.98°C时，汞的电阻突然消失；后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，卡茂林·昂尼斯称之为超导态。
卡茂林由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。
这一发现引起了世界范围内的震动。
在他之后，人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体”。
超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。
导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场。
1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质，当金属处在超导状态时，这一超导体内的磁感兴强度为零，却把原来存在于体内的磁场排挤出去。
对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。
后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬浮不动。
迈斯纳效应有着重要的意义，它可以用来判别物质是否具有超性。
超导材料和超导技术有着广阔的应用前景。
超导现象中的迈斯纳效应使人们可以到用此原理制造超导列车和超导船，由于这些交通工具将在悬浮无磨擦状态下运行，这将大大提高它们的速度和安静性，并有效减少机械磨损。
利用超导悬浮可制造无磨损轴承，将轴承转速提高到每分钟10万转以上。
超导
2. 迈斯纳效应
=0
B=B(0)e-x/l
超导电性的微观理论图象---BCS理论
一、电子－声子如何相互作用？----库柏（Cooper）对的形成
何种电子最易形成库柏对？
约瑟夫逊效应 1、单电子隧道效应 超导结：N-I-N结、N-I-S结、S-I-S结
N—正常态金属膜，S—超导体，I—绝缘层
近代物理专题
——超导
主要内容
• 发展历程
• 基本概念
• 超导分类 • 应用前景
背景
发展历程
• • • • • • • • • • 1908年，液氦的实现，低温达到4.2K 1911年，汞在4.15K时电阻变零，发现超导现象 1913年，昂内斯获诺奖 1933年，迈斯纳效应 1935年，伦敦方程 1950年，金兹堡-朗道理论 1957年，BCS理论 1962年，约瑟夫森效应 昂内斯 约瑟夫森 1986年，高温超导 2003年，超导理论
弱电方面
• 超导量子干涉仪（SQUID） ( Superconducting QUantum Interference Device )，为一种极高灵敏度的磁量仪 ，可 用以探测极小磁场 ；其工作原理是利用包含约瑟夫森截 面 ( Josephson junction )的超导线圈，在磁场下可用以探 测磁通量量子 ( magnetic flux quantum )的性质而制成
铁基超导
物理性质分类
物理理论分类
• 传统超导：可用BCS理论解释
• 非传统超导：不可用BCS理论解释
相变温度分类
• 低温超导： Tc<77K • 高温超导 : Tc>77K
超导应用
超导输电
超导储能
磁悬浮
军事应用
隧道效应毕业论文.doc
本科毕业设计(论文)题目名称：隧道效应英文名称：Tunnel Effect学院：物理学院专业年级：物理专业05 级学生姓名：班级学号：指导教师：二00九年六月一日摘要薛定谔提出的量子力学基本方程建立于1926年,它是一个非相对论的波动方程。
它反映了描述微观粒子的状态随时间变化的规律,它在量子力学中的地位相当于牛顿定律对于经典力学一样,是量子力学的基本假设之一。
本文将介绍建立薛定谔方程的主要思路以及应用薛定谔方程的基本方法解决隧道效应的相关问题，及其隧道效应的应用。
关键词：薛定谔方程；定态薛定谔方程；隧道效应AbstractSchrödinger proposed the basic equations of quantum mechanics in 1926, it is a non-relativistic wave equation.It reflects the status description of the micro-particles of the law changes over time. Its status in quantum mechanics is one of the basic assumptions which is equivalent to Newton's law to the classical mechanics.This article will introduce the main ideas of the eatablishment of the Schrodinger equation and nd the application of Schrodinger equation to solve the basic issues related to the tunneling effect, tunneling effect and its applications.Key words:Schrödinger equation；stationary Schrödinger equation ；Tunnel effect目录中文摘要 (I)英文摘要 (Ⅱ)目录 (Ⅲ)引言 (1)1.薛定谔方程引入及其重要意义 (2)1.1自由粒子的薛定谔方程 (2)1.2推广到三维的一般情况 (3)2.定态薛定谔方程的推导 (5)3.隧道效应 (7)3.1隧道效应的发现 (7)3.2隧道效应的定义及其讨论 (7)3.3隧道效应的透射系数和反射系数 (9)3.4隧道效应的应用 (10)3.4.1.放射性a（粒子）衰变 (10)3.4.2.隧道二极管 (11)3.4.3.扫描隧道显微镜 (11)总结 (14)致谢 (15)参考文献 (16)引言薛定谔提出的量子力学基本方程建立于1926年,它是一个非相对论的波动方程。
隧道效应及其应用
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
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。
超导隧道效应名词解释
超导隧道效应名词解释超导隧道效应是一种量子物理学现象，它是一种由量子力学规律产生的稳定物理状态称为超导隧道状态，也称超导状态。
超导隧道效应是指一种物质在某种条件下通过狭窄的隧道时，会产生一种稳定的量子波状态，这种状态就称为超导隧道状态。
超导隧道效应的最明显特点就是能够在低温条件下，一种物质在高斯隧道中，能够发现一种稳定的数学模型，其中每个微粒都受量子力学影响，以及粒子的相互作用，形成一种自我组织的复杂的量子动力学系统。
超导隧道效应的研究始于二十世纪八十年代，由英国物理学家马克斯科瓦斯特（Maxwell Kovas）提出。
当物质通过狭窄的隧道时，由于物质的结构，其中的电子和原子的能量在低温条件下会产生一种稳定的波动状态，这种波动就称为超导隧道状态。
与普通物质不同，超导隧道状态受到量子力学影响而不受普通物理学规律的影响，这使它具有较强的物理性能，能够实现极低温的物理状态，具有超导状态的物质温度非常低，接近室温时就被称为超导体。
超导隧道效应的重要应用之一是它在超导体中的作用。
超导体是一种特殊的物质，它能够在非常低的温度下，在其中形成超导隧道状态，并且其中的电子不会受普通物理规律的影响，而是受到量子力学规律的影响，从而形成一种超导体，其特点是能够实现极低温度物理状态。
因此，超导体可以用来研究量子物理现象，在许多应用中，如计算机存储、量子通信等，超导体都可以发挥重要的作用。
最近，超导隧道效应的研究取得了重大突破，例如改进的准弱测量、量子密度势的实现等等，这些都给超导隧道效应的研究开辟了新的可能性，并有望在未来进一步深入研究超导隧道效应。
英国《物理评论》称超导隧道效应为“一种革命性的研究创新，可能会改变我们对物理和量子力学的理解，并开启新的研究领域”。
因此，超导隧道效应可以说是物理学和量子力学研究中的一项重要创新，它的研究令人兴奋，也为未来研究带来了新的可能性。
未来的研究不仅将深入解释该效应，而且还可能将它应用于物理实验和技术，以解决许多应用问题，开发出更多更先进的技术。
nin,sin,sis三种结的单粒子隧道效应
nin,sin,sis三种结的单粒子隧道效应单粒子隧道效应是一种量子力学现象，它描述了微观领域中粒子通过势垒的现象。
在经典物理学中，如果粒子的能量低于势垒（比如墙或者山），那么它是不可能通过势垒的。
但是，在量子力学中，由于粒子在薄薄的势垒处能量不为零，所以存在一定的概率，即存在一定几率，粒子能够通过势垒。
这就是单粒子隧道效应。
单粒子隧道效应有三种结构，分别是”nin、sin和sis”，接下来我将详细介绍这三种结构，以及它们在实际中的应用。
首先是"nin"结构，它指的是介质-势垒-介质的结构。
在这种结构中，粒子从一个介质穿过势垒，再穿过另一个介质。
这种结构在半导体器件中很常见，比如隧道二极管。
在这种二极管中，通过控制势垒的高度和宽度，可以使电子能够以比经典物理学更高的频率进行隧道穿越，从而增加了电子设备的速度和性能。
其次是"sin"结构，它指的是超导体-势垒-超导体的结构。
在这种结构中，超导体材料具有零电阻和完美的磁场屏蔽特性。
利用单粒子隧道效应，可以制作出超导量子干涉器件，用于研究量子信息和量子计算等领域。
同时，基于单粒子隧道效应的超导量子比特，可以用于制备量子计算机。
最后是"sis"结构，这种结构是指超导体-势垒-绝缘体-势垒-超导体的结构。
在这种结构中，绝缘体用来改变势垒的高度和宽度，从而实现对隧道效应的控制。
这种结构被广泛应用于量子点、超导体材料以及电子学领域。
总的来说，单粒子隧道效应在微观领域中起着重要的作用。
它不仅是量子力学的一个重要现象，也有着广泛的应用前景。
通过更深入地了解单粒子隧道效应以及相关的结构，我们可以更好地理解和利用这一现象，为微电子学和量子信息等领域的发展做出贡献。
相信随着科学技术的不断进步，单粒子隧道效应及其应用将会得到更广泛的拓展和应用。
隧道效应实验报告
隧道效应tunnel effect定义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。
理论计算表明，对于能量为几电子伏的电子，方势垒的能量也是几电子伏，当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达零点几；而当势垒宽度为10时，粒子透射概率减小到10-10 ，已微乎其微。
可见隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上不可能发生。
在势垒一边平动的粒子，当动能小于势垒高度时，按经典力学，粒子是不可能穿过势垒的。
对于微观粒子，量子力学却证明它仍有一定的概率穿过势垒，实际也正是如此，这种现象称为隧道效应。
对于谐振子，按经典力学，由核间距所决定的位能决不可能超过总能量。
量子力学却证明这种核间距仍有一定的概率存在，此现象也是一种隧道效应。
隧道效应是理解许多自然现象的基础。
概述在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就构成一个电子的隧道结。
实验发现电子可以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。
使电子从金属中逸出需要逸出功，这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低．于是电子隧道结对电子的作用可用一个势垒来表示，为了简化运算，把势垒简化成一个一维方势垒。
所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为1nm（10-6mm），如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部分微粒子在E＜V的条件下，可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。
产生隧道效应的原因是电子的波动性。
原理经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。
例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。
如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。
nin,sin,sis三种结的单粒子隧道效应
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。
超导论文
1.1.1 超导物理之父— 海克·卡末林·昂内斯
1.1.2 液化氦气成功为超导的发现奠定基础
1.1.3. 首次发现超导
1.1.4 零电阻效应的证实
1.2超导材料的特点10
1.2.1超导的零电阻效应................................................
1870年,卡末林-昂内斯进入格罗宁根（Groningen）大学学习,第二年获科学学士学位。在格罗宁根大学,他学习了物理学和数学.次年转人德国海德堡（Heidelharg ）大学,在这里曾有向化学家罗伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen）及物理学家基尔霍夫（Kirchhoff）请教学习的机会。他是在基尔霍夫私人实验室工作的两名学生之一。
第一章 超导.1 超导物理之父— 海克·卡末林·昂内斯
1853年9 月21 日海克·卡末林·昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）出生于荷兰的格罗宁根（Groningen）。他的父亲拥有一制瓦厂, 但他的母亲艺术素养颇佳, 深深影响了他。他的姐夫是当时Liden（地名）有名气的画家。卡末林一昂内斯年轻时也曾涉猎诗歌。
改革开放以来我国社会主义市场经济体制逐步建立，综合国力日益增强，人民生活水平大大提高，然而在这快速发展的同时一些深层次的矛盾与问题日益积累和加深，致使我国的可持续发展面临着诸多困境。一、一次能源资源面临枯竭，相关要素资源严重短缺。目前我国探明可开采的石油储量约21亿吨预计还可开采11.3年，煤炭1145亿吨预计还可开采45年，天然气1.88万亿立方米预计还可开采27.2年（数据来源：BP世界能源统计2008）。二、资源消耗过大，环境严重恶化，面临巨大的温室气体减排压力。科学观测表明，地球大气中二氧化碳的浓度已从工业革命前的280ppm（280毫升/立方米）上升到了2008年的386ppm。很多科学家将400~450ppm设为大气中二氧化碳的浓度上限，以避免“不可逆转的灾难性后果”。以上的数据表明我国（乃至全球）要实现可持续发展必须走低能高效之路，一方面最大限度地提高能源特别是不可再生能源的终端利用效率，另一方面大力开发利用新能源，寻找满足我国能源需求的终极解决途径。中国南方电力公司副总经理肖鹏曾在《中国电力工业变革与发展的战略选择》中强调要高度重视并加快高温超导技术的研发利用。他指出：高温超导技术是21世纪有可能为电力工业带来革命性变化的唯一高科技储备，也是未来新能源变革的重要技术支撑。
半导体隧道效应
半导体隧道效应
半导体隧道效应是指当一个电子或一个空穴通过两个半导体区域之间的势垒时，由于量子力学效应的存在，它可以以概率方式通过势垒，而不需要克服传统的经典能垒。
在经典物理学中，当电子或空穴遇到势垒时，它们需要具备足够的能量才能克服势垒并通过。
然而，在量子力学中，根据波粒二象性理论，粒子可以表现出波动性质，而隧道效应正是基于这一原理。
当电子或空穴穿过势垒时，它们的波函数在势垒区域内部逐渐衰减，但并未完全消失。
因此，即使它们的能量低于经典能垒高度，它们仍有一定的概率在隧道效应的作用下通过势垒。
半导体隧道效应在半导体器件中具有重要应用，例如隧道二极管（Tunnel Diode）和隧道场效应晶体管（Tunnel Field-Effect Transistor，TFET）。
这些器件利用隧道效应可以实现低功耗、高速度和高效率的电子传输，同时减少电流漏失和电压损耗。
然而，隧道效应也会引起一些挑战和限制，例如隧道电流的温度敏感性和噪声特性。
因此，在设计和应用隧道效应器件时，需要仔细考虑和优化参数，以实现所需的性能和可靠性。
1/ 1。
U 盘存储原理
U 盘存储原理U disk storage theory摘要：U盘作为常见的便携式存储器，已经发展了数个年头，接口从USB1.0进化到3.1，但其仍使用NAND FLASH技术，计算机把二进制数字信号转为复合二进制数字信号读写到USB芯片适配接口，通过芯片处理信号分配给EPROM2存储芯片的相应地址存储二进制数据，实现数据的存储，而所谓数据本质上是晶体管的电压值。
栅晶体管的结电容可长时间保存电压值以实现数据存储。
电压控制则利用电场的效应来控制源极与漏极之间的通断，栅极的电流消耗极小，不同的是场效应管为单栅极结构，而FLASH为双栅极结构，在栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极。
Abstract：As a common portable memory, U disk has already developed a number of years, the interface from USB1.0 evolution to 3.1, but its still use NAND FLASH technology, the computer binary composite binary digital signals into digital signals, speaking, reading and writing to USB adapter interface chip, through chip processing signal assigned to EPROM2 corresponding address of memory chips to store binary data, data storage, and the so-called data is essentially a transistor voltage value. Gate transistor junction capacitance can save the voltage value in order to realize data storage for a long time. The effect of electric field voltage control is used to control on and off between the source and drain, grid current consumption, different is field-effect tube for single grid structure, and FLASH for the grid structure, between the grid and the silicon substrate added a floating gate.关键字：NAND FLASH，栅晶体管，浮置栅极，场效应管，量子隧道所谓“USB闪存盘”（以下简称“U盘”）是基于USB接口、以闪存芯片为存储介质的无需驱动器的新一代存储设备。
单电子隧道效应
6
2. 正常金属隧道效应
eV
（a）热平衡
（b）有电位差V
图2-1 正常金属隧道能级图
i
7
U
3. 超导体和正常金属间隧道效应
金属-绝缘体-超导体（N-I-S）结，T=0K时，超导体 能量图上出现能隙，并且所有的态都被填满到E=-△，而 在能隙以上没有电子占据。热平衡时结两边的金属超导 体的费米能必须相等，隧道中没有电流。若在结两边从 零开始逐渐加电压V，当V<△/e时，左侧金属费米能级的 电子与右侧超导体能隙上边缘的无态密度的空穴对齐， 开始产生隧道电流，并随V的微弱增加而急剧增大。当 V>△/e时，电子对应能量右边的态密度减小，因此电流 随电压增加反而缓慢地增加。如图3-1所示。
12
2△
eV=2△
2△
（a）V=0
（b）V>2△/e
i
△/e
V
图4-1 超导体单电子隧道能级图及I-V曲线
13
eV
i
（b）V>2△/e
图4-2 T=0K时，不同能隙宽度超）V=0
i
V
16
图4-3 有限温度下，不同能隙宽度超导体单电子隧道能级图及I-V曲线
电子隧道效应
1
目 录 Contents
1
单电子隧道效应 正常金属隧道效应
2
3 4
超导体和正常金属间隧道效应 超导体单电子隧道效应
2
1.1 单电子隧道效应
3
T=0
T ≠0
（a） 图1-1 正常金属能级图
（b）
4
T=0
T ≠0
（a） 图1-2 超导体能级图
（b）
5
从量子力学的观点来看，当两块金属背一个薄的绝缘体分开时， 在它们之间可能有电流通过，称金属-绝缘体-金属（N-I-N）叠层为 隧道结，隧道结内流动的电流为隧道电流。同样，由于超导体是一 种宏观量子态物质，它也一定可以构成这样的隧道。因此由结两端 物质的不同将其分为正常金属隧道、超导体与正常金属之间的隧道 和超导隧道。
固体物理学发展简史
固体物理学发展简史固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态，及其相互关系的科学。
它是物理学中内容极丰富、应用极广泛的分支学科。
固体通常指在承受切应力时具有一定程度刚性的物质，包括晶体和非晶态固体。
简单地说，固体物理学的基本问题有：固体是由什么原子组成？它们是怎样罗列和结合的？这种结构是如何形成的？在特定的固体中，电子和原子取什么样的具体的运动形态？它的宏观性质和内部的微观运动形态有什么联系？各种固体有哪些可能的应用？探索设计和制备新的固体，研究其特性，开辟其应用。
在相当长的时间里，人们研究的固体主要是晶体。
早在18 世纪，阿维对晶体外部的几何规则性就有一定的认识。
后来，布喇格在1850 年导出14 种点阵。
费奥多罗夫在1890 年、熊夫利在1891 年、巴洛在1895 年，各自建立了晶体对称性的群理论。
这为固体的理论发展找到了基本的数学工具，影响深远。
1912 年劳厄等发现X 射线通过晶体的衍射现象，证实了晶体内部原子周期性罗列的结构。
加之后来布喇格父子1913 年的工作，建立了晶体结构分析的基础。
对于磁有序结构的晶体，增加了自旋磁矩有序罗列的对称性，直到20世纪50 年代舒布尼科夫才建立了磁有序晶体的对称群理论。
第二次世界大战后发展的中子衍射技术，是磁性晶体结构分析的重要手段。
70 年代浮现了高分辨电子显微镜点阵成像技术，在于晶体结构的观察方面有所进步。
60 年代起，人们开始研究在超高真空条件下晶体解理后表面的原子结构。
20 年代末发现的低能电子衍射技术在60 年代经过改善，成为研究晶体表面的有力工具。
近年来发展的扫描隧道显微镜，可以相当高的分辨率探测表面的原子结构。
晶体的结构以及它的物理、化学性质同晶体结合的基本形式有密切关系。
通常晶体结合的基本形式可分成：高子键合、金属键合、共价键合、份子键合和氢键合。
根据X 射线衍射强度分析和晶体的物理、化学性质，或者依据晶体价电子的局域密度分布的自洽理论计算，人们可以准确地判定该晶体具有何种键合形式。
超导隧道效应名词解释
超导隧道效应名词解释
两超导体中间的绝缘（真空，正常）层能让超导电流通过的现象即叫超导隧道效应。
扩展资料：
弱连接超导体是在两块超导体中间夹一块纳米厚度的绝缘膜，形成超导层-绝缘层-超导层（S-I-S）的结构，类似于夹层很薄的一块三明治，如图1所示，称之为约瑟夫森结，也叫超导隧道结。
由于中间的绝缘层比较薄，使两侧的超导体在电磁性质，上弱耦合在一起。
假如，当有一很小的电流从超导体穿过绝缘层而流到另一超导体时，该电流没有超过这种结构的临界电流（I），则两侧的超导体层之间没有电压，整个弱连接超导体呈现零电阻性。
两超导体中间的绝缘（真空，正常）层能让超导电流通过的现象即叫超导隧道效应。
根据以上隧道结的原理，两块超导体中间夹一层金属也可形成约瑟夫森结（S-N-S）。
进而中间不夹东西（真空），只是靠得很近也可形成约瑟夫森结（扫描隧道电子显微镜用的结）。
约瑟夫森结还可以是两块超导体的点接触，或微桥接触等结构，其关键是让两块超导体间能有弱连接而导致隧道效应。
弱连接超导体中的弱体现在两方面：一是结的临界电流（I）很小，这意味着很小的电流就会破坏零电阻性；二是它对磁场极为敏感。
在此，很弱的磁场是指通过结的磁通量只要变化Φo/2时就足以使通过结的电流从最大变到最小。
第13章__超导材料
第13章__超导材料第⼗三章超导材料某些物质当冷却到临界温度以下时，同时产⽣零电阻率和排斥磁场的能⼒，这种现象被称为超导电性，该类材料称为超导体或超导材料。
电⼒设备采⽤该类材料后，可以具有传统设备根本⽆法达到的技术及经济效益；有利于设备的⼩型化、轻量化及⾼效化；能抑制⼤电⽹的短路电流；可解决远距离、⼤容量输电的稳定性问题；能提⾼⾼密度输电的可靠性等等。
1911年LK.Onners发现了超导电性后，⼈们⼀直在努⼒寻找更⾼临界温度的超导体。
1986年J.G.Bednorz和K.A.Mller发现了⾼温氧化物超导体在35K下的超导现象，随后在短短⼗年间临界温度提⾼到了160K，这个温度是在丰富⽽廉价的液氮的沸点(77K)以上，因⽽被称为⾼温超导，它使超导性的应⽤变为现实，从此超导体在全世界范围内引起公众、政府的极⼤关注。
各国众多科学⼯作者都参与了超导研究⼯作，⼈们期望着⾼温超导体的发展与应⽤最终会给社会带来巨⼤的技术与变⾰。
第⼀节超导材料的基本特征及微观结构1.1超导电体的基本物理性质1.1.1 零电阻效应当温度T下降⾄某⼀数值以下时，超导体的电阻突然变为零，这就称为超导体的零电。
图13－1是汞在液氦温度附近电阻阻效应。
电阻突然消失的温度称为超导体的临界温度Tc的变化⾏为。
图13－1 汞在液氦温度附近电阻的变化⾏为对于温度为T(T)的超导体，当外加磁场超过某⼀数值Hc的时候，超导电性就被破c坏了，这个磁场强度称为临界磁场。
在临界温度Tc，临界磁场为零。
实验证实，在⽆外加电场时，超导体中如果通⼊⾜够强的电流，超导电性也会遭到破坏，此时的电流称为临界电流Ic(T)。
要使超导体处于超导状态，必须将条件控制在三个临界参数Tc 、Hc、Ic之下，不满⾜任何⼀个条件，超导状态都会⽴即消失。
其中Tc 、Hc是材料的本征参数，只与材料的电⼦结构有关，⽽Hc 、Ic则彼此有关并依赖于温度。
图13－2是三者的关系图，临界⾯以下为超导态，其余为常态。
第二类超导体
◆理想第II类超导体 晶体结构比较完整，不存在磁通钉扎中心，并 且当磁通线均匀排列时，在磁通线周围的涡旋电 流将彼此抵消，其体内无电流通过，从而不具有 高临界电流密度。 ◆非理想第II类超导体 晶体结构存在缺陷，并且存在磁通钉扎中心， 其体内的磁通线排列不均匀，体内各处的涡旋电 流不能完全抵消，出现体内电流，从而具有高临 界电流密度。真正适合实际应用的超导材料是非 理想的第二类超导体。
超导导线(含2120 根微米直径之铌 钛合金纤维)
• 超导储能装置
超导储能装置是利用超 导线圈将电磁能直接储 存起来，需要时再将电 磁能返回电网或其它负 载的一种电力设施。一 般由超导线圈、低温容 器、制冷装置、变流装 置和测控系统几个部件 组成。其中超导线圈是 超导储能装置的核心部 件，它可以是一个螺旋 管线圈或是环形线圈
Hale Waihona Puke 两类超导体相图第一类超导体只 存在一个临界磁 场Hc，当外磁场 H＜Hc时，呈现 完全抗磁性，体 内磁感应强度为 零。
第二类超导体具有两个临界磁场，分别用HC1（下临 界磁场）和HC2（上临界磁场）表示。当外磁场H＜ HC1时，具有完全抗磁性，体内磁感应强度处处为零。 外磁场满足HC1<H<HC2时，超导态和正常态同时并 存，磁力线通过体内正常态区域，称为混合态或涡旋 态。外磁场H增加时，超导态区域缩小，正常态区域 扩大，H≥HC2时，超导体全部变为正常态。
荷兰物理学家昂纳斯 (Heike Kamerlingh Onnes)
• 卡末林 昂尼斯 卡末林·昂尼斯 (Kamerlingh Onnes) 低温物理学家 • 1853年9月21日生于 1853年 21日生于 荷兰的格罗宁根， 荷兰的格罗宁根， 1926年 21日卒于 1926年2月21日卒于 荷兰的莱顿． 荷兰的莱顿．因制 成液氦和发现超导 现象在1913 1913年获诺 现象在1913年获诺 贝尔物理学奖． 贝尔物理学奖．
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
chaodaoti de dandianzisuidaoxiaoying
超导体的单电子隧道效应
superconductive single-electron tunnelling effect
通常把两块金属电极中间夹一层很薄的绝缘层(厚度为10厘米的数量级)的结构叫做隧道结。
根据量子力学原理，电子可以通过这样薄的绝缘层。
在隧道结两端有电压()时，能够产生足够大的可观测的电流()。
这是隧道效应的一种。
隧道电流的大小除与绝缘层的厚度有很大关系外，还与两个电极中电子态密度有关。
电子态密度的特征会影响隧道结的伏安特性曲线()的形状。
当两个电极都是正常金属N时,在不太高的电压（低于1伏）范围内（如图[隧道结的()
特性曲线示意图]()特性曲线示意图" class=image>中N-I-N情况）,()是一条直线。
它说明，在这个范围内，正常金属的电子态密度是一个与能量无关的常量。
若电极是超导体，()曲线就复杂些。
超导微观理论预言，超导体中单电子的态密度[79-01]。
这里2是超导体的能隙宽度当温度远低于超导体的临界温度时，对于一个电极是超导体S的隧道结,当<时除了在能隙上的激发电子可以通过结外，在能隙下的大量电子都不能通过结，因而电流很小；而当时能隙下的电子可以通过结，故电流陡然上升（如图[隧道结的()特性曲线示意图]
()特性曲线示意图" class=image>中S-I-N 情况）。
对于二个电极都是超导体的隧道结，()曲线在[79-02]
处有一个极大值，在[79-03]处有一个极小值，而在
[79-04]后电流陡然上升(如图S-I-S情况）。
利用这些特点，可以很准确地测量超导体的能隙值。
人们曾用这个方法研究了随温度的变化关系,证明BCS理论预言的这个关系是正确的。
当一个电极是正常金属而温度接近0K时，根据理论可以证明，隧道结()曲线的微商正比于另一个电极的态密度。
人们用这个原理成功地测定了几十种超导体的态密度。
实验表明,BCS理论的态密度公式基本上是正确的。
但同时发现，对于某些超导体,特别是铅,实验的态密度曲线上有一些很小但不容忽视的附加结构这在BCS理论的态密度公式中是不存在的（见超导微观理论）。
进一步的超导理论证明，当电子－声子耦合较强时，电子态密度曲线上就会出现有效声子态密度()引起的附加结构（见强耦合超导体）。
由这种具有声子结构的电子态密度曲线可以计算出有效声子谱()。
这里，是电子－声子耦合强度，()是声子态密度。
到目前为止，人们已测定了数十种超导体的()。
这对于检验超导理论以及研究超导体临界温度问题都有重要的意义。
由于超导体单电子隧道效应的重要性，它的创始人I.加埃沃和半导体隧道二极管的发明者江崎玲於奈以及超导体约瑟夫森效应的发现者共同获得了1973年的诺贝尔物理学奖。
在上述隧道效应中，电子的能量并不改变，属于弹性隧道过程。
在穿越绝缘层时，电子也可以与其他粒子相互作用而改变能量,这就是非弹性隧道过程当绝缘层表面存在某些杂质分子时，电子可以激发它们的转动能级或振动能级。
此时,在隧道电流中,能量高于激发能
的电子数会减少，使()曲线在=处产生很微小的转折。
这种转折在()的二次微商曲线上表现为一个尖峰──谱线,人们将它称为非弹性电子隧道谱(IETS)为了减小热运动所造成的谱线宽度以及提高灵敏度，IETS通常都是在4.2K以下的温区内测得的。
利用超导体作电极，可进一步提高灵敏度。
IETS与红外光谱和曼光谱同样可用来辨认分子的种类，比较起来，它的灵敏度更高些，可对极微量的杂质分子进行检测。
空气污染分析和痕量物质分析是它的重要应用领域。
参考书目
L.Solymar,SuperconductiveTunnellin and Appl-ications,Chapman& Hall, London, 1972.
管惟炎李宏成、蔡建华、吴杭生等著:《超导电性·物理基础》，科学出版社，北京，1981。
李宏成。