第八章 单电子隧道效应_651402379

如何证明是隧道效应

1973年获Nobel 奖(与Josephson 和Esaki 分享)

1959年4月Giaever Al-Al 2O 3-Al 室温：N -I -

N

N-I-N

S-I-N

N-I-N 和S-I-N电流－电压曲线

加电压前后的方势垒

若电子能量，eV U eV 1.0 , 005.00

==εd e T 2−∝40.0 2＝时T A d D

=0013.0

20＝时T

A d D =5104.7

30−×=＝时T A d D 14103.1 100−×=＝时T A d D

一、隧道结概念

两导体中间插入绝缘层，加电压V后

a.若绝缘层很厚I＝0

b.当绝缘层逐渐减薄，至某一值后I≠0，隧道电流

c.若无绝缘层时I≠0，正常电流

结电阻(与结厚等有关)和金属电阻不同，I-V曲线不同，三种结：

N-I-N S-I-N S

1-I-S

2

N －Normal metal，S －Superconductor 8.3 隧道结及其I-V曲线

N-I-N S-I-N S-I-S

以上对超导体的描述为半导体模型（唯象性）

激发对――半导体中的电子－空穴对

优点：简单、方便，能给出正确的结果

它考虑了超导体能隙这一物理量，但未反映超导电子对物理图象

A B

A B

②当T ＝0 V ≠0时

dE

eV E f eV E N I A B A )()(−−∝→

还应与右边金属B 的空态态密度和空穴几率的乘积成正比

B A I →)]

(1)[(E f E N I B B A −∝→还与穿透系数成正比B A I →AB T )

(E T I AB B A ∝→)]

(1[)()()()(E f eV E f E N eV E N E T I B A AB B A −⋅−−∝→从金属B 隧穿到金属A 的隧道电流A

B I →)]

(1)[()()()(eV E f E f E N eV E N E T I B A BA A B −−−∝→BA

AB T T ≈假定：由的净电流

B A →()()()[()()]A B B A AB A B I I I T E N E eV N E f E eV f E dE →→=−∝−−−∫(2) (3)(4)

A B

dE

见下一页

T=0 K S-I-N

反向偏置

正向偏置

T≠0 K

T≠0 K S-I-S

S1-I-S2 T=0 K

S1-I-S2 T≠0 K

负阻

T=0 K T≠0 K

虚线表示超导基态能量，空心园圈表示超导电子对，用基态能量之上处的实线表示E －K 图中极小值所对应的能级，实心园点表示准粒子。

特点：物理图象清晰，简洁、方便。

它在表示超导结的多粒子隧道过程，伴随发生声子或光子发射或吸收的单电子隧道过程及其它较复杂的隧道过程时，都显示出了很大的优越性。

Adkins

模型表示法

V=Δ/e V=-Δ/e

V=Δ/e V=-Δ/e

Adkins

半导体模型

Adkins

光子参与的隧道效应

121()V n e

ω=Δ+Δ+=

四、半导体模型与Adkins模型

半导体模型：将超导中的能隙与半导体中的禁带对应起来，易于理解。但具有局限性，易造成误解。

考虑了能隙，但未反映出超导电子对这个重要的物理图象。

所表示的电子态一律都是单电子，未反映出两个电子配对的情况及电子对拆散成两个准粒子的情况。

隧道过程中，电子对拆散或复合的过程还可伴随发生光子、声子的吸收或发射，亦可能产生双粒子、多粒子隧道过程。半导体模型无能为力

五、隧道效应的应用①能隙随温度变化

②能隙随磁场的变化

不同厚度的超导薄膜的能隙随磁场的变化

STM

BSCCO

磁通线芯子的隧道电导