10Л.42 (35) Туннельный эффект

Физическое квантовое явление: прохождение частицы из одной классически разрешённой области в другую

(101)k pW W t W t Закон сохранения механи-ческой энергии для частицы

2v 0 (102)2m

(103)p stopW W x

Формула (103) позволяет найти точки остановки, которые делят ось х на разрешённые и запрещённые области

Классический подход: анализ одномерного движения частицыСостояние частицы задают скорость и координата

15Анализ одномерного движения с помощью графика ПЕ – финитное движение является периодическим

Потенциаль-ная яма - колебания

pW

x

W

1x 2x 3x

Потенциаль-ный барьер.КлассическиЗапрещённая область

Финитное движение – стоячая дебройлевская волна вероятности. Пример: БГОППЯ

Квантовый подход: анализ одномерного движения частицыСостояние частицы задаётся амплитудой вероятности

17

18

0

1

npW

0

1

Граничные условия

0 (181)n

x

2

x

Финитное движение – стоячая дебройлевская волна вероятности. Пример: ГО

2

Хорошо видно, что частица проникает в классически запрещённую область: на короткое время становится виртуальной

W

bW

2 2

0 22 2 2 2 2

4 (201)

sh 4b

b b b

k k

k k k b k k

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

2 (202)b

b

m W Wk

2 (203)mWk

30Если барьер прямоугольный, а процесс глубоко подбарьерный

02exp 2 (302)bb m W W

(301)bW W

Поанализировать влияние толщины барьера, высоты барьера, массы частицы, её энергии

40

2

1

02exp 2 (401)x

px

dx m W x W

Если барьер НЕ прямоугольный, а процесс глубоко подбарьерный

Wp

x

W

x1x2

Закон Гейгера-Неттола (1911-1922): связь периода полураспада с кинетической энергией вылетающих альфа-частиц

50Альфа-распад – теория – туннельный эффект

4 42 2 (501)A A

Z ZX He Y

kW

1/ 2lg (502)kC D W

02exp 2 (302)bb m W W

60Flash memory – пример широкого применения туннельного эффекта в микроэлектронике

Плавающий затвор – электрически изолированная область, способная хранить заряд годы

ПЗ заряжен (электроны) – логический 0ПЗ не заряжен – логическая 1

Технологии180 нм 2002130 нм 2003 90 нм 2005

2007 50 нм 0,7 В

65Flash memory – считывание информации

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.

70Flash memory – стирание информации туннелирование электронов с ПЗ

При стирании высокое положительное напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор (опционально) подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток.

В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) – универсальную систему флэш-памяти 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)

Flash memory – найдите ошибку в этом ИНТЕРНЕТ-тексте75

Пример туннельного эффекта в природе: спонтанное деление тяжёлых ядер (Г.Н. Флёров, К.А.Петржак, 1940)

80

Компьютерра, 2005Компьютерра, 2005В Кембриджском университете и токийской Japan Science & В Кембриджском университете и токийской Japan Science & Technology Corporation разработан одноэлектронный Technology Corporation разработан одноэлектронный транзистор, функционирующий при комнатной температуре транзистор, функционирующий при комнатной температуре [1] (список литературы см. в конце статьи). Его устройство и [1] (список литературы см. в конце статьи). Его устройство и схема включения показаны на рис. 2. Проводящий канал схема включения показаны на рис. 2. Проводящий канал транзистора (остров) отделен от стока и истока туннельными транзистора (остров) отделен от стока и истока туннельными барьерами из тонких слоев изолятора. Чтобы транзистор мог барьерами из тонких слоев изолятора. Чтобы транзистор мог работать при комнатной температуре, размеры острова не работать при комнатной температуре, размеры острова не должны превышать 10 нм. Высота потенциального барьера должны превышать 10 нм. Высота потенциального барьера равна 0,173 эВ. В более ранней (2001 г.) конструкции тех же равна 0,173 эВ. В более ранней (2001 г.) конструкции тех же разработчиков остров был крупнее, высота потенциального разработчиков остров был крупнее, высота потенциального барьера была 0,04 эВ, и рабочая температура не превышала барьера была 0,04 эВ, и рабочая температура не превышала 60 °К. Материалом для острова служит отдельный кластер 60 °К. Материалом для острова служит отдельный кластер аморфного кремния, поверхность которого оксидирована при аморфного кремния, поверхность которого оксидирована при низкой температуре для создания тонкого барьерного слоянизкой температуре для создания тонкого барьерного слоя

1]

1Пример туннельного эффекта в электронике: одноэлектронные транзисторы www.physicsweb.org/article/news/7/6/16.