Авиационно инженерство Административно право Административно право Беларус Алгебра Архитектура Безопасност на живота Въведение в професията „психолог” Въведение в икономиката на културата Висша математика Геология Геоморфология Хидрология и хидрометрия Хидросистеми и хидравлични машини Културология Медицина Психология икономика дескриптивна геометрия Основи на икономически т Oria професионална безопасност Пожарна тактика процеси и структури на мисълта, Професионална психология Психология Психология на управлението на съвременната фундаментални и приложни изследвания в апаратура социалната психология социални и философски проблеми Социология Статистика теоретичните основи на компютъра автоматично управление теория на вероятностите транспорт Закон Turoperator Наказателно право Наказателно-процесуалния управление модерна производствена Физика Физични феномени Философски хладилни инсталации и екология Икономика История на икономиката Основи на икономиката Икономика на предприятията Икономическа история Икономическа теория Икономически анализ Развитие на икономиката на ЕС Спешни ситуации ВКонтакте Однокласници Моят свят Facebook LiveJournal Instagram
border=0

Физически характер на тунелния ефект

| следващата статия ==>

Проявлението на вълновите свойства на даден обект прави невъзможно да се опише неговото движение по законите на класическата механика, тъй като точните координати и инерция не могат да бъдат приписани на електрон в този случай. Несигурността на тези величини е свързана помежду си чрез отношението Хайзенберг. В този случай не става дума за експериментална грешка, а за фундаменталната невъзможност едновременно и прецизно да се знае координатата и инерцията на частицата.

От тази връзка следва, че при описване на движението на електрони във вакуум, свойствата на електронните вълни могат да бъдат пренебрегнати, докато при описанието на движението на електроните в един атом, в тунелния преход, в Джозефсън и т.н. описанието на тяхното движение е възможно само въз основа на квантово-механични представяния.

В съответствие с квантовата механика свободните електрони могат да имат всякаква енергия - техният енергиен спектър е непрекъснат. Електроните, принадлежащи към изолирани атоми, имат определени дискретни енергийни стойности. В твърдо, енергийните нива на отделните електрони се замъгляват в зони на разрешени състояния, разделени от забранена зона един от друг. В случай на няколко атома, обединени от химическа връзка (например, в молекула), електронните орбитали се разделят в количество, пропорционално на броя на атомите, образувайки така наречените молекулярни орбитали. С по-нататъшното увеличаване на системата до макроскопичен кристал броят на орбиталите става много голям, а разликата в енергиите на електроните в съседните орбитали, съответно много малки, енергийните нива се разделят на почти непрекъснати дискретни набори - енергийни зони. Най-високата от разрешените енергийни ленти в полупроводниците и диелектриците, в които при температура от 0 К всички енергийни състояния са заети от електрони, се нарича валентна зона, която следва, че е зона на проводимост. В металите зоната на проводимост е най-високата допустима ивица, в която се намират електрони при температура от 0 K.

Следните основни приближения са в основата на теорията на лентите:

1. Твърдото вещество е идеално периодичен кристал.

2. Равновесните позиции на решетъчните места са фиксирани, т.е. Атомните ядра се считат за фиксирани (адиабатно приближение). Малките колебания на атомите около равновесните позиции, които могат да бъдат описани като фонони, се въвеждат впоследствие като смущение на енергийния спектър на електрони.

3. Многоелектронната задача се свежда до едноелектронна: ефектът върху дадения електрон от всички останали се описва от някакво осреднено периодично поле.

Редица явления, по същество многоелектронни, като феромагнетизъм, свръхпроводимост и тези, в които екситоните играят ролята, не могат да бъдат разглеждани последователно в рамките на теорията на лентите. Теорията на зоните е в основата на съвременната теория за твърдите вещества. Това ни позволи да разберем природата и да обясним най-важните свойства на металите, полупроводниците и диелектриците. Величината на разстоянието между зоните на валентност и проводимост е ключова величина в теорията на лентите, определя оптичните и електрическите свойства на материала.

Тъй като топлинната енергия е един от основните механизми за пренос на енергия към електрона, проводимостта на полупроводниците е силно зависима от температурата. Тяхната проводимост може да бъде увеличена чрез създаване на допустимо ниво на енергия в забранената зона чрез допинг. Така се създават всички полупроводникови устройства: слънчеви клетки (преобразуватели на светлина в електричество), диоди, транзистори, твърдотелни лазери и други.

Нивото на Ферми в полупроводниците е в средата на забранената лента, в металите това е горното ниво на запълване при O K. Величината на енергията на Ферми зависи от концентрацията на електроните в метала и за повечето метали е 5-10 eV.

За да се прехвърли електрона от твърдо към вакуум, е необходимо да му се придаде допълнителна енергия (работната функция се определя от разликата между общата енергия на потенциалната бариера и енергията на нивото на Ферми). За полупроводниците функцията за пълна работа на електрона се състои от външната работна функция и полуширината на енергията на лентата. В зависимост от начините на доставяне на допълнителна енергия се отличават термо-, фото-, вторични, авто- и екзоелектронни емисии.

В електронните устройства в близост до катода обикновено се създава външно електрическо поле, чието наличие води до намаляване на потенциалната бариера при метало-вакуумния интерфейс, работната функция на електрона на метала намалява (ефектът на Шотки). Енергийната схема на потенциална бариера при метално-вакуумния интерфейс при наличие на външно поле има формата, показана на фигура 4.1.

Фиг. 4.1

При наличието на силно електрично поле възниква емисионно поле. Външното поле води не само до намаляване, но и до стесняване на потенциалната бариера при метало-вакуумната граница.

Електронното излъчване се отнася до излъчването на електрони от твърда или друга среда. Сред емисионните феномени автоемията заема специално място, тъй като е чисто квантов ефект, при който освобождаването на електрони от катода не изисква изразходването на енергия върху самия емисионен акт, за разлика от термичната, фото- и вторичната емисия.

За да напусне електронът повърхността на катода, според концепциите на класическата физика, неговата енергия трябва непременно да бъде по-голяма от височината на потенциалната бариера. Въпреки това, съществуват физически ситуации, при които един електрон може да се освободи, без да прескочи бариерата, но да премине през нея. Това е възможно, когато бариерата на границата е много тънка. Такава много тънка бариера може да бъде създадена от силно електрическо поле. Процесът на изтичане на електрони през потенциална бариера се нарича тунелен ефект . В резултат на тунелния ефект настъпва автоелектронна емисия. Условието за он-лайн емисия е съразмерната ширина на потенциалната бариера с дължината на вълната на Де Бройл за електроните. За да се изпълни това условие, е необходимо силата на електрическото поле от порядъка на десетки MeV. Такива стойности на силата на полето могат да бъдат постигнати на върховете или в тънки диелектрични филми.

Зависимостта на плътността на тока от емисиите на полето от електрическото поле е описана с уравнението Nodheim-Fowler:

където - Константа на изпускане, E - интензитет на електричното поле.

Според това уравнение, плътността на тока от върха може да достигне , но емисионният ток може да бъде само няколко μA.

Теорията на Фаулър-Нордхайм обяснява експоненциалната зависимост на емисионния ток от силата на полето. Той също така предполага възможността за получаване на гигантски токови плътности, милиони пъти (разпадане на зенерите) по-голяма от плътността на тока, която може да бъде получена по всеки друг традиционен метод - в резултат на топлинни, фото и други видове емисии. От теорията следва, че автоемисията трябва да се наблюдава и при ниски температури до температури близки до абсолютната нула. Всички тези свойства на автоемизация се потвърждават експериментално. Процесът на автоемизация се оказа практически инертен Последствие от квантово-механичната природа на процеса на автоемизация е възможността за получаване на огромни плътности на тока. В частност, това се дължи на факта, че тунелният механизъм за освобождаване на електрони от твърдо вещество не изисква енергийни разходи за емисионния акт и по този начин елиминира необходимостта от външно въздействие върху катодния материал, т.е.

Електронното излъчване от един единствен край е нестабилно и е придружено от ерозия на катода и изисква много висок вакуум. През последните години се развиват вакуумната микроелектроника и наноелектрониката. Това е свързано със създаването на матрични автоемисионни системи с микронни и нанометрови размери, съдържащи до десет хиляди ръба в един пиксел (клетка). Такива устройства се използват за показване на информация (клетъчна матрица). Едно от практическите приложения на този тип устройства е сканиране на тунелни микроскопи (STM).

| следващата статия ==>





Вижте също:

Проблемът за създаване на изкуствени невро-подобни измервателни устройства

Методи за изследване на наноматериали и наноструктури

Режими на работа на сканиращи пробни микроскопи

Особености на внедряването на нелинейни процеси в системи с хаотична динамика

Свойства и приложна стойност на наноматериалите

Използването на хаос за предаване на информация по комуникационни линии

Сканиращо микроскопско устройство

Понятията за нискотемпературна и високотемпературна свръхпроводимост

Старк ефект

НГР метод - спектроскопия

Концепцията за "меки измервания"

Физическа основа за изграждане на измервателни уреди, използващи колебания на осцилатора

Нелинейни колебателни процеси в многостепенни системи

Физически характеристики на прехода от микро към наноустройства

Връщане към съдържанието: Съвременни фундаментални и приложни изследвания в приборостроенето

2019 @ ailback.ru