Электрон в потенциальной яме
Содержание
ЭЛЕКТРОН В ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЯМЕ……
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ……………………………………......
КЛАССИФИКАЦИЯ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ………………………………………….……
ЭЛЕКТРОНЫ И
ДЫРКИ..………………………………………………………..
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ ПРИМЕСЕЙ И ДЕФЕКТОВ…………………………… 7 – 8
ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………..…………
ТЕОРИЯ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА………………….……………………………8 – 9
ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ В ФИЗИКЕ…………………………………………….……..9
ТУННЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ….……………….....9 – 10
КВАНТОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ………………………
ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД.…………………….……………
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………...12
ПРИЛОЖЕНИЕ……………………………………………………
Электрон в потенциальной яме
Если ранее мы рассматривали примеры в которых е- мог свободно перемещаться в некоторых областях одномерного пространства. Теперь поместим его в область с низкой потенциальной энергией. Такую область обычно называют потенциальной ямой.
Профиль потенциальной ямы шириной L показан на рис. 25
Пока Е>V1, решение не отличается от уже известного нам, но когда Е<V1, то положение принципиально изменяется.
Рассмотрение уравнения Шредингера для пространственно однородного потенциала дает следующие результаты.
В области 3 существует только
экспоненциально убывающее
(п.1)
где
(п.2)
В области 2 потенциал равен нулю. Здесь возможны решения двух видов - симметричное и антисимметричное (что определяется симметричным распределением потенциала). Соответственно,
(п.3)
(п.4)
Здесь
(п.5)
В области 1 решение снова должно быть затухающим, но на сей раз в направлении отрицательных Z. Соображениям симметрии удовлетворяет функция
(п.6)
Исследуем сначала симметричное решение. В этом случае надо использовать уравнения (п.1) и (п.3), а так же уравнение (п.6) со знаком "+". В точках Z=L/2 и Z=-L/2 должны выполняться условия непрерывной волновой функции и ее производной. В силу симметрии задачи достаточно удовлетворить граничным условиям в какой-либо одной точке, скажем в точке Z=L/2. Из условия непрерывности волновой функции следует, что
(п.7)
А из условия, налагаемого на производную
(п.8)
Таким образом однородную систему линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов A и C. Эта система имеет нетривиальное решение, если ее детерминант равен нулю, т.е.
(п.9)
или
(п.10)
Используя (п.2) и (п.5) получим
(п.11)
Нелинейное уравнение (п.11) необходимо решить относительно энергии E. Его можно решить на ЭВМ или графически, построив отдельно левую и правую части (п.11). Для примера: m=9.1*10-31кг, ћ=1.05*10-34Дж/Гц, и примем L=10-9м, V1=1.6*10-19Дж
Как видно кривые пересекаются в трех точках, т.е. существуют ровно три решения. Энергия электрона может иметь любое значение в области Е>V1, но если Е<V1, то существуют только три разрешенных энергетических уровня (состояния), (точнее, 3 энергетических уровня для симметричных решений и еще какое-то число для антисимметричных).
Таким образом мы решили
задачу, которую с полным основанием
можно назвать квантово-
Дискретные энергетические уровни энергии появляются всякий раз, когда мы ограничиваем движение электрона.
Решение приобретает вид дискретного набора волновых функций и уровней энергии.
Итак, для е- в твердом теле уравнение может быть записано в виде:
(1)
Где - дифференциальный оператор Лапласа в декартовой системе координат.
Y(x,y,z) - волновая функция
E - полная энергия электрона
V1(x,y,z) - потенциальная
энергия электрона
h - постоянная Планка
m - масса электрона
Установлено, что уравнение (1) имеет отличные от нуля решения относительно Y(x,y,z) только при некоторых дискретных значениях энергии E. В этих случаях говорят, что имеет место некоторое квантовое состояние. Каждому квантовому состоянию отвечает определенное значение энергии электрона E, а также его импульса mV или ћk.
Для описания квантового состояния используют набор квантовых чисел:
- n (азимутальное квантовое число,
- l (орбитальное квантовое число),
- ml (магнитное орбитальное квантовое число) и
- ms (спиновое число).
Поскольку уравнение (1) имеет отличные от нуля решения только при некоторых дискретных E, то говорят, что электрон занимает некоторые разрешенные энергетические уровни. В соответствии с принципом Паули два электрона в любом атоме не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии, число электронов находящихся на одном и том же энергетическом уровне не может превышать числа квантовых состояний.
В твердых кристаллических телах высока концентрация атомов, из-за их близкого расположения между атомами возникает взаимодействие и потенциальная энергия электронов становится периодической функцией пространственных координат.
Вследствие этого энергетически
Распределение электронов
Подобно энергетическим уровням в изолированных атомах энергетической зоны могут быть полностью заполненными, частично заполненными и свободными.
Самую верхнюю из заполненных электронами зон называют валентной. Эта зона соответствует энергетическим уровням электронов внешней оболочки в изолированных атомах. Ближайшую к ней свободную, незаполненную электронами зону, называют зоной проводимости.
Классификация твердых тел
В зависимости от того, как расположены энергетические зоны, твердые тела принято делить
- диэлектрики
- полупроводники
- металлы
Согласно зонной теории, электроны валентной зоны имеют практически одинаковую свободу движения во всех твердых телах независимо от того, являются ли они металлами или диэлектриками. Для объяснения различий в электрических свойствах материалов надо принять во внимание различную реакцию на внешнее электрическое поле электронов заполненной и незаполненной зон. Внешнее электрическое поле стремится нарушить симметрию в распределении электронов по скоростям, ускоряя электроны, движущиеся в направлении действующих электрических сил, и замедляя частицы с противоположно направленным импульсом. Однако подобное ускорение и замедление связано с изменением энергии электронов, что должно сопровождаться переходом их в новые квантовые состояния.
Очевидно, что такие переходы могут осуществляться лишь в том случае, если в энергетической зоне имеются свободные уровни.
В металлах, где зона не полностью укомплектована электронами, даже слабое поле способно сообщить электронам достаточный импульс, чтобы вызвать их переход на близлежащие свободные уровни. По этой причине металлы хорошие проводники электрического тока.
В полупроводниках и диэлектриках при температуре 00К все электроны находятся в валентной зоне, а зона проводимости абсолютно свободна. Электроны полностью заполненной зоны не могут принимать участия в создании электрического тока.
Для появления электропроводности необходимо часть электронов перевести из валентной зоны в зону проводимости. Энергии электрического поля недостаточно для осуществления этого перехода, требуется более сильное энергетическое воздействие, например, нагревание твердого тела.
Чем выше температура
и меньше запрещенная зона, тем
выше интенсивность межзонных
У диэлектриков запрещенная зона может быть настолько велика, что электронная электропроводность не играет определяющей роли.
Выводы
- Твердое тело является металлом, т.е. проводником, в том случае, если валентные электроны одновременно принадлежат всем атомам
- Твердое тело, в котором валентные электроны прочно связаны со своими атомами, является диэлектриком.
- Если каждый атом имеет, например, 4 валентных электрона, являющихся общими для 4 ближайших атомов (конфигурация валентных связей), то такое твердое тело является полупроводником.
Электроны и дырки
При каждом переходе электронов за счет возбуждении из валентной зоны в зону проводимости появляются энергетические вакансии в распределении электронов по состояниям валентной зоны, называемые "дырками". При наличии дырок электроны валентной зоны могут совершать эстафетные переходы с уровня на уровень. Во внешнем энергетическом поле дырка движется противоположно движению электрона, т.е. ведет себя как некоторый положительный заряд с отрицательной эффективной массой. Таким образом, дырки инициируют и обеспечивают участие валентных электронов в процессе электропроводности.
Процесс перехода электронов в свободное состояние сопровождается и обратным явлением, т.е. возвратом электронов в нормальное, невозбужденное состояние. В результате в веществе при любой температуре возникает динамическое равновесие.
С ростом t0 число свободных электронов в полупроводниках возрастает, а с падением t0 - уменьшается вплоть до нуля.
При 00К различие между полупроводниками и диэлектриками исчезает. Ширина запрещенной зоны меняется с изменением температуры. Это происходит по двум причинам:
- из-за изменения амплитуды тепловых колебаний атомов решетки, поэтому DЭ уменьшается
- из-за изменения межатомных расстояний, т.е. объема тела, поэтому DЭ может как уменьшаться, так и увеличиваться.
У большинства полупроводников с ростом t0 ширина разрешенной зоны увеличивается, запрещенной зоны - уменьшается
Можно считать DЭ=DЭ0-b*T; b=(2¸6)*10-4Эв/0К
При комнатной температуре (T=3000К) и нормальном атмосферном давлении ширина запрещенной зоны DЭ у германия составляет ~ 0.66 эВ, у Si=1.12 эВ, а арсенида галлия GaАs ~ 1.42 эВ. Отметим, что эти значения найдены для материалов с высокой степенью частоты. В сильно легированных материалах ширина запрещенной зоны немного меньше. Как показывают экспериментальные результаты, ширина запрещенной зоны большинства полупроводников уменьшается с ростом температуры. Температурные зависимости для Ge, Si и GaAs приведены на рис.29
При T=00К в этих полупроводниках ширина запрещенной зоны равна соответственно 0.743 эВ (Ge); 1.17 эВ (Si) и 1.519 эВ (GaAs).
Зависимость DЭ=F(T0) в этих полупроводниках можно аппроксимировать универсальной функцией
Числовые значения параметров DЭ, a и b приведены на рис.29 Отметим, что для этих полупроводниковых материалов температурный коэффициент d(DЭ)/dT отрицателен. В некоторых полупроводниках однако, производная d(DЭ)/dT положительна. Например в PbS (приложение Д) ширина запрещенной зоны увеличивается от 0.286 эВ при Т=00К до 0.41 эВ, при Т=3000К.
При комнатной температуре ширина DЭ увеличивается с ростом давления: в Ge d(DЭ)/dP=5*10-6 эВ/(кг/см2), а в GaAs d(DЭ)/dP ~ 12.6*10-6 эВ/(кг/см2).
В кремнии ширина DЭ с ростом давления уменьшается (d( )/dP=-2.4*10-6 эВ/(кг/см2)).
Однако энергию, необходимую для перевода электрона в свободное состояние или для образования дырки, может дать не только тепловое движение, но и другие источники энергии: энергия света, поток заряженных частиц, энергия поля, механическая энергия и т.д.
Электрические свойства определяются условиями взаимодействия и расстояниями между атомами вещества и не являются непременной особенностью данного атома (углерод в виде алмаза - диэлектрик, в виде графита - проводник).
Энергетические зоны примесей и дефектов
Примеси и дефекты нарушают строгую периодичность структуры и создают особые энергетические уровни, которые располагаются в запрещенной зоне идеального кристалла.
Если примесные атомы
и дефекты расположены
Таким образом, электрические свойства твердых тел определяются теоретически с единой точки зрения - энергия возбуждения носителей заряда или энергия активации электропроводности равна нулю у металлов и непрерывно возрастает в ряду полупроводников, условно переходящих при увеличении этой энергии в ряд диэлектриков.
Следует подчеркнуть, что зонная теория строго применима к твердым телам с ковалентными и металлическими связями.
Разделение твердых тел на полупроводники и диэлектрики носит в значительной мере условный характер.
ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ
Введение
70 лет назад наш соотечественник Г. А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра, - основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий. Развитие электроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев, руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ "Пульсар", предложил первые расчеты параметров и варианты использования приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешно реализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основу технологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядка нанометров (1нанометр=10-9 м). [1]
1. Теория туннельного эффекта
Туннельный эффект —
квантовое явление
D=e(-2a/ ћ)(2m(U0-E))½
где а – ширина барьера, U0 – высота барьера.
Главная особенность (1) заключается в том, что очень малая величина ћ (постоянная Планка) стоит в знаменателе экспоненты, вследствие чего коэффициент туннелирование через барьер классической частицы большой массы очень мал.[4] Чем меньше масса частицы, тем больше и вероятность туннельного эффекта. Так, при высоте барьера в 2 эВ и ширине 10-8 см вероятность прохождения сквозь барьер для электрона с энергией 1 эВ равна 0,78, а для протона с той же энергией лишь 3,6×10-19 . Если же взять макроскопическое тело — шарик массой в 1 г, движущийся по горизонтальной поверхности с очень малой скоростью (кинетическая энергия близка к нулю), то вероятность преодоления им препятствия — лезвия бритвы толщиной 0,1 мм, выступающего над горизонтальной поверхностью на 0,1 мм, равна 10-26.
Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер можно пояснить и с помощью соотношения неопределённостей. Неопределённость импульса D р на отрезке D х, равном ширине барьера а, составляет: Dр > ћ/а. Связанная с этим разбросом в значениях импульса кинетическая энергия (Dр)2/2m0 может оказаться достаточной для того, чтобы полная энергия частицы оказалась больше потенциальной. [2].
3.Туннельный эффект в физике
3.1. Туннелирование электронов в твёрдых телах
В 1922 г. было открыто явление холодной
электронной эмиссии из металлов
.под действием сильного внешнего электрического
поля. Оно сразу поставило физиков в тупик.
График потенциальной энергии электрона
в этом случае изображен на (рис.3.1.1.) Слева,
при отрицательных значениях координаты
х — область металла, в
котором электроны могут двигаться
почти свободно. Здесь потенциальную энергию
можно считать постоянной. На границе
металла возникает Потенциальная стенка,
не позволяющая электрону покинуть металл;
он может это сделать, лишь приобретя добавочную
энергию, равную работе выхода Авых . При низкой
температуре такую энергию может получить
только ничтожная доля электронов.
Если сделать металл
отрицательной пластиной
Сразу после появления квантовой механики Фаулер и Нордгейм объяснили явление холодной эмиссии с помощью туннельного эффекта для электронов. Электроны внутри металла имеют самые разные энергии даже при температуре абсолютного нуля, так как согласно принципу Паули в каждом квантовом состоянии может быть не больше одного электрона (с учетом спина). Поэтому число заполненных состояний равно числу электронов, а энергия самого верхнего заполненного состояния ЕF — энергия Ферми в обычных металлах составляет величину порядка нескольких электронвольт, так же как и работа выхода.
Легче всего будут
туннелировать электроны с
3.2 Квантовые транзисторы
Оптическая аналогия позволяет наглядно представить работу квантового транзистора. На (рис. 3.2.1) изображен оптический двухлучевой интерферометр, а также схема электронного транзистора с квантовым кольцевым контуром. Пропускание интерферометра (оптического или электронного) определяется простой формулой и однозначно зависит от разности набега фаз по двум путям. Транзисторный эффект достигается за счет изменения фазы волны электрона в одном из плеч интерферометра с помощью затворного напряжения, прикладываемого к электроду Э3.Еще более простая схема квантового транзистора получается, если взять за основу идею интерферометра Фабри-Перо (рис. 3.2.2). Здесь оптический резонатор, образованный зеркалами М1 и М2, реализуется в транзисторе с помощью тонкой проводящей нити — квантовой проволоки длиной L, отделенной от электродов Э1 и Э2 полупрозрачными для электронной волны барьерами. Условие максимума пропускания имеет такой же вид, как условие резонанса волны де Бройля в квантовой яме длиной L. Транзисторный эффект достигается путем изменения длины волны электрона с помощью напряжения, приложенного к электроду Э3. Наряду с интерференционными транзисторами разрабатываются квантовые транзисторы других типов — баллистического, с эффектом Джозефсона, с кулоновской блокадой. [29] В транзисторах на квантовых эффектах волновая природа электронов и соответствующие явления становятся основополагающими в их работе. [30]
3.3. Туннельный диод.
Ниже
описаны диоды, работа которых основана
на явлении квантово- механического
туннелирования. Работа, подтверждающая
реальность создания туннельных приборов
была посвящена ТД, называемому
также диодом Есаки, и опубликована Л.Есаки
в 1958 году. Есаки в процессе изучения внутренней
полевой эмиссии в вырожденном германиевом
p-n переходе обнаружил "аномальную"
ВАХ: дифференциальное сопротивление
на одном из участков характеристики было
отрицательным. Этот эффект он объяснил
с помощью концепции квантово-механического
туннелирования. В явлении туннелирования
главную роль играют основные носители.
Время туннелирования носителей через
потенциальный барьер не описывается
на привычном языке времени пролёта (t=W/v,
где W-ширина барьера, v-скорость носителей
); оно определяется с помощью вероятности
квантово-механического перехода в единицу
времени. Эта вероятность пропорциональна
exp[-2k(0)W], где k(0) - среднее значение волнового
вектора в процессе туннелирования, приходящееся
на один носитель с нулевым поперечным
импульсом и энергией, равной энергии
Ферми. Отсюда следует, что время туннелирования
пропорционально exp[2k(0)W]. Оно очень мало,
и поэтому туннельные приборы можно использовать
в диапазоне миллиметровых волн (тбл 3.3.1)
Благодаря высокой надёжности и совершенству
технологии изготовления ТД используются
в специальных СВЧ-приборах с низким уровнем
мощности, таких, как гетеродин и схемы
синхронизации частоты. ТД представляет
собой простой p-n переход обе стороны которого
вырождены (т.е. сильно легированы примесями).
На (рис 3.3.1) приведена энергетическая
диаграмма ТД, находящегося в состоянии
термического равновесия. В результате
сильного легирования уровень Ферми проходит
внутри разрешённых зон. Степени вырождения
Vp и Vn обычно составляют несколько kT/q,
а ширина обеднённого слоя ~100 A и меньше,
т.е. намного меньше, чем в обычном p-n переходе.
На (рис.3.3.2.а) приведена типичная статическая
вольт-амперная характеристика туннельного
диода, из которой видно, что ток в обратном
направлении (потенциал p-области отрицателен
по отношению к потенциалу n-области) монотонно
увеличивается. Полный статический ток
диода представляет собой сумму тока туннелирования
из зоны в зону, избыточного и диффузионного
тока(рис 3.3.2.б). Уровни Ферми проходят
внутри разрешенных зон полупроводника,
и постоянен по всему полупроводнику.
Выше уровня Ферми все состояния по обеим
сторонам перехода оказываются пустыми,
а ниже все разрешенные состояния по обеим
сторонам перехода заполнены электронами.
В отсутствии приложенного напряжения
туннельный ток не протекает. На (рис 3.3.3)
показано, как туннелируют электроны из
валентной зоны в зону проводимости при
обратном напряжении на диоде. Для того
чтобы происходило прямое туннелирование,
положения дна зоны проводимости и потолка
валентной зоны в пространстве импульсов
должны совпадать. Это условие выполняется
в полупрводниках с прямой запрещенной
зоной (в таких , как GaAs и GaSb). Оно может
выполняться также в полупроводниках
с непрямой запрещенной зоной (например,
в Ge) при достаточно больших приложенных
напряжениях, таких, что максимум валентной
зоны находится на одном уровне с непрямым
минимумом зоны проводимости.[31] Исследовали
ВАХ при различных температурах в барьерных
диодах Шоттки из Al
и поли-3-октилтиодина.
Заключение
Заканчивая реферат, остается лишь указать на другие физические явления, в которых реализуется туннельный эффект. Туннельный эффект определяет процесс миграции валентных электронов в кристаллической решетке твердых тел. Туннельный эффект лежит в основе эффекта Джозефсона - протекания сверхпроводящего тока между двумя сверхпроводниками через экстремально тонкую прослойку из диэлектрика. Рассмотрена взаимосвязь межмолекулярных потенциалов и спектров для молекулярных систем. Кратко представлены методы расчета колебательно-вращательных спектров с учетом процессов туннелирования и детально проиллюстрированы на примере комплекса Ar-СН4, димера и тримера Н20. Представлен также обзор последних теоретических и экспериментальных исследований в рамках затронутой проблемы для целого ряда других комплексных систем. [32],[33],[34] Из приведенного материала видно, что туннельный эффект играет существенную роль в самых различных областях физики и техники. В 1986 году советскими учёными К.К. Лихаревым и Д.В. Авериным, изучавшими одноэлектронное туннелирование, был предложен, а позже и опробован одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады. [35]
Однако наиболее широкий интерес к туннельному эффекту обусловлен тем, что это принципиально квантово-механический эффект, не имеющий аналога в классической механике. Своим существованием туннельный эффект подтверждает основополагающее положение квантовой механики - корпускулярно-волновой дуализм свойств элементарных частиц. [36]
Список использованной литературы:
1. Матвеев А.Н. Оптика. М.: Высш. шк., 1985. ¦ 16-18.
2. Блохинцев Д.И. Основы
3. Делоне Н.Б. Возмущение
4. Келдыш Л.В. // ЖЭТФ. 1964. Т. 47. С. 1945.
5. Делоне Н.Б., Крайнов В.П. // Успехи физ. наук. 1998. Т. 168. С. 531.
СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
СТМ - сканирующий туннельный микроскоп
ТД - туннельный диод
АСМ - атомно-силовые микроскопы
ПРИЛОЖЕНИЕ
График потенциальной
энергии электрона под
сильного внешнего электрического поля
Рис. 3.1.1
Квантовые транзисторы
Рис 3.2.1
Квантовые транзисторы

- Электронды есептеу техникасы және бағдарламамен қамсыздандыру
- Электронды кітап
- Электрондық ақша
- Электрондық кесте
- Электрондық кесте MSExcel-де деректер базасы.
- Электрондық қызмет көрсетулер және есеп айырысулар
- Электрондық оқулықты құрастырудың әдістемесі
- Электромобиль
- Электромобиль
- Электромобиль Mitsubishi i MiEV
- Электронагревательное оборудование
- Электронагревательные приборы
- Электронагревательные приборы
- Электроная торговля