Туннелирование

Способность квантовых частиц, в том числе и электронов, проникать через энергетическую преграду даже в случаях, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде, называется туннелированием.

Уникальное для электронов явление туннелирования схематически имеет вид в соответствии с рисунком 6.5.

Рисунок 6.5 – Туннелирование электрона с энергией E через потенциальный

барьер высотой U, U > E

Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии U, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако, как волна, он хотя и с потерей энергии, но проходит через эту преграду. Соответствующая волновая функция, а через нее и вероятность туннелирования рассчитываются из уравнения Шредингера.

При этом вероятность туннелирования будет тем больше, чем геометрически тоньше барьер и меньше разница между энергией падающего электрона и высотой барьера.

Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных в одном направлении потенциальных ямах (такие наноструктуры называются сверхрешетками) приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, то есть туннельно просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией. Условная схема такого движения имеет вид в соответствии с рисунком 6.6.

Рисунок 6.6 – Резонасное туннелирование в сверхрешетках

Ширина потенциальных ям в таких системах составляет от единиц до десятков нанометров, что меньше длины свободного пробега электронов, но больше постоянной кристаллической решетки.

Подбором параметров сверхрешетки можно добиться того, что коэффициент прохождения D_П электрона через многобарьерную систему будет больше коэффициента прохождения через любой барьер этой системы. Данный эффект связан с интеренференцией волн де Бройля и так же может служить примером проявления размерных эффектов в наноструктурах.

Другим специфическим проявлением размерного квантования является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады. Это явление будет подробно рассмотрено ниже.