Efectul Efectul TTunelunel

Nume: Stoica Madalin-DanielGrupa: 2105B

   Efectul tunelrezulta din capacitatea unui obiect cuantic de a strabate o bariera de potential la scara atomica,fapt care ar fi imposibil dupa legile mecanicii clasice. Acest fenomen poate fi explicat prin faptul ca functia de unda asociata unei particule, nu se anuleaza în zona barierei, ci se atenueaza în cele mai multe situatii de o maniera exponentiala în aceasta zona. Daca functia de unda nu devine matematic nula la iesirea din bariera, exista o probabilitate ca particula in chestiune sa traverseze aceasta bariera de potential. Aceasta probabilitate de traversare depinde de existenta unor stari cuantice accesibile pentru particula respectiva de o parte si de alta a barierei, precum si de întinderea zonei ocupate de bariera.Efectul tunel a fost descoperit de Gamov, Condon si Gurney in anul 1928 si pe baza lui se pot explica emisia la rece a electronilor din metale, dezintegrarea alfa si alte fenomene. Acest efect a fost aplicat mai târziu si în celalte situatii, cum ar fi de emisie la recea electronilor, si probabil cel mai important, la fizica materialelor semiconductoare si supraconductoare. Fenomene, cum ar fi de emisia de câmp a electronilor, sunt explicate prin efectul tunel.O alta aplicatie majora este microscopul de tunel a electronilor, cu care se potvedea obiectele prea mici pentru microscoapele conventionale. Efectul tunel este un mecanism folosit de enzime pentru a îmbunatati ratele de reactie. A fost demonstrat faptul ca enzimele folosesc efectul tunel pentru a transfera atât electroni, cât si nuclee, cum ar fi hidrogenii si deuteriu.

Trecerea particulei printr-o barieră de potențial

Se consideră o particulă care, mișcându-se de la stânga la dreapta, cade pe o barieră de potențial de înălțime U0 și lărgime l.

Din punct de vedere clasic, particula are următoarea comportare. Dacă energia particulei este mai mare decât înălțimea barierei (W>U0), particula trece peste barieră; pe porțiunea 0<x<l se micșorează doar viteza particulei, însă după x>l, din nou viteza devine cea inițială, întocmai cum o particulă de energie cinetică mv2/2 poate trece peste un deal de înălțime h dacă mv2/2>mgh. Dacă W<UO, particula este reflectată de barieră schimbându-și sensul de mișcare; prin barieră, particula nu poate trece.

Din punctul de vedere al mecanicii cuantice, particula se comportă altfel. În primul rând, chiar pentru W>U0 există o probabilitate diferită de zero ca particula să fie reflectată. În al doilea rând, pentru W<U0 există o probabilitate diferită de zero ca particula să treacă prin barieră și să ajungă în domeniul X>l. O astfel de comportare a microparticulelor, imposibil de explicat din punct de vedere clasic, rezultă direct din ecuația lui Schrodinger.

Dioda tunel

Este construita prin doparea masiva a unui material semiconductor degenerat in care nivelul Fermi nu este la mijlocul benzii interzise, ci exact ca in metale se gaseste:- in banda de conductie pentru un semiconductor de tip n;- in banda de valenta pentru un semiconductor de tip p.In fig. 10 aratam diagrama energetica a unei diode tunel instare de echilibru Fenomene de strapungere

La tensiuni inverse mari aplicate unei jonctiuni p-n se constata experimental o cresterebrusca a curentului. O asemenea regiune se numeste tensiune de strapungere iar tensiunea la care apare fenomenul se numeste tensiune de strapungere si se noteazacu Vs. Exista trei mecanisme de baza responsabile pentru strapungere: - instabilitatea termica -efectul tunel (Zener) -multiplicarea prin avalansa

Instabilitatea termicaStrapungerea datorita instabilitatii termice apare insemiconductorii cu banda relativ ingusta, cum ar fi Ge. La tensiuni inverse maritemperatura jonctiunii creste datorita degajarii de caldura de catre curentul invers.Cresterea temperaturii duce la cresterea curentului invers datorita generarii termice apurtatorilor intriseci. La randul sau cresterea curentului duce la cresterea temperaturii,s.a.m.d.  Caracteristica I-V prezinta o rezistenta diferentiala negativa (curba 1). Inacest caz dioda este distrusa daca nu se iau masuri speciale ca de exemplu limitareacurentului prin introducerea unei rezistente de valoare mare in serie cu dioda.Instabilitatea termica prezinta importanta la temperatura camerei in jonctiunile cu curentimari de saturatie (de exemplu cele din Ge) si devine nesemnificativa in raport cucelelalte mecanisme la temperaturi foarte joase. Datorita regiunii de rezistenta negativainstabilitatea termica nu este de dorit in stabilizatoarele de tensiune si ea trebuie evitata.

Efectul tunel (Zener). La tensiuni inverse mari, cand campul in stratul de baraj atinge valoareade ~10 la puterea 6V/cm in jonctiunile din Ge si Si apare o crestere brusca a curentului datorita procesuluide tunelare banda-banda (vezi lucrarea Dioda tunel). Acest efect se numeste efect Zener (dupanumele celui care l-a descoperit) si diodele care lucreaza in regim de strapunge se numescdiode Zener desi un rol important il joaca in asemenea diode si efectul multiplicarii prin avalansa(explicatia initiala a formei caracteristicii I-V in regim de strapungere a fost data pe bazaefectului Zener). In scopul de a obtine un camp puternic in stratul de baraj regiunile p si ntrebuie sa fie relativ puternic impurificate. Tensiunea de strapungere prin efect tunel descrestecu cresterea temperaturii. Aceasta se intampla deoaece curentul tunel atinge valoarea destrapungere la o tensiune mai mica datorita scaderii largimii benzii interzise cu cresterea temperaturii (Curentul tunel creste cu scaderea ΔE si scade cu scaderea tensiunii inverse aplicate).

Multiplicarea prin avalansaCand purtatorii de sarcina accelerati de campul electricdin stratul de baraj capata o energie suficient de mare pentru a rupe electonii din bandade valenta (prin ciocnire) apare procesul de multiplicare in avalansa si cresterea bruscaa cuentului electric. Energia pe care o capata electronul in campul electric E in stratulde baraj de largime l este ~ E·l de unde rezulta ca efectul de ionizare prin ciocnire aparein jonctiunea p-n cu regiunile p si relativ slab dopate si al tensiuni inverse mai mari incomparatie cu efectul tunel. Energia necesara pentru purtatori ca sa initieze ionizareaeste egala sau mai mare decat largimea benzii interzise. Marimea exacta a pragului deenergie depinde de functia de distributie dupa viteze a purtatorilor de sarcina si destructura de benzi a semiconductorilor.Efectul Tunel explica urmatoarele fenomene reale ca: •Dezintegrarea nucleelor cu emisia particulelor(Gamov) •Dioda tunel(Teoria cuantica a solidului)(Gamov)-este folosita in montajele electronice de oscilatoar e care produc unde energetice •Emisia la rece a electronilor din metale