隧道效应的半导体

隧道效应──微观粒子能透入按经典力学规律它不可能进入的势垒区，是反映微观粒子的波动性的一种基本效应。可以把半导体（或绝缘体）中的电子迁移现象理解为在外电场下，束缚在一个原子中的电子，通过隧道穿透势垒，到另一个原子中。不过，通常说的半导体中的隧道效应指的不是这种对原子势场的量子隧道效应。而是指电子对半导体中宏观势垒的穿透，这个宏观势垒是半导体的禁带造成的。C.齐纳在1934年最先提出，在外电场下,价带的电子可以穿过禁带进入导带。在禁带中电子波函数指数衰减（波矢是复数的），就和穿过势垒时相似；齐纳认为这是强场下半导体(或绝缘体)电击穿的一种原因。但实验表明，通常半导体电击穿过程中，这种原因（称齐纳击穿）只起很次要的作用。只有在某些特殊类型的PN结的反向击穿中，才有以齐纳击穿为主的情况。这种类型的PN结称齐纳二极管，或按其用途叫稳压二极管。通常是硅二极管。1957年江崎玲於奈发明了隧道二极管。它是高掺杂半导体形成的窄的PN结；当它加上前向偏压时,N区电子可以通过隧道效应，穿过禁带进入P区中价带的空状态。随所加的偏压增大，开始时隧道电流变大（可以进入的空状态增多）；随后到达极大值然后逐渐下降（可以进入的空状态减少），最后下降到零（可以进入的空状态没有了）。图2[隧道二极管伏安特性曲线]是隧道二极管的伏安特性曲线，以及对应各部分的PN结能带图。隧道二极管正向伏安特性中有一段负阻区，而且它还是一种多数载流子效应,没有渡越时间的限制,所以隧道二极管可用作低噪声的放大器、振荡器或高速开关器件，频率可达毫米波段。它作为器件的缺点是功率容量太小。隧道过程中,常常有电子－声子相互作用或电子-杂质相互作用参加。从隧道二极管的伏安特性上可分析出参与隧道过程的某些声子的频率。在势垒区中的光吸收或发射中,隧道效应也起着作用,这称夫兰克－凯尔德什效应。杂质的束缚电子态和能带中电子态之间的隧道也观察到。

江崎玲於奈的发明开创了研究固体中隧道效应的新阶段。因此，他和发现超导体中隧道现象的I.加埃沃、B.D.约瑟夫森一起获得了1973年诺贝尔物理学奖。金属半导体接触势垒（肖特基势垒）中的隧道现象也很有趣。1932年,A.H.威耳孙、.约飞'class=link>..约飞和..夫伦克耳企图用隧道电流来解释肖特基势垒的整流效应，但发现所预言的整流方向是错误的。不过，却发现有些高掺杂的肖特基势垒在小的前向偏压下，隧道电流是主要的电流机制。金属－绝缘体－半导体系统中隧道效应的研究也是有意义的。

经济学家Shleifer提出的“隧道效应”

Laffont他们研究的同时，Shleifer等从法律经济学的视角出发，提出了公司治理中的“隧道效应”理论。他们的分析认为：隧道效应即控股股东为了自己的利益从公司转移资产和利润的行为，这一理论比较好的解释了控股股东侵害中小股东的利益的现象。1997～1998年的亚洲金融危机提供了控股股东掠夺公司资源、侵害中小股东权益的许多案例。事实上，隧道效应不仅仅发生在新兴市场，有着完善的民法的发达国家同样有掠夺行为，而且这些掠夺行为可能还是合法的行为；而在新兴市场，隧道行为有时采取偷窃和欺诈的方式。这些理论的提出，使得合谋理论从组织间的研究，进一步拓展深入到公司治理领域；而转型经济中的公司治理，为合谋理论的理论和实证研究提供了一片沃土；此后的一系列相关实证研究更是进一步推动和验证了合谋理论。

隧道效应理论主要从控股股东掠夺中小股东权益的发生机制、掠夺的手段以及司法的介入的作用等方面做了理论和案例分析，当然也有许多实证和经验研究。但隧道效应理论在讨论控股股东掠夺的时候，一般比较少涉及到管理层，特别是控股股东和管理层的合谋侵害（掠夺）中小股东权益的情形。本来，现实中，掠夺得以进行，就必然需要管理层的合谋（或者说是协助）。此外，隧道效应理论也比较少的考虑信息的作用和交易成本的影响，而是比较多的考虑了法律的作用，这也是隧道效应理论的局限所在。但是，隧道效应理论对于公司治理、特别是新兴转型国家的公司治理还是很有开创性的理论意义与实际意义的。

隧道效应 概述 在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。使电子从金属中逸出需要逸出功，这说明金属中电子势能比空气或绝缘层中低．于是电子隧道结对电子的作用可用一个势垒来表示，为了简化运算，把势垒简化成一个一维方势垒。 所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为1nm（10-6mm），如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部分微粒子在E<V的条件下，可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。 产生隧道效应的原因是电子的波动性。按照量子力学原理，在低速情况下，具有能量（动能）E的电子的波长 h 隧道效应

λ=----------------- √2mE （其中，h——普朗克常数；m——电子质量；E——电子的动能），在势垒V前：若E>V，它进入势垒V区时，将波长改变为 h λ’=---------------------- √2m（E-V） 若E<V时，虽不能形成有一定波长的波动，但电子仍能进入V区的一定深度。当该势垒区很窄时，即使是动能E小于势垒V，也会有一部分电子穿透V区而自身动能E不变。换言之，在E<V时，电子入射势垒就一定有反射电子波存在，但也有透射波存在。

编辑本段原理

经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于 隧道效应

此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。 量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反d，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应（quantum tunneling）。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。

编辑本段发现者

1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈（Leo Esaki，1940～）在改良高频晶体管2T7的过程中发现，当增加PN结两端的电压时电流反而减少，江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此后，江崎利用这一效应制成了隧道二极管（也称江崎二极管）。 1960年，美裔挪威籍科学 隧道效应

家加埃沃（Ivan Giaever，1929～）通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。在此之前的1956年出现的“库珀对”及BCS理论被公认为是对超导现象的完美解释，单电子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充。 1962年，年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森（Brian David Josephson，1940～）预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS（Superconductor-Insulator- Superconductor）时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。 宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。因此，宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。

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隧道击穿和雪崩击穿是pn结两种不同的击穿机制。pn结在反向高压下会发生击穿。其中雪崩击穿指势垒边缘扩散进势垒区的电子和空穴在高场下加速，获得极大动能。它们与势垒区的晶格原子碰撞，使其价电子电离，获得新的自由电子和空穴，由此1生2,2生4，载流子不断倍增，最终导致pn结击穿。隧道击穿也叫齐纳击穿，可以用量子力学中的隧道效应来解释，随着反向偏压的不断增大，势垒区的价电子势能增大，而势垒区宽度降低，此时pn结穿两端电子与空穴穿过势垒的几率增大，由此大量载流子隧穿而引起反向电流增大，击穿pn结。随着反向电压的不同，隧道击穿与雪崩击穿可单独或同时存在，具体可以参见教科书《半导体物理基础》。

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