单电子隧道效应

1电子隧道效应2单电子隧道效应123超导体单电子隧道效应4目录Contents正常金属隧道效应超导体和正常金属间隧道效应31.1单电子隧道效应4T=0T≠0（a）（b）图1-1正常金属能级图5T=0（a）（b）T≠0图1-2超导体能级图6从量子力学的观点来看，当两块金属背一个薄的绝缘体分开时，在它们之间可能有电流通过，称金属-绝缘体-金属（N-I-N）叠层为隧道结，隧道结内流动的电流为隧道电流。同样，由于超导体是一种宏观量子态物质，它也一定可以构成这样的隧道。因此由结两端物质的不同将其分为正常金属隧道、超导体与正常金属之间的隧道和超导隧道。72.正常金属隧道效应eV（a）热平衡（b）有电位差ViU图2-1正常金属隧道能级图83.超导体和正常金属间隧道效应金属-绝缘体-超导体（N-I-S）结，T=0K时，超导体能量图上出现能隙，并且所有的态都被填满到E=-△，而在能隙以上没有电子占据。热平衡时结两边的金属超导体的费米能必须相等，隧道中没有电流。若在结两边从零开始逐渐加电压V，当V△/e时，左侧金属费米能级的电子与右侧超导体能隙上边缘的无态密度的空穴对齐，开始产生隧道电流，并随V的微弱增加而急剧增大。当V△/e时，电子对应能量右边的态密度减小，因此电流随电压增加反而缓慢地增加。如图3-1所示。92△eV（a）V=0（b）V△/eiV图3-1T=0K时正常金属和超导体隧道能级图及I-V曲线2△△/e10112△（a）热平衡iV图3-2T≠0K时正常金属和超导体隧道能级图及I-V曲线△/e（b）I-V曲线值得指出的是，改变偏执电压的极性，图3-2的I-V曲线保持不变，这是超导体隧道结的普遍性质。尽管这里是半导体，但超导体与半导体p-n结友本质不同，它不会出现半导体p-n结不对称正反向I-V特性。124.超导体单电子隧道效应相同超导体S-I-S结。根据BCS理论，T=0K时，两侧超导体中电子能级都在能隙以下，热平衡时没有电流产生，如图4-1（a）所示。当施加一个V2△/e的电压时，左侧能隙下方电子到右侧没有可占据的空穴，印册还是没有电流产生；当V=2△/e时，左侧能隙下方电子在右侧能隙上方获得可占据的空穴，所以电流突然增大，如图3-1（b）所示。该过程I-V曲线如图3-1（c）所示。13（a）V=0（b）V2△/eiV图4-1超导体单电子隧道能级图及I-V曲线2△△/e2△eV=2△14（b）V2△/eeVi图4-2T=0K时，不同能隙宽度超导体单电子隧道能级图及I-V曲线1516（a）V=0iV图4-3有限温度下，不同能隙宽度超导体单电子隧道能级图及I-V曲线17TheEnd17