Vikipeedia

Tunneliefekt: erinevus redaktsioonide vahel

Sirvi ajalugu interaktiivselt
← Vanem muudatusUuem muudatus →
Eemaldatud sisu Lisatud sisu
VisuaalneVikitekst
Boehm (arutelu | kaastöö)
23 muudatust
P math fix
Resümee puudub
1. rida:
[[Kvantmehaanika]]s nimetatakse '''tunneliefektiksTunneliefektiks''' ehk '''tunneleerumiseks''' nimetatakse [[mikroosake]]se läbiminekut [[potentsiaalibarjäär]]ist. Tegemist on [[kvantnähtuskvantmehaanika]]ega nähtusega, kus nt [[elektron]]id on suutelised läbima lõpliku paksuse ja kõrgusega potentsiaalibarjääri[[potentsiaalibarjäär]]i ehk [[potentsiaalsepotentsiaalne energia barjäär|potentsiaalse energia]]i barjääri, kunasest omavad [[laineomadused|laineomadusi]]. Osakesed kas peegelduvad tagasi (tungides osaliselt barjääri sisse) või läbivad selle. [[Klassikaline mehaanika|Klassikalise teooria]] kohaselt on osakeste poolt barjääri läbimine võimatu. Mikroosakeste korral on see aga võimalik, olgugi et barjääri läbimise [[tõenäosus]] on üldiselt väike.<ref name=":0" /><ref name=":2" />
 
Kui vaadelda elektroni, mis on [[ainelaine]], siis on sel lõplik tõenäosus lekkida või imbuda (öeldakse ka: tunneleeruda) läbi barjääri ja ilmuda välja selle vastasküljel. Tunneleerumine toimub olukorras, kus elektroni [[mehaanilinepotentsiaalne energia]] ''E'' on barjäärile lähenedes suurem kui barjääri enda kõrgus ehk barjääri [[potentsiaalne energia]] ''U''<sub>b,0 </sub> (joonisel V<sub>0 </sub>), st kui ''E > U''<sub>b,0 </sub>, siis suudab elektron selle barjääri ületada.<ref name=":0" /><ref name=":2" /><ref name=":1" />
[[Pilt:Potencialova bariera.svg|pisi|216x216px|Joonis 1. Potentsiaalibarjäär]]
 
Võime vaadelda lõpliku laiusega potentsiaalibarjääri <math>U=\begin{Bmatrix} U_0, 0\leqslant x \leqslant a,\\ 0, x<0, x>a. \end{Bmatrix}</math>, mida kirjeldab samanimeline [[energiadiagramm]] (vt Joonis 1). DiagrammilSiin kujutatud '''V<submath>0a</submath>''' on potentsiaalibarjääri kõrguspaksus. jaPiirkonnas '''a'x'' on< potentsiaalibarjääri paksus, '''E''' aga elektroni elektriline potentsiaalne energia. Piirkonnas x<0 on barjäärile langevate ja sellelt peegeldunud osakeste voog, piirkonnas ''x > a'' saab olla vaid barjääri läbinud osakeste voog. Barjääri seest, piirkonnast 0 < ''x'' < ''a'', on osakeste leidmise tõenäosus nullist erinev.
 
Tõenäosust iseloomustab [[tõenäosustihedus]], mis leitakse [[Schrödingeri võrrand]]ist arvutatud [[lainefunktsioon]]i abil; seega kasutatakse tunneliefekti olemasolu tõestamiseks Schrödingeri võrrandit.<ref name=":2" />
 
Osakeste läbiminekut potentsiaalibarjäärist iseloomustab barjääri [[läbilaskvuskoefitsient]], mis üldiselt sõltub nii barjääri kõrgusest kui ka barjääri laiusest. [[Potentsiaalibarjäär]][[potentsiaalibarjäär|ile]]Potentsiaalibarjäärile võib omistada ka ainelaine [[läbitavustegur]]i '''T''', mis iseloomustab tunneleerumise tõenäosust.<ref name="Q7s33" />
 
== Rakendused ==
Tunneliefekti tõttu esineb hulk nähtusi, mis klassikalise teooria järgi oleks võimatud. Tänu nendele nähtustele on tunneliefektil mitmeid olulisi tehnilisi rakendusi:
[[Pilt:GE 1N3716 tunnel diode.jpg|pisi|165x165px|Näide tunneldioodistTunneldiood (vasakul)]]
* Tunneliefektil on palju rakendusi tehnikas, näiteks [[tunneldiood]]is, mida elektronid läbivad tunneleerumise teel, mistõttu elektronide voogu saab kärmelt muuta potentsiaalibarjääri kõrguse muutmise kaudu. Seade on sobiv erilist kiiretoimelisust nõudvais rakendustes.<ref name=":0" /><ref name="PvVP8" />
* Üheks oluliseks nähtuseks loetakse [[elektronide külmemissioon]]i, kus elektronid saavad metallist väljuda ainult tunneliefekti tõttu, kui metall on asetatud välisesse elektrivälja. See nähtus vastandub [[termoemissioon]]ile, kus metalli kuumutamisel saadud soojusliikumise energia ületab [[väljumistöö]].<ref name=":2" /> Elektronide külmemissioon on oluline nähtus [[pooljuht]]- ja [[ülijuht]]materjalides, mis tänapäeval on tähtsal kohal [[välkmälu]]de ja ka mõnede [[elektronmikroskoop]]ide valmistamisel.<ref name="z9Tic" />
* Tunneliefekt aitab kaasa ka [[tuumareaktsioon]]ides, nt tuumade [[Radioaktiivne lagunemine|radioaktiivsel lagunemisel]] [[alfaosake]]ste tekkega (tuumade [[alfalagunemine]]) ja tuumade ühinemisel Päikese sisemuses ja [[vesinikupomm]]is.<ref name=":2" />[[Pilt:Quantum tunnel effect and its application to the scanning tunneling microscope.ogv|pisi|267x267px|Animatsioon tunneliefektist ja [[skaneeriv tunnelmikroskoop|skaneeriva tunnelmikroskoobi]] (STM) tööpõhimõttest]]
* Tunneliefektil rajaneb ka [[skaneeriv tunnelmikroskoop]] ([[skaneeriv tunnelmikroskoop|STM]]) (vt tööpõhimõtte animatsiooni paremal), kus kasutatakse elektronide ainelaineid. Need palju lühemad lained ei haju pinnalt nii nagu valguslained optilises mikroskoobis, mistõttu on võimalik vaadelda palju väiksemaid detaile. Kujutis tekitatakse elektronidega, mis tunneleeruvad läbi potentsiaalibarjääride STM teravikul. Teraviku ja uuritava objekti pinna vahele on rakendatud nõrk [[elektripinge]] ( u 10 mV). Kui viia teravik küllalt lähedale, siis saavad elektronid uuritavast näidisest läbi selle vahemiku (barjääri) tunneleeruda ning [[tunnelvool]]u tekitada. Vool muutub tugevamaks, kui vahemaa pinna ja mikroskoobi otsa vahel väheneb. Kui mõõta tunnelvoolu suurust teraviku skaneerimisel objekti pinna kohal, on võimalik saada infot pinnaaatomite kohta. Vool muundatakse kõrguse arvutamise teel ning see annab materjali pinna nanomeetrilise [[tüpograafia]] – saadud videokujutise abil on näha uuritava proovi [[pinnareljeef]]i. Tunnelmikroskoobiga on võimalik ka aatomeid ja molekule mööda pinda nihutada.Tänapäeval toodetakse tunnelmikroskoope tööstuslikult ja neid kasutatakse paljudes laborites üle kogu maailma.<ref name=":0" /><ref name=":2" />
==Tunneliefekti alaliigid==
==Tunnelefekti alamliigid==
Tunneliefekti saab jaotada Schottky efektiks ja Fowler-Nordheimi efektiks. Fowler-Nordheimi tunneleerumine on kvantmehaanilise tunnelefektitunneliefekti nähtus, kus [[elektrostaatiline väli]] indutseerib metallist elektronide emissiooni teistesse kristallilistesse tahkistesse. Fowler-Nordheimi tunneliefektis vähendatakse elektriväljaga isoleeriva dielektrikkihidielektrikukihi potentsiaalibarjääri laiust.
 
Ralph H. Fowler ja Lothar Wolfgang Nordheim olid esimesed, kes tulid välja ideega, et elektrostaatiline väli võib põhjustada sellist emissiooni ja kirjeldasid selle Schrödingeri võrrandist tuletatud valemitega. Nad lahendasid Schrödingeri valemi teravate või ümardatud nurkadega kolmnurkse potentsiaalibarjääri kohta. Saadud Fowler-Nordheimi valemeid kasutatakse ka kirjeldamaks väljaemissioone teistest materjalidest, kuid kõige täpsemini kirjeldavad need valemid siiski emissioone metallidest kristallidesse. Fowler-Nordheimi valemid on kõigest reaalse füüsilise efekti lähendused, kuna kui sisestada Schrödingeri valemisse realistlikumad potentsiaalibarjääri kujud, siis on saadud diferentsiaalvõrrandid analüütiliselt lahendamatud.
25. rida ⟶ 26. rida:
Schottky efekt aga kasutab elektrivälja, et potentsiaalibarjääri madaldada. Madalama potentsiaalibarjääri puhul suureneb tunneliefekti tõttu materjalide vaheliste elektronide voog.
== Puudused ==
Moodsas tehnoloogias kasutatavate [[väljatransistor]]iteide puhul on oluliseks nende mõõtmete (ja ka nende komponentide mõõtmete) vähendamine. Et väljatransistor töötaks, peab [[elektrimahtuvus]] tema voolu juhtiva kanali ja voolu tüüriva [[elektrood]]i ehk paisu vahel olema piisavalt suur. Imelühikese kanalipikkuse juures peab kanalit ja paisu eraldav [[dielektrik]] olema väga õhuke, tagamaks vajalikku mahtuvust. Üliõhuke [[Oksiidid|oksiidkiht]] metalloksiid-pooljuht-[[väljatransistor]]i ([[MOSFET]]) (vt samanimelist joonist) komponendina vähendab transistoris lätet ja kanalit eraldava potentsiaalibarjääri laiust, mistõttu elektronidel on kergem tunneleeruda läbi [[isolaator]]kihi. Traditsiooniliste väikese dielektrilise läbitavusega materjalide (nt [[ränidioksiid]]i, [[räninitriid]]) kasutamisel on nõutava kihi paksus (1–2 [[Nanomeeter|nm]]) liiga väike naaberaatomite vahelise kauguse (0,2–0,3&nbsp;nm) tõttu. Nii õhukestes dielektrikutes hakkab mõjuma tunneliefekt, mis viib [[dielektrilised omadused|dielektrilisteisoleerivate omaduste]] halvenemiseni tunnelvoolu tõttu. Selline tunnelvool võib olla ka seadme peamiseks lekkeallikaks – tekib [[lekkevool]], mis põhjustab vigase [[vooluring]]i ja suurendab MOSFETi [[Võimsus|reservvõimsust]].<ref name="2Pv8n" /><ref name="eLFsg" />
[[Pilt:MOSFET Structure.png|pisi|226x226px|[[MOSFET]]<nowiki/>i lihtsustatud ehitust kujutav skeem: läte (S), pais (G), neel (D) ja substraat (B)]]
== Ajalugu ==
Pärit leheküljelt "https://et.wikipedia.org/wiki/Tunneliefekt"