Теория туннельного эффекта Содержание

2. Туннелирование электронов в твёрдых телах
В 1922 г. было открыто явление холодной электронной эмиссии из металлов под действием сильного внешнего электрического поля. Оно сразу поставило физиков в тупик. График потенциальной энергии электрона в этом случае изображен на (рис. 1.2.) Слева, при отрицательных значениях координаты х -- область металла, в котором электроны могут двигаться почти свободно. Здесь потенциальную энергию можно считать постоянной. На границе металла возникает Потенциальная стенка, не позволяющая электрону покинуть металл; он может это сделать, лишь приобретя добавочную энергию, равную работе выхода Авых. При низкой температуре такую энергию может получить только ничтожная доля электронов.
Рис. 1.2. График потенциальной энергии электрона под действием сильного внешнего электрического поля
Если сделать металл, отрицательной пластиной конденсатора, приложив к нему достаточно мощное электрическое поле, то потенциальная энергия электрона из-за его отрицательного заряда вне металла начнет уменьшаться. Классическая частица, все равно не проникнет через такой потенциальный барьер, квантовая же вполне может протуннелировать.
Сразу после появления квантовой механики Фаулер и Нордгейм объяснили явление холодной эмиссии с помощью туннельного эффекта для электронов. Электроны внутри металла имеют самые разные энергии даже при температуре абсолютного нуля, так как согласно принципу Паули в каждом квантовом состоянии может быть не больше одного электрона (с учетом спина). Поэтому число заполненных состояний равно числу электронов, а энергия самого верхнего заполненного состояния ЕF -- энергия Ферми в обычных металлах составляет величину порядка нескольких электронвольт, так же как и работа выхода.
Легче всего будут туннелировать электроны с энергией ЕF, с уменьшением энергии вероятность туннелирования резко падает. Все экспериментальные особенности, а также полная величина эффекта прекрасно описывались формулой Фаулера Нордгейма. Холодная электронная эмиссия -- первое явление, успешно объясненное туннелированием частиц.