HAL Id: jpa-00207094
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Effet tunnel assisté par des niveaux liés
J.P. Hurault
To cite this version:
J.P. Hurault. Effet tunnel assisté par des niveaux liés. Journal de Physique, 1971, 32 (5-6), pp.421-426.
�10.1051/jphys:01971003205-6042100�. �jpa-00207094�
EFFET TUNNEL ASSISTÉ PAR DES NIVEAUX LIÉS
J. P. HURAULT
Laboratoire
d’Electronique
et dePhysique Appliquée, 3,
avenueDescartes, 94,
Limeil-Brévannes(Reçu
le 10 octobre1970,
révisé le 4janvier 1971)
Résumé. 2014 Nous étudions l’effet, sur le coefficient de transmission, de la présence d’un niveau lié virtuel à l’intérieur d’une barrière tunnel : l’augmentation du coefficient de transmission a une
variation lorentzienne en fonction de l’énergie, la largeur de cette lorentzienne étant égale à la largeur du niveau lié virtuel. La présence de plusieurs niveaux liés à l’intérieur de la barrière pourra introduire des structures de divers types dans la caractéristique courant-tension de la jonction.
Ces structures dépendent essentiellement des distributions spatiales et énergétiques des niveaux liés. Nous soulignons certaines différences entre notre traitement et d’autres théories récentes.
Si nous pouvons comparer avec succès notre approche aux expériences de Parker et Mead, une comparaison plus détaillée avec l’expérience nécessite une description expérimentale précise de la
structure de la barrière.
Abstract. 2014 We present a three dimensional treatment of the effect, on the transmission coeffi-
cient, of the présence of a virtual bound state inside a tunneling barrier. We find that the présence of this bound state assists the tunneling process. The increment of the transmission coefficient varies as a lorentzian as a function of energy and the width of this lorentzian is equal to the width
of the virtual bound state. The présence of several bound states may result in the observation of various structures in the current voltage characteristic of the junction. These structures depend mostly on the spatial and energetic distribution of the bound states. We outline some différences between our treatment and other recent theories and we compare successfully our approach to the experiments by Parker and Mead. However, a more detailed comparison with experiment could
be possible if microscopic experimental descriptions of the structure of the tunneling barriers
were available.
Classification
Physics Abstracts 17.10, 17.28
Introduction. - Il a été souvent
souligné
dans lalittérature que la
présence
d’états liés à l’intérieur d’une barrièrepouvait
favoriser considérablement le processus d’effet tunnel.Ainsi,
l’effet tunnel résonnanta été
invoqué
pourexpliquer
certaines structures dans l’émission dechamp
à travers les atomes adsorbés[1], [2], [3], [4]
ou dans descaractéristiques
d’effettunnel
[5], [6], [7], [8].
Cependant,
les traitementsthéoriques
de ceproblème
ont été souvent soit des traitements unidimension- nels
[1], [2],
soit des traitementsphénoménologi-
ques
[4], [6], [8].
Or ceproblème
est unproblème
tridimensionnel
puisque
l’on doit considérer un niveau lié localisé situé dans la barrière. La difficulté vient alors de l’existence de ce centre diffuseurqui
brise lasymétrie
par translation dans les directionsparallèles
à la barrière.
Le but de cet article est de
présenter
un traitementmicroscopique
tridimensionnel de l’effet tunnel réson- nant à travers une barrièreplane
idéale contenant unniveau lié localisé.
Nous exposons le
principe
de notre calcul dans lapartie
1. Dans lapartie
2, nous dérivons nos résultatspour un
potentiel d’impureté
depuits
carré. Lecoefficient de transmission est calculé dans la
partie
3et les
conséquences
de notre calcul sontanalysées
dans la
partie
4.I.
Exposé
de la méthode. - Nous considérons unebarrière idéale de
potentiel, d’épaisseur
L et dehauteur
Uo (Fig. 1).
Si Oz est l’axeperpendiculaire
au
plan
de labarrière,
nous cherchons la fonction d’ondeélectronique P(r)
solution del’équation.
Dans
l’équation (1), Uo(z)
=Uo
pour 0 zL, Uo
étant nulailleurs, V(r)
est lepotentiel
del’impureté
centrée en z = 1
(0
1L)
et E estl’énergie
del’électron.
L’équation (1)
peut êtreégalement
écrite sous saforme
intégrale :
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01971003205-6042100
422
où, dans
(2),
G est solution de :et
tp 0
est la fonction d’onde en l’absenced’impuretés.
FIG. 1. - Représentation en coupe de la forme du potentiel
pour une barrière contenant une impureté attractive. Le plan
de section est perpendiculaire à la barrière et passe par le centre de l’impureté. Le potentiel représenté est ici un potentiel sphé- rique de puits carré. Cette figure illustre les notations utilisées
dans le texte.
Si nous supposons maintenant le
potentiel V(r) localisé,
il est suffisant de connaîtreP(r)
sur le sitede
l’impureté, d’après (2)
pour connaîtreY’(r)
partout.Lorsque l’impureté
neproduit qu’une
faible modifi-cation du
potentiel
debarrière,
une méthode deperturbation
estsuffisante,
et, sur le site del’impureté,
on peut supposer :
Par contre,
lorsque l’énergie
E estproche
del’énergie
d’un état lié de
l’impureté,
la fonction d’onde sur le site del’impureté
ne doit pas être très différente de la fonction d’onde du niveau liécorrespondant, q>(r).
Nous supposerons donc que, sur le site de
l’impureté :
et nous écrivons donc
l’équation (2)
sous la formeLa détermination du coefhcient a se fait à l’aide de la méthode variationnelle
classique. Ainsi,
on trouveaisément :
Les
intégrales figurant
dans(8)
sont limitées à larégion
dupotentiel d’impureté.
Afin depouvoir
calculer a, il faut donc déterminer la forme de
G(r, r’)
quand
lespoints
r et r’ sont voisins et situés tousdeux à l’intérieur de la barrière. La détermination de G peut alors être effectuée selon la méthode
indiquée
dans
[9].
Nous ne détaillerons pas ici les calculs etnous donnerons
simplement
le résultat.Si p
désigne
le vecteur[(x - x’), (y - y’), 0]
et siZ
désigne
lemodule z - z’ ]
nous pouvons écrire Gsous deux
formes,
selon que 0 zz’,
ou queDans
(9)
et(10),
qo,Ko
etGo
sont tels queNotons que, à l’ordre
zéro,
G est donné par lepremier
terme du membre de droite des relations(9)
et
(10),
c’est-à-direl’expression (13).
Les termessuivants ne
représentent
que des corrections d’autantplus petites
que z’ est situéprès
du milieu de la bar- rière. Nous avions donné la forme(13)
pour G dans[9]
car nous n’avions pas besoin d’une détermination
plus précise
pour G.Par contre, nous en avons besoin dans le cas
présent.
En
effet, d’après (9)
et(10),
G peut être mis sous la forme :où,
en ordre degrandeur :
avec
Maintenant,
nous nous reportons à la formule(8)
et nous remarquons
qu’au voisinage
de la résonance,le
ket 1 Go * Vep
> est peu différent duket 1 ep
>. En utilisant la relation(14),
il vient alors pour aPour illustrer la formule
(17),
nous allons calculer adans le cas d’un
puits carré, lorsque
l’état résonnant est un état s.II. Calcul de a dans le cas d’un
puits
carré. - Noussupposons donc que le
potentiel V
est unpotentiel sphérique
centre en 1(0, 0,
z= 1)
et tel queNous supposons de
plus
ici que l’état lié résonnant est ici un état s. C’est-à-dire que lafonction q
a laforme :
où
En supposant que la barrière s’étend
indéfiniment,
la fonction cp décrit l’état lié
d’énergie Eo.
AvecE -
Eo,
nous calculons maintenant a en utilisant les formules(9), (10)
et(17).
Nous trouvons ainsi pourlal2
Dans
(22), 00 désigne l’angle
d’incidence de l’électronsur la barrière et AE = E -
El, Eô
étantl’énergie
renormalisée de l’état lié. Il ne nous semble pas nécessaire de donner une forme
analytique
détailléepour la constante C
figurant
dans(22). Signalons simplement
que, dans le casprésent
Comme nous l’avons
indiqué,
la formule(22)
estobtenue en
supposant
1L/2.
Plusgénéralement, d’après (15)
et(16)
nous auronspour 1 a12 :
Nous pouvons faire les commentaires suivants sur
cette dernière formule.
- La formule
(23)
est très semblable au résultatobtenu par Fano
[10],
ainsiqu’aux
formules usuellesrelatives aux états liés virtuels dans les solides
[11], [5].
Au
voisinage
de larésonance, 1 a l’
se comportecomme une lorentzienne en fonction de
l’énergie.
Lalargeur
de l’état lié virtuel dans le casprésent
estégale
à 2AE1
tel queCette
largeur
est d’autantplus
faible quel’impureté
est
plus éloignée
des électrodes et atteint son minimumlorsque l’impureté
se situe au milieu de la barrière.- Comme pour toute méthode
variationnelle,
il estdifficile de déterminer la limite de la validité de notre méthode.
Cependant,
notreapproche
semble d’autantplus valable,
quel’impureté
est situéeplus
loin desbords de la
barrière,
c’est-à-dire au milieu de la bar- rière et que la barrière estépaisse.
A cet
égard,
on peut s’attendre à unedescription théorique plus
satisfaisante des effets de résonance dans une barrière tunnel pour desimpuretés
sufbsam-ment
éloignées
desélectrodes,
que dans le cas de l’effet dechamp
oùl’élargissement
des niveaux élec-troniques
peut êtreimportant [4].
- La formule
(22)
a été obtenue dans le cas d’unpuits
carré et d’un état résonnant s, parce que le calculalgébrique
peut être menéjusqu’au
bout assez facile-ment. Bien
entendu,
une telle formepour 1 a l2
resteraqualitativement
valable pour d’autres formes de poten- tiel et pour d’autres types d’étatsliés,
comme on peut s’en convaincre par la considération de la formule(8) (*).
Très
généralement
nous pourrons écrirepour 1 a 12
au
voisinage
de la résonance :où les constantes
Cl
etC2 dépendent
de la forme dupotentiel
et de la fonction d’onde de l’état lié considéré.Nous avons
également supposé
une barrière carrée idéale. Dans le cas d’une barrière deSchottky
parexemple,
il semble raisonnable deremplacer
lesexponentielles figurant
dans(25)
par desexpressions équivalentes
déduites de la théorie W. K. B. J.Après
avoir déterminé la fonctiond’onde,
nouspassons maintenant au calcul du coefficient de trans- mission d’une barrière contenant une
impureté
réson-nante.
(*) Nous avons supposé en particulier que l’impureté avait
un potentiel d’extension finie. Cela n’est pas nécessaire ; il
suffit que la fonction d’onde ait une extension spatiale définie
ce qui est toujours réalisé pour un état lié.
424
III. Calcul du coefficient de transmission T. - Pour calculer le coefficient de
transmission,
nous avonsbesoin d’évaluer les flux
03A6f
etOb
diffusés parl’impu-
reté
respectivement
vers l’avant(forward)
et versl’arrière
(backward).
Ces deux flux peuvent être évalués en utilisant la formeasymptotique
de lafonction de Green dérivée dans
[9].
Ces calculs neprésentent
pas de difficultés.Cependant,
avant deprésenter
les résultats pour T dans le casprésent,
nous voulons revenir au
problème général
de l’in-fluence d’une
impureté
située dans la barrière sur T.a)
CALCUL DE T DANS LE CAS GÉNÉRAL. - Il a étésouvent admis que la
présence
d’uneimpureté
dansla barrière allait favoriser la transmission. De nom-
breux auteurs ont notamment
supposé
quel’impureté
ouvrait un nouveau canal à travers la barrière
[12].
De telles
hypothèses
semblaient d’ailleurs êtrejustifiées
à
posteriori
parl’expérience.
Par contre, il a étésoutenu dans
[9]
que laprésence
d’uneimpureté
allait diminuer le coefficient de
transmission,
cequi s’opposait
à la notion de nouveau canal. Nous reconsidérerons ici le raisonnementprésenté
dans[9]
et montrerons que c’est le concept de nouveau canal
qui
est en fait exact.En
effet,
soit03A6i
le flux incident sur une barrière de surface unité. Nous définissons2f
et03A3b
tels que :27f, 03A3b
et Zreprésentent respectivement
les sectionsefficaces vers
l’avant,
vers l’arrière et totale.En
présence
del’impureté,
le flux transmisprovient
de deux sources : le flux diffusé et le flux non diffusé.
Si
To
est le coefficient de transmission de la barrièreidéale,
le flux totalet
devient :ou, en divisant les deux membres
par ei :
D’après (28)
et commeTo
est unequantité
trèspetite,
Si
l’impureté
est située à l’intérieur de labarrière,
on peut se
persuader
aisémentque 03A3f
esttoujours supérieur
àTo 03A3b’
Enparticulier,
si onéloigne l’impu-
reté des bords de la
barrière, To lb
devient très vitenégligeable
par rapport à03A3f
et on a :Donc, nous augmentons le coefficient de transmission si nous
plaçons
uneimpureté
à l’intérieur de la barrière.Notons que cela n’est
plus
vrai sil’impureté
estsituée à l’extérieur de la barrière.
Enfin,
le coefficient de transmission estpratiquement inchangé lorsque l’impureté
est située sur l’un des bords de la barrière.Un tel résultat
s’oppose
au résultatprésenté
dans[9].
Dans la référence
9,
les sections efficaces étaient définies par rapport au flux transmis en l’absenced’impuretés,
cequi
conduisait à la conclusionopposée.
On peut
cependant
constater que la loi de la conser-vation du flux est vérifiée dans le cas
présent,
alorsqu’elle
ne l’est pas dans[9].
Donc certaines des conclusions tirées dans[9]
doivent êtreannulées,
notamment les conclusions relatives à
l’asymétrie
dela conductance de la
jonction,
en fonction de lapolarité
de latension,
pour des barrières dans les-quelles
lesimpuretés
sont concentrées parexemple
surun seul côté de la barrière.
Nous passons maintenant à l’évaluation du coeffi- cient de transmission dans le cas
présent.
b)
EVALUATION DE T DANS LE CAS PRÉSENT. - En nous reportant à la définition(26)
ainsiqu’au
calcul de la forme
asymptotique
de G effectué dans[9],
nous trouvons pour
27f
dans le cas dupuits
carré :Lorsque
laparticule
a une incidence normale(on
suppose
toujours
que laparticule
vient de lagauche
de la
barrière)
Plus
généralement
nous aurons pourIf, d’après (25)
Finalement nous constatons que
l’augmentation
ducoefficient de transmission due à la
présence
d’uneimpureté
résonnante à l’intérieur de la barrière estproportionnelle (dans
le cas de l’incidencenormale) :
- A la section efficace de
sphère
dure rcb2 del’impureté (b
étant soit laportée
dupotentiel,
si cedernier est
localisé,
soit laportée
de la fonction d’onde pour unpotentiel
deportée infinie).
- Au coefficient de transmission habituel.
- A un facteur
d’augmentation
de forme lorent- zienne dont lalargeur
enénergie
estégale
à lalargeur
de l’état lié virtuel.
Nous allons maintenant tirer les
conséquences
denotre
analyse.
IV.
Conséquences.
- Nous avonsjusqu’à présent
étudié le coefficient de transmission pour uneparticule.
Si nous nous intéressons maintenant aux situations
expérimentales auxquelles
notre traitement peut être relié(effet tunnel,
émission dechamp, impuretés
adsorbées en surface ou situées au
voisinage
d’inter-faces
métal-isolant)
leproblème
devient alors unproblème
à N corps. Notre traitement peut alors être valable si de tels effets peuvent être traités dansl’approximation
dupotentiel
self-consistentqui néglige
les effets de
corrélation,
notamment sur le sited’impu-
reté
[5].
Dans ce cas nous pouvons
affirmer, d’après
leschapitres précédents,
que laprésence
d’états liés dansla barrière pourra induire des structures de diverses
natures dans les
caractéristiques j(V)
des fonctions.De telles structures
dépendront
surtout de laposition
et de la densité de tels niveaux liés par rapport au niveau de Fermi des électrodes à tension nulle.
Supposons
parexemple
que la barrière ne contiennequ’une
seuleimpureté
située en son milieu et que lajonction
considérée soit unejonction métal-oxyde-
métal à
température
nulle(nous négligeons
les effetssupraconducteurs).
Si le niveaud’impureté
est situéen
énergie
à uneposition
W par rapport au niveau de Fermi des deux électrodes àl’équilibre (Fig. 2a),
on devrait observer une
augmentation
du courant(«
step » decourant)
pour unetension vo
= 2 W(Fig. 2b).
Eneffet,
pour v vo, aucun courant nepasse par le niveau lié
virtuel,
alorsqu’un
courantfini passe par le niveau lié virtuel pour v > vo. Cette
augmentation
devrait être associée à unpic
dans lacourbe
dj/dv, pic
centré autour de la tension 2 vo et delargeur égale
à lalargeur
de l’état lié virtuel corres-pondant (Fig. 2c).
Dans la référence
[7], Esaki,
Stiles etChang
aflîr-ment avoir ainsi observé de tels
pics
dans unejonction métal-oxyde-semiconducteur
et identifient cespics
àun effet tunnel résonnant à travers la série des niveaux liés
d’impuretés
situées dans la barrière. Pourqu’il
ensoit
ainsi,
il est nécessaire que tous les niveaux d’im-pureté
soientalignés
à toutetension,
cequi
nécessitenotamment que les
impuretés
aient les mêmespositions
par
rapport
aux bords de la barrière. Nous ne discu- terons pas ici les détails depréparation
desjonctions,
mais
signalerons simplement qu’une
telle condition nesemble pas facile à
remplir.
Nous pouvons
également
corréler les résultatspré-
cédents à
l’expérience
de Parker et Mead[6].
Danscette
expérience,
on observe deuxrégimes,
l’un àhaute tension où le coefficient de transmission est
normal,
l’autre à basse tension où le coefficient de transmission estbeaucoup plus
élevé.Dans ce dernier
régime,
tout se passe comme si lalongueur
effective de la barrière était réduite de moitié. Parker et Mead attribuent l’existence de ceFIG. 2a. - Représentation schématique d’une fonction métal-
oxyde-métal à l’équilibre. La barrière de la jonction contient
un niveau lié situé en son milieu. La distance en énergie du
niveau lié par rapport au niveau de Fermi est égale à W.
FIG. 2b. - Représentation qualitative de la caractéristique j(v)
pour la jonction de la figure 2a.
FIG. 2c. - Représentation qualitative de la caractéristique dj/dv
en fonction de J pour la jonction de la figure 2a. l’ dénote la largeur du niveau lié.
426
second
régime
à basse tension à l’effet tunnel assisté par niveauxliés,
dansl’hypothèse
où lesimpuretés
sont situées au milieu « effectif » de la barrière. Nous pouvons
également
retrouver ce résultat enappliquant
la formule
(35).
En
effet,
supposons que lesimpuretés
soient situéesau milieu de la barrière et soient distribuées de
façon
continue enénergie,
leur densité enénergie
étantsupposée
constante. Le coefficients de transmission dû à l’effet tunnel assisté par cesimpuretés
sera propor- tionnel àTa,
tel queOn reconnaîtra dans
l’intégrale (36)
la contribution des niveaux liés considérés au coefficient de trans- mission assisté. Nous retrouvons donc bien que le coefficient de transmission assisté est celui que l’on obtiendrait en réduisant lalongueur
de la barrièrepar un facteur 2. Nous
soulignons
que ce résultat est dû au fait que les niveauxd’impureté
sont distribuésde
façon continue,
une tellehypothèse
n’étant pasindiquée
dans la dérivationphénoménologique
de[6].
Finalement de nombreux types de structures pour- ront être
observés, qui dépendront
de la nature de labarrière,
desélectrodes,
mais surtout de laposition spatiale
desimpuretés,
ainsi que de laposition
enénergie
des niveaux liés. Ces effetsdépendront égale-
ment de la
température
et deviendront moinsabrupts
si on augmente la
température.
Une
comparaison critique
de notreapproche
avecl’expérience
ne pourra vraiment être réalisée que si les conditionsexpérimentales
permettent depréciser
lesparamètres
ci-dessus mentionnés. Ceci sembleparticu-
lièrement difficile dans le cas des
jonctions
tunnel. Acet
égard,
la situation rencontrée dans l’effet dechamp
semble êtreplus
favorable.Conclusions. - Nous avons
présenté
une théoriemicroscopique
tridimensionnelle de l’effet tunnel réson- nant par l’intermédiaire d’un niveau lié virtuel d’uneimpureté
située à l’intérieur de la barrière et nous avons faitapparaître
certaines différences entre notre théorie et des théories récentes[4], [8].
Comme
résultat,
nous trouvons que laprésence
d’un tel niveau lié augmente le coefficient de transmission.Cette
augmentation
a la forme d’une lorentzienne enfonction de
l’énergie
de laparticule
incidente. Cette lorentzienne est centrée àl’énergie
du niveau lié virtuel et salargeur
estégale
à lalargeur
de l’état lié virtuel.La
largeur
de cet état décroîtexponentiellement lorsque l’impureté s’éloigne
des bords de la barrière et est minimalelorsque l’impureté
est située au milieude la barrière. De même
l’augmentation optimale
ducoefficient de transmission est obtenue
quand l’énergie
est
égale
àl’énergie
du niveau lié virtuel etquand l’impureté
est située au milieu de la barrière.L’existence de
plusieurs impuretés
résonnantes dans la barrière pourra augmenter considérablement le coefficient detransmission,
pour certainesénergies
desparticules
incidentes et pourra conduire à l’observation de structures dans lacaractéristique j(v).
Ces structurespourront être très
différentes,
selon ladisposition spatiale
desimpuretés
et ladisposition
enénergie
desniveaux liés virtuels.
Si nous avons
pû
relier nos calculs àl’expérience
deParker et
Mead,
une vérification de notre théorie ne serapossible
que si la structure de la barrière est connue avecprécision.
Remerciements. - Nous remercions G. Schreder pour des discussions intéressantes.
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