隧道效應
tunnel effect
定義:
由微觀粒子波動性所確定的量子效應。又稱勢壘貫穿 。考慮粒子運動遇到一個高於粒子能量的勢壘，按照經典力學，粒子是不可能越過勢壘的；按照量子力學可以解出除了在勢壘處的反射外，還有透過勢壘的波函式，這表明在勢壘的另一邊，粒子具有一定的機率，粒子貫穿勢壘。理論計算表明，對於能量為幾電子伏的電子，方勢壘的能量也是幾電子伏 ，當勢壘寬度為1埃時 ， 粒子的透射機率達零點幾 ；而當勢壘寬度為10時，粒子透射機率減小到10-10 ，已微乎其微。可見隧道效應是一種微觀世界的量子效應，對於巨觀現象，實際上不可能發生。
在勢壘一邊平動的粒子，當動能小於勢壘高度時，按經典力學，粒子是不可能穿過勢壘的。對於微觀粒子，量子力學卻證明它仍有一定的機率穿過勢壘，實際也正是如此，這種現象稱為隧道效應。對於諧振子，按經典力學，New & Used Supra Shoes,Supra Skate Shoes,Supra skateboard Shoes. Nike SB Dunk,New Balance Shoes and Apparel Online Store，Nike Air Jordans Shoes ,ED Hardy Sale:Cheap ED Hardy Shoes, Authentic Air Jordans Retro Shoes and Air Jordans,Shop Authentic Nike Air Jordan Retro Basketball Shoes and Air Jordans Team Basketball Shoes, including Air Jordan 2009,Supra Shoes For Sale, Air Jordan 12 Retro, Air Jordan ,Selling authentic Air Jordans,artful dodger jeans,artful dodger hoodies由核間距所決定的位能決不可能超過總能量。量子力學卻證明這種核間距仍有一定的機率存在，此現象也是一種隧道效應。
隧道效應是理解許多自然現象的基礎。
電子-內部結構模型圖在兩層金屬導體之間夾一薄絕緣層，就構成一個電子的隧道結。實驗發現電子可以通過隧道結，即電子可以穿過絕緣層，這便是隧道效應。使電子從金屬中逸出需要逸出功，這說明金屬中電子勢能比空氣或絕緣層中低．於是電子隧道結對電子的作用可用一個勢壘來表示，為了簡化運算，把勢壘簡化成一個一維方勢壘。
所謂隧道效應，是指在兩片金屬間夾有極薄的絕緣層（厚度大約為1nm（10-6mm），如氧化薄膜），當兩端施加勢能形成勢壘V時，導體中有動能E的部分微粒子在E＜V的條件下，可以從絕緣層一側通過勢壘V而達到另一側的物理現象。
產生隧道效應的原因是電子的波動性。按照量子力學原理，有能量（動能）E的電子波長=（其中，——普朗克常數；——電子質量；E——電子的動能），在勢壘V前：若E＞V，它進入勢壘V區時，將波長改變為λ′=；若E＜V時，雖不能形成有一定波長的波動，但電子仍能進入V區的一定深度。當該勢壘區很窄時，即使是動能E小於勢壘V，也會有一部分電子穿透V區而自身動能E不變。換言之，在E＜V時，電子入射勢壘就一定有反射電子波存在，但也有透射波存在。
經典物理學認為，物體越過勢壘，有一閾值能量；粒子能量小於此能量則不能越過，大於此能量則可以越過。例如騎腳踏車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬腳踏車也能靠慣性過去。如果坡很高，不蹬腳踏車，車到一半就停住，然後退回去。
量子力學則認為，即使粒子能量小於閾值能量，很多粒子沖向勢壘，一部分粒子反彈，還會有一些粒子能過去，好像有一個隧道，故名隧道效應（quantum tunneling）。可見，巨觀上的確定性在微觀上往往就具有不確定性。雖然在通常的情況下，隧道效應並不影響經典的巨觀效應，因為隧穿幾率極小，但在某些特丁的條件下巨觀的隧道效應也會出現。
1957年，受僱於索尼公司的江崎玲於奈（Leo Esaki，1940～）在改良高頻電晶體2T7的過程中發現，當增加PN結兩端的電壓時電流反而減少，江崎玲於奈將這種反常的負電阻現象解釋為隧道效應。此後，江崎利用這一效應製成了隧道二極體（也稱江崎二極體）。 1960年，美裔挪威籍科學家加埃沃（Ivan Giaever，1929～）通過實驗證明了在超導體隧道結中存在單電子隧道效應。在此之前的1956年出現的“庫珀對”及BCS理論被公認為是對超導現象的完美解釋，單電子隧道效應無疑是對超導理論的一個重要補充。 1962年，年僅20歲的英國劍橋大學實驗物理學研究生約瑟夫森（Brian David Josephson，1940～）預言，當兩個超導體之間設定一個絕緣薄層構成SIS（Superconductor-Insulator- Superconductor）時，電子可以穿過絕緣體從一個超導體到達另一個超導體。約瑟夫森的這一預言不久就為P.W.安德森和J.M.羅厄耳的實驗觀測所證實——電子對通過兩塊超導金屬間的薄絕緣層（厚度約為10埃）時發生了隧道效應，於是稱之為“約瑟夫森效應”。 巨觀量子隧道效應確立了微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。例如，在製造半導體積體電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應而穿透絕緣層，使器件無法正常工作。因此，巨觀量子隧道效應已成為微電子學、光電子學中的重要理論。
隧道效應本質上是量子躍遷，電子迅速穿越勢壘。隧道效應有很多用途。如製成分辨力為0.1nm（1A）量級的掃描隧道顯微鏡，可以觀察到Si的（111）面上的大元胞。但它適用於半導體樣品的觀察，不適於絕緣體樣品的觀測。在掃描隧道顯微鏡（STM）的啟發下，1986年開發了原子力顯微鏡（AFM），其工作原理如圖5所示。利用金剛石針尖製成以SiO2膜或Si3N4膜懸臂樑（其橫向截面尺寸為100μm×1μm，彈性係數為0.1～1N/m），樑上有雷射鏡面反射鏡。當針尖金剛石的原子與樣品的表面原子間距離足夠小時，原子間的相互作用力使懸臂樑在垂直表面方向上產生位移偏轉，使入射雷射的反射光束髮生偏轉，被光電位移感測器靈敏地探測出來。原子力顯微鏡對導體和絕緣體樣品都適用，且其分辨力達到0.01nm（0.1A），可以測出原子間的微作用力，實現原子級表面觀測。
根據光隧道效應原理，利用光纖探測頭、壓電陶瓷、光電倍增管、掃描控制跟蹤系統和微機，可以構成光隧道顯微鏡。它可以探測樣品的表面形貌。在經典物理中，光在光纖內部全反射，在量子物理中，雷射可以從一根光纖內通過隧道效應進入相距很近的另一個光纖內部，分光器就是利用量子隧道效應而製成的。
電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。近年來，人們發現一些巨觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之為巨觀的量子隧道效應。量子尺寸效應、巨觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎，或者它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。例如，在製造半導體積體電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應而溢出器件，使器件無法正常工作，經典電路的極限尺寸大概在0．25微米。目前研製的量子共振隧穿電晶體就是利用量子效應製成的新一代器件。
隧道二極體是一種具有負阻特性的半導體二極體。目前主要用摻雜濃度較高的鍺或砷化鎵製成。其電流和電壓間的變化關係與一般半導體二極體不同。當某一個極上加正電壓時，通過管的電流先將隨電壓的增加而很快變大，但在電壓達到某一值後，忽而變小，小到一定值後又急劇變大；如果所加的電壓與前相反，電流則隨電壓的增加而急劇變大。因為這種變化關係只能用量子力學中的“隧道效應”加以說明，故稱隧道二極體。由於“江崎二極體”具有負電阻，並且隧道效應發生速度異常迅速，可用於高頻振盪、放大以及開關等電路元件，尤其可以用來提高電子計算機的運算速度。
