Tunneling through localized barrier states in superconducting heterostructures

Abstract

Thin film heterostructures composed of superconducting electrodes (molybdenum rhenium alloy) and a nanoscale silicon layer doped with tungsten, have been designed and experimentally studied. The current-voltage characteristics of junctions exhibiting local maxima of the current against the background of abrupt current increases for the first time, were measured in the voltage range of −800 to 800 mV, at temperatures of 4.2–8 K. The positions of these singularities, which are symmetrical with respect to zero voltage, varied from sample to sample within the range of 40–300 mV. With increasing temperature, they became blurred and completely vanished with the disappearance of superconductivity in the electrodes. The nature of the observed singularities is associated with the properties of electron tunneling through the impurity states localized in the semiconducting barrier. The use of a superconducting electrode enhances the interaction of the localized electron with the conduction electrons thanks to the root divergence in the density of electron states of a superconductor.

Negative $N$-Type Differential Resistance in Current–Voltage Characteristics of Metal Heterostructures

“…При движении вдоль таких траекторий имеет место взаимное увеличение результирующей амплитуды когерентных электронных волн при их наложении друг на друга (конструктив-ная интерференция), в результате чего вероятность туннелирования увеличивается с ростом электронной энергии вплоть до значений порядка единицы. На практике этот эффект проявляется в виде максимума функции G( Как было показано в работе [5], для того, чтобы описать вольтамперную кривую с отрицательным дифференциальным сопротивлением, подобную тем, которые были получены в работе [2], приведённую выше модель двухуровневой системы надо дополнить ещё одной степенью свободы. Согласно [5] следует предположить, что основное (0) состояние двухуровневой системы не вырождено, в то время как возбуждённое (1) состояние с большей энергией состоит из N 1 энергетически эквивалентных состояний.…”

“…Предложена теоретическая модель, которая позволяет объяснить возникновение эффекта отрицательной дифференциальной проводимости в сложных гетероструктурах с проводящими электродами, разделёнными изолирующей прослойкой с наноразмерными металлическими гранулами (см. эксперименты [2,3,10]). Согласно нашей модели в такой прослойке имеют место квантово-перколяционные траектории с зависящей от поданного напряжения вероятностью электронного перехода из одной обкладки в другую.…”

“…Круг физических устройств, реализующих данное явление, чрезвычайно широк -от газоразрядной лампы и туннельного диода до электронно-дырочного перехода в вырожденных полупроводниках в сильных электрических полях (эффект Ганна) и ламповых генераторах электромагнитных колебаний с положительной обратной ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ N-ТИПА 731 связью. В работах [2,3] авторы продемонстрировали возможность создания негатрона на основе трёхслойных тонкоплёночных гетероструктур, которые образованы двумя металлическими обкладками, разделёнными слоем кремния с внедрёнными в него наноразмерными гранулами вольфрама. При температурах от 4 до 8 К и в интервале напряжений от 800 до 800 мВ были измерены вольтамперные характеристики таких переходов с локальными максимумами тока.…”

“…С ростом температуры они размывались и полностью пропадали при температуре выше температуры сверхпроводящего перехода металлических электродов. Авторы статьи [2] объяснили природу наблюдаемых сингулярностей спецификой электронного квантового туннелирования через локализованные в полупроводниковом барьере примесные состояния.…”

“…В данной работе мы предлагаем теоретическое описание данного эффекта, основанное на предположении [2] о наличии в потенциальном барьере локализованных двухуровневых структур, которые определяют величину тока, протекающего через соответствующий транспортный канал. В соответствии с нашим предположением в основном электронном состоянии такие структуры имеют очень маленькое сопротивление, а в возбуждённом состоянии их сопротивление становится уже значительным.…”