在本科普号上一篇介绍量子论在现实生活中应用的时候---《改天换地---量子理论有什么用》欢迎关注回看，有评论认为这些应用只是各种新发现的现象的具体实践，与量子理论无关。但实际上理论与实践是相辅相成，理论指导并不断改进实践，而实践验证并不断完善理论，两者共同进步缺一不可。如同只看到太阳发光发热的现象但不掌握其中的物理理论是没有办法制造出氢弹一样。

在种种量子效应中，量子隧穿效应是比较容易理解且现实应用比较多的，例如闪存(FLASH)，闪存就是利用隧道场效应管的隧穿效应来存储或释放电荷（代表0或1）。而闪存正是我们常用的U盘、固态硬盘、手机内存等的基本存储单元。本篇文章详细介绍量子隧穿效应及其应用，并重点介绍闪存的原理。

量子隧穿效应介绍

在量子力学里，量子隧穿效应指的是，尽管位势垒的高度大于粒子的总能量，像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为。在经典力学里，这是不可能发生的，但使用量子力学理论却可以给出合理解释。

通俗的讲这可以被类比为一个人试图走过一座小山，量子力学与经典力学对于这个问题给出了不同的解答。经典力学预测，假若粒子所具有的能量低于势垒，则这粒子绝对无法从左区域移动到右区域。而量子力学则有不同地预测，这粒子可以概率性地从左区域穿越到右区域，好像一个人从大山里的隧道通过一般。如下图：

量子隧穿效应可以用不确定性原理和波动性来解释：

1.不确定性原理解释：

例如时间-能量的不确定性，电子在极短的时间内能量具有较大的不确定性，因此电子可以穿越本来无法越过的势垒。同时为了满足能量守恒，电子需要在极端时间内还回能量，因此势垒宽度会影响隧穿事件的概率。

2.波动性解释：

电子具有波动性，其运动用波函数描述，而波函数遵循薛定谔方程。薛定谔方程的解就是电子在各个区域出现的概率密度，也可以进一步得出电子穿过势垒的概率。该概率随着势垒宽度的增加而指数衰减。

隧穿效应发生的厚度约为1-3nm或更小（即宏观物体的隧穿效应概率过低），所以在超大规模集成电路中就需要考虑相关因素了，这也被认为决定了计算机芯片的小型化下限。

但量子隧穿效应却是一些宏观物理现象的真正原因，同时也有实际的应用：

一、恒星的主序星时间：

恒星中心的温度通常不足以使得原子核克服库仑位势垒来进行核聚变，真正的关键机制就是量子隧穿效应：尽管原子核的能量远小于库仑位势垒，量子隧穿效应仍旧能够让一些原子核穿越势垒（使原子核之间距离非常接近），从而促成核聚变。在我们的太阳内部，最主要的反应是质子-质子反应，其隧穿概率大约为10的负20次方，再加上其他几种概率，使得太阳内部的反应概率变得非常小，从而太阳可以稳定地长达几十亿年地静燃烧氢原子，也给了我们地球生命以演化的时间。

二、放射性衰变

放射性衰变是从原子的不稳定核发射粒子和能量以形成稳定产物的过程，这被认为是通过将粒子隧穿到核中来实现的，例如电子捕获。

三、量子生物学

在量子生物学里，电子的量子隧穿效应是许多生化学的氧化还原反应的关键因素，例如光合作用、细胞呼吸作用等等。质子的量子隧穿效应在DNA的自发性点突变中发挥关键因素，而电子的量子隧穿效应是DNA修复的关键要素。

三、扫描隧道显微镜

扫描隧道显微镜（STM）1981年由格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔在IBM位于瑞士苏黎世的实验室发明，两位发明者因此与电子显微镜的发明者恩斯特·鲁斯卡分享了1986年诺贝尔物理学奖。STM利用量子隧穿与距离之间的关系，可以在材料表面上对单个原子进行成像。

最后来介绍本篇的主题闪存，其使用的就是隧道场效应管的原理

隧道场效应晶体管的发明

1957年，受雇于索尼公司的江崎玲于奈发现，当增加PN结两端的电压时电流反而减少，江崎玲于奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此后，江崎利用这一效应制成了隧道二极管（也称江崎二极管）。场效应晶体管仅由多数载流子参与导电,它与双极型的一般晶体管相反,也称为单极型晶体管，它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高、噪声小、功耗低、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。

闪存的结构

闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。不同的是场效应管为单栅极结构，而FLASH为双栅极结构，在栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极，栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，于是闪存有了记忆的能力。

闪存的工作原理

与场效应管一样，闪存也是一种电压控制型器件。NAND型闪存的擦和写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）。而NOR型闪存擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极）。

下面以NAND FLASH为例，详细介绍闪存的读写擦过程

基本单元结构的中文介绍：源极（Source）、漏极（Drain）、浮动栅（Float Gate）和控制栅（Control Gate）。浮动栅是由氮化物夹在二氧化硅材料（Insulator）之间构成。

写操作是这样：

在控制栅加正电压，利用隧穿效应将电子（带负电）吸入浮动栅。在此后，由于浮动栅上下的二氧化硅材料并不导电，这些电子被囚禁在浮动栅之中，出不去了。这样无论今后控制栅电压有否，这个状态都会保持下去，所以闪存可以掉电保存数据。注意写操作完毕后，该闪存单元存储的是0，后面我们将会介绍为什么。

擦除操作刚好相反：

在源极加正电压利用浮空栅与漏极之间的隧道效应，将注入到浮空栅的负电荷吸引到源极，排空浮动栅的电子。这时读取的状态是1。

读取操作

为什么有电子是0，没电子是1呢？因为在读取状态的时候，需要给控制栅加一个低的读取电压，对于被写过的闪存单元来说，被囚禁的电子可以抵消该读取电压，造成源极和漏极之间是处于被关闭的状态。

如果是被擦除过的就刚好相反，源极和漏极在控制栅的低电压作用下，处于导通状态。

也就是说通过向控制栅加读取电压，判断漏极-源极之间是否处于导通状态来读取闪存单元的状态，如果被写过的，就是处于关闭OFF状态，为0；而被擦除过的，就是处于导通状态ON，为1。

总结一下:

当写的时候，加入足够大的门极电压，就可以通过氧化层的隧穿效应，将电子打入到浮栅中完成写0的过程；

当擦除的时候，就加反向电压同样利用隧穿效应让电子从氧化层出来，就可以完成擦除写1的过程；

当读的时候，由于浮栅里面有电子，会有反向电场，读的时候就是靠这个特性，通过读取电压来分析导通电流，判断是否为0。

为什么闪存会损坏

这是由于每次电子在包围浮动栅的二氧化硅上进进出出，都会造成它的老化，长此以往，浮动栅就不能很好的锁住电子，电子会流失，造成漏极-源极之间是否处于导通状态的错误，进而数据读取错误。闪存控制器通过校验发现错误后会将其所在的块标为不可用。

SLC、MLC、TLC的区别

通过对闪存内最小的物理存储单元的电位划分不同的阶数，可以在一个存储单元内存储多个二进制位数，MLC 和 TLC以及QLC就是常见的SLC的省钱版。这里的电位指电荷充电有多个能阶（即多个电压值）。

MLC、TLC等主要靠精确控制浮动栅里面的电子来实现，老化会让这种控制很容易出错。这样就是为什么MLC和TLC相比SLC，速度更慢且生命周期更短的原因。

以上就是闪存如何通过隧穿效应来存储信息的工作原理及其后续发展。

量子隧穿效应没有超光速

最后要澄清一个量子隧穿中错误的解读，即超光速。很多文章将隧穿效应视为一种超光速的运动，甚至去计算它的发生过程时间，从而得出量子隧穿效应违反相对论，这是错误的。因为在量子力学里的速度和相对论里的速度的概念是不一样的。

量子波是概率波，自由粒子的平面波函数，概率是全空间分布的，A时刻在A点测到，B时刻可能在相距很远的B点测到，这样理解是没有问题的，但在B点观察到，不代表粒子的速度就是B时刻与A时刻的时间差内A点与B点的距离所产生的位移速度。实际上，每一次测量到一个电子，你会发现它的速度是不会超过光速的，但是两次测量之间的距离，真的可能相隔很远，就算是以光速运动都来不及。

在量子力学中A时刻在A点测量到粒子，这个粒子在B时刻在B点再次被测量到，这中间，不能认为该粒子是从A时刻A点运动到B时刻B点，这种经典的运动概念，在量子力学中是不存在的。

在量子力学看来，两次测量中间的状态，不可知，不能去做运动的假设。量子力学只谈每次测量到的数据，不谈两次测量中间发生了什么，不可知，也不去做运动速度轨迹等的假设。可就是量子力学否定决定论，只具有概率性，这也是爱因斯坦所反对的：经典物理的决定论，在量子力学中失效了，因为中间状态不可知。

回到量子隧穿效应，电子不能理解为经典的“走过隧道”，而应理解为闪现（或观察到出现）到了隧道的另一侧。或者理解为全空间的波函数中本来就包括这个位置的概率，而不能理解为概率波函数“扩散”到了这个位置。

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