基本介紹
- 中文名：勢壘
- 外文名：Potential Energy Barrier
- 定義：勢能比附近的勢能都高的空間區域
- 類型：肖特基勢壘、PN結勢壘、庫倫勢壘
- 別名：位壘
- 實質：電位差
基本概念,勢壘的分類,肖特基勢壘,PN結勢壘,庫侖勢壘,勢壘貫穿,
基本概念
勢壘（Potential Energy Barrier）是勢能比附近的勢能都高的空間區域，基本上就是極值點附近的一小片區域。在眾多勢壘當中，方勢壘是一種理想的勢壘。
保持ε和V的乘積不變，縮小ε，並趨於0，V將無窮大。方勢壘過渡到δ勢壘。在微觀物理學中，δ勢常作為一種理想的短程作用來討論問題。δ勢可以看成方勢的一種極限情況。事實上，所有涉及δ勢的問題，原則上均可以從方勢情況下的解取極限而得以解決。但直接採用δ勢來求解，往往要簡捷得多。在δ勢情況下，粒子波函式的導數是不連續的，儘管粒子流密度仍然是連續的。
勢壘的分類
肖特基勢壘
P型半導體和N型半導體通過摻雜方式結合而成的PN結，是一種比較複雜的半導體結構。這種結構的重要特徵之一是在結的相鄰兩側，兩種載流子的分布具有不對稱的特性，從而形成載流子的濃度梯度，結果使PN結具有非線性的伏安特性。在製造半導體器件的過程中，除了有PN結之外，還會遇到金屬和半導體相接觸的情況，這種接觸（指其間距離只有幾個埃）有時會在半導體表面形成載流子的積累層，從而表現出低阻特性,其伏安特性是線性的；有時會在半導體表面形成載流子的耗盡層（阻擋層），出現表面勢壘,其伏安特性與PN結相似，呈非線性狀態。上述兩種情況在實際套用中都有用到之處，前者可用來作歐姆接觸，後者可用來製作肖特基勢壘二極體。
金屬-半導體邊界上形成的具有整流作用的區域。金屬-半導體作為一個整體在熱平衡時有同樣費米能級。由半導體到金屬，電子需要克服勢壘；而由金屬向半導體，電子受勢壘阻擋。在加正向偏置時半導體一側的勢壘下降；相反，在加反向偏置時，半導體一側勢壘增高。使得金屬-半導體接觸具有整流作用（但不是一切金屬-半導體接觸均如此。如果對於P型半導體，金屬的功函式大於半導體的功函式，對於N型半導體,金屬的功函式小於半導體的功函式，以及半導體雜質濃度不小於10^19/立方厘米數量級時會出現歐姆接觸，它會因雜質濃度高而發生隧道效應，以致勢壘不起整流作用）。當半導體均勻摻雜時肖特基勢壘的空間電荷層寬度和單邊突變P-N結的耗盡層寬度相一致利用金屬半導體接觸製作的檢波器很早就套用於電工和無線電技術之中，如何解釋金屬半導體接觸時表現出的整流特性，在20世紀30年代吸引了不少物理學家的注意。德國的W.H.肖脫基、英國的N.F.莫脫、蘇聯的Б.И.達維多夫發展了基本上類似的理論，其核心就是在界面處半導體一側存在有勢壘，後人稱為肖脫基勢壘。
PN結勢壘
PN結勢壘有一定的高度和一定的厚度，這完全由其中的空間電荷密度及其分布來決定。一般，空間電荷區可以採用所謂耗盡層近似（即認為空間電荷完全由電離雜質所提供的一種近似）。通過求解耗盡層近似下的Poisson方程，即可得到PN結勢壘的高度和厚度。PN結勢壘的高度也就是兩邊半導體的熱平衡Fermi能級之差；隨著半導體摻雜濃度的降低和溫度的提高，勢壘高度也將降低；在溫度高至本徵激發起作用時，勢壘高度即變為0。PN結勢壘的厚度也與摻雜濃度和溫度有關。在摻雜濃度一定時，勢壘厚度與勢壘高度成正比；隨著溫度的提高，勢壘高度降低，則勢壘厚度也減薄。但隨著半導體摻雜濃度的提高，雖然勢壘高度增大，但勢壘厚度卻將減薄。
PN結勢壘示意圖庫侖勢壘
高速可以克服勢壘使核子互撞，因為它們在動能的駕馭下足以接近到強作用力能發生作用使它們束縛在一起。依據氣體運動論，氣體的溫度是氣體平均速度的表征。對標準氣體，麥克斯韋-玻爾茲曼分布的速度分布函式給了在各種溫度下微粒運動速度的分布率，因此可以得知速度高到足以克服庫侖勢壘的微粒比率。實際上，期待能克服庫侖勢壘的溫度由於量子力學的隧道效應，低於喬治·伽莫夫所估計的溫度。考慮經由隧道的勢壘穿透和速度分布提升的範圍限制條件，核聚變可以經由所謂的伽莫夫視窗發生。
勢壘貫穿
電子透過勢壘的機率就可以用貫穿係數T來說明。
電子貫穿係數T隨勢壘寬度a的增加而迅速減小，下表給出的是(U0－E)=5eV時的具體數據。
a (nm) | T |
0.1 | 0.1 |
0.5 | 1.7×10-38 |
1.0 | 3.0×10-38 |
勢壘貫穿的根本原因是“測不準原理”，只要你認可測不準原理，就很容易理解勢壘貫穿了，並不需要你去了解複雜的薛丁格方程求解。解釋如下：能量E與時間T是不能同時測準的，時間測量越準確（時間範圍越短），相應的能量就會無法很準確測量。這裡的測不準並不是技術上的問題，而是“測不準原理”產生的真實的範圍變化。也就是說，微觀粒子在極短的時間內，其能量的可能值範圍就會變大，因此，雖然微觀粒子的能量E小於勢壘U，這裡的粒子能量E應該是其可能的能量範圍的平均值。在極短的時間內，粒子會有一個較小的幾率處於這個能量範圍的高端處（即呈現高能狀態），瞬間能量超過了勢壘U。如果勢壘U的空間跨度非常小，這個只能存在極短時間的高能粒子將可以越過勢壘，越過勢壘之後，粒子的能量重新回復到正常大小。簡單地說，就是先憑空”借”來能量，成功穿越後再把“借”來的能量”還”回去，這種憑空的能量“借還”是可以允許的，也並沒有違背能量守恆原理，但必須在極短的時間之內進行，因此勢壘貫穿現象能夠穿越的距離也就非常小。
這種憑空的能量借還的現象也是量子理論中“虛粒子”的產生原因——在極短時間內，真空中某處會突然處於高能狀態，這些能量轉換成一對正粒子和反粒子，然後這對粒子又立刻相互湮滅而消失，這就是“虛粒子”。這就是量子理論對於”真空”的描述，真空中無時不刻地大量出現這種虛粒子。虛粒子對巨觀真空不會產生任何影響，但對於微觀下的量子真空卻有極深遠的意義。
這種憑空的能量借還的現象也是量子理論中“虛粒子”的產生原因——在極短時間內，真空中某處會突然處於高能狀態，這些能量轉換成一對正粒子和反粒子，然後這對粒子又立刻相互湮滅而消失，這就是“虛粒子”。這就是量子理論對於”真空”的描述，真空中無時不刻地大量出現這種虛粒子。虛粒子對巨觀真空不會產生任何影響，但對於微觀下的量子真空卻有極深遠的意義。
勢壘貫穿示意圖