电子能带理论.ppt

* * 第二章 电子能带理论 ●掌握近自由电子近似方法、 ●理解能带的物理意义、能带的形成 ●理解布里渊区概念 ●了解密度泛函理论基本思想 教学目的： 2.1近自由电子近似 一、能带的形成 零势场中的电子 单电子的运动 — 势场的单电子： 自由电子的运动： V(r) 一维晶体的Schodinger方程： 加一项其他粒子对电子的作用势 电子在周期性的势场中运动，满足： 能带理论： 求解金属晶体中电子的容许能态的能带模型 能带模型： 其一：近自由电子近似 其二：紧束缚近似、克隆尼克 — 潘纳近似、 瓦格纳 — 赛茨近似、原胞和原子轨道线性组合法 二、能带形成的微观解释： （1）外层电子共有化 晶体中电子的运动 b.电子的共有化运动 + 原子的能级（电子壳层） + + a. 原子的能级 + + + + + + + 原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动 单个原子 两个原子 由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单个原子所有的现象，称为电子的共有化。 晶体中周期性势场 对大量原子有规则地排列成晶体时，由于原子离得很近，每个电子不仅受到本身原子核的作用，而且受到邻近原子核的影响,内层电子因受原子核的牢牢束缚而影响较小；价电子或外层电子却不同，外层电子受邻近原子的作用更强，容易脱离原来的原子而进入到其他原子当中。 即电子不再分属各个原子所有，而是属于整个原子所共有，这称电子的共有化。 因为当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是N重简并的，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）从而只能分裂成N个非常靠近的能级（10-22ev），因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。 孤立原子的能级 2p 2s 1s n=1 n=2 原子间距 电 子 能 量 能级分裂 2p 2s 1s n=1 n=2 电 子 能 量 分裂的能级数计算： 两个原子组成晶体时 2s能级分裂为二个能级； 2p能级本身是三度简并，分裂为六个能级。 1s 2p 2s E o 原子间距 禁带 禁带 能带 （2）电子的Bragg散射与能带 电子被晶格散射后的波： E2 E3 E5 E4 E6 E7 E1 0 E E ~ k 曲线的表达图式 （3）布洛赫理论（Bloch theory): 三维晶体结构 晶体结构具有周期性?电子所处势场 V(x) 是周期函数， 周期势函数可展开成级数： 代入单电子薛定谔方程： 求得通解： 单电子的运动 — 势场的单电子，其它粒子对电子的作用看作势 布洛赫定理说明了一个在周期场中运动的电子 波函数为：一个自由电子波函数 与一个具有 晶体结构周期性的函数 的乘积。 ? 只有在 等于常数时，在周期场中运动的 电子的波函数才完全变为自由电子的波函数。 ? 这在物理上反映了晶体中的电子既有共有化的 倾向，又有受到周期地排列的离子的束缚的特点。 ? 它是按照晶格的周期 a 调幅的平面波，通解称布洛赫波，调幅函数与晶体周期相同 在一定波长和角度时幅度为零（对应能隙） 其它位置原子能级被调幅（有增有减）成为能带。 问题：a、能带理论 b、能带模型 c、能隙的宽度可用来区分 ? 因此，布洛赫函数是比自由电子波函数 更接近实际情况的波函数。 （4）能带理论解释导体、半导体、绝缘体形成 a、满带：各能级都被两个自旋相反电子填满的能带 满带 当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子必作相反的转移，没有额外的定向运动。满带中电子不能形成电流。 导带 电子可在外场作用下跃迁到高一级的能级形成电流。故称为导带。 b、导带：能级没有被电子填满的能带 c、空带：各能级都没有被电子填充的能带 d、价带：价电子所处的带称为价带 e、金属、半导体、绝缘体的能带结构 导体：价带是导带或等效导带 导带 满带 满带 空带 满带 空带 重叠 相连 绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较大 满带 空带 禁带 例如金刚石中两个碳原子相距15纳米时，Eg=5.33电子伏。 半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小 导体、半导体、绝缘体的不同，主要是能带结构不同 满带 空带 禁带 例如硅?Eg=1.14电子伏，锗?Eg=0.67电子伏，砷化镓?Eg=1.43电子伏。 金属导电与半导体导电的差别：金属导电的载流子是自由电子，半导体导电的载流子