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布里渊区
作业: 1,什么是能级状态密度,试求解体积为V的晶体的能级状态密度函数g(E); 2,什么是费米能级? 3,什么是blocth定理?简单说明对blocth函数(波)的理解。 4,定义能带和能隙?简单说明能隙是如何产生的。 5,证明每个能带包含的电子状态数为2N。 6,定义布里渊区并说明每个布里渊区的大小 7,以二维作图为例,画出简单立方的二维布里渊区分布(画到第三区) 8,说明并解释体心立方晶体和面心立方晶体的第一布里渊区的结构特点。 9,图示说明什么是能带交叠? 10,推导有效质量的表达式,说明引进有效质量概念的意义或作用。 11,应用准经典运动的概念解释满带和不满带在电场作用下的导电性为。 二 线性谐振子 * 二. 能带和布里渊区 2. 低能级对应的能带窄;高能级对应能带较宽。 能带带宽主要取决于电子波函数的交叠程度。 考虑晶格周期场的作用,晶体中的内层电子状态用布洛赫函数描述,电子能量呈能带状分布。 3. 一个能带在波矢空间占据一个布里渊区体积。 布里渊区内:能量准连续分布 布里渊区边界:能量发生突变 4. 每个能带(布里渊区)能容纳2N个电子 三种近似方法: 1. 自由电子近似:(适用于金属晶体) 波函数: 能量: 准连续 2. 准自由电子近似:(适用于晶体中原子的外层电子) 波函数: 布洛赫函数 能量:准连续的能量在布里渊区边界突变,分裂为能带。 3. 紧束缚近似:(适用于晶体中原子的内层电子) 波函数: 布洛赫函数 能量:一个能级列变为一个能带。 单电子近似(准自由近似和紧束缚近似),又称为能带论 5.5晶体中电子的准经典运动 在量子力学中晶体中布洛赫电子的运动由波包来描述。所谓波包由空间分布在r0附近的Δr范围内,波矢取值在k0附近的Δk范围内的布洛赫电子态组成,ΔrΔk必须满足不确定关系。一般Δk必须小于第一布里渊区的线度,这样Δr必须远大于晶体原胞的线度,只能在这个线度内,布洛赫电子可以看作经典粒子。 晶体中电子的速度 晶体中电子的状态是一个布洛赫波,所以电子的速度可以用布洛赫波波包的群速度来描述。 平均速度与其能量和状态有密切的关系。 一维: 三维: 其中 E 能量是波矢k的偶函数 在能量的极值,即能带的底部和顶部,E(k)为极值,电子的速度为0。 是波矢k的奇函数 变化 变化 产生加速度 d2E /dk2=0点对应速度的最大值点 二.准动量 对一维晶体施加外电场 电子受到电场力: 牛顿定律: 运动状态变化的基本公式 根据功能原理: (1) (2) 引入准动量 (3) 三维: 注意:晶体中电子的准动量不同于电子的真实动量。 三.电子在外场作用下的加速度 有效质量 引入有效质量: 讨论: 1.有效质量取决于能带结构的曲率 曲率愈小,有效质量愈大; 曲率愈大,有效质量愈小。 E 有效质量小 有效质量大 根据牛顿运动定律进行类比: 2. 有效质量有正、有负 能带底部, 能带顶部, 晶体场的作用被概括到有效质量内部,所以有效质量有正、有负。 在布里渊区边界处,电子交给晶格的动量多于它从外场中获得的能量,即由于晶格周期场的阻力,电子的速度减小,加速度与外力反向, 3. 引入有效质量后,晶体场中的电子类似自由电子 能带底部附近: 其中 能带顶部附近: 其中 晶体场作用被概括到有效质量内部。 4. 在外力作用下,晶体中的电子犹如一个质量为m* 的经典质点 一、能带理论 虽然所有固体都包含大量的电子,但有的具有很好的导电性,有的却是绝缘体。这一基本事实曾长期得不到完满的理论解释。在能带理论基础上,首次对为什么有导体、绝缘体、半导体提出了一个理论上的说明,这是能带论发展初期的一个重大成就。也正是以此为起点,逐步发展了有关导体、绝缘体和半导体的现代理论。 5.6导体、绝缘体和半导体 由能带论,波矢 取某些值时,能量曲线上有突变,形成带隙。对于实际晶体(三维)发生能带重叠。 重带 允许带 允许带 允许带 禁带 允许带 一种情形是能量间断处的间隙很小,形成准连续的能带, 或发生能带交叠,导体中大多属于这种类型。 另一种情形是能量间断处的间隙很大,形成有带隙的能带;绝缘体、半导体和部分导体属于这种类型。 二、满带不导电 在一个完全为电子充满的能带中,每个电子贡献 电流密度 ,但 状态与 状态的电子 电流密度 和 互相抵消 净电流为0,不导电 1.未加外电场 2.施加外电场 k轴上各点均以完全相同的速度移动,在布里渊区边界 和 处, 从 点移出的电子同时从 移进来,保持整个能带处于均匀填满的状况,亦无净电流 。(k和-k仍然对称分布) 满带不导
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