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第六章 周期场中的电子态(能带理论)
第六章 周期场中的电子态(能带理论)
• 晶体的周期性结构决定了声子的色散关系
•对于电子,周期性结构导致电子处于周期性势场中,从
而对电子态起决定性作用,结果电子的能量可用一系列
的能带表示。电子的能量和电子波矢有确定的色散关系:
能带结构
•声频支和光频支格波之间有一定宽度的频隙
•各个许可能带之间有一定间隔的能量不能为电子所有:
禁带
能带理论简介
•研究固体中电子运动的主要理论基础
•定性地阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点
•说明了导体、绝缘体的区别
• 晶体中电子的平均自由程为什么远大于原子的间距
• 能带理论提供了分析半导体理论问题的基础,推动了半
导体技术的发展
• 随着计算机技术的发展,能带理论的研究从定性的普遍
性规律发展到对具体材料复杂能带结构的计算
能带理论简介
• 能带理论是单电子近似的理论:把每个电子的运动看成
是独立的在一个等效势场中的运动
• 单电子近似最早用于研究多电子原子,又称为哈特里-
福克自洽场方法
• 能带理论的出发点:固体中的电子不再束缚于个别的原
子,而是在整个固体内运动 (共有化电子)
• 共有化电子的运动状态:假定原子实处在其平衡位置,
把原子实偏离平衡位置的影响看成微扰
• 理想晶体:晶格具有周期性,等效势场V(r)具有周期性
能带理论简介
晶体中的电子在晶格周期性的等效势场中运动
2
2
波动方程 [ V (r)] E
2m
晶格周期性势场
V(r ) V(r R )
n
单个电子在周期性势场中的运动问题简化处理
• 第一步简化 :绝热近似,离子实质量比电子大,离子
运动速度慢,讨论电子问题,认为离子是固定在瞬时位
置上离子对电子运动无反应,电子对离子的运动反应迅
速,电子体系的能量总是处于与任一瞬时离子位置相对
应的最低能量
• 第二步简化 :利用哈特里一福克自治场方法,多电子
问题简化为单电子问题,每个电子是在固定的离子势场
以及其它电子的平均场中运动
• 第三步简化 :所有离子势场和其它电子的平均场是周
期性势场
单个电子在周期性势场中的运动问题处理方法
能量本征值的计算
选取某个具有布洛赫函数形式的完全集合,晶体电子态的波
函数按此函数集合展开
将电子的波函数代入薛定谔方程,确定展开式的系数所满足
的久期方程,求解久期方程得到能量本征值
电子波函数的计算
根据每个本征值确定电子波函数展开式中的系数,得到具体
的波函数
§6.1 布洛赫定理
• 自由电子模型中忽略了晶体的周期性势场,得到
电子波函数是平面波;
• 布洛赫定理是有关周期性势场中波函数解性质的
一个定理:
一、布洛赫定理 :
势场 V( r) 具有晶格周期性时,
V(r ) V(r R )
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