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固体物理第五章晶体中电能带理论小结

* * 第五章 晶体中电子能带理论 绝热近似 单电子近似 周期场近似 将复杂的多粒子体系问题简化为周期场中单电子的运动 布洛赫定理: 对于周期性势场,即 其中 取布拉维 格子的所有格矢,则单电子薛定谔方程: 的本征函数是按布拉维格子周期性调幅的平面波,即 且 对 取布拉维格子的所有格矢成立。 具有此形式的波函数称为布洛赫波函数。 布洛赫定理也可以表述为:对前述定理中薛定谔方程的 每一本征解,存在一波矢 ,使得: 对属于布拉维格子的所有格矢 成立。 把遵从周期势单电子薛定谔方程的电子,或用布洛赫波 函数描述的电子称为布洛赫电子,相应的描述晶体电子行 为的这种波称为布洛赫波。 取分立值 为使本征函数和本征值一一对应,即使电子的波矢与本征 值 一一对应起来,必须把波矢 的取值限制在第一 布里渊区(一个倒格子原胞区间内): 为整数 波矢k的取值与物理意义 电子的波矢密度为: 紧束缚近似适用于过渡金属3d电子及固体中的其他内层电子 。 近自由电子近似对许多价电子为s电子、p电子的金属的 能带计算是很好的方法。 近自由电子近似一般也称为弱周期场近似。 可以把弱周期势看成微扰,利用自由电子气体的结果,采用量子力学中标准的微扰论方法来处理。 模型:假定周期场起伏较小,而电子的平均动能比其 势能的绝对值大得多。作为零级近似,用势能的平均值V0 代替V(x),把周期性起伏V(x)-V0作为微扰来处理。 当?=0时: 能隙(energy gap): (1) (2) 紧束缚近似模型:晶体中的电子在某个原子附近时主要受该原 子势场 的作用,以孤立原子的电子态作为零级近似,其它原子的 作用是次要的,被看作微扰。适合于原子较内层电子的情况。 布洛赫函数—原子轨道线性组合(LCAO) 布里渊区(Brillouin Zone,BZ ) 布里渊(Brillouin)区是晶格振动和能带理论中常用的物理概念。 Brillouin提出用倒易空间矢量的中垂面来划分波矢空间的区域。 定义: 作由倒格子原点出发的所有倒格矢 的垂直平分面,称为布拉格面。为这些平面所完全封闭的包含倒格子原点最小空间就是第一布里渊区。 第二布里渊区是从第一布里渊区出发只穿过一个布拉格面就可以到达的点的集合; 第n 个布里渊区是从第n?1 个布里渊区出发只穿过一个布拉格面就可以到达的点的集合,第n 个布里渊区也可以定义为从倒格子原点出发,穿过n?1 个布拉格面能到达的点的集合。 电子的准经典运动 电子的准经典运动:固体中电子对外加电磁场的响应犹 如一具有有效质量的经典自由电子。 电子加速度公式用矩阵表示为 电子有效质量 上式与  形式类似,只是现在一个二阶张量代替了  ,称其为倒逆有效质量张量1/ 。 倒逆有效质量张量的逆张量 称为电子的有效质量张量 导体、半导体和绝缘体的能带论解释 价带部分填充 导带 导体 禁带 绝缘体 空带 禁带宽 价带为满带 禁带窄 禁带 半导体 空带 价带为满带 恒定电场作用下的电子 满带和非满带中电子的导电情况

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