晶体的能带理论
固体物理-第5章-晶体中电子能带理论-5.5
2 2m
d2 dx2
V ( x) ( x)
E
(x)
三维：
2 2m
2
V
(r)
(r)
E
(r)
V (r
)
V (r
Rm )
Rm m1a1 m2a2 m3a3
5.5布里渊区 第五章 晶体中电子能带理论
（2）能量本征值和电子波函数
近自由电子近似（非简并情况、三维）
微 能量本征值 扰 理 论 重 要 公 式 电子波函数
5.5布里渊区 第五章 晶体中电子能带理论
例一：二维正方格子的布里渊区
正正；倒倒格格格格子子子矢结原基为构胞矢G：基：b矢二12a：维2(a正an1 1i方ia,格bin,2a子22j ；)2a,(anj(1ja, n为2为晶整格常 数数 ) )
可见二维正方格子的倒格子仍为二维正方格子。 方法：在倒格子空间中，以某一格点为原点，作
Ek(2) k
2
k V k
Vn 2
Ek0 Ek0
n
Ek0
E0 k Gn
当两个相互有矩阵元的状态 k和 k k的零Gn级能量
相等时， k(1和) E趋k(2于) ∞，也导致结果的发散。
导致带隙产生的条件是：k2
k
Gn
2
或Gn
(k
1 2
Gn )
0
5.5布里渊区 第五章 晶体中电子能带理论
5.5布里渊区 第五章 晶体中电子能带理论
2 k
k Gn
2
或Gn
(k
1 2
Gn
)
0
三维情况带隙产生条件
即布里渊区边界
18、第五章晶体中电子能带理论-布洛赫波函数
晶体电子能带理论
固体电子理论－－－研究固体电子运动规律 固体电子理论－－－研究固体电子运动规律 －－－ 世纪末到现在， 从19世纪末到现在，金属研究一直处在固体研究的中心。 世纪末到现在 金属研究一直处在固体研究的中心。 1897年：英国物理学家汤姆逊 年 (J.J.Thomson,1856—1940)在实验中发现电子。 在实验中发现电子。 在实验中发现电子 1906年，因测出电子的荷质比获诺贝尔物理学奖。 年 获诺贝尔物理学奖。 1900年：英国物理学家德鲁德（P．K．L 年 英国物理学家德鲁德（ ． ． 德鲁德
第五章
晶体电子能带理论
1928年 1928年：在量子力学和量子统计的概念建立以 后，德国物理学家索末菲（Arnold Sommerfeld 德国物理学家索末菲（
1868-1951）建立了基于费密－ 1868-1951）建立了基于费密－狄喇克统计的量子
自由电子气体的模型， 自由电子气体的模型，给出了电子能量和动量分 布的基本图像。 布的基本图像。 计算了量子的电子气体的热容量， 计算了量子的电子气体的热容量，解决了经 典理论的困难。 典理论的困难。 德鲁德模型和索末菲模型都是把金属中导电的电子看成自由电子。 德鲁德模型和索末菲模型都是把金属中导电的电子看成自由电子。 量子自由电子理论可以作为一种零级近似而归入能带理论。 量子自由电子理论可以作为一种零级近似而归入能带理论。
NZ 1 NZ 1 e2 Vee ( ri , r j ) = ∑ ∑ = ∑ v e ( ri ) 2 i =1 j ≠ i 4πε 0 ri − r j i =1
( 4)
v e ( ri )
代表电子i与所有其它电子的相互作用势能， 代表电子i与所有其它电子的相互作用势能，它不仅考虑了
能带理论和应用(BandTheory)
1
不考虑原子间相互作用，简单晶格格点 Rm 原子的电
子将以原子束缚态的形式运动，其函数可以表示为
i r Rm ，且满足
2
2m
2
V
r Rm
i
r Rm
ii
r Rm
.
其中V r Rm 为格点处原子势场， i 为原子能级。
2
am i* r Rn U r V r Rm i r Rm d 3r E i an. m 设： i* r Rn U r V r Rm i r Rm d 3r J Rn Rm . 5
amJ Rn Rm E i an.
m
该方程有形式解 am Ceik . Rm
12
3. 对于复式晶格，如果每个原胞中有 l 个原子，可以 认为原胞中各原子先形成分子轨道，再以分子轨道为 基组成Bloch和，而认为能带与分子轨道之间有相互 对应的关系。
4. 紧束缚近似可以用于研究半导体和绝缘体的能带结 构。
13
Wannier 函数
紧束缚近似中的能带电子波函数表示成原子波函数的 Bloch 和，这个结论是普适的，即任何能带 Bloch 函数都可
带等。p、d 态都是简并的，对应的能带是相互交叠的。
2. 形成晶体的过程中，不同原子态之间也有可能相互混 合，从而导致原子能级和能带之间不存在上述简单的对 应关系。
11
可以忽略不同原子态之间的相互作用的条件是微 扰作用远小于原子能级之间的能量差。通常可以用能 带宽度反映微扰作用的大小。对于内层电子，能带宽 度较小，能级和能带之间有简单的对应关系；外层电 子的能带较宽，能级和能带之间通常不存在简单的对 应关系，可以认为主要是由几个能级相近的原子态相 互组合形成能带。例如，可以只计入同一主量子数中 的 s 态和 p 态之间的相互作用，而略去其他主量子数 原子态的影响。先对各原子态求Bloch和，然后再组 合四个Bloch和得到能带电子波函数。
固体物理第四章能带理论5(新疆大学李强老师课件)模板
Solid State Physics, Dr. Q. Li 2018/10/24
Xinjiang University
§4.6 晶体能带的对称性
能带的3种表示方法
① 扩展能区图式
Xinjiang University
Solid State Physics, Dr. Q. Li
2018/10/24
当k落在布里渊区边界上，N(E)出现奇点，对应能量 在此处断开。
Xinjiang University Solid State Physics, Dr. Q. Li 2018/10/24
§4.7 能态密度和费密面
能态密度以及范霍夫奇点
E s (k ) E0 2 J1 (cos kx a cos k y a cos k z a)
§4.7 能态密度和费密面
等能面 等能面垂直于布里渊边界, ∵此处 k E (k ) 0
E E0 2 J1 E X
Xinjiang University Solid State Physics, Dr. Q. Li
E E0
2018/10/24
§4.7 能态密度和费密面
能态密度以及范霍夫奇点
在等能面上为常数
V dS V 1 能态密度函数 N ( E ) 2 2 3 (2 ) k E (2 )3 k E V m 2 V mk 2 4 k 2 2 (2 )3 2 k V 2m 3/2 ( 2) E 2 2
Xinjiang University Solid State Physics, Dr. Q. Li
第五章晶体中电子能带理论习题解答
晶体中电子能带理论思考题1. 1. 将布洛赫函数中的调制因子)(r k u 展成付里叶级数, 对于近自由电子, 当电子波矢远离和在布里渊区边界上两种情况下, 此级数有何特点? 在紧束缚模型下, 此级数又有什么特点? [解答] 由布洛赫定理可知, 晶体中电子的波函数)()(r r k.r k i k u e =ψ,对比本教科书(5.1)和(5.39)式可得)(r k u =rKK .)(1m i mm e a N ∑Ω.对于近自由电子, 当电子波矢远离布里渊区边界时, 它的行为与自由电子近似, )(r k u 近似一常数. 因此, )(r k u 的展开式中, 除了)0(a 外, 其它项可忽略.当电子波矢落在与倒格矢K n 正交的布里渊区边界时, 与布里渊区边界平行的晶面族对布洛赫波产生了强烈的反射, )(r k u 展开式中, 除了)0(a 和)(n a K 两项外, 其它项可忽略. 在紧束缚模型下, 电子在格点R n 附近的几率)(r k ψ2大, 偏离格点R n 的几率)(r k ψ2小. 对于这样的波函数, 其付里叶级数的展式包含若干项. 也就是说, 紧束缚模型下的布洛赫波函数要由若干个平面波来构造.. 2. 2. 布洛赫函数满足)(n R r +ψ=)(r n k.R ψi e ,何以见得上式中k 具有波矢的意义? [解答]人们总可以把布洛赫函数)(r ψ展成付里叶级数rK k'h K k r ).()'()(h i he a +∑+=ψ,其中k ’是电子的波矢. 将)(r ψ代入)(n R r +ψ=)(r n k.R ψi e ,得到n k'.R i e =n k.R i e .其中利用了πp n h 2.=R K (p 是整数), 由上式可知, k =k ’, 即k 具有波矢的意义. 3. 3. 波矢空间与倒格空间有何关系? 为什么说波矢空间内的状态点是准连续的? [解答]波矢空间与倒格空间处于统一空间, 倒格空间的基矢分别为321 b b b 、、, 而波矢空间的基矢分别为32N N / / /321b b b 、、1N , N 1、N 2、N 3分别是沿正格子基矢321 a a a 、、方向晶体的原胞数目.倒格空间中一个倒格点对应的体积为*321) (Ω=⨯⋅b b b ,波矢空间中一个波矢点对应的体积为N N b N b N b *332211)(Ω=⨯⋅,即波矢空间中一个波矢点对应的体积, 是倒格空间中一个倒格点对应的体积的1/N . 由于N 是晶体的原胞数目, 数目巨大, 所以一个波矢点对应的体积与一个倒格点对应的体积相比是极其微小的. 也就是说, 波矢点在倒格空间看是极其稠密的. 因此, 在波矢空间内作求和处理时, 可把波矢空间内的状态点看成是准连续的.4. 4. 与布里渊区边界平行的晶面族对什么状态的电子具有强烈的散射作用？ [解答]当电子的波矢k 满足关系式)2(=+⋅n n Kk K时, 与布里渊区边界平行且垂直于n K 的晶面族对波矢为k 的电子具有强烈的散射作用. 此时, 电子的波矢很大, 波矢的末端落在了布里渊区边界上, k 垂直于布里渊区边界的分量的模等于2/n K .5. 5. 一维周期势函数的付里叶级数nx ainn eV x V π2)(∑=中, 指数函数的形式是由什么条件决定的?[解答]周期势函数V (x ) 付里叶级数的通式为xi nn n e V x V λ∑=)(上式必须满足势场的周期性, 即xi nn a i x i nn a x i nn n n n n e V x V e e V e V a x V λλλλ∑∑∑====++)()()()(.显然1=a i n e λ.要满足上式, n λ必为倒格矢n a n πλ2=.可见周期势函数V (x )的付里叶级数中指数函数的形式是由其周期性决定的.6. 6. 对近自由电子, 当波矢k 落在三个布里渊区交界上时, 问波函数可近似由几个平面波来构成? 能量久期方程中的行列式是几阶的? [解答]设与三个布里渊区边界正交的倒格矢分别为321K ,K ,K , 则321K ,K ,K 都满足321 ,0)2(K ,K ,K K K k K ==+⋅n nn , 且波函数展式rKk K r ).()(1)(m i mm k e a N +∑=Ωψ中, 除了含有)( ,)( ,)( ,)0(321K K K a a a a 的项外, 其它项都可忽略, 波函数可近似为])( ,)( ,)( ,)0([1)().(3).(2).(1.321r K k r K k r K k r k k K K K r +++=i i i i e a e a e a e a N Ωψ.由本教科书的(5.40)式, 可得0)()()()()()()0()(233221122=-+-+-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-K K K K K K k a V a V a V a E m k , 0)()()()()()(2)0()(3312211221=-+-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+K K K K K K K k K a V a V a E m k a V , 0)()()()(2)()()0()(3322221122=-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+K K K K k K K K K a V a E m k a V a V , 0)()(2)()()()()0()(3222231133=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+-+K k K K K K K K K a E m k a V a V a V .由)( ,)( ,)( ,)0(321K K K a a a a 的系数行列式的值)(2)()()()()(2)()()()()(2)()()()()(222231333222122312122132122=⎥⎦⎤⎢⎣⎡----⎥⎦⎤⎢⎣⎡----⎥⎦⎤⎢⎣⎡----⎥⎦⎤⎢⎣⎡-k K K K K K K K k K K K K K K K k K K K K k E m k V V V V E m k V V V V E m k V V V V E m k .可解出电子的能量. 可见能量久期方程中的行列式是四阶的.7. 7. 在布里渊区边界上电子的能带有何特点? [解答]电子的能带依赖于波矢的方向, 在任一方向上, 在布里渊区边界上, 近自由电子的能带一般会出现禁带. 若电子所处的边界与倒格矢n K 正交, 则禁带的宽度)(2n K V E g =,)(n K V 是周期势场的付里叶级数的系数.不论何种电子, 在布里渊区边界上, 其等能面在垂直于布里渊区边界的方向上的斜率为零, 即电子的等能面与布里渊区边界正交.8. 8. 当电子的波矢落在布里渊区边界上时, 其有效质量何以与真实质量有显著差别? [解答]晶体中的电子除受外场力的作用外, 还和晶格相互作用. 设外场力为F , 晶格对电子的作用力为F l , 电子的加速度为)(1l m F F a +=.但F l 的具体形式是难以得知的. 要使上式中不显含F l , 又要保持上式左右恒等, 则只有Fa *1m =.显然, 晶格对电子的作用越弱, 有效质量m*与真实质量m 的差别就越小. 相反, 晶格对电子的作用越强, 有效质量m *与真实质量m 的差别就越大. 当电子的波矢落在布里渊区边界上时, 与布里渊区边界平行的晶面族对电子的散射作用最强烈. 在晶面族的反射方向上, 各格点的散射波相位相同, 迭加形成很强的反射波. 正因为在布里渊区边界上的电子与晶格的作用很强, 所以其有效质量与真实质量有显著差别.9. 9. 带顶和带底的电子与晶格的作用各有什么特点? [解答]由本教科书的(5.88)和(5.89)两式得m m m lF F F +=*.将上式分子变成能量的增量形式m tm t m t l d d d *ννν⋅+⋅=⋅F F F ， 从能量的转换角度看, 上式可表述为mE mE m E 晶格对电子作的功外场力对电子作的功外场力对电子作的功)d ()(d )(d *+=.由于能带顶是能带的极大值，22k E∂∂<0，所以有效质量222*k E m ∂∂= <0.说明此时晶格对电子作负功, 即电子要供给晶格能量, 而且电子供给晶格的能量大于外场力对电子作的功. 而能带底是该能带的极小值，22k E∂∂>0，所以电子的有效质量222*k E m ∂∂= >0.但比m 小. 这说明晶格对电子作正功. m*<m 的例证, 不难由(5.36)式求得n nV T mm 211*+=<1.10. 电子的有效质量*m 变为∞的物理意义是什么? [解答]仍然从能量的角度讨论之. 电子能量的变化m E m E m E 晶格对电子作的功外场力对电子作的功外场力对电子作的功)d ()(d )(d *+=[]电子对晶格作的功外场力对电子作的功)d ()(d 1E E m -=.从上式可以看出，当电子从外场力获得的能量又都输送给了晶格时, 电子的有效质量*m 变为∞. 此时电子的加速度1*==F a m ,即电子的平均速度是一常量. 或者说, 此时外场力与晶格作用力大小相等, 方向相反. 11. 万尼尔函数可用孤立原子波函数来近似的根据是什么? [解答]由本教科书的（5.53）式可知, 万尼尔函数可表示为∑-=k R r k r ,R ),(1)(n n N W ααψ.紧束缚模型适用于原子间距较大的晶体. 在这类晶体中的电子有两大特点: (1) 电子被束缚在原子附近的几率大, 在原子附近它的行为同在孤立原子的行为相近, 即当r →R n 时, 电子波函数) ,(n R r k -αψ与孤立原子波函数)(n at R r -αϕ相近. (2) 它远离原子的几率很小, 即r 偏离R n 较大时, 2) ,(n R r k -αψ很小. 考虑到r 偏离R n 较大时,2)(n atR r -αϕ也很小, 所以用)(n atR r -αϕ来描述) ,(n R r k -αψ是很合适的. 取 ) ,(n R r k -αψ=)(k μ)(n atR r -αϕ. 将上式代入万尼尔函数求和中, 再利用万尼尔函数的正交性, 可得=)(r ,R n W α)(n atR r -αϕ. 也就是说, 万尼尔函数可用孤立原子波函数来近似是由紧束缚电子的性质来决定的.12. 紧束缚模型电子的能量是正值还是负值? [解答]紧束缚模型电子在原子附近的几率大, 远离原子的几率很小, 在原子附近它的行为同在孤立原子的行为相近. 因此，紧束缚模型电子的能量与在孤立原子中的能量相近. 孤立原子中电子的能量是一负值, 所以紧束缚模型电子的能量是负值. s 态电子能量(5.60)表达式∑⋅--=ni s s at s s ne J C E E R k k )(即是例证. 其中孤立原子中电子的能量ats E 是主项, 是一负值, s s J C --和是小量, 也是负值.13. 紧束缚模型下, 内层电子的能带与外层电子的能带相比较, 哪一个宽? 为什么? [解答]以s 态电子为例. 由图5.9可知, 紧束缚模型电子能带的宽度取决于积分s J 的大小, 而积分r R r R r r r d )()]()([)(*n ats n at N at s s V V J ----=⎰ϕϕΩ的大小又取决于)(r at sϕ与相邻格点的)(n at sR r -ϕ的交迭程度. 紧束缚模型下, 内层电子的)(r at s ϕ与)(n at s R r -ϕ交叠程度小, 外层电子的)(r at s ϕ与)(n at s R r -ϕ交迭程度大. 因此, 紧束缚模型下, 内层电子的能带与外层电子的能带相比较, 外层电子的能带宽. 14. 等能面在布里渊区边界上与界面垂直截交的物理意义是什么？ [解答]将电子的波矢k 分成平行于布里渊区边界的分量//k 和垂直于布里渊区边界的分量k ┴. 则由电子的平均速度)(1k E k ∇=ν得到////k ∂ , ⊥⊥∂∂=k E 1ν.等能面在布里渊区边界上与界面垂直截交, 则在布里渊区边界上恒有⊥∂∂k E /=0, 即垂直于界面的速度分量⊥ν为零. 垂直于界面的速度分量为零, 是晶格对电子产生布拉格反射的结果. 在垂直于界面的方向上, 电子的入射分波与晶格的反射分波干涉形成了驻波. 15. 在磁场作用下, 电子的能态密度出现峰值, 电子系统的总能量会出现峰值吗? [解答]由（5.111）式可求出电子系统的总能量⎰∑⎰=-==FFE ln E n b E EaE E E EN U 0002/1][d d )(∑=⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=ln n F b a b E a 0n 2/32/3)(32-][32 {}∑=-=ln n F n b a b E ab 0n 2/3)(2-2其中m eB n b m V a c c n cc =⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎭⎫ ⎝⎛=ωωπω,21 ,282/322 . 对系统的总能量求微商B U ∂∂/, 其中有一项∑=⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎭⎫ ⎝⎛+-ln F n m eB n E m e n ab 02121 . 可见, 每当F E m eB n =⎪⎭⎫ ⎝⎛+ 21时, 总能量的斜率B U ∂∂/将趋于∞, 也即出现峰值.16. 在磁场作用下, 电子能态密度的峰值的周期是什么? 简并度Q 变小, 峰值的周期变大还是变小? [解答]由（5.111）式可知, 在磁场作用下, 电子的能态密度cln c c n E m V E N ωπω ⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=∑=211)2(8)(02/322.从上式不难看出, 能量E 分别等于c c c c l ωωωω 212... ,25 ,23 ,21+时, 能态密度都出现峰值. 相邻峰值间的能量差, 即峰值的周期为c ω .由(5.109)式可知, 简并度yx π2.其中yx L L 和分别是晶体在x 方向和y 方向的尺寸. 因为峰值的周期正比于c ω, 所以简并度Q 变小, 峰值的周期也变小.17. 当有电场后, 满带中的电子能永远漂移下去吗? [解答]当有电场后, 满带中的电子在波矢空间内将永远循环漂移下去, 即当电子漂移到布里渊区边界时, 它会立即跳到相对的布里渊区边界, 始终保持整体能态分布不变. 具体理由可参见图5.18及其上边的说明.18. 一维简单晶格中一个能级包含几个电子? [解答]设晶格是由N 个格点组成, 则一个能带有N 个不同的波矢状态, 能容纳2N 个电子. 由于电子的能带是波矢的偶函数, 所以能级有(N /2)个. 可见一个能级上包含4个电子. 19. 本征半导体的能带与绝缘体的能带有何异同? [解答]在低温下, 本征半导体的能带与绝缘体的能带结构相同. 但本征半导体的禁带较窄, 禁带宽度通常在2个电子伏特以下. 由于禁带窄, 本征半导体禁带下满带顶的电子可以借助热激发, 跃迁到禁带上面空带的底部, 使得满带不满, 空带不空, 二者都对导电有贡献. 20. 加电场后空穴向什么方向漂移? [解答]加电场ε后空穴的加速度h m e t εν=d d ,其中h m 是空穴的质量, 是正值. 也就是说, 空穴的加速度与电场ε同方向. 因此, 加电场ε后空穴将沿电场方向漂移下去.。
第四章 能带理论.ppt
可以用分离变量法对单个电子独立求解（单电子近似）。
1 单电子所受的势场为： U (r ) u (r ) e
Rn
Ze 2 4 0 r Rm
无论电子之间相互作用的形式如何，都可以假定电子所感受 到的势场具有平移对称性（周期场近似）： U (r Rn ) U (r ) 通过上述近似，复杂多体问题变为周期势场下的单电子 问题，单电子薛定谔方程为：
假定在体积 V=L3 中有 N 个带正电荷的离子实，相应地有 NZ 个价电子， 那么该系统的哈密顿量为:
2 2 N 1 1 e ˆ H ' 2 n 2 m 2 4 2 M r r i 1 i, j n 1 0 i j NZ 2 i NZ N 1 1 ( Ze) 2 1 Ze 2 ' 2 m ,n 4 0 Rn Rm i 1 n 1 4 0 ri Rn 2
H ' V ( x) V V
0 (1) ( 2) E E E E 根据微扰理论，电子的能量本征值 k k k k .
一级能量修正
Ek(1) k | H ' | k k | V ( x) V | k
Ek(1)
0 L
1 ikx 1 e [V ( x ) V ] eikx dx L L 1 ikx 1 e V ( x ) eikx dx ] V L L
k r e
ikr
uk r
—— Bloch函数
这里，uk(r) = uk(r +Rl) 是以格矢 Rl 为周期的周期函数。
它确定了波动方程解的基本特点。
4.1
布洛赫定理
二. Bloch 定理的物理证明（定性说明）：
济南大学固体物理(黄昆)课件能带理论.ppt
i 2 l 1
N1 = 1
cos 2 l1
l1 是任意整数
ix i 2l1
又e cosx cos2l1
2 il 1
又 e cos x i sin xe
ix
e cos 2 l 1 N 1
e 1
1 e
l1 2i N1
2 e
l2 2i N2
3 e
l3 2i N3
其中 l1 , l2 , l3 为整数 如果引入矢量:
l l l 3 2 k 1 b b b 1 2 3 N N N 1 2 3
T r a f r a a T T f r
T T T T
2 m 2 2 2 m 22 2 2 2 2 h rr h r 证明：T r ff f r Hf r TT T VV r TT Hf r r r Hf r V r r 2 2 2 2 m 2 2 m 2 m h h r a r a 2 2 h V r a f 2 2 2 2 V r a 2 h 2 r a h r r a f a rr aa a V r 2 m r r VV a f r a a 2 m a f r 2 m 2 m 2 m 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 h h r r r h h rr f r T rr f VV r TT r V r f r V r T f r 2m m 2 V r T f 2 m 2 m 2 m HT HT f f r r HT r f f r HT TT H H HT HT T Hf
能带和态密度
能带和态密度引言能带和态密度是固体物理学中的重要概念，它们对于理解物质的电子结构和导电性质具有重要意义。
能带理论是固体物理学中最基本的理论之一，它描述了电子在晶体中的运动方式和能量分布。
态密度则是描述在一定能量范围内，单位体积内存在的电子态数目。
本文将深入探讨能带和态密度的概念、性质以及在固体物理学研究中的应用。
一、能带1.1 能带结构在晶体中，原子之间存在相互作用力，导致了电子在晶格中运动时受到周期性势场的束缚。
根据量子力学原理，电子具有波粒二象性，在晶格势场下形成了波动性质。
根据布洛赫定理，在周期势场下，波函数可以表示为平面波与周期函数之积。
通过对波函数解析形式进行数学推导，可以得到离散化的能量分布。
根据离散化得到的能量分布图谱，在一维情况下可以将其表示为离散化点之间相连的线段，称为能带。
能带的形状和特征取决于晶体的结构和原子之间的相互作用。
晶体中存在多个能带，其中价带和导带是最为重要的两个能带。
价带是电子在晶体中受束缚状态下的能量分布，而导带则是电子在晶体中具有较高能量状态下的分布。
两者之间存在禁闭区域，称为禁闭区。
1.2 能带理论为了更好地理解电子在固体中运动和分布规律，科学家提出了多种模型和理论。
其中最著名且广泛应用于固体物理学研究中的是紧束缚模型和自由电子模型。
紧束缚模型假设原子之间存在较强相互作用力，电子主要局域在原子附近运动。
该模型通过考虑原子轨道之间的重叠以及相互作用力来描述电子在晶格中运动。
该模型更适用于描述局域化电子行为以及强关联效应。
自由电子模型则假设固体中的电子可以自由地运动，并且不受到其他粒子或者势场限制。
该模型通过简化数学形式，将电子视为自由粒子，从而得到了一维、二维和三维情况下的能带结构。
自由电子模型适用于描述弱关联电子行为以及导体、半导体等材料的电子结构。
二、态密度2.1 态密度的概念态密度是描述在一定能量范围内，单位体积内存在的电子态数目。
在固体物理学中，态密度是研究材料中电子行为和导电性质的重要物理量。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
晶体的能带理论 一、能带理论Energy band theory 概述 能带理论是讨论晶体包括金属、绝缘体和半导体的晶体中电子的状态及其运动的一种重要的近似理论;它首先由F.布洛赫和L.-N.布里渊在解决金属的导电性问题时提出,它把晶体中每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中的运动,即是单电子近似的理论；对于晶体中的价电子而言,等效势场包括原子实的势场、其他价电子的平均势场和考虑电子波函数反对称而带来交换作用,是一种晶体周期性的势场; 即认为晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子,并且共有化电子是在晶体周期性的势场中运动的；由此得出,共有化电子的本征态波函数是Bloch函数形式,能量是由准连续能级构成的许多能带;
二、能带的形成 图1 1.电子共有化
对于只有一个价电子的简单情况：电子在离子实 电场中运动,单个原子的势能曲线表示如图1; 图2 当两个原子靠得很近时：每个价电子将同时受到两个离子实电场
的作用,这时的势能曲线表示为图2; 当大量原子形成晶体时,晶体内形成了周期性势场,周期性势场的势能曲线具有和晶格相同的周期性如图3所示 即:在 N 个离子实的范围内,U 是以晶格间距 d 为周期的函数;实际的晶体是三维点阵,势场也具有三维周期性;
图3 分析： 1.能量为E1的电子,由于E1小,势能曲线是一种势阱;因势垒较宽,电子穿透势垒的概率很微小,基本上仍可看成是束缚态的电子,在各自的原子核周围运动； 2.具有较大能量 E3 的电子,能量超过了势垒高度,电子可以在晶体中自由运动； 3.能量 E2 接近势垒高度的电子,将会因隧道效应而穿越势垒进入另一个原子中; 这样在晶体场内部就出现了一批属于整个晶体原子所共有的电子,称为电子共有化;价电子受母原子束缚最弱,共有化最为显著 可借助图4理解电子共有化： 图4 晶体中大量的原子集合在一起,而且原子之间距离很近.致使离
原子核较远的壳层发生交叠,壳层交叠使电子不再局限于某个原子上,有可能转移到相邻原子的相似壳层上去,也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去,这种现象称为电子的共有化;
2.能带的形成是电子共有化的结果; 孤立原子的外层电子可能取的能量状态完全相同,但当原子彼此靠近时,外层电子就不再仅受原来所属原子的作用,还要受到其他原子的作用,这使电子的能量发生微小变化;原子结合成晶体时,原子最外层的价电子受束缚最弱,它同时受到原来所属原子和其他原子的共同作用,已很难区分究竟属于哪个原子,实际上是被晶体中所有原子所共有,称为共有化;原子间距减小时,孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带;共有化程度越高的电子,其相应能带也越宽;孤立原子的每个能级都有一个能带晶体内电子的能量可以处于一些允许的范围之内,这些允许的范围称为能带与之相应,所有这些能带称为允许带;相邻两允许带间的空隙代表晶体所不能占有的能量状态,称为禁带; 备注：关于能带的形成,还可以从晶体中各个原子的能级的相互影响来说明图5： ★孤立的原子,其轨道电子的能量由一系列分立的能级所表征；
图5 ★原子结合成固体时,使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能
量差异,与此相对应的能级扩展为能带; 事实上,在单个原子中,电子具有分离的能级 如 1s,2s,2p 等,如果晶体内含有 N 个相同的原子,那么原先每个原子中具有相同能量的所有价电子,现在处于共有化状态; 图6 这些被共有化的外层电子,由于泡利不相容原理的限制,不能再
处于相同的能级上,这就使得原来相同的能级分裂成 N 个和原能级相近的新能级见图6; 由于N 很大,新能级中相邻两能级的能量差仅为 10-22eV,几乎可以看成是连续的,N 个新能级有一定的能量范围,通常称为能带;
三、能带的结构 1.能带：
n是带指标,用来标志不同的能带对每一个给定的 n ,本征能量包含着由不同 k 取值所对应的许多能级,这些由许多能级组成的带
)3,2,1(nkEEnn称为能带;在能带理论中,能量本征值的总体称为晶体的能带结构; 原子中电子的能级和晶体中电子的能带如图7所示
图7 2.固体的导电机制 不同的晶体有不同的导电性,这与晶体内的电子在能带中的填充和运动情况有关 导体：电阻率为 10-8Ω•m 以下的物体 绝缘体：电阻率为108Ω•m以上的物体 半导体：电阻率介乎上面两者之间的 原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满,然后再占据能量更高的外面一层的允许带;晶体中的电子在能带中各个能级的填充方式,服从洪特规则、泡利不相容原理,还要服从最小能量原理,电子从能量较低的能级依次到达较高的能级;按充填电子的情况,能带可以分成：满带,价带导带,空带,禁带 1满带：晶体中最低能带的各个能级都被电子填满,这样的能带称为满带; 满带
导带
图8 导体
带隙
空带
图9 半导体
带隙
空 带
图10 绝缘体
被电子占满的允许带当满带中的电子从它原来占据的能级转移到同一能带中其它能级时,因受泡利不相容原理的限制,必有另一个电子作相反转移,总效果与没有电子转移一样—外电场不能改变电子在满带中的分布,所以满带中的电子不能起导电作用 2价带：一部分价电子存在于不满带中,这种能带称为导带;价带是由价电子能级分裂而形成的能带; ★通常情况下,价带为能量最高的能带； ★价带可能被电子填满,成为满带； ★也可能未被电子填满,形成不满带或半满带; 在绝缘体中,价电子刚好填满最低的一系列能带,最上边的满带 —— 价带 3空带：若一个能带中所有的能级都没有被电子填入,这样的能带称为空带;每一个能级上都没有电子的能带; ★与各原子的激发态能级相对应的能带,在未被激发 的正常情况下就是空带； ★空带中若有被激发的电子进入,空带就变成导带; 4禁带：两个相邻能带间的间隔 ★禁带中不存在电子的定态； ★禁带的宽度对晶体的导电性起 着重要的作用; 图8/9、10为导体、半导体、绝缘体的能带示意图; 3.导体能带结构的三种形式 价带
空带
图11导带中电子的转移
形式1：价带中只填充了部分电子,在外加电场作用 下,这些电子很容易在该能带中从低能级跃迁到较高能级—从而形成电流;
例如：金属Li：电子排布1s22s1每个原子只有一个价电子,整个晶体中的价电子只能添满半个价带——实际参与导电的是不满带中的电子——电子导电型导体; 形式2：二价元素Bi , As , Mg,Zn 半金属 金属Mg： 电子排布1s22s22p63s2,其价带被电子填满,成为满带图12; 图12 因为晶体结构特点,价带与空带发生交叠 —— 形成更宽的能带 这个新的、更宽的能带使可添充的电子数目大于2N → 使能带不完全被电子充满;由于能带少量重叠,所以出现电子和空穴同时参与导电,又因为电子和空穴分属于不同的能带,它们具有不同的有效质量和速度,所以它们对电流的贡献不同; 当空穴对电流的贡献起主要作用— 空穴导电型导体 当电子对电流的贡献起主要作用— 电子导电型导体 导带
空带
形式3：Na,K,Cu,Al,Ag 金属的价带本来就没有被电子填满,同时价带又同邻近的空带重叠 —— 形成一个更宽的导带图13;实际参与导电的是那些未被填满的价带中的电子——电子导电型导体
图13
如:当 Na 原子结合成晶体时,3s 能带只填满了一半电子,而 3p
能带与 3s 能带相交错;这样在被电子填满的能级上面有很多空着的能级,所以电场很容易将价电子激发到较高的能级上,因此 Na 是良导体; 4.绝缘体能带结构 绝缘体具有充满电子的满带和很宽的禁带,禁带宽△Eg约 3～6eV图14；一般温度下,满带中的电子在外电场作用下很难激发越过禁带到空带参与导电；大多数离子晶体是绝缘体; 图14 如：NaCl晶体,它的能带是由 Na+ 和 Cl- 离子的能级构成
的,Na+ 的最外壳层 2p 和 Cl- 的最外壳层3p,都已被电子填满,且这最高满带与空带之间存在着很宽的禁带,所以NaCl是绝缘体;
5.半导体能带结构 6221622221:3221:pssNaspssNa626225262233221:33221:pspssClpspssCl图15 a 导体；b 绝缘体；c 半导体；d 半金属
在温度 T=0K 时,能带结构与绝缘体相似,只是禁带宽度△Eg很窄,约0.1～1.5eV；在温度 T=0K时,电子热激发能从满带跃迁到空带,使空带成为导带,同时在满带中产生空穴；外加电场后,电子和空穴从低能级跃迁到高能级,而形成电流,因此半导体具有导电性;如：硅、硒、锗、硼等元素,硒、碲、硫的化合物,各种金属氧化物等物质都是半导体;
能带结构小结： 能带理论是研究固体中电子运动规律的近似理论;在讨论和学习中可以从不同的角度,联系无机化学的知识加以理解和掌握;下面是几个关于能带理论的图解,请认真理解; 不同固体的能带填充情况