1、,1,學(xué)習(xí)交流PPT,前言,第 八 章 晶體的能帶結(jié)構(gòu),從STM得到的硅晶體 表面的原子結(jié)構(gòu)圖,物理學(xué)前言之一,材料的性質(zhì),大規(guī)模集成電路,半導(dǎo)體激光器,超導(dǎo),人工微結(jié)構(gòu),2,學(xué)習(xí)交流PPT,8.1 晶體的能帶,一. 電子共有化,晶體具有大量分子、原子或離子有規(guī)則 排列的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。,電子受到周期性勢場的作用。,按量子力學(xué)須解定態(tài)薛定格方程。,3,學(xué)習(xí)交流PPT,解定態(tài)薛定格方程(略）， 可以得出兩點(diǎn)重要結(jié)論：,1.電子的能量是分立的能級(jí);,2.電子的運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)。,原子的外層電子(高能級(jí))， 勢壘穿透概率 較大， 電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng), 稱為 共有化電子。,原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊

2、,一般 不是 共有化電子。,4,學(xué)習(xí)交流PPT,二. 能帶 (energy band),量子力學(xué)計(jì)算表明，晶體中若有N個(gè) 原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于 原來孤立原子的每一個(gè)能級(jí),在晶體中變 成了N條靠得很近的能級(jí),稱為能帶。,晶體中的電子能級(jí) 有什么特點(diǎn)？,5,學(xué)習(xí)交流PPT,能帶的寬度記作E ，數(shù)量級(jí)為 EeV。,若N1023,則能帶中兩能級(jí)的間距約10-23eV。,一般規(guī)律：,1. 越是外層電子，能帶越寬，E越大。,2. 點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大。,3. 兩個(gè)能帶有可能重疊。,6,學(xué)習(xí)交流PPT,離子間距,a,2P,2S,1S,E,0,能帶重疊示意圖,7,學(xué)習(xí)交流PPT,三

3、. 能帶中電子的排布,晶體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的 某一能級(jí)上。,排布原則：,1. 服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）,2. 服從能量最小原理,設(shè)孤立原子的一個(gè)能級(jí) Enl ，它最多能容納 2 (2 +1)個(gè)電子。,這一能級(jí)分裂成由 N條能級(jí)組成的能帶后， 能帶最多能容納 2N(2l +1)個(gè)電子。,8,學(xué)習(xí)交流PPT,電子排布時(shí)，應(yīng)從最低的能級(jí)排起。,有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個(gè)名詞：,1滿帶（排滿電子）,2價(jià)帶（能帶中一部分能級(jí)排滿電子） 亦稱導(dǎo)帶,3空帶（未排電子） 亦稱導(dǎo)帶,4禁帶（不能排電子）,2、3能帶，最多容納 6N個(gè)電子。,例如，1、2能帶，最多容納 2N個(gè)電子。,2N(2l+1

4、),9,學(xué)習(xí)交流PPT,一. 布洛赫定理,一個(gè)在周期場中運(yùn)動(dòng)的電子的波函數(shù)應(yīng) 具有哪些基本特點(diǎn)？,在量子力學(xué)建立以后，布洛赫（F.Bloch） 和布里淵（Brillouin）等人就致力于研究 周期場中電子的運(yùn)動(dòng)問題。他們的工作為 晶體中電子的能帶理論奠定了基礎(chǔ)。,布洛赫定理指出了在周期場中運(yùn)動(dòng)的電子 波函數(shù)的特點(diǎn)。,8.2（補(bǔ)充） 布洛赫定理 空間,10,學(xué)習(xí)交流PPT,在一維情形下，周期場中運(yùn)動(dòng)的電子能量E(k) 和波函數(shù) 必須滿足定態(tài)薛定諤方程,k -表示電子狀態(tài)的角波數(shù) V( x ) -周期性的勢能函數(shù)，它滿足 V( x ) = V( x + n a ) a - 晶格常數(shù) n -任意整數(shù)

5、,11,學(xué)習(xí)交流PPT,布洛赫定理：,式中 也是以a為周期的周期函數(shù)，即 *,注*：關(guān)于布洛赫定理的證明，有興趣的讀者 可以查閱固體物理學(xué)黃昆原著 韓汝琦改編 （1988）P154,具有(2)式形式的波函數(shù)稱為布洛赫波函數(shù), 或布洛赫函數(shù)。,滿足（1）式的定態(tài)波函數(shù)必定具有如下的特殊形式,12,學(xué)習(xí)交流PPT,布洛赫定理說明了一個(gè)在周期場中運(yùn)動(dòng)的電子 波函數(shù)為：一個(gè)自由電子波函數(shù) 與一個(gè)具有 晶體結(jié)構(gòu)周期性的函數(shù) 的乘積。, 只有在 等于常數(shù)時(shí)，在周期場中運(yùn)動(dòng)的 電子的波函數(shù)才完全變?yōu)樽杂呻娮拥牟ê瘮?shù)。, 這在物理上反映了晶體中的電子既有共有化的 傾向，又有受到周期地排列的離子的束縛的特點(diǎn)。,

6、 因此，布洛赫函數(shù)是比自由電子波函數(shù) 更接近實(shí)際情況的波函數(shù)。, 它是按照晶格的周期 a 調(diào)幅的行波。,13,學(xué)習(xí)交流PPT,實(shí)際的晶體體積總是有限的。因此必須 考慮邊界條件。,設(shè)一維晶體的原子數(shù)為N,它的線度為 L=Na,則布洛赫波函數(shù) 應(yīng)滿足如下條件,此式稱為周期性邊界條件。,二 . 周期性邊界條件,采用周期性邊界條件以后，具有 N 個(gè)晶格點(diǎn)的 晶體就相當(dāng)于首尾銜接起來的圓環(huán)：,在固體問題中，為了既考慮 到晶體勢場的周期性，又考慮到晶體是有限 的，我們經(jīng)常合理地采用周期性邊界條件：,14,學(xué)習(xí)交流PPT,由周期性邊界條件可以推出:布洛赫波函數(shù) 的 波數(shù) k 只能取一些特定的分立值。,周期性

7、邊界條件對(duì)波函數(shù)中的波數(shù)是有影響的。,圖 2 周期性邊界條件示意圖,15,學(xué)習(xí)交流PPT,左邊為,右邊為,所以,由周期性邊界條件,即周期性邊界條件使 k 只能取分立值：,證明如下:,按照布洛赫定理：,16,學(xué)習(xí)交流PPT,k 是代表電子狀態(tài)的角波數(shù), n 是代表電子狀態(tài)的量子數(shù)。,對(duì)于三維情形, 電子狀態(tài)由一組量子數(shù)(nx、 ny、nz)來代表。 它對(duì)應(yīng)一組狀態(tài)角波數(shù)（kx、 ky、 kz）。,一個(gè) 對(duì)應(yīng)電子的一個(gè)狀態(tài)。,17,學(xué)習(xí)交流PPT,在 空間中，電子的每個(gè)狀態(tài)可以用 一個(gè)狀態(tài)點(diǎn)來表示，這個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)是,三. 空間,18,學(xué)習(xí)交流PPT,上式告訴我們，沿 空間的每個(gè)坐標(biāo)軸方向， 電子的相

8、鄰兩個(gè)狀態(tài)點(diǎn)之間的距離都是 。,圖 3 表示二維 空間每個(gè)點(diǎn)所占的面積是 。,因此， 空間中每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)所占的體積為 。,圖 3 二維 空間 示意圖,19,學(xué)習(xí)交流PPT, 8.3 克朗尼格- 朋奈模型 能帶中的能級(jí)數(shù)目,一 . 克朗尼格- 朋奈模型,能帶理論是單電子近似理論。,布洛赫定理指出，一個(gè)在周期場中運(yùn)動(dòng)的電子， 其波函數(shù)一定是布洛赫函數(shù)。,下面我們通過一個(gè)最簡單的一維周期場- 克朗尼格- 朋奈（Kroning-Penney）模型來說明 晶體中電子的能量特點(diǎn)。,周期性邊界條件的 引入,說明了電子的狀態(tài)是分立的。,它把每個(gè)電子的 運(yùn)動(dòng)看成是獨(dú)立地在一個(gè)等效勢場中的運(yùn)動(dòng)。,現(xiàn)在再來說明電子的

9、能量有什么特點(diǎn)？,回顧：,20,學(xué)習(xí)交流PPT,克朗尼格- 朋奈模型是把圖1的周期場簡化為 圖 4 所示的周期性方勢阱。假設(shè)電子是在這樣的 周期勢場中運(yùn)動(dòng)。,在 0 x a 一個(gè)周期的區(qū)域中，電子的勢能為,21,學(xué)習(xí)交流PPT,按照布洛赫定理，波函數(shù)應(yīng)有以下形式,式中,即可得到 滿足的方程,將波函數(shù) 代入定態(tài)薛定諤方程,22,學(xué)習(xí)交流PPT,利用波函數(shù)應(yīng)滿足的有限、單值、連續(xù)等物理 （自然）條件，進(jìn)行一些必要的推導(dǎo)和簡化， 最后可以得出下式,注*：有興趣的讀者可參閱固體物理基礎(chǔ) 蔡伯熏編（1990）P 268。,式中,而 是電子波的角波數(shù)*。,（4）式就是電子的能量 E 應(yīng)滿足的方程,也是電子

10、 能量 E與角波數(shù) k 之間的關(guān)系式。,23,學(xué)習(xí)交流PPT,(4)式的左邊是 能量E 的一個(gè)較復(fù)雜的函數(shù)，記作 f(E)；,由于 ， 所以使 的 E 值 都不滿足方程。,下圖5 為 給出了一定的 a、b、U0 數(shù)值后的 f(E)：,右邊是角波數(shù) k 的函數(shù)。,24,學(xué)習(xí)交流PPT,由圖看出，在允許取的 E值（暫且稱為能級(jí)）之間， 有一些不允許取的 E值（暫且稱為能隙）。,下面 的圖 6 為E k 曲線的某種表達(dá)圖式。,25,學(xué)習(xí)交流PPT,26,學(xué)習(xí)交流PPT,兩個(gè)相鄰能帶之 間的能量區(qū)域稱 為禁帶。,晶體中電子的能量 只能取能帶中的數(shù) 值，而不能取禁帶 中的數(shù)值。,27,學(xué)習(xí)交流PPT,E

11、 k 曲線與 a 有關(guān)、與 U0b 乘積有關(guān)。,乘積 U0b 反映了勢壘的強(qiáng)弱。,由于原子的內(nèi)層電子受到原子核的束縛較大， 與外層電子相比，它們的勢壘強(qiáng)度較大。, 計(jì)算表明： U0b 的數(shù)值越大所得到的能帶越窄。,所以，內(nèi)層電子的能帶較窄。 外層電子的能帶較寬。,28,學(xué)習(xí)交流PPT, 從 E k 曲線還可以 看出： k 值越大， 相應(yīng)的能帶越寬。,由于晶體點(diǎn)陣常數(shù) a 越小，相應(yīng)于 k 值越大。,因此，晶體點(diǎn)陣常數(shù) a 越小，能帶的寬度就越大。 有的能帶甚至可能出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象。,這些都與 8.1 節(jié)“概述”中介紹的結(jié)論是一致的。,29,學(xué)習(xí)交流PPT,二 . 能帶中的能級(jí)數(shù),晶體中電子的能量

12、不能取禁帶中的數(shù)值， 只能取能帶中的數(shù)值。由 圖 5 可以看出：,第一能帶 k 的取值范圍為,第二能帶 k 的取值范圍為,第三能帶 k 的取值范圍為,每個(gè)能帶所對(duì)應(yīng)的 k 的取值范圍都是 * 。,注* ：我們把以原點(diǎn)為中心的第一能帶所處的 k 值 范圍稱為第一布里淵區(qū);第二、第三能帶所處的 k值范圍稱為第二、第三布里淵區(qū)，并以此類推。,30,學(xué)習(xí)交流PPT,所以，晶體中電子的能帶中有 N 個(gè)能級(jí)。,電子在晶體中按能級(jí)是如何排布的呢？,電子是費(fèi)密子，它的排布原則有以下兩條：,（1） 服從泡里不相容原理 （2） 服從能量最小原理,而在 空間每個(gè)狀態(tài)點(diǎn)所占有的長度為 ， 因此，每一能帶中所包含的（狀

13、態(tài)數(shù)）能級(jí)數(shù)為,每個(gè)能帶所對(duì)應(yīng)的 k 的取值范圍都是 。,31,學(xué)習(xí)交流PPT,對(duì)于孤立原子的一個(gè)能級(jí) Enl 按照泡里不相容原理，最多能容納 2（2 l +1）個(gè)電子。,在形成固體后，這一能級(jí)分裂成 由 N 條能級(jí)組成 的能帶了，它最多能容納的電子數(shù)為 2N(2l+1)個(gè)。,例如，對(duì)孤立原子的1S、2S能級(jí),在形成固體后相應(yīng) 地成為兩個(gè)能帶。它們最多能容納的電子數(shù)為 2N個(gè)。,對(duì)孤立原子的 2P、3P能級(jí), 在形成固體后也相應(yīng)地 成為兩個(gè)能帶。它們最多能容納的電子數(shù)為 6N個(gè)。,電子排布時(shí)還得按照能量最小原理 從最低的能級(jí)排起。,32,學(xué)習(xí)交流PPT,孤立原子的最外層電子能級(jí)可能填滿了電子也

14、可能未填滿了電子。若原來填滿電子的， 在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶也填滿了電子。,若孤立原子中較高的電子能級(jí)上沒有電子， 在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶上也沒有電子。,若原來未填滿電子的， 在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶也未填滿電子。,孤立原子的內(nèi)層電子能級(jí)一般都是填滿的， 在形成固體時(shí)，其相應(yīng)的能帶也填滿了電子。,33,學(xué)習(xí)交流PPT,排滿電子的能帶稱為滿帶；,排了電子但未排滿的稱為未滿帶（或?qū)В?未排電子的稱為空帶；,（有時(shí)也稱為導(dǎo)帶）；,兩個(gè)能帶之間的禁帶是不能排電子的。,34,學(xué)習(xí)交流PPT,8.4 導(dǎo)體和絕緣體 （conductor insulator）,它們的導(dǎo)電性能不同， 是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。,晶體按導(dǎo)電性能的高低可以分為,35,學(xué)習(xí)交流PPT,導(dǎo)體,導(dǎo)體,導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體,Eg,Eg,Eg,36,學(xué)習(xí)交流PPT,在外電場的作用下，大量共有化電子很 易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。,從能級(jí)圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮?很易從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上去。,E,導(dǎo)體,37,學(xué)習(xí)交流PPT,從能級(jí)圖上來看