固体物理 - 第七章:能带论
目录
- 能带论基础与核心问题
- 布洛赫定理与基本假设
- 近自由电子模型
- Kronig-Penney模型
- 紧束缚模型
- 布里渊区与费米面
- 电子动力学与准粒子
- 固体分类与半导体
- 本章总结
能带论基础与核心问题
自由电子模型的局限
-
未解决问题:
- 正霍尔系数的起源(如Zn, Cd等金属)
- 金属传导电子与原子价电子的关联性
- 固体电阻率跨越32个数量级的根本原因(10−10至1022 Ω·cm)
-
核心疑问:
- 为何相同电子浓度下,金属/半导体/绝缘体的电导率差异巨大?
- 电子响应外电场的微观机制是什么?
能带形成的基本图像
布洛赫定理与基本假设
布洛赫定理
基本假设
- 玻恩-奥本海默近似:
me≪mion⇒静态离子势场
- 平均场近似:
[−2mℏ2∇2+Ueff(r)]ψ=Eψ
Ueff 包含电子-离子作用和其他电子的平均作用
近自由电子模型
核心思想
- 弱周期势 U(r) 视为微扰
- 自由电子色散 E0(k)=2mℏ2k2 为基础解系
能隙产生机制
能带特征
区域 |
能量特征 |
允带 |
E(k) 连续 |
禁带 |
无电子态 |
布里渊区边界 |
ΔE 最大处 |
Kronig-Penney模型
势场模型
U(x)={0U00<x<a−b<x<0周期 L=a+b
解析解
- 特征方程(δ 函数极限):
cos(ka)=cos(Ka)+KaPsin(Ka),P=ℏ2mU0ba
- 允带条件:∣cos(ka)∣≤1
参数影响
P 值 |
能带特征 |
P→0 |
回归自由电子模型 |
P 增大 |
能隙↑,带宽↓ |
P→∞ |
孤立原子极限 |
紧束缚模型
基本思想
- 原子轨道线性组合:
ψk(r)=N1j∑eik⋅Rjϕ(r−Rj)
- 跃迁积分:
β=−∫ϕ∗(r)ΔUϕ(r−R)d3r
简单立方晶格(s轨道)
轨道类型影响
原子轨道 |
能带特征 |
s轨道 |
单带,非简并 |
p轨道 |
三重简并,3个子带 |
d轨道 |
五重简并,5个子带 |
布里渊区与费米面
布里渊区表示法
- 简约区表示:所有能带映射到第一布里渊区
- 周期区表示:每个布里渊区绘制完整能带
- 扩展区表示:不同能带在不同布里渊区绘制
费米面物理意义
- T=0 K时占据态与非占据态的分界面
- 形状决定金属性质:
- 自由电子:球形费米面
- 真实金属:布里渊区边界处变形
特殊k点坐标
晶格类型 |
Γ |
X |
L |
FCC |
(0,0,0) |
(0.5,0,0.5) |
(0.5,0.5,0.5) |
BCC |
(0,0,0) |
(0.5,0,0.5) |
(0.5,0.5,0.5) |
电子动力学与准粒子
半经典运动方程
- 群速度:
vg=ℏ1∇kE(k)
- 加速度:
ℏdtdk=Fext
有效质量张量
(m∗1)ij=ℏ21∂ki∂kj∂2E
能带位置 |
m∗ 符号 |
准粒子类型 |
能带底 |
m∗>0 |
电子 |
能带顶 |
m∗<0 |
空穴 |
空穴概念
固体分类与半导体
分类标准
固体类型 |
能带特征 |
ρ (Ω·cm) |
Eg (eV) |
金属 |
部分填充带 |
10−8−10−6 |
~0 |
半导体 |
小带隙(0.1-3eV) |
10−3−104 |
0.1-3 |
绝缘体 |
大带隙(>3eV) |
>1010 |
>3 |
半导体物理
-
本征半导体:
ni=NcNve−Eg/2kBT
-
掺杂类型:
类型 |
掺杂剂 |
多数载流子 |
n型 |
V族(P, As) |
电子 |
p型 |
III族(B, Al) |
空穴 |
-
带隙类型:
- 直接带隙(GaAs):kCBmin=kVBmax
- 间接带隙(Si):kCBmin=kVBmax
典型参数
材料 |
Eg (eV) |
类型 |
me∗/m0 |
mh∗/m0 |
Si |
1.12 |
间接 |
0.98 |
0.49 |
GaAs |
1.42 |
直接 |
0.067 |
0.45 |
GaN |
3.4 |
直接 |
0.20 |
0.80 |
本章总结
核心结论
- 布洛赫定理:
ψk(r)=eik⋅ruk(r)
- 能隙起源:布里渊区边界布拉格反射
- 两类模型:
半导体特性
能带论意义
- 统一解释金属/半导体/绝缘体的电学性质差异
- 奠定现代半导体器件物理基础