固体物理 - 第七章:能带论


目录

  1. 能带论基础与核心问题
  2. 布洛赫定理与基本假设
  3. 近自由电子模型
  4. Kronig-Penney模型
  5. 紧束缚模型
  6. 布里渊区与费米面
  7. 电子动力学与准粒子
  8. 固体分类与半导体
  9. 本章总结

能带论基础与核心问题

自由电子模型的局限

  1. 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(101010^{-10}102210^{22} Ω·cm)
  2. 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

  • 原子聚集效应
    孤立原子能级 聚集\xrightarrow{\text{聚集}} 能带分裂

    EatomE(k)E_{\text{atom}} \rightarrow E(k)

  • 价电子主导:浅层电子能级展宽显著,主导成键与输运性质

布洛赫定理与基本假设

布洛赫定理

  • 波函数形式

    ψk(r)=eikruk(r)\psi_{\mathbf{k}}(\mathbf{r}) = e^{i\mathbf{k}\cdot\mathbf{r}} u_{\mathbf{k}}(\mathbf{r})

    其中 uk(r)=uk(r+T)u_{\mathbf{k}}(\mathbf{r}) = u_{\mathbf{k}}(\mathbf{r} + \mathbf{T}) 具有晶格周期性
  • 物理意义:平移对称性的必然结果

基本假设

  1. 玻恩-奥本海默近似

    memion静态离子势场m_e \ll m_{\text{ion}} \Rightarrow \text{静态离子势场}

  2. 平均场近似

    [22m2+Ueff(r)]ψ=Eψ\left[ -\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2 + U_{\text{eff}}(\mathbf{r}) \right] \psi = E\psi

    UeffU_{\text{eff}} 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)U(\mathbf{r}) 视为微扰
  • 自由电子色散 E0(k)=2k22mE_0(k) = \frac{\hbar^2 k^2}{2m} 为基础解系

能隙产生机制

  • 布拉格条件

    k=k+G|\mathbf{k}| = |\mathbf{k} + \mathbf{G}|

  • 一维临界点k=±nπak = \pm \frac{n\pi}{a}
  • 能隙大小

    ΔEUG(势场傅里叶分量)\Delta E \approx |U_G| \quad (\text{势场傅里叶分量})

能带特征

区域 能量特征
允带 E(k)E(k) 连续
禁带 无电子态
布里渊区边界 ΔE\Delta E 最大处

Kronig-Penney模型

势场模型

U(x)={00<x<aU0b<x<0周期 L=a+bU(x) = \begin{cases} 0 & 0 < x < a \\ U_0 & -b < x < 0 \end{cases} \quad \text{周期 } L = a + b

解析解

  • 特征方程δ\delta 函数极限):

    cos(ka)=cos(Ka)+PKasin(Ka),P=mU0ba2\cos(ka) = \cos(Ka) + \frac{P}{Ka} \sin(Ka), \quad P = \frac{mU_0 ba}{\hbar^2}

  • 允带条件cos(ka)1|\cos(ka)| \leq 1

参数影响

PP 能带特征
P0P \to 0 回归自由电子模型
PP 增大 能隙\uparrow,带宽\downarrow
PP \to \infty 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)=1NjeikRjϕ(rRj)\psi_{\mathbf{k}}(\mathbf{r}) = \frac{1}{\sqrt{N}} \sum_j e^{i\mathbf{k}\cdot\mathbf{R}_j} \phi(\mathbf{r} - \mathbf{R}_j)

  • 跃迁积分

    β=ϕ(r)ΔUϕ(rR)d3r\beta = -\int \phi^*(\mathbf{r}) \Delta U \phi(\mathbf{r}-\mathbf{R}) d^3r

简单立方晶格(s轨道)

  • 能带色散

    E(k)=Eatom2β(coskxa+coskya+coskza)E(\mathbf{k}) = E_{\text{atom}} - 2\beta (\cos k_x a + \cos k_y a + \cos k_z a)

  • 带宽W=12βW = 12|\beta|

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

  1. 简约区表示:所有能带映射到第一布里渊区
  2. 周期区表示:每个布里渊区绘制完整能带
  3. 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=0T=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\Gamma XX LL
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

  1. 群速度

    vg=1kE(k)\mathbf{v}_g = \frac{1}{\hbar} \nabla_{\mathbf{k}} E(\mathbf{k})

  2. 加速度

    dkdt=Fext\hbar \frac{d\mathbf{k}}{dt} = \mathbf{F}_{\text{ext}}

有效质量张量

(1m)ij=122Ekikj\left( \frac{1}{m^*} \right)_{ij} = \frac{1}{\hbar^2} \frac{\partial^2 E}{\partial k_i \partial k_j}

能带位置 mm^* 符号 准粒子类型
能带底 m>0m^* > 0 电子
能带顶 m<0m^* < 0 空穴

空穴概念

  • 定义:价带未占据态的等效准粒子
  • 性质

    qh=+e,mh=meq_h = +e, \quad m_h^* = -m_e^*


固体分类与半导体

分类标准

固体类型 能带特征 ρ\rho (Ω·cm) EgE_g (eV)
金属 部分填充带 10810610^{-8}-10^{-6} ~0
半导体 小带隙(0.1-3eV) 10310410^{-3}-10^4 0.1-3
绝缘体 大带隙(>3eV) >1010>10^{10} >3

半导体物理

  1. 本征半导体

    ni=NcNveEg/2kBTn_i = \sqrt{N_c N_v} e^{-E_g/2k_BT}

  2. 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
  3. 带隙类型

    • 直接带隙(GaAs):kCBmin=kVBmax\mathbf{k}_{\text{CBmin}} = \mathbf{k}_{\text{VBmax}}
    • 间接带隙(Si):kCBminkVBmax\mathbf{k}_{\text{CBmin}} \neq \mathbf{k}_{\text{VBmax}}

典型参数

材料 EgE_g (eV) 类型 me/m0m_e^*/m_0 mh/m0m_h^*/m_0
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

  1. 布洛赫定理

    ψk(r)=eikruk(r)\psi_{\mathbf{k}}(\mathbf{r}) = e^{i\mathbf{k}\cdot\mathbf{r}} u_{\mathbf{k}}(\mathbf{r})

  2. 能隙起源:布里渊区边界布拉格反射
  3. 两类模型
    • 近自由电子(弱势场)
    • 紧束缚(强势场)

半导体特性

  • 电导调控

    σnμ(载流子浓度×迁移率)\sigma \propto n\mu \quad (\text{载流子浓度×迁移率})

  • 光学性质

    ω>Eg(带间吸收)\hbar\omega > E_g \quad (\text{带间吸收})

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