能带理论的认识

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1、能带理论的认识罗照明1302042026摘要：在形成分子时，原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。晶体是由大量的原子有序堆积而成的。由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成了能带。引言：能带理论［1］是研究固体中电子运动的一个主要理论基础。在二十世纪二十年代末和三十年代初期，在量子力学运动规律确定以后，它是在用量子力学研究金属电导理论的过程巾开展起來的。最初的成就在于定性地阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点。例如，在这个理论基础上，说明了固体为什么会有导体、非导体的区别；晶体中电子的平

2、均自由程为什么会远大于原子的间距等。在这个时候半导体开始在技术上应用，能带理论正好提供了分析半导体理论问题的基础，有利地推动了半导体技术的发展。后来由于电子计算机的发展使能带论的研究从定性的普遍规律到对具体材料复杂能带的结构计算。到目前，计算材料能带结构的方法有:近自由电子近似法、包络函数法(平面波展开法)［2’9’10’13］、赝势法［3’6］、紧束缚近似一一原子轨道线性组合法14’5’7’8’m、K.P方法［121。人们用这些方法对量子阱2’8’9-1OJO量子线:lhl2i13］、量子点结构:16’17］的材料进行了计算和分析，并取得

3、了较好计算结果。使得对这些结构的器件的设计有所依据。并对一些器件的特性进行了合理的解释。固体能带论指山，由于周期排列的库仑势场的祸合，半导体中的价电子状态分为导带与价带，二者又以中间的禁带(带隙)分隔开。从半导体的能带理论出发引出了非常重要的空穴的概念，半导体中电子或光电子效应最直接地由导带底和价带顶的电子、空穴行为所决定,巾此提出的P-N结及其理论己成为当今微电子发展的物理依据。半导体能带结构的具体形态与晶格结构的对称性和价键特性密切相关，不同的材料(如Si,Ge与GaAs,InP)能带结构各异，除带隙宽度外、导带底价带顶在k空间的位置也

4、不同，GaAs,InP等化合物材料的导带底价带顶同处于k空间的中心位置，称为直接带隙材料，此结构电子-空穴的带间复合几率很大，并以辐射光子的形态释放能量，巾此引导人们研制了高效率的发光二极管和半导体激光器，在光电子及光子集成技术的发展屮，其重要性可与微电子技术屮的晶体管相比拟。关键词：能带(Energyband)、能带理论(Energybandtheory)试论晶体中能带产生的原因、物理实质、能带理论的基本内容、意义和作用。可以通过一个实例來理解能带理论：实例：若一维晶体中电子在周期场中的势能为、—mco2［b2-{x-na)2}y^na-

5、b

6、就是认为品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屮运动；结果得到：共有化电子的本征态波函数是Bloch函数形式，能量是巾准连续能级构成的许多能带。（3）能带理论的基本内容：讨论晶体（包括金属、绝缘体和半导体的晶体）屮电子的状态及其运动的一种重要的近似理论。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屮的运动，即是单电子近似的理论;对于晶体屮的价电子而言，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。钐,队5去*山:Wi华案補to..布洛

7、赫定理：能带理论的出发点是固体中的电子不再束缚于个别的原子，而是在整个固体内运动，称力共有化电子，在讨论共有化电子的运动状态时假定原子实处在其平衡位置，而把原子实偏离平衡位置的影响看成微扰，对于理想晶体，原子规则排列成晶体，晶格具有周期性，因而等效势场V（r）也应具有周期性。晶体中的电子就是在一个具有晶格周期性的等效势场中运动，其波动方程为：且有▽2+V(r)]V=EVV(r)=V(r-hRJ(i)(2)一一Rn为任一晶格矢量.布洛赫定理指出，当势场具有品格周期性时，波动方程的解W具有如下性质:帅+1^)=夕货疇)(3)其中K为波矢量，(3

8、)式表示当平移晶格矢量R,,时，波函数只增加位相因子elk*(3)式就是布洛赫定理。根据定理可以把波函数写成(4)V(r)=eiru(r)其屮u(r)具有与晶格同样的周期性，既