大学物理 固体能带理论基础
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《固体能带理论》课件
分类
导带、价带、禁带等，导带与价带之 间的区域称为能隙，决定了固体是否 导电。
能带结构的形成
原子轨道重叠
固体中的原子通过轨道重叠形成分子轨道，进一步形 成能带。
周期性结构
固体中的原子按照一定的周期性排列，导致能带结构 的周期性。
电子相互作用
电子之间的相互作用会影响能带结构，包括电子间的 排斥力和交换力等。
量子场论和量子力学
与量子场论和量子力学的结合，将有助于更全面地描述和理解固体中的电子行为 和相互作用。
谢谢聆听
新材料的设计与发现
拓扑材料
随着拓扑学的发展，将会有更多具有独特电子结构和性质的拓扑材料被发现， 为新材料的设计和开发提供新的思路。
二维材料
二维材料具有独特的物理性质和结构，未来将会有更多新型二维材料被发现和 应用。
与其他理论的结合与发展
强关联理论
固体能带理论与强关联理论的结合，将有助于更深入地理解强关联体系中的电子 行为和物理性质。
电子在能带中的状态
01
02
03
占据电子
价带中的电子被原子轨道 上的电子占据，导带中的 电子较为自由。
热激发
在温度较高时，价带中的 电子可以被激发到导带中 ，形成电流。
光电效应
光照在固体表面时，能量 较高的光子可以使价带中 的电子激发到导带中，产 生光电流。
03 固体能带理论的的基本方程，描述 了电子密度随时间和空间的变化 。
02
交换相关泛函
03
自洽迭代方法
描述电子间的交换和相关作用的 能量，是密度泛函理论中的重要 部分。
通过迭代求解哈特里-福克方程 ，得到电子密度和总能量，直至 收敛。
格林函数方法
格林函数
导带、价带、禁带等，导带与价带之 间的区域称为能隙，决定了固体是否 导电。
能带结构的形成
原子轨道重叠
固体中的原子通过轨道重叠形成分子轨道，进一步形 成能带。
周期性结构
固体中的原子按照一定的周期性排列，导致能带结构 的周期性。
电子相互作用
电子之间的相互作用会影响能带结构，包括电子间的 排斥力和交换力等。
量子场论和量子力学
与量子场论和量子力学的结合，将有助于更全面地描述和理解固体中的电子行为 和相互作用。
谢谢聆听
新材料的设计与发现
拓扑材料
随着拓扑学的发展，将会有更多具有独特电子结构和性质的拓扑材料被发现， 为新材料的设计和开发提供新的思路。
二维材料
二维材料具有独特的物理性质和结构，未来将会有更多新型二维材料被发现和 应用。
与其他理论的结合与发展
强关联理论
固体能带理论与强关联理论的结合，将有助于更深入地理解强关联体系中的电子 行为和物理性质。
电子在能带中的状态
01
02
03
占据电子
价带中的电子被原子轨道 上的电子占据，导带中的 电子较为自由。
热激发
在温度较高时，价带中的 电子可以被激发到导带中 ，形成电流。
光电效应
光照在固体表面时，能量 较高的光子可以使价带中 的电子激发到导带中，产 生光电流。
03 固体能带理论的的基本方程，描述 了电子密度随时间和空间的变化 。
02
交换相关泛函
03
自洽迭代方法
描述电子间的交换和相关作用的 能量，是密度泛函理论中的重要 部分。
通过迭代求解哈特里-福克方程 ，得到电子密度和总能量，直至 收敛。
格林函数方法
格林函数
《固体物理能带理论》课件
探索禁带宽度
禁带宽度的影响
深入探究禁带宽度对材料性质的 影响，介绍如何利用禁带宽度调 控材料性质。
直接/间接带隙
介绍直接带隙和间接带隙的概念 和特点，以及如何通过调控禁带 宽度实现它们之间的转换。
量子点
了解量子点的概念及其在光伏、 光催化、发光等方面的应用。
电子在周期势场中的行为
布拉歇特条件
探究布拉歇特条件的作用和意义，以及如何通过布拉歇特条件来理解材料导电性。
电子自旋
介绍电子自旋的概念和特点，以及在磁性材料中的重要作用。
量子霍尔效应
了解量子霍尔效应的概念和特点，以及其在电子学、自旋测量等方面的应用。
应用能带理论
1
太阳能电池
探究太阳能电池的原理和构造，以及如
半导体激光器
2
何利用能带理论来提高太阳能电池的性 能。
介绍半导体激光器的原理和构造，以及
如何通过能带理论来优化激光器的性能。
《固体物理能带理论》 PPT课件
通过本PPT了解固体物理能带理论，理解能带的概念和特点，并探究能带理论 在实际应用中的应用。
什么是固体物理能带理论？
晶体的电子结构
介绍晶体的基本结构和存在能带 的原因，以及能带分布的规律。
能带、狄拉克相对论
进一步探究能带的特点及其与材 料导电性的关系，介绍狄拉克相 对论的意义。
Bloch定理和能带图
介绍Bloch定理的作用，以及如何 通过能带图来描绘材料的电子结 构。
深入理解价带和导带
价带的物理意义
介绍价带中电子的特征和性 质，并探讨不同能级之间的 关系。
导带的物理意义
深入剖析导带中的电子行为， 介绍电子元件中导带的作用。
轻重空穴带
固体物理_第4章_能带理论
ik ( r R n ) u ( r Rn ) e u (r )
u ( r ) ，代入上式有：
(2 )
则：u (r Rn ) u (r )
即布洛赫波是振幅受到具有同晶格周期相同的周期性函数调制的平面 波。
ˆ ( R ) H HT ( R ) 0 ˆ ˆˆ T n n
根据量子力学知识可知：哈密顿量和平移算符有共同的本征态，可选 择哈密顿量的本征态 (r ) 为共同本征态。
采用波恩-卡曼周期性边界条件有： N ˆ ˆ ˆ ˆ (r ) (r N1a1 ) T ( N1a1 ) (r ) T (a1 )T (a1 )T (a1 ) (r ) 1 1 (r )
，而内层电子的变化较小，可以把内层电子和原子实近似看成离子实 这样价电子的等效势场包括离子实的势场，其他价电子的平均势场以 及电子波函数反对称性而带来的交换作用。 能带理论是单电子近似理论，即把每个电子的运动看成是独立的 在一个等效势场中的运动。单电子近似理论最早用于研究多电子原子
，又称为哈特里（Hartree）-福克（o ）自洽场方法。 把多体问题简化为单电子问题需要进行多次简化。1、绝热近似： 原子核或者离子实的质量比电子大的多，离子的运动速度慢，在讨论 电子问题时可以认为离子是固定在瞬时位置上。这样多种粒子的多体 问题就简化为多电子问题；
能带理论取得相当的成功，但也有他的局限性。如过渡金属化 合物的价电子迁移率较小，相应的自由程和晶格常数相当，这时不 能把价电子看成共有化电子，周期场的描述失去意义，能带理论不 再适用。此外，从电子和晶格相互作用的强弱程度来看，在离子晶 体中的电子的运动会引起周围晶格畸变，电子是带着这种畸变一起 前进的，这些情况都不能简单看成周期场中单电子运动。
固体物理基础-能带理论
NZ
e j 1 j i 4 0 ri r j
NZ
1
2
NZ ve ri i 1
1 ve ri 2
e2 j 1 j i 4 0 ri r j
NZ
1
2）单电子近似
• 电子体系的哈密顿量变为：
ˆ T Rm Rn r Rm Rn r 又 ˆ T ˆ r r T R Rm Rn m Rn Rm Rn Rm Rn 将Rn =e Rn 带入得 Rm Rn = Rn + Rm , 仅当 是Rn的线性函数 时满足，因此取 Rn =k Rn , 则
Bloch定理说明
ik Rn r Rn e r
i k r k r e uk r , uk r Rn uk r
用Bloch波函数描述的电子，或遵从周期势单电子薛 定谔方程的电子，称为Bloch电子； 布洛赫波的特征：周期性条幅的平面波；当平移晶 ik R 格矢量 ������ ������ 时，波函数只变化一个相位因子 e n • 表明在不同原胞的对应点上，波函数只相差一个相 位因子，波函数的大小相同，所以电子出现在不同 原胞的对应点上几率是相同的。这是晶体周期性的 反映。
将使矢量 ������ 平移 ������ ������ ，即
ˆ f r f r R T n Rn
各平移算符之间互相对易
ˆ T ˆ f r T ˆ f r R f r R R T m n m Rn Rn Rm ˆ T ˆ f r T ˆ f r R f r R R T n m n R R Rm m n ˆ T ˆ f r T ˆ T ˆ f r T ˆ T ˆ T ˆ T ˆ T Rm Rn Rn Rm Rm Rn Rn Rm ˆ ,T ˆ 0 T Rn Rm
e j 1 j i 4 0 ri r j
NZ
1
2
NZ ve ri i 1
1 ve ri 2
e2 j 1 j i 4 0 ri r j
NZ
1
2）单电子近似
• 电子体系的哈密顿量变为：
ˆ T Rm Rn r Rm Rn r 又 ˆ T ˆ r r T R Rm Rn m Rn Rm Rn Rm Rn 将Rn =e Rn 带入得 Rm Rn = Rn + Rm , 仅当 是Rn的线性函数 时满足，因此取 Rn =k Rn , 则
Bloch定理说明
ik Rn r Rn e r
i k r k r e uk r , uk r Rn uk r
用Bloch波函数描述的电子，或遵从周期势单电子薛 定谔方程的电子，称为Bloch电子； 布洛赫波的特征：周期性条幅的平面波；当平移晶 ik R 格矢量 ������ ������ 时，波函数只变化一个相位因子 e n • 表明在不同原胞的对应点上，波函数只相差一个相 位因子，波函数的大小相同，所以电子出现在不同 原胞的对应点上几率是相同的。这是晶体周期性的 反映。
将使矢量 ������ 平移 ������ ������ ，即
ˆ f r f r R T n Rn
各平移算符之间互相对易
ˆ T ˆ f r T ˆ f r R f r R R T m n m Rn Rn Rm ˆ T ˆ f r T ˆ f r R f r R R T n m n R R Rm m n ˆ T ˆ f r T ˆ T ˆ f r T ˆ T ˆ T ˆ T ˆ T Rm Rn Rn Rm Rm Rn Rn Rm ˆ ,T ˆ 0 T Rn Rm
§17.3 固体能带理论基础
分开，原子数N变化时，能带宽度不变，密度变化。 2)能带宽度随能量增加而增加，随离子对电子约束程
度增加而减少。
E N个子能级
E N个子能级
N个子能级
3)每个角量子数一定的能带中最多容纳的电子数为： 2(2l+1)N
能带被电子填满： 满带 能带未被电子填满： 导带 完全未被电子填充： 空带（激发态能级）
热运动足以使一些电子从满带进入空带，使空 带成为导带，满带中留下空穴。
E
空带
空带
E=0.1~1.5eV
价带
E=0.1~1.5eV
价带
外 场
导带中电子逆电场方向运动 ——电子导电
作 原满带中电子填补空穴
用 满带中空穴沿电场方向运动 ——空穴导电 下
“电子—空穴”对为载流子
2) n型半导体（四价元素中掺入五价元素）
同学们好！
一.物态 §17.3 固体能带理论基础
物质的聚集态：大量粒子在一定温度、压力等外界 条件下聚集而成的稳定结构状态。
p
T
一定条件下，各种物态可以相互转化，有时还可以共存。
物态 条 件
结构
热运动动能 气态 >>分子相互 完全无序
作用势能
性质
对称性
无外场时自动趋向稳 定、均匀的平衡态， 最高 无一定形状、体积。
2) 泡利不相容原理 由于共有化电子彼此间量子数不能完全相同，于是 各原子中能量相同的能级分裂为N个与原来能级接 近的新能级，组成能带来容纳这些共有化电子。
N个
数量级概念： 晶格常数：d~10-10m，1cm3中点阵数：N~1023-1024
能带宽度：△E：几个eV，子能级间隔：10-23eV
2. 能带特点 1)能带由准连续的N个子能级组成，能带之间用禁带
度增加而减少。
E N个子能级
E N个子能级
N个子能级
3)每个角量子数一定的能带中最多容纳的电子数为： 2(2l+1)N
能带被电子填满： 满带 能带未被电子填满： 导带 完全未被电子填充： 空带（激发态能级）
热运动足以使一些电子从满带进入空带，使空 带成为导带，满带中留下空穴。
E
空带
空带
E=0.1~1.5eV
价带
E=0.1~1.5eV
价带
外 场
导带中电子逆电场方向运动 ——电子导电
作 原满带中电子填补空穴
用 满带中空穴沿电场方向运动 ——空穴导电 下
“电子—空穴”对为载流子
2) n型半导体（四价元素中掺入五价元素）
同学们好！
一.物态 §17.3 固体能带理论基础
物质的聚集态：大量粒子在一定温度、压力等外界 条件下聚集而成的稳定结构状态。
p
T
一定条件下，各种物态可以相互转化，有时还可以共存。
物态 条 件
结构
热运动动能 气态 >>分子相互 完全无序
作用势能
性质
对称性
无外场时自动趋向稳 定、均匀的平衡态， 最高 无一定形状、体积。
2) 泡利不相容原理 由于共有化电子彼此间量子数不能完全相同，于是 各原子中能量相同的能级分裂为N个与原来能级接 近的新能级，组成能带来容纳这些共有化电子。
N个
数量级概念： 晶格常数：d~10-10m，1cm3中点阵数：N~1023-1024
能带宽度：△E：几个eV，子能级间隔：10-23eV
2. 能带特点 1)能带由准连续的N个子能级组成，能带之间用禁带
固体物理-能带理论
三维晶体中单个电子在周期性势场中的运动问题处理
电子波函数的计算
—— 根据能量本征值确定电子波函数展开式中的系数 得到具体的波函数
—— 在不同的能带计算模型和方法中 采取的理论框架相同，只是选取不同的函数集合
能带理论的局限性
一些过渡金属化合物晶体
—— 价电子的迁移率小 自由程与晶格常数相当__电子不为原子所共有 周期场失去意义__能带理论不适用了
第四章 能带理论
能带理论 —— 研究固体中电子运动的主要理论基础 —— 定性阐明了晶体中电子运动的普遍性的特点
—— 说明了导体、非导体的区别 —— 晶体中电子的平均自由程为什么远大于原子的间距 —— 半导体理论问题的基础，推动了半导体技术的发展
能带理论 —— 单电子近似的理论
每个电子的运动 —— 看成是独立的 在一个等效势场中的运动
TT T T
平移算符和哈密顿量对易 对于任意函数
和
微分结果一样
T H HT
T和H存在对易关系 —— 具有共同本征函数
H E T1 1 T2 2 T3 3
—— 平移算符的本征值
—— 周期性边界条件
对于 对于 对于
—— 整数
2 i l1
1 e N1
2 i l2
2 e N2
2 i l3
—— 本征值相同
为了使简约波矢 的取值和平移算符的本征值一一对应
—— 取值限制第一布里渊区
bj 2
kj
bj 2
简约波矢
k
l1 N1
b1
l2 N2
b2
l3 N3
b3
第一布里渊区体积
简约波矢
k
l1 N1
b1
l2 N2
b2
固体物理课件第四章：能带理论能带理论(1)
填充的部分（允带）和禁止填充的部分（禁带）相间组成 的能带，所以这种理论称为能带论。
需要指出的是：
在固体物理中，能带论是从周期性势场中推导出来的，这 是由于人们对固体性质的研究首先是从晶态固体开始的。而周 期性势场的引入也使问题得以简化，从而使理论研究工作容易 进行。所以，晶态固体一直是固体物理的主要研究对象。然而，
系统的哈密顿量可以简化为NZ个电子哈密顿量之和：
N 2 1 Ze2 ˆ H i2 ue (ri ) i 1 2m n 1 4 0 ri Rm NZ
因此可以用分离变量法对单个电子独立求解（单电子近似）。 单电子所受的势场为：
T T f r
TT－ T T 晶格周期性：
2 2 T Hf r T r U r f r 2m 2 2 r a U r a f r a 2m
{
H r E r
其中 是平移算符 T 的本征值。为了确定平移算符的本征 值，引入周期性边界条件。
设晶体为一平行六面体，其棱边沿三个基矢方向，N1，N2和N3 分别是沿a1，a2和a3方向的原胞数，即晶体的总原胞数为 N ＝N1N2N3 。
周期性边界条件：
r r N a
i k Rn k r Rn e k r
它表明在不同原胞的对应点上，波函数只相差一个相位因子
e
i k Rn
，它不影响波函数的大小，所以电子出现在不同原胞的
对应点上几率是相同的。这是晶体周期性的反映。
Bloch 定理：
周期势场中 的电子波函 数必定是按 晶格周期函 数调幅的平 面波。
需要指出的是：
在固体物理中，能带论是从周期性势场中推导出来的，这 是由于人们对固体性质的研究首先是从晶态固体开始的。而周 期性势场的引入也使问题得以简化，从而使理论研究工作容易 进行。所以，晶态固体一直是固体物理的主要研究对象。然而，
系统的哈密顿量可以简化为NZ个电子哈密顿量之和：
N 2 1 Ze2 ˆ H i2 ue (ri ) i 1 2m n 1 4 0 ri Rm NZ
因此可以用分离变量法对单个电子独立求解（单电子近似）。 单电子所受的势场为：
T T f r
TT－ T T 晶格周期性：
2 2 T Hf r T r U r f r 2m 2 2 r a U r a f r a 2m
{
H r E r
其中 是平移算符 T 的本征值。为了确定平移算符的本征 值，引入周期性边界条件。
设晶体为一平行六面体，其棱边沿三个基矢方向，N1，N2和N3 分别是沿a1，a2和a3方向的原胞数，即晶体的总原胞数为 N ＝N1N2N3 。
周期性边界条件：
r r N a
i k Rn k r Rn e k r
它表明在不同原胞的对应点上，波函数只相差一个相位因子
e
i k Rn
，它不影响波函数的大小，所以电子出现在不同原胞的
对应点上几率是相同的。这是晶体周期性的反映。
Bloch 定理：
周期势场中 的电子波函 数必定是按 晶格周期函 数调幅的平 面波。
固体物理-第四章 能带理论
V* , v, V分别是倒易原胞，晶格原胞和整个晶体的 体积, N = N1N2N3是原胞总数。
k-空间中单位体积中的状态密度为V/(2p)3 .每个 布里渊区k的数目为： V*/(V*/N)=N
4.1.基本概念
4.1.4.定态微扰简述 处于定态的粒子体系，受到一个微小的恒定的扰动后体 系的状态和能量等发生微小的变化。对于简并和非简并 情况处理方法不同。 1.非简并微扰 体系的哈密顿算符为 Ĥ=Ĥ0+ĥ (4.1.4.1) Ĥ0的本征值和本征函数是已知的或者可以精确求解的且 不存在简并。Ĥ0的本征方程为： Ĥ0y n (0) = En (0)y n (0) (4.1.4.2) n能级序号，ĥ 微扰项。为便于比较，令ĥ=lĤ’ , l<<1, Ĥ’ 的作用相当于Ĥ0，但Ĥ’不等于Ĥ0。。于是 Ĥ=Ĥ0+ lĤ’
第四章 能带理论
4.1.基本概念 4.2.近自由电子近似 4.3.紧束缚近似 4.4.晶体中电子的速度、准动量及有效质量 4.5.固体导电性能的能带理论解释 4.6.晶体中电子的态密度 4.7.能带理论的局限性
4.1.基本概念
4.1.1.能带理论的基本假定 晶体由离子实（原子核+内层电子）和外层的价电子组成。 价电子的哈密顿量应该考虑：价电子的动能，离子实的动 能，价电子之间，离子实之间，价电子与离子实之间的相 互作用势能。 为了简化用单个电子在静止的周期势场中的运动,来描述 晶体中所有等同电子的状态. 在上述假定下，晶体中价电子的哈密顿算符 Ĥ=-ħ22/2m +V(r) （ 4.1.1.1） 其中, V(r+Rn)=V(r), 它包含代替价电子相互作用的平均势 与离子实的周期势。 格矢,Rn=n1a1+ n2a2 + n3a3, n1, n2, n3为整数, a1,a2 ,a3 为晶胞 的单位矢量. r ，电子的位矢.
第六章 能带理论 中国科技大学研究生课程《固体物理》讲义ppt 教学课件
束缚在某个原子周围，因此，其波函数就具有 eikruk r
的形式。周期函数 u k r 反映了电子与晶格相互作用的
强弱。
Bloch函数中，行进波因子 e i k r 描述晶体中电子
的共有化运动，即电子可以在整个晶体中运动；而周期
函数因子 u k r 则描述电子的原子内运动，取决于原
子内电子的势场。
kN h11b1N h22b2N h33b3 ❖ 简约波矢：k限制在简约区中取值； ❖ 广延波矢：k在整个k空间中取值。 每一个量子态k在k空间中所占的体积:
N 11b1N 12b2N 13b3 Nb
在k空间中，波矢k的分布密度：
k Nb N8va38V 3
vab 83
V Nva
在简约区中，波矢k的取值总数为
kreikrukr
波矢量k是对应于平移算符本征值的量子数，其物 理意义表示不同原胞间电子波函数的位相变化。
r a 1 1r e ik a 1 r
不同的波矢量k表示原胞间的位相差不同，即描述 晶体中电子不同的运动状态。
如果两个波矢量k和k’相差一个倒格矢Gn，这两个 波矢所对应的平移算符本征值相同。
Trr+ar ＝1, 2, 3
：平移算符T的本征值。 引入周期性边界条件：
设N是晶体沿基矢a（＝1，2，3）方向的原胞数， 晶体的总原胞数：N＝N1N2N3
周期性边界条件： rrN a
r N a T N r N r r
N
1ei2h
h＝整数， ＝1, 2, 3
expi
❖ 如果电子只有原子内运动（孤立原子情况），电子 的能量取分立的能级；
❖ 若电子只有共有化运动（自由电子情况），电子的 能量连续取值（严格讲电子能量应是准连续的）。
固体物理：能态密度和费米面
第四章 能带理论
例二
3
V N(E)
m1m2m3
2 2
2
2
2
E
3
g(E) N(E) V
m1m2m3
2 2
2
2
2
E
引申情况：当m1=m2=m3时，等能面为球面； 当m1=m2≠m3时，等能面为椭球面。
东北师范大学物理学院
能带理论基本概念
概念：能态密度的临界点（范霍夫奇点）
第四章 能带理论 例四
费米能级EF即如何来算费米能级
费米能级数值由电子密度决定。当T=0k时，从E=0到 E=EF范围内对g(E)积分值应等于电子密度n，即：
EF gE dE n或 EF N E dE N
0
0
费米球半径kF
N个电子在k空间填充半径为kF的费米球，费米球内包 括的状态数恰好等于N，即
V
2 2 3
4
东北师范大学物理学院
能带理论基本概念
一、能态密度函数
第四章 能带理论
1、能态密度函数定义：
在E—E+ ΔE能量范围内的能态数目用ΔZ表示，则 能态密度函数定义为：
Z N(E) lim
E0 E
或N (E) dZ dE
单位体积能态密度g(E)：
k y dk dV dsdk
g(E) 1 N(E) V
里渊区的高对称点处。
东北师范大学物理学院
能带理论基本概念
以简立方晶格为例，说明紧束缚 近似下的s能带的能态密度的临界 点恰为布区的高对称点。
第四章 能带理论 例四
k E s (k ) 0的点 :
Γ点[
k
0,0,0
]是极小值点；E (k )
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
《固体物理》能带理论
固体的能带理论的建立：1928，F. Bloch 应用量子理论研 究固体的电子运动，提出Bloch定理，奠定了现代量子固体 物理的基础。1931年，A. H. Wilson 依据能带理论，成功 地解释了金属、绝缘体和半导体的差别（定性研究）。
1964, W. Kohn等建立密度泛函理论， 借助与计算机，能够定量计算高分子、纳 米材料、介观器件等。（精确计算）
五、能带的近似理论
2）单电子近似
其他电子的影响忽略，或归结到势场。
理由：由于泡利不相容原理，两电子 间的平均距离较大。
3）周期场近似
离子实或其他电子的作用归结为一个周期
性势场：
V
(r )
V
(r
Rn
)
五、能带的近似理论
能带问题简化为“单电子在周期场”的运动
H (r) E (r)
2 2m
电子的动量。
hk 被称为“晶体动量”，K是描述电子状态
的一个量子数。
§3-2 近自由电子近似
实际晶格中，势能是周期性变化的， 若势能起伏不太大
取平均势 势的起伏用微扰论处理（周期性微扰）
一、模型和微扰计算
V
周期势： V (x) V (x la)
1.零级近似：
, x 0, x L V (x) V , 0 x L
2
V
(r)
(r)
E
(r)
本 章 下 面 的 内 容 主 要 讨 论 这 种 单 电 子 Schordinger 方程的求解方法——初等量子力学
§3-1 布洛赫定理
Next:怎样求解周期场中的Schordinger 方程
一、Bloch 定理（1）
在周期性势场中运动的电子的波 函数可写成布洛赫波的形式：
1964, W. Kohn等建立密度泛函理论， 借助与计算机，能够定量计算高分子、纳 米材料、介观器件等。（精确计算）
五、能带的近似理论
2）单电子近似
其他电子的影响忽略，或归结到势场。
理由：由于泡利不相容原理，两电子 间的平均距离较大。
3）周期场近似
离子实或其他电子的作用归结为一个周期
性势场：
V
(r )
V
(r
Rn
)
五、能带的近似理论
能带问题简化为“单电子在周期场”的运动
H (r) E (r)
2 2m
电子的动量。
hk 被称为“晶体动量”，K是描述电子状态
的一个量子数。
§3-2 近自由电子近似
实际晶格中，势能是周期性变化的， 若势能起伏不太大
取平均势 势的起伏用微扰论处理（周期性微扰）
一、模型和微扰计算
V
周期势： V (x) V (x la)
1.零级近似：
, x 0, x L V (x) V , 0 x L
2
V
(r)
(r)
E
(r)
本 章 下 面 的 内 容 主 要 讨 论 这 种 单 电 子 Schordinger 方程的求解方法——初等量子力学
§3-1 布洛赫定理
Next:怎样求解周期场中的Schordinger 方程
一、Bloch 定理（1）
在周期性势场中运动的电子的波 函数可写成布洛赫波的形式：
简述固体能带理论
简述固体能带理论固体能带理论是量子力学关于固体中微观粒子行为的一种理论，它有助于描述量子物理学领域中重要的诸多性质，如电导率、电阻率、拉曼散射、热导率等电子性质。
一般来说，固体能带理论将一个固体分解为由许多电子组成的能带系统。
该理论着重于研究电子在晶体中的能带结构，以及这些能带之间的相互作用，从而解释固体中各种电子性质的变化。
固体能带理论的基础源自费米子的研究，他发现以光的波长为单位切割金属表面的电子能量等级，其中可能会有大量的能量等级，由此派生出能带理论，它将光谱转化为一系列的能级，从而说明光的行为和物质的结构之间的关系。
费米子发现，电子在晶体中能够在一系列被称为能带的能量水平中移动，并且通过不同能带之间的相互作用，电子才能在晶体中移动。
他对能带结构进行了深入分析，为固体能带理论奠定了基础。
随着费米子的研究，晶体物理学家们利用凝聚态物理的理论和表征，更详细地研究了固体能带结构，最终发展出固体能带理论。
固体能带理论的最重要的思想是绝热处理和热力学，即将晶体能带结构看作由一系列不同类型的能带组成，每一类都由一系列不同的能级组成。
根据固体中电子的迁移和能量转换机制，晶体的电子特性可以分为受斥力和相互作用，从而解释固体中的电子性质的变化。
固体能带理论的另一个重要思想是能带的费米子结构，它描述了电子在不同的能带中的空间分布，以及电子在不同能带之间的跃迁和能量转换的规律。
根据这一理论，晶体中的电子性质可以定量描述，从而说明固体中各种物理量的变化。
固体能带理论是量子力学领域的一个重要研究课题，也是许多重要物理性质的解释者。
它拓宽了我们对固体中电子性质的认识，开发了由电子能带结构组成的新材料，从而更好地实现人类在电子电路、半导体等领域的技术创新。
固体物理学中的能带理论
固体物理学中的能带理论固体物理学是研究固体物质特性和行为的学科。
其中，能带理论是固体物理学中的重要内容之一。
这个理论的提出和发展，深刻地影响着我们对物质的认识和应用。
在本文中，将介绍能带理论的基本概念、理论构建的主要过程以及对实际应用的影响。
1. 能带理论的基本概念能带理论是描述固体材料中电子结构的理论框架。
它基于量子力学的原理，认为在固体中，电子的运动状态和能量分别由多个能带和能带间的禁带带宽所决定。
能带是指具有类似能量水平的电子能级。
禁带带宽则表示在能带之间禁止电子的能量范围。
2. 理论构建的主要过程能带理论的构建经历了一系列的发展过程。
最早的一些能带理论如卢瑟福模型和Drude模型，是基于经典力学和经典电动力学的假设，对于一些简单情况具有一定的解释能力。
然而，这些模型无法解释复杂固体中的行为，因为它们没有考虑到量子力学效应。
在量子力学的框架下，人们使用薛定谔方程和波函数的理论来描述电子在固体中的行为。
经典的能带理论建立在Bloch定理的基础上，该定理认为固体中的电子具有周期性的晶格势场作用下的波函数形式。
通过求解薛定谔方程，我们可以得到电子的能量本征值和本征态。
3. 对实际应用的影响能带理论的提出和发展对固体物理学的研究产生了深远的影响。
首先，能带理论提供了解释固体材料电子运动行为的一个理论模型。
它可以解释金属、绝缘体和半导体等不同类型材料的电导特性，以及它们在外界条件下的响应。
其次，能带理论对材料的设计和合成起着重要作用。
通过对能带结构的调控，我们可以设计出具有特定能带特性的新材料。
例如，针对光电子器件应用的材料，我们可以通过调节能带结构来实现不同波长的能带过渡和光电转换。
而且，能带理论也对半导体器件的工作原理给出了关键的解释。
例如，能带理论对于理解和优化半导体二极管、晶体管和太阳能电池等器件的性能至关重要。
它可以揭示不同物理机制对器件行为的影响，为器件的设计和优化提供了指导。
总结起来，能带理论是固体物理学中一项重要的理论构建。
固体物理学第四章 能带理论(1)
讨 论：
（1）电子出现的几率具有正晶格的周期性 ∣（k ,x）∣2＝∣u（k，x）∣2 ∣（k ,x＋la）∣2=∣u（k ,x+la）∣2 ∵ u（k，x）= u（k ,x+la） ∴∣（k ,x）∣2=∣（k ,x＋la）∣2 物理解释：晶格具有周期性，因而在其中运动 的电子也具有相同周期的的概率分布。
（2）布洛赫定理的另一种表示（理解）。 证明: ∵ （k ,x）＝u（k，x）eikx， u（k，x）＝u（k ,x+la） 所以： u（k，x+la）= u（k，x） ＝（k,x）e-ikx (A) 同时， u（k ,x+la）=（k ,x+la）e-ik(x+la) = [e-ikla （k ,x+la）] e-ikx (B) 比较（A）（B）二式，左右分别相等 ∴ （k ,x+la）＝（k ,x）eikla 物理意义：晶格中两个格点之间的波函数有一个振动的相位差 两种表示实际上是等价的.
2 2 H 晶体中单电子的哈密顿量为： V(r), 其中 V(r) V(r R n ) 2m
2 2 T Hf (r) r a V(r a ) f (r a ) 2m 2 2 V(r) f (r a ) HT f (r) 2m
R m m1a1 m 2a 2 m 3a 3 若平移任意晶格矢量:
T T T T 0
m1 1 m2 2 m3 3
有:
T T T f (r) f (r m1a1 m 2a 2 m 3a 3 )
（2）平移算符与系统哈密顿量对易
所以
N 1 1 ei 2 l1 , 1 ei 2 l1 / N1 ,
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5）不同能带有可能重叠，其间禁带消失。
6） 晶体中有杂质或缺陷时，破坏了周期性结构， 禁带中可能出现杂质能级。
▲ 四. 导体，绝缘体，半导体的能带特征 以 l ，0即每个子能级至多容纳 2 个电子为例：
电子运动,分布不变
满带中的电子运动 不产生电流
电子运动 ,分布变化
导带中的电子运动可以 形成电流
(a) 石英晶体
(b) 石英玻璃
a
a ab: 14147
bc: 12000
c b c ca: 11308
非晶体：
晶格被破坏的固体； 被“冻结”的无序结构
——“过冷”液体
固体物理：晶体有成熟理论，基础是“能带理论”
非晶体理论正迅速发展
势能函数举例：价电子在钠离子场中 单个钠离子：
两个靠近的钠离子
3) P型半导体（在四价元素中掺入三价元素）
空穴
例如： 硼 （B） 镓 （Ga）
杂质能级接近满带顶，满带中电子容易受激发进入杂质 能级，使满带中空穴浓度增大。
导带
空穴——多数载流子
受主
杂质能级——受主能级
杂质能级
价带（满） 以空穴导电为主
比较
本征 半导体
N型 半导体
P型 半导体
能带结构
E
导带
例： Mg
1s2 2s2 2 p6 3s2
每个原子二个价电子，3s 能带形成满带，但与空带 重叠，形成较宽导带。
例： Na 1s2 2s2 2 p6 3s1
每个原子一个价电子， 3s能带形成导带，又 与空带重叠，形成更 宽导带。
2.绝缘体的能带结构
价带为满带，且与空带间的禁带较宽。
一般：从满带到空带激发微不足 道，可以认为不存在导带。
1. 导体的能带结构：
价带为导带
价带为满带，与相邻空带 紧密衔接或部分重叠
价带为导带，又 与空带部分重叠
例 ： Li
1s2 2s1
每个原子一个价电 子（2s 态） N个原子共有N 个价电子 N个 Li 原子形成 固体时，2s 能级 分裂为能带，有N 个子能级。可容纳 2N个电子，成为 未满带：导带
例：ns带 l=0，最多容纳电子数为 2N np带 l=1，最多容纳电子数为 6N
能带被电子填满：
满带
能带未被电子填满： 导带
完全未被电子填充： 空带
（激发态能级）
价电子所处的能带—价带
可为满带 可为导带
T 0K, 无激发电子,原子所占据的 EF 最大能级叫做费米能级，此时满能
级与空能级的分界面叫做费米面。
•电子云重叠：相邻原子的电子云重叠，重叠区域中出 现的电子不能简单归属于某一特定母核，属于相邻原 子或整个晶体共有。
E3 E2 E1
•隧道效应：一个原子中的电子有可能穿越势垒进入另 一个原子，出现一批不受特定原子束缚的共有化电子。 外层电子共有化趋向比内层电子更显著。
由于共有化电子彼此间量子数不能完全相同，于是 各原子中能量相同的能级分裂为N个与原来能级接近 的新能级，组成能带来容纳这些共有化电子。
多个钠离子(一维)
势能函数： 克朗尼克—潘纳模型
U
Uo
-d o c
x
总势能 U： 固定离子势场与其它电子平均场， 为周期性重复排列的势阱和势垒
解定态薛定谔方程得波函数 —— 布洛赫波函数
重要结论： 晶体中能级 —— 能带
三.晶体的能带结构
1. 形成能带的原因 1）晶体中电子的状态 ——电子共有化
P-N 结的 V－I 特性
E
扩散运动
电子 N P 空穴 P N
eV 阻挡层电场方向 N P
0
U
漂移运动 电子 P N
V
空穴 N P
0
动态平衡，形成稳定的阻挡层势垒。 电子能带弯曲 ， 电势高处，电势能低。
• P-N结的单向导电性
p -+N
P
N
P: + 阻挡层减弱，势垒降低 N: - 多数载流子导电
P -+N
P
N
P: - 阻挡层加强，势垒升高 N: + 少数载流子导电
当外来激发使较多电子越过禁带 进入空带时，绝缘体击穿，原空 带成为导带。
3.半导体
价带为满带，与空带间的禁带较窄。
1）本征半导体（纯净半导体）
热运动足以使一些电子从满带进入空带，使空带成为 导带，满带中留下空穴。
导
E 导带
外场作用下 导带中电子逆电场方向运动 ——电子导电 原满带中电子填补空穴 满带中空穴沿电场方向运动 ——空穴导电
对称性 最高
液态
热运动动能~ “近程有序” 分子相互作用 （暂时、局部） 势能
流动性，有一定 体积，无一定形 状。
热运动动能 固态 <<分子间相
互作用势能
非晶体： 短程有序
晶体： 长 程有序
各向同性
晶面角守恒， 各向异性 ，有 确定熔点。
降低 再降低
石英晶体的晶面角守恒
a
a
a
b
c b cb c b
§18.2 固体能带理论基础 一.物态 物质的聚集态：大量粒子在一定温度、压强等外界条件 下聚集而成的稳定结构状态。
P
T
一定条件下，各种物态可以相互转化，有时还可以共存。
物质的固、液、气态比较
物态 条 件
气态
热运动动能 >>分子相互
作用势能
结构 完全无序
性质
无外场时自动趋向 稳定、均匀的平衡 态，无一定形状、 体积。
载流子:“电子—空穴”对 (数量较少，导电能力弱)
Si） 锗 （Ge）
例如： 磷 （P） 砷 （As）
杂质能级接近导带底，其上电子容易受激发进入空带， 使其电子浓度增大。
导带
电子 —— 多数载流子
施主
杂质能级
杂质能级 —— 施主能级
价带（满） 以电子导电为主
N个
1）能带由准连续的N个子能级组成，能带之间用禁带 分开，原子数N变化时，能带宽度不变，密度变化。
解方程得出：
自由电子能量曲线为抛物线，在一些位置断开。
N个 子能级
能带
禁带 能带
禁带 能带
2）能带宽度随能量增加而增加，随离子对电子约 束程度增加而减少。
3）每个角量子数一定的能带中最多容纳的电子数为： 2(2l+1)N
载流子
“电子—空穴”对 (数量较少，导电能力弱)
施主 受主
导带 杂质能级
价带（满）
电子——多数载流子 杂质能级——施主能级 以电子导电为主
导带
杂质能级 价带（满）
空穴——多数载流子 杂质能级——受主能级 以空穴导电为主
4） P-N结及其单向导电性
•P-N结的形成及其对扩散的阻挡作用
E P -+N