晶体中电子的输运性质.ppt

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1、第六章晶体中电子的输运性质晶体中电子的速度、加速度和有效质量导体、半导体和绝缘体德哈斯-范阿尔芬效应玻尔兹曼方程驰豫时间的统计理论纯金属的电导率和热导率电子与晶格相互作用金属的电阻率第一节晶体中电子的速度、加速度和有效质量本节主要内容：6.1.1波包和电子速度6.1.2电子的加速度和有效质量6.1.3晶体中电子在恒定电场中的运动§6.1晶体中电子的速度、加速度和有效质量6.1.1波包和电子速度该粒子(例如电子)空间分布在附近的范围内，动量取值为附近范围内；满足测不准关系。把波包中心称为该粒子的位置，称为该粒子的动量。1.波包：晶体电子在波矢状态的平均运动速度，相当于以

2、为中心的波包移动的速度。自由电子波包：德布罗意波组成。晶体周期性势场中的电子波包：布洛赫波组成。由于波包包含不同能量本征态，必须考虑时间因子，把布洛赫波写成：波包函数写成式中已将的变化范围限制在由于是小量，2.电子速度将在处展开其中相应的几率分布为：由此可知，波包中心在u=v=w=0处，由u，v，w满足的关系式可看出，波包中心的位置是：波包中心移动的速度为6.1.2电子的加速度和有效质量如果有外力作用在电子上，显然在dt时间内，外力对电子将作功，其值为：1.加速度根据功能原理得：电子的准(赝)动量。由电子的平均速度即可求出它的平均加速度。电子加速度公式用矩阵表示为

3、2.电子有效质量上式与　形式类似，只是现在一个二阶张量代替了　，称其为倒有效质量张量。倒有效质量张量的分量为：选kx,ky,kz轴沿张量主轴方向，则有：这时倒有效质量张量是对角化的。下面以一维情况为例对电子有效质量进行简单的讨论。(1)有效质量反比于能谱曲线的曲率，Ek有效质量小有效质量大(2)有效质量是k的函数，在能带底附近总是取正值；在能带顶附近总是取负值。例1：以体心立方晶格，紧束缚近似下的s能带为例，讨论有效质量的特点。。解：由紧束缚近似可得体心立方s能带的能量表达式：在能带底部，kx=ky=kz=0处，在能带顶部，而在处，都变成晶体中电子的有效质量为什么可能

4、为负值？甚至还会变成无穷大呢？晶体中的电子除受外力作用外，还和晶格相互作用。但是的具体表达式是难以得知的，要使上式中不出现又要保持式子恒等，上式只好写成设电子与晶格之间的作用力为，则牛顿定律简单记为也就是说电子的有效质量m*本身已概括了晶格的作用。将冲量用动量的增量来代换，上式化为：二式比较得：从上式可以看出，当电子从外场获得的动量大于电子传递给晶格的动量时，有效质量m*>0；当电子从外场获得的动量小于电子传递给晶格的动量时，m*<0；当电子从外场获得的动量全部交给晶格时，m*，此时电子的平均加速度为零。有效质量m*是固体物理学中的一个重要概念。(1)m*不是电子的惯

5、性质量，而是在能量周期场中电子受外力作用时，在外力与加速度的关系上相当于牛顿力学中的惯性质量；（2)m*不是一个常数，而是的函数。一般情况下，它是一个张量，只有特殊情况下，它才可化为一标量的形式；（3)m*可以是正值，也可以是负值，特别有意义的是：在能带底附近，m*总是正值，表示电子从外场得到的动量多于电子交给晶格的动量，而在能带顶附近，m*总是负的，表示电子从外场得到的动量少于电子交给晶格的动量。有效质量与准动量都是人为定义的，用来描述晶体中电子的粒子性。用这些概念，处理晶体中电子的输运问题，可以把布洛赫电子看成是具有质量m*、动量为的准电子，使我们能够只考虑外力作

6、用下这样的准电子的运动。由于通常晶体周期场的作用是未知的，也不象外力那么容易求出，所以引入这两个量，给处理问题带来很大的方便。6.1.3晶体中电子在恒定电场中的运动以一维紧束缚近似为例加速度为正加速度为负1.电子在k空间的图象设沿-x方向加一恒定电场，电子受力沿x轴正方向(常量)电子在k空间作匀速运动代表同一状态，电子在k空间作循环运动，电子速度作周期性振荡。EExxACB(k=0)电子在实空间里也是振荡的。为一周期TT=简约区宽度/v(k)外电场的存在,附加电势能-ex2.电子在实空间中的运动图象(1)电子受晶体中杂质和缺陷及声子散射作用，电子来不及完成振荡运动

7、就被散射破坏掉了；(2)按照量子力学，电子遇到位垒时将有部分穿透位垒(遂道效应)，部分被反射回来。实空间中电子的振荡运动很难看到。第二节导体、半导体和绝缘体的能带论解释本节主要内容:6.2.1满带电子不导电6.2.2导体、半导体和绝缘体的能带6.2.3近满带和空穴6.2.4金属和绝缘体的转变6.2.1满带电子不导电1.满带、导带、近满带和空带(1)满带：能带中所有电子状态都被电子占据。(2)导带：能带中只有部分电子状态被电子占据,其余为空态。(3)近满带：能带中大部分电子状态被电子占据,只有少数空态。(4)空带：能带中所有电子状态均未被电子占据。§6