Важным результатом проведенного выше анализа является существование таких областей энергии, в которые электроны принципиально не могут попасть. Вид следа от поверхностей постоянной энергии на плоскости kx , ky показан на рис.5.6
Эти области обычно называют энергетическими
щелями, иногда — запрещенными зонами. Разность соответствует максимальной величине
энергетической щели. Таким образом, энергия электронов в кристалле так же, как,
например, в атоме, является «дискретной» в том смысле, что существуют области
запрещенных и разрешенных значений энергий. Подчеркнем, что в рассмотренном
одномерном случае разрешенные и запрещенные зоны последовательно чередуются. В
двух- и трехмерном случаях наблюдается, как говорят, эффект перекрытия зон,
который состоит в том, что минимум энергии в верхней зоне может находиться
ниже максимума энергии в нижней зоне.
Рис.5.5
Рис.5.6
Рис.5.7 Рис. 5.8
Заполнение электронами этих зон будет
происходить, следовательно, в порядке возрастания энергии, а значит, при
перекрытии зон может наблюдаться заполнение верхней зоны при незаполненной
нижней [1, 2, 6]. Реально такой эффект наблюдается для целого ряда металлов.
Зависимость для случая
расширенных зон показана на рис. 5.7, а для случая приведенных зон — на рис. 5.8.
Теперь можно построить волновые
функции, соответствующие ветвям и
. Согласно (5.65) для волновой функции с учетом
взаимодействия имеем
Из системы (5.66) с учетом значения
корней уравнения (5.68), находим связь между константами
.
(5.72)
Ограничиваясь одномерным случаем и
положив , получаем
;
.
(5.73)
Выражение (5.73) позволяет построить
распределение плотности электронов для ветвей и
.
;
. (5.74)
Рис. 5.9
Эти состояния представляют собой
стоячую волну, состоящую из симметричных () и антисимметричных (
) волн, которая образовалась в результате
отражения бегущей волны от решетки атомов (брэгговское отражение). На рис. 5.9
построено распределение плотности электронов в симметричной и антисимметричной
волнах; здесь же показано изменение потенциала взаимодействия электронов с
решеткой. Интересно, что электроны в состоянии с волновой функцией
располагаются в основном между
ионами решетки — эффект отталкивания, в состоянии с
; — сосредоточиваются вблизи ионов,
поэтому испытывают в основном притяжение (энергия их ниже, чем у свободных
электронов). В результате различия в энергиях состояний
и
возникает энергетическая щель.
Итак, воздействие потенциального
периодического поля решетки на электроны
приводит к тому, что энергия перестает зависеть от волнового вектора
непрерывно, а испытывает скачки конечной величины на границе зоны Бриллюэна,
когда волновой вектор кратен вектору решетки. Величина скачка при этом
пропорциональна компоненте Фурье-преобразования потенциала решетки. Возникают
энергетические зоны с величиной скачка в них носящие название запрещенных. Между
щелями возникают разрешенные зоны (см. выше о перекрытии зон):
.
Заметим, наконец, что возможна еще
одна трактовка воздействия потенциального периодического поля ионов на
электроны. Для этого рассмотрим поведение согласно уравнением (5.70) вблизи границ зоны
Бриллюэна, когда волновые вектора
можно записать в виде
,
.
При малых членом
под корнем в (5.70), можно пренебречь по
сравнению с разностью невозмущенных уровней, откуда получаем
(5.75)
Таким образом, состоянию при малых kсоответствует квадратичный закон
дисперсии, как и в случае свободных электронов. Состоянию
при малых
соответствует также квадратичный закон (для первой
зоны
)
. (5.76)
На границах первой зоны Бриллюэна () (т. е. при брэгговском
отражении), соответственно, имеем
,
, (5.77)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.