Зонная структура твердых тел. Зоны Бриллюэна для кубических и генксагональных кристаллов

Зоны Бриллюэна

вводятся в пространстве обратной решетки для определения минимального объема , которое содержит все значения компонент в.в.; отвечающих физически неэквивалентным состояниям электрона в зоне (из-за периодичности в.ф).

Линейная одномерная решетка:

1-зоной Бриллюэна называют интервал значений:

2-зона симметрично расположена вокруг в интервале и -интервал

Первая -называется приведенной , т.к. любой можно состояние привести в и наоборот учитывая периодичность энергии в -пространстве.

Т.е рассматривание состояний электрона в решетке можно ограничить , а другие исключить, т.к они содержат другие эквивалентные состояния (физические)

”0„ -центр зоны

Двухмерная (плоская) решетка

Размеры между трансляциями

Комп. в.в. ; ; ;

;

-число атомов

Средний вектор для состояния:

Все компоненты отвечающие неэквивалентным физическим постоянным, заключены в пределах первой зоны Бриллюэна с и - тоже прямоугольная плоская решетка в К - пространстве.

Трехмерный кристалл

Простой куб ---- обратная решетка ---- зона Бриллюэна

↓ ↓

Куб куб с объемом

Гранецентрированная ОЦК→усеченный октаэдр

(куб)

Зона Бриллюэна

Минимальный по объему многогранник построенный симметрично относительно центра − точки =0 и включающей все возможные неэквивалентные физические состояния для электрона в кристалле.

Основные точки в зоне Бриллюэна п/п Г, X, L

Минимумы энергии электронов в зоне проводимости п/п с алмазной решеткой и решеткой сфалерита лежат в центре − точки =0 − ”Г„ в направлениях [111] − ”X„ точка и [100] − ”L„ точка.

2.4 Эффективная масса электрона в кристалле, её связь со структурой энергетических зон. Понятие дырки. Динамика электрона в периодическом поле изитропных и анизотропных кристаллов.

Эффективная масса носителей заряда в телах

В кристалле на электрон действуют огромные силы со стороны кристаллического поля U(),которые превосходят по величине внешние силы со стороны электрических и магнитных полей.

Поэтому для описания динамики электрона под действием внешних полей с использованием законов механики для свободного электрона ввели понятие эффективной массы − m*

В эффективную массу m*”упрятали„ все внутренние силыЭлектроны в кристалле ускоряются только под действием внешних сил и m* связывает силу и ускорение .

Введем m*:

E − закон дисперсии − непрерывная функция в пределах имеющая экстремуму в различных точках .пусть в точке − находится экстремум функции E.

Разложим в ряд Тейлора функцию Eвблизи малой окрестности

E=E()+

в точке ,

где: − вторая производная по векторному аргументу =тензору второго ранга.

Запишем Eв форме аналогичной для свободного электрона: E()=, где − массасвободного электронаE=E()+,

где − тензор обратной эффективной массы − размерность.

Обратной массы, т.к. размерность квазиимпульса совпадает с размерностью импульса.

() − материальная константа веществапоэтому главные оси тензора обратной массы совпадают с главными осями (основными) симметрией кристалла.

Запишем тензор () в главных осях, при этом =

= [], где − главные значения тензора обратной эффективной массы.

Запишем закон дисперсии в главных значениях тензора обратной эффективной массы:

E()=E()+,где: − кинетическая энергия электрона проводимости, имеющая разные массы по направлениям .

Величина 1:= − компоненты эффективной массы по направлениям .

Понятие m* − неформальное,т.е m* позволяет описывать динамику электрона в периодическом поле под действием внешних сил, но только для энергий в узком интервале, вблизи экстремумов в зоне.

О знаке m*

В близи минимума энергии в зоне (дно зоны) тензор обратной эффективной массы имеет положительный знак (), то эффективная масса электрона − положительна (), в близи максимума энергии в зоне (потолок зоны) −( ) − отрицательный знак, поэтому эффективная масса электрона отрицательна ().

Т.о у потолка зоны электрон будет как частица с отрицательной массой, что означает, что он ускоряется против направления действия внешней силы.

Электрон с заменяют квазичастицей с положительным зарядом =и положительной массой равной массе электрона.

Такая частица ускоряется нормально − по направлению силы − называют дыркой

Анизотропный и изотропный квадратичные законы дисперсии

Введение m* позволяет записать в квадратичной форме законы дисперсии E() для кристаллов различной симметрии, но вблизи экстремальных значений энергии, где справедливо понятие m*.

Анизотропный закон дисперсии E() − эффективная масса − тензор.

Положим , E(),то E()=

Изотропный закон дисперсии − характерен для прямозонных п/п, для электронов вблизи точки () − эффективная масса (скалярная величина).

E()= (1: ), − изотропная величина

Анизотропный закон E() − характерен для электронов в зоне проводимости непрямозонных п/п.

E()=

Оси x, y, z − главные оси симметрии кристалла и тензора обратной эффективной массы.

Поверхности равной энергии

E( )=const или E( )=const

Используется для описания зонной структуры кристаллов наряду с законом дисперсии.

E()=const − поверхность второго порядка(трехосный эллипсоид)

пусть экстремум E лежит в точке

E()=E()+()

Запишем уравнение E()=const в канонической форме:

a, b, c − полуоси эллипсоида

a=; b=; c=

Если − имеем эллипсоид вращения.

Если − то поверхность E()=const − сфера (тензор вырождается в скалярную величину).

Физические свойства кристалла в этом случае изотропные, а в предыдущем случае анизотропные.

Динамика электронов в периодич. поле кристалла

Для описания динамики электрона используют классическую функцию Гамильтона, заменив импульс на квазиимпульс:

= E()+V()

E() − кинетическая энергия

V() − потенциальная энергия

Скорость электрона V( ) в разрешенном − состоянии энергетической зоны

Используем уравнение Гамильтона для скорости:

т.е. () − есть градиент энергии V() − V()=

значение () совпадает с групповой скоростью волнового пакета, отчего движение квантовой частицы с энергией и импульсом

− равна квантовомеханической средней скорости

Особенности движения

V() определяется градиентом E(), поэтому вектор скорости () направлен по нормали к изоэнергетической поверхности E() = const

Если − тензор, то () и не совпадают по направлению.

Вектор () и совпадают по направлению, если - скаляр, т.е. для свободного электрона.

Особенности движения электрона у краев зон

У краев энергетических зон энергия электрона принимает экстремальные значения (E min и E max).

Поэтому , т.е. электрону соответствует не бегущая волна (волна Блоха), а стоячая, при значениях происходит отражение электронных волн от границ зоны Бриллюэна.

При приближении электрона к границе электронная волна тормозится решеткой и отражается. Стоячая электронная волна не участвует в переносе энергии.

Скорость является нечетной функцией волнового вектора =, поэтому средняя скорость по всей зоне будет равна нулю.

=(интегрируем в симм. пределах)

Т.о. при движении электронов, при отсутствии внешнего электрического поля не будет переноса зарядов, т.е. не будет возникать электрический ток.

Ускорение электрона в кристалле

можно определить, как изменятся скорость во времени:

Предположим, эффективная масса это , найдем -компоненту ускорения;

Энергия от t зависит через зависимость от t, поэтому:

Вывод: при тензорной эффективной массе электрон под действием в направлении получает ускорение в направлении . Направления ускорения и силы будут совпадать, если направлена вдоль главных осей тензора обратной эффективной массы.

Если эффективная масса- скаляр, то ускорение будет получать электрон всегда по направлению силы:

это соотношение для тензора справедливо для значений массы, равной

Особенности динамики электрона в кристалле связаны с одновременным действием внешней силы и кристаллического поля на электрон, обладающего волновыми свойствами.

Физический смысл понятия эффективной массы

Нарисуем графики: E(); ;

При и наблюдается отклонение E() от квадратичной зависимости, вследствие того, что с ростом энергии увеличивается волновой вектор электрона, длина электрона

(*) уменьшается и становится сравнимой с межплоскостным расстоянием, что приводит к Брэгговскому отражению электронных волн от атомных плоскостей – с ростом возрастает доля отраженной волны, а затем торможение при

(**) скорость v:

в пределах от доэлектрон движется как свободный.

при - скорость достигает максимального значения, а затем в следствии торможения решеткой, падает до нуля.

Этому соответствует смена знака с плюса на минус.

Затем электрон отражается от точки к точки и снова движется в прежнем направлении, т.е. электрон совершает периодические движения во внешнем электрическом поле.