background image

opracował: Radek Kołkowski 

 

Funkcja Blocha 

 
W sieci krystalicznej w każdej komórce elementarnej prawdopodobieństwo przebywania elektronu jest takie 
samo – co wynika z periodyczności sieci: 
 

)

(

*

)

(

)

(

*

)

(

r

r

R

r

R

r

ψ

ψ

ψ

ψ

=

+

+

 

 

Jednak nie możemy na tej podstawie powiedzieć, że:     

)

(

)

(

r

R

r

ψ

ψ

=

+

 

 

Jak porównać ze sobą  

)

(r

ψ

 i 

)

(

R

r

+

ψ

 

Zadziałajmy na  

)

(r

ψ

 operatorem translacji 

)

(

1

R

T

)

, tzn. przesuwamy się w sieci do innej komórki 

elementarnej, zmieniając położenie o wektor 

3

3

2

2

1

1

1

a

n

a

n

a

n

R

+

+

=

,  gdzie 

3

2

1

,

,

a

a

a

 to stałe sieciowe, 

C

n

n

n

3

2

1

,

,

Jeśli dwie funkcje mają równe kwadraty, mogą się różnić co najwyżej o czynnik fazowy: 
 

)

(

1

1

)

(

)

(

)

(

)

(

R

f

i

e

r

R

r

r

R

T

ψ

ψ

ψ

=

+

=

)

 

 

Wykonując ponownie translację o jakiś inny wektor 

2

R

 otrzymujemy: 

 

)

(

)

(

)

(

2

)

(

2

1

2

2

1

1

1

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

R

f

i

R

f

i

R

f

i

R

f

i

e

e

r

e

R

r

e

r

R

T

r

R

T

R

T

ψ

ψ

ψ

ψ

=

+

=

=

)

)

)

 

Operacja ta jest równoważna przesunięciu o sumę wektorów 

1

R

 i 

2

R

 

)

(

)

(

)

(

1

2

2

1

R

T

R

T

R

R

T

)

)

)

=

+

 

)

(

2

1

2

1

2

1

)

(

)

(

)

(

)

(

R

R

f

i

e

r

R

R

r

r

R

R

T

+

=

+

+

=

+

ψ

ψ

ψ

)

 

 

Wynika stąd, że      

)

(

)

(

)

(

2

1

2

1

)

(

)

(

R

R

f

i

R

f

i

R

f

i

e

r

e

e

r

+

=

ψ

ψ

,  

a więc                                  

)

(

)

(

)

(

1

2

2

1

R

R

f

R

f

R

f

+

=

+

 

 

Jedyną funkcją spełniającą powyższy warunek jest funkcja liniowa:    

R

k

R

f

=

)

(

 

 
Tym sposobem dochodzimy do funkcji Blocha, która ma następującą postać: 
 

)

(

)

(

r

u

e

r

k

r

k

i

=

ψ

,     gdzie funkcja 

)

(r

u

k

 jest periodyczna: 

)

(

)

(

r

u

R

r

u

k

k

=

+

 

               |              | 
           funkcja     funkcja 
wolnozmienna     szybkozmnienna 
 
Funkcja Blocha spełnia narzucone warunki: 
 

 

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

R

f

i

R

k

i

k

R

k

i

r

k

i

k

R

r

k

i

e

r

e

r

r

u

e

e

R

r

u

e

R

r

=

=

=

+

=

+

+

ψ

ψ

ψ

 

 
 
 

background image

Równanie kp 

 
Obliczając energię elektronu w krysztale, stosujemy następujące przybliżenia: 
1. przybliżenie adiabatyczne (zakładamy, że atomy nie drgają – rdzenie 

    atomowe są sztywno utwierdzone w swoich miejscach: 

0

=

i

R

2. przybliżenie jednolektronowe (zakładamy, że w krysztale o periodycznym  
    potencjale znajduje się tylko jeden elektron:  

    

)

(

)

(

)

(

V

ˆ

2

kr

2

2

r

E

r

r

m

ψ

ψ

=

+

h

 

 
Wygodnym wyjściem do obliczenia energii elektronu w krysztale stanowi funkcja Blocha:   

)

(

)

(

r

u

e

r

k

r

k

i

=

ψ

 

)

(

)

(

)

(

)

(

V

ˆ

2

kr

2

2

r

u

e

k

E

r

u

e

r

m

k

r

k

i

k

r

k

i

=

+

h

 

 
Ż

eby rozwiązać powyższe równanie, musimy obliczyć pochodne: 

 

u

e

u

e

k

i

u

e

r

k

i

r

k

i

r

k

i

+

=

 

 

( ) (

)

=

+

+

+

=

+

=

u

e

u

e

k

i

u

e

k

i

u

e

k

u

e

u

e

k

i

u

e

r

k

i

r

k

i

r

k

i

r

k

i

r

k

i

r

k

i

r

k

i

2

2

2

 

(

)

u

u

k

i

u

k

e

r

k

i

2

2

2

+

+

=

 

 
Wstawiamy to, co uzyskaliśmy: 

Eu

e

u

r

m

k

m

k

i

m

e

r

k

i

r

k

i

=

+

+

)

(

V

ˆ

2

2

kr

2

2

2

2

2

h

h

h

 

dzielimy obustronnie przez 

r

k

i

e

 oraz odejmujemy 

u

m

k

2

2

2

h

 : 

u

m

k

E

u

m

k

i

r

m





=





+

2

)

(

V

ˆ

2

2

2

2

kr

2

2

h

h

h

          ←  równanie kp 

 

 

 

     || 

 

 

   || 

0

ˆ

H

 - ten wyraz jest taki sam,     zaburzenie

zb

Hˆ

        

'

- łatwa do policzenia różnica 

jak w równaniu wyjściowym  
 
Wyrażenie 

h

i

 jest równoważne działaniu operatora pędu  pˆ : 

=

h

i

pˆ

 

Trzeba też zauważyć, że funkcji 

)

(r

u

k

 o tym samym   może być wiele, dlatego trzeba je ponumerować. 

Ostatecznie dostajemy równanie kp w postaci, od której wzięło swoją nazwę: 
 

)

(

2

)

(

)

(

V

ˆ

ˆ

2

,

2

2

,

kr

2

2

r

u

m

k

E

r

u

r

p

k

m

m

k

n

k

n





=

+

+

h

h

h

 

 

n

 odróżnia niezdegenerowane stany energetyczne dla danego wektora falowego   

 
 

background image

*Rachunek zaburzeń i masa efektywna 

 

 
Wychodzimy od równania kp: 

u

E

u

m

k

E

u

m

k

i

r

m

'

2

)

(

V

ˆ

2

2

2

2

kr

2

2

=





=

+

h

h

h

 

m

k

E

E

2

'

2

2

h

+

=

 

Zamiast rozwiązywać równanie dla całej sieci rozwiązujemy je wyłącznie dla czynnika Blochowskiego. 
 
Stosujemy rachunek zaburzeń: rozpisujemy hamiltonian na sumę hamiltonianu zerowego i hamiltonianu 
zaburzenia: 

zb

H

H

H

ˆ

ˆ

ˆ

0

+

=

 

Przy czym znane jest działanie hamiltonianu zerowego na funkcję falową, która jest jego funkcją własną: 

0

0

0

0

ˆ

m

m

m

E

H

ψ

ψ

=

 

Problem polega na znalezieniu nieznanej funkcji własnej hamiltonianu będącego sumą 

zb

H

H

ˆ

ˆ

0

+

W tym celu rozpisujemy tą nieznaną funkcję w szereg funkcji znanych: 

=

=

1

0

m

m

nm

n

c

ψ

ψ

 

Działamy na to hamiltonianem: 

(

)

=

=

=

+

1

0

1

0

0

ˆ

ˆ

m

m

nm

n

m

m

nm

zb

c

E

c

H

H

ψ

ψ

 

Ponieważ hamiltonian jest operatorem liniowym: 

(

)

=

=

=

+

1

0

1

0

0

ˆ

ˆ

m

m

n

nm

m

m

zb

nm

E

c

H

H

c

ψ

ψ

 

Możemy działanie hamiltonianu zerowego zastąpić przez jego wynik: 

(

)

=

=

=

+

1

0

1

0

0

ˆ

m

m

n

nm

m

m

zb

m

nm

E

c

H

E

c

ψ

ψ

 

Mnożymy obustronnie przez funkcję 

*

0

l

ψ

 ortonormalną do 

0

m

ψ

 i całkujemy po objętości kryształu: 

=

=

=



+

1

0

*

0

1

0

*

0

0

*

0

0

ˆ

m

m

V

l

n

nm

m

m

V

zb

l

m

V

l

m

nm

dV

E

c

dV

H

dV

E

c

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

 

Ponieważ 

*

0

l

ψ

 i 

0

m

ψ

 są ortonormalne, 

lm

m

l

δ

ψ

ψ

=

0

*

0

 (delta Kronneckera), stąd: 

n

nl

m

m

V

zb

l

nm

l

nl

E

c

dV

H

c

E

c

=

+

∑ ∫

=

1

0

*

0

0

ˆ

ψ

ψ

 

Możemy przyjąć, że 

n

l

=

n

nn

m

m

V

zb

n

nm

n

nn

E

c

dV

H

c

E

c

=

+

∑ ∫

=

1

0

*

0

0

ˆ

ψ

ψ

 

background image

A więc 

...

0

+

=

E

E

n

 (energia jest sumą energii z hamiltonianu zerowego i nieskończonej sumy całek z 

zaburzeń). Po przekształceniach uzyskamy wzór, na którym opiera się rachunek zaburzeń: 

=

+

+

=

n

l

l

l

n

zb

zb

zb

n

n

E

E

n

H

l

l

H

n

l

H

n

E

E

1

0

0

0

0

ˆ

0

0

ˆ

0

0

ˆ

0

 

gdzie 

0

ˆ

0

l

H

n

zb

 oznacza skrócony zapis całki 

dV

H

l

V

zb

n

0

*

0

ˆ

ψ

ψ

 

Wszystko to działa przy założeniu, że 

zb

H

H

ˆ

ˆ

0

>>

 (hamiltonian zaburzenia daje niewielki wkład 

energetyczny w porównaniu z hamiltonianem zerowym) – wówczas wystarczą pierwsze 3 lub 4 wyrazy 
szregu, aby uzyskać poprawny wynik. 

0

0

l

n

E

E

 jest różnicą pomiędzy poziomami zerowymi 

 
Łączymy rachunek zaburzeń z funkcją Blocha:  
 

(

)

)

(

)

(

)

(

ˆ

ˆ

0

r

u

k

E

r

u

H

H

k

n

k

zb

=

+

 

 
gdzie, jak wynika z poprzednich przekształceń: 

m

p

k

m

k

i

H

zb

ˆ

ˆ

2

=

=

h

h

 

 





+

=

)

(

V

ˆ

2

ˆ

kr

2

2

0

r

m

H

h

 

Wstawiamy to do wzoru na energię w rachunku zaburzeń: 

=









+





+

=

n

l

l

l

n

n

V

l

l

V

n

n

V

n

n

n

E

E

dV

u

m

k

i

u

dV

u

m

k

i

u

dV

u

m

k

i

u

E

E

1

0

0

0

2

*

0

0

2

*

0

0

2

*

0

0

h

h

h

 
Dla 

0

=

k

 pochodna energii po wektorze falowym się zeruje: 

0

=

E

k

, co oznacza, że funkcja 

)

(k

E

 ma w 

tym punkcie ekstremum. W powyższym wzorze znika drugi człon, zależny liniowo od  
Jednocześnie iloczyn skalarny 

k

 możemy zapisać jako: 

=

=

3

1

i

i

i

x

k

k

 

Zauważamy dodatkowo, że w liczniku mamy iloczyn dwóch całek wzajemnie sprzężonych, a więc kwadrat 
całki, który jest zawsze dodatni – możemy zlikwidować minusy. Uzyskujemy: 

j

i

j

i

n

l

l

l

n

V

i

n

l

V

i

l

n

n

n

k

k

E

E

dV

x

u

u

dV

x

u

u

m

E

k

E

∑ ∑

=

=





+

=

3

1

,

1

0

0

0

*

0

0

*

0

2

4

0

)

(

h

 

Do tej energii musimy jeszcze dodać 

m

k

2

2

2

h

m

k

E

E

2

'

2

2

h

+

=

 

 
 

background image

Ostatecznie: 

m

k

k

k

E

E

dV

x

u

u

dV

x

u

u

m

E

k

E

j

i

j

i

n

l

l

l

n

V

i

n

l

V

i

l

n

n

n

2

)

(

2

2

3

1

,

1

0

0

0

*

0

0

*

0

2

4

0

h

h

+





+

=

∑ ∑

=

=

 

Jak widać, w krysztale dla elektronu o wektorze falowym 

k

, w przeciwieństwie do elektronu swobodnego, 

pojawiają się pasma energetyczne. 
 
Energię elektronu w krysztale możemy wyrazić skrótowo, przez analogię do elektonu swobodnego: 
 

=

+

=

3

1

,

*

2

0

2

)

(

j

i

j

i

j

i

n

n

m

k

k

E

k

E

h

         (w elektronie swobodnym:  

m

k

k

k

k

k

k

m

k

2

)

(

2

3

3

2

2

1

1

2

2

2

+

+

=

h

h

  ) 

 

*

j

i

m

 jest tzw. masą efektywną elektronu na danym kierunku, wynikającą z anizotropii rozkładu energii w sieci 

krystalicznej: 

=

+

=

n

l

l

l

n

V

i

n

l

V

i

l

n

j

i

j

i

E

E

dV

x

u

u

dV

x

u

u

m

m

m

1

0

0

0

*

0

0

*

0

2

2

*

2

1

h

δ

 

Elektron w krysztale zachowuje się jak elektron swobodny, tyle że zachowuje się tak, jakby miał w każdym 
kierunku inną masę. Masa efektywna jest tensorem, który, jeśli weźmiemy osie główne kryształu, będzie 
wyglądał następująco: 

=

*

33

*

22

*

11

*

1

0

0

0

1

0

0

0

1

1

m

m

m

m

j

i

         





+

+

=

*

33

2

3

*
22

2

2

*

11

2

1

2

2

m

k

m

k

m

k

E

h

 

 
Z kolei w kryształach izotropowych, np. kubicznych (Si, Ge, GaAs) wszystkie trzy osie są równoważne: 

*

2

2

2

m

k

E

h

=

 

 
Możemy też mieć do czynienia z kryształem, w którym wyróżniona jest jedna oś: 

2

2

2

2

2

||

y

x

z

k

k

k

k

k

+

=

=

+

 

Wówczas: 



+

=

+

+

*

2

*

||

2

||

2

2

m

k

m

k

E

h

 

 
 
 

background image

 
 

Warunki periodyczności Borna-Karmana: 

 

Aby opisać kryształ o skończonej liczbie   atomów, musimy atomowi o indeksie 

1

+

N

 przypisać numer 1. 

Można sobie wyobrazić, że gdy mamy jednowymiarowy kryształ, zamykamy go w „kryształ cykliczny”: 

 

Z kolei kryształ 2-wymiarowy: w torus 
 

 

 
(nie  sposób  sobie  wyobrazić  analogicznej  operacji  na  krysztale  3-wymiarowym,  ale  dokonujemy  tego  w 
rachunkach) 
 
Funkcja Blocha musi zatem spełniać warunek: 
 

)

(

)

(

1

1

)

(

1

1

x

u

e

a

N

x

u

e

k

x

k

i

k

a

N

x

k

i

x

x

=

+

+

  ,    (gdy rozpatrujemy jeden kierunek, np. 

x

1

1

1

=

a

N

k

i

x

e

,    gdy  

1

1

1

n

a

N

k

x

π

=

,      

1

1

...,

,

3

,

2

,

1

N

n

=

 

 
Wynika stąd, że wektor falowy musi być równy: 

1

1

1

2

N

n

a

k

x

n

π

=

 

Analogicznie dla pozostałych kierunków: 

2

2

2

2

N

n

a

k

y

n

π

=

      

3

3

3

2

N

n

a

k

z

n

π

=

 

Wszystkich atomów mamy 

3

2

1

N

N

N

N

=

 

Objętość komórki elementarnej: 

V

L

L

L

N

a

N

a

N

a

V

k

3

3

2

1

3

3

2

2

1

1

8

2

2

2

π

π

π

π

=

=

=

,    gdzie 

 - objętość kryształu 

Gęstość stanów w przestrzeni kryształu: 

3

3

8

1

8

1

)

(

π

π

ρ

=

=

V

V

k

k

,   jeśli przyjmiemy jednostkową objętość 

Gdy uwzględnimy spin, gęstość stanów wzrośnie dwukrotnie: 

3

3

4

1

4

)

(

π

π

ρ

=

V

k

 

 
 
 

 

background image

Model ciasnego wiązania 

 

Zakładamy, że dla konkretnego atomu znamy: 

0

0

0

0

ˆ

ψ

ψ

E

H

=

 

Rozważmy jeden kierunek w sieci kryształu, w której atomy powtarzają się periodycznie o 

a

  

i ponumerujmy kolejne atomy: 

i

i

E

H

ψ

ψ

0

0

ˆ

=

 

Funkcje 

i

ψ

 będą miały ten sam kształt, ale będą przesunięte w fazie: 

2

0

2

ψ

ψ

=

i

 

Weźmy się za równanie: 

ψ

ψ

E

H

=

ˆ

, gdzie 

Hˆ

 jest hamiltonianem dla całego kryształu 

 
Dla atomu poza kryształem: 

)

(

V

ˆ

2

ˆ

at

2

2

2

0

x

dx

d

m

H

+

=

h

 

W krysztale: 

)

(

V

ˆ

ˆ

)

(

V

ˆ

2

ˆ

p

0

kr

2

2

2

x

H

x

dx

d

m

H

+

=

+

=

h

 

gdzie 

p

V

ˆ  to tzw. potencjał perturbacji, wynikający z umieszczenia atomu w sieci krystalicznej: 

)

(

V

ˆ

)

(

V

ˆ

)

(

V

ˆ

at

kr

p

x

x

x

=

 

Ponieważ funkcja 

ψ

 zostaje zmieniona przez potencjał perturbacji, nie jest już funkcją własną hamiltonianu. 

Musimy ją rozpisać w szereg funkcji, które znamy: 

=

=

N

i

i

i

c

1

ψ

ψ

,  gdzie   jest liczbą atomów w sieci kryształu 

Jeśli uwzględnimy tylko oddziaływanie najbliższych sąsiadów: 

W

dx

dx

i

i

i

i

=

=

+

1

p

*

p

*

1

V

ˆ

V

ˆ

ψ

ψ

ψ

ψ

 

gdzie 

0

>

W

 - potencjał perturbacji obniża energię całkowitą (inaczej kryształ byłby niestabilny). 

Wstawiamy 

=

=

N

i

i

i

c

1

ψ

ψ

 do 

ψ

ψ

E

H

=

ˆ

=

=

=

N

i

i

i

N

i

i

i

c

E

c

H

1

1

ˆ

ψ

ψ

               -  całkujemy obustronnie: /

dx

m

*

ψ

 

(

)

dx

c

E

dx

c

H

N

i

i

i

m

N

i

i

i

m

=

=

=

+

1

*

1

p

0

*

V

ˆ

ˆ

ψ

ψ

ψ

ψ

 

 
 
 
 
 
 
 

background image

Lewa strona jest równa: 

(

)

=



+

=

+

=

=

N

i

i

m

i

m

i

N

i

i

i

m

dx

dx

H

c

dx

c

H

1

p

*

0

*

1

p

0

*

V

ˆ

ˆ

V

ˆ

ˆ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

ψ

 

 

 

 

 

 

 

 

       || 

 

 

 

 

 

 

 

  

i

E

ψ

0

 

)

(

V

ˆ

1

1

0

p

*

1

*

1

0

+

=

=

+

=

+

=

m

m

m

i

m

N

i

i

i

m

N

i

i

c

c

W

E

c

dx

c

dx

E

c

ψ

ψ

ψ

ψ

 

 

 

      ||   

 

 

|| 

 

 

 

 

 

 

 

   

mi

δ

  

 

        

W

 

 

uwzględniamy tylko najbliższych sąsiadów 

 

Zgadujemy rozwiązanie w postaci fali:  

ma

k

i

m

s

Ae

c

=

, gdzie  

x

ma

=

  (

a

 to stała sieciowa) 

 

E

Ae

Ae

Ae

W

E

Ae

ma

k

i

a

m

k

i

a

m

k

i

ma

k

i

s

s

s

s

=

+

+

)

(

)

1

(

)

1

(

0

 

 

dzielimy obustronnie przez 

ma

k

i

s

Ae

 

E

e

e

W

E

a

k

i

a

k

i

s

s

=

+

)

(

0

 

 
I tym sposobem otrzymujemy zależność energii od wektora falowego: 
 

a

k

W

E

E

s

cos

2

0

=

 

 
Wynik jest bardzo prosty, ale to tylko dzięki temu, że  rozpatrywaliśmy wyłącznie jeden kierunek. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

background image

 
 
 

Koncentracja nośników w półprzewodnikach

 

 

 
Prawdopodobieństwem zajmowania danego stanu energetycznego przez fermiony rządzi 
statystyka Fermiego-Diraca: 

1

1

)

(

+

=

kT

E

E

F

e

E

f

 , gdzie   jest stałą Boltzmanna, zaś 

F

E

 to energia Fermiego 

 
Przykładowo, dla metali, w temperaturze ok. 300 K: 
 

 

 
 
W przestrzeni odwrotnej poziom Fermiego tworzy kulę, znajdującą się w środku strefy Brillouina. 
Stany poniżej poziomu Fermiego (wewnątrz kuli) są obsadzone, z kolei poza kulą – praktycznie puste. Prąd 
jest przewodzony przez elektrony rozmyte na powierzchni kuli – jest ich o dwa rzędy wielkości mniej, niż 
wewnątrz, ale i tak nie wszystkie biorą udział w przewodzeniu. 
Na sferze o promieniu wyznaczanym przez wektor falowy   gęstość stanów jest jednorodna: 
 

3

4

1

)

(

π

ρ

=

k

 

 
Gęstość zależy od energii, a ta jest proporcjonalna do kwadratu wektora falowego: 
 

*

2

2

2

m

k

E

h

=

 

 
 

background image

Gęstość nośników możemy wyrazić jako stosunek ich koncentracji do objętości: 

dV

dN

k

=

)

(

ρ

 

stąd: 

dk

k

dk

k

dV

k

dN

2

2

2

3

4

4

1

)

(

π

π

π

ρ

=

=

=

 

Jednocześnie możemy napisać:  

dE

E

dN

)

(

ρ

=

 

 

 

Łącząc powyższe równości uzyskujemy:  

dE

dk

k

E

2

2

)

(

π

ρ

=

 

Korzystając z zależności 

*

2

2

2

m

k

E

h

=

 obliczamy pochodną:  

*

2

m

k

dk

dE

h

=

 

 

2

2

2

2

2

*

*

)

(

h

h

m

k

k

m

k

E

π

π

ρ

=

=

 

Z równania 

*

2

2

2

m

k

E

h

=

 mamy również wyrażenie na  :  

h

E

m

k

*

2

=

, które wstawiamy tego powyżej: 

E

m

E

3

2

2

3

2

1

*)

(

2

)

(

h

π

ρ

=

  

 -  jest to zależność prawdziwa na dnie pasma przewodnictwa, tam, gdzie nośniki przewodzą prąd 
 
Nośnikami ładunku mogą być zrówno elektrony, o rozkładzie:  

 

1

1

)

(

+

=

kT

E

E

e

F

e

e

E

f

jak i dziury, oznaczające brak elektronu:   
 

e

d

e

d

E

E

E

f

E

f

=

=

)

(

1

)

(

 , stąd: 

background image

1

1

)

(

+

=

+

kT

E

E

d

F

d

e

E

f

     

-  poziom Fermiego jest taki sam dla elektronów i dziur, znajduje się mniej więcej w połowie przerwy 

energetycznej, tam też wybieramy poziom zerowy: przeskalowujemy energię 

e

g

e

E

E

E

+

2

 

Koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa – całka po strefie Brillouina: 

=

=

=

0

)

(

)

(

)

(

)

(

e

e

e

SB

dE

E

E

f

dE

E

E

f

n

ρ

ρ

+

=

0

2

1

3

2

2

3

2

1

2

*)

(

2

1

1

e

e

kT

E

kT

E

kT

E

dE

E

m

e

e

e

F

g

e

h

π

 

Stosujemy przybliżenie: 

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

kT

E

F

g

e

F

g

e

F

g

e

e

e

e

e

e

e

e

e

e

2

2

2

1

1

1

=

+

 

=

0

2

1

3

2

2

3

2

1

2

*)

(

2

e

e

kT

E

kT

E

kT

E

dE

E

m

e

e

e

n

F

g

e

h

π

 

 

 

 

= const 

Zamiana zmiennych: 

kT

E

x

e

=

,   

2

1

2

1

2

1

)

(

x

kT

E

e

=

,   

dx

kT

dE

e

=

 

 

dx

x

e

kT

m

e

e

n

x

kT

E

kT

E

F

g

=

0

2

1

3

2

2

3

2

3

2

1

2

)

(

*)

(

2

h

π

 

 

 

 

 

 

 

 

|| 

 

 

 

 

 

 

         

2

π

 

Ostatecznie: 

kT

E

kT

E

e

F

g

e

e

kT

m

n

2

2

3

2

*

2

2





=

h

π

   -  koncentracja elektronów w paśmie przewodnictwa 

 
Wykonując analogiczne obliczenia w przypadku dziur otrzymalibyśmy: 
 

kT

E

kT

E

d

F

g

e

e

kT

m

p





=

2

2

3

2

*

2

2

h

π

 -  koncentracja dziur w paśmie walencyjnym 

 
 
 
 
 
 

background image

 

 

 

Półprzewodniki samoistne 

 

Poziom Fermiego dla półprzewodnika niedomieszkowanego (samoistnego) oznaczamy symbolem 

S

F

E

W półprzewodniku takim liczba elektronów jest równa liczbie dziur: 

S

n

p

n

=

=

 

Korzystając ze wzorów: 

kT

E

kT

E

e

F

g

e

e

kT

m

n

2

2

3

2

*

2

2





=

h

π

      i       

kT

E

kT

E

d

F

g

e

e

kT

m

p





=

2

2

3

2

*

2

2

h

π

 

Otrzymujemy zależność: 

kT

E

d

kT

E

e

S

F

S

F

e

m

e

m

=

2

3

*

2

3

*

)

(

)

(

 

2

3

*

*

2





=

e

d

kT

E

m

m

e

S

F

      

*

*

ln

4

3

e

d

S

F

m

m

kT

E

=

 

 
Mając poziom Fermiego, możemy policzyć koncentrację nośników 

S

kT

E

kT

E

e

S

S

F

g

e

e

kT

m

n

2

2

3

2

*

2

2





=

h

π

 

4

3

*

*

ln

4

3

*

*





=

=

e

d

kT

m

m

kT

kT

E

m

m

e

e

e

d

S

F

 

Mnożymy ten wyraz przez 

( )

2

3

*

e

m

( )

(

)

[

]

2

3

2

1

*

*

4

3

*

*

2

3

*

d

e

e

d

e

m

m

m

m

m

=





 

Wyrażenie 

(

)

2

1

*

*

d

e

m

m

 to masa zredukowana:  

(

)

*

2

1

*

*

r

d

e

m

m

m

=

 

A więc: 

kT

E

r

S

g

e

kT

m

n

2

2

3

2

*

2

2





=

h

π

 

- koncentracja samoistna zależy tylko od masy zredukowanej, przerwy energetycznej i temperatury 
 
 
 
 
 
 

background image

Fonony akustyczne 

 

Fonony to drgania atomów w sieci kryształu. Najłatwiej jest je wyprowadzić z sieci liniowej: 

 

 

Siła działająca na atom wychylony z położenia równowagi: 

x

F

α

=

,   gdzie 

α

 - stała siłowa 

Z II prawa dynamiki Newtona:  

a

m

F

w

=

 ← przyspieszenie = druga pochodna wychylenia po czasie: 

n

n

n

n

n

m

ξ

α

ξ

α

ξ

α

ξ

α

ξ

+

=

+

1

1

&

&

 

(

)

1

1

2

+

+

=

n

n

n

n

m

ξ

α

ξ

α

ξ

α

ξ

&

&

   -  

n

- te równanie, dotyczące wychylenia 

n

-tego atomu 

Równanie to jest skojarzone z równaniem 

1

n

  i  

1

+

n

Szukamy rozwiązania w postaci fali płaskiej: 

(

)

qna

t

i

n

Ae

=

ω

ξ

,    gdzie  

x

na

=

  to położenie atomu w sieci 

(

)

2

2

+

=

iqa

iqa

e

e

m

α

ω

 

(

)

2

cos

2

2

=

qa

m

α

ω

 

(

)

qa

m

cos

1

2

=

α

ω

 

Korzystamy z własności funkcji trygonometrycznych: 

x

x

x

x

x

x

2

cos

1

sin

2

sin

2

1

sin

cos

2

cos

2

2

2

2

=

=

=

 

2

sin

2

2

sin

4

2

qa

m

qa

m

=

=

α

α

ω

    -  jest to wyrażenie na dyspersję sieci 

 
Najkrótsza możliwa fala akustyczna, jaka może się rozchodzić w ciele stałym: 

a

2

min

=

λ

,   stąd  

a

q

π

λ

π

=

=

min

max

2

 

Dla małych 

α

:   

α

α

sin

       →   

uq

qa

m

=

=

α

ω

,    gdzie 

u

- prędkość dźwięku w krysztale 

Po skwantowaniu tego pola harmonicznego uzyskamy fonony – elementarne drgania atomów: 

Energia całkowita drgań:       

+

=

2

1

n

E

ω

h

  

-  okazuje się, że dla 

0

=

n

 występują drgania zerowe (atomy w sieci nie mogą być nieruchome) 

 
 

background image

 

Fonony optyczne 

 
Rozpatrujemy sieć, w której mamy po dwa atomy na węzeł: 

 

1

,

2

,

1

,

2

,

1

1

,

1

n

n

n

n

n

m

ξ

β

ξ

β

ξ

α

ξ

α

ξ

+

=

&

&

 

2

,

1

,

1

2

,

1

,

1

,

2

n

n

n

n

n

m

ξ

α

ξ

α

ξ

β

ξ

β

ξ

+

=

+

&

&

 

(

)

qna

t

i

n

Ae

=

ω

ξ

1

,

 

(

)

qna

t

i

n

Ae

=

ω

ξ

2

,

 

Dla obu atomów częstość i wektor falowy są takie same, różne są natomiast amplituda i faza. 
Otrzymujemy układ równań: 

+

=

+

=

B

Ae

B

A

B

m

A

B

A

Be

A

m

iqa

iqa

α

α

β

β

ω

β

β

α

α

ω

2

2

2

1

 

=

+

+

=

+

+

0

]

)

[(

)

(

0

)

(

]

)

[(

2

2

2

1

ω

β

α

α

β

β

α

ω

β

α

m

B

e

A

e

B

m

A

iqa

iqa

 

 
W zapisie macierzowym: 

=

+

+

+

+

0

0

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

2

1

B

A

m

e

e

m

iqa

iqa

ω

β

α

β

α

β

α

ω

β

α

 

 
Rozwiązanie nietrywialne istnieje wtedy, gdy wyznacznik macierzy 

0

 

0

)

)(

(

]

)

][(

)

[(

2

2

2

1

=

+

+

+

+

β

α

β

α

ω

β

α

ω

β

α

iqa

iqa

e

e

m

m

 

 
gdy przyjmiemy, że 

m

m

m

=

=

2

1

, ilość rozwiązań się nie zmieni, a za to równanie się uprości: 

 

0

)

cos

2

(

]

)

[(

2

2

2

2

=

+

+

+

qa

m

αβ

β

α

ω

β

α

 

 

 

 

 

 

2

δ

=

 

δ

ω

β

α

±

=

+

2

)

(

m

 

m

δ

β

α

ω

±

+

=

)

(

 

background image

 

Gdy    

0

=

q

,  

2

2

2

2

)

(

2

β

α

αβ

β

α

δ

+

=

+

+

=

 

m

)

(

2

,

0

β

α

ω

ω

+

=

=

+

 

Gdy     

a

q

π

=

,  

2

2

2

2

)

(

2

β

α

αβ

β

α

δ

=

+

=

 

m

m

α

ω

β

ω

2

,

2

=

=

+

 

 
Jak zinterpretować to rozwiązanie? 
 

 

 
Górna linia to drgania optyczne – atomy z jednego węzła wychylają się w przeciwne strony. 
Dolna linia – drgania akustyczne, w których atomy z jednego węzła wychylają się w tę samą stronę. 
 
Wśród tych drgań wyróżniamy jeszcze fale poprzeczne: 

1

T

 i 

2

T

,  oraz fale podłużne  L.  

Tworzą one tzw. gałęzie:  3 gałęzie akustyczne,  oraz  3(n-1) gałęzi optycznych.