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  第五章 思考练习>>
   
  5-1 、试说明近自由电子模型及紧束缚模型的基本思想。
      [提示] 近自由电子近似和紧束缚近似都是研究晶体中电子运动规律的一种单电子近似理论,前者认为晶体中的电子除受一平均势场作用
      外,还受一很小的周期势场的作用,可看作微扰处理(详见 第五章第三节 );后者认为晶体中的电子基本上束缚在个别原子上,但受
      到其他原子势场的微扰,在解薛定谔方程时可以将波函数按原子轨道波函数展开,若只考虑最近邻原子的影响,则容易求得晶体内电子
      的能量(详见 第五章第四节 )。
   
 

5-2 、试说明描述电子状态的波矢空间与倒格子空间有何关系?

      [提示] 二者是统一空间,分别从基矢,一个倒格点和波矢点所对应的体积等方面来说明。
   
 

5-3 、试述有效质量的意义。

      [ 提示 ] 有效质量将晶体中电子准经典运动的加速度与外力直接联系起来,与电子惯性质量有很大差别,它包含了晶格周期场的信息。
      ( 详见第五章第五节 )。
   
 

5-4 、试述导体、半导体和绝缘体能带结构的基本特征。

      [ 提示 ] 对于导体,晶体能带中除了满带外,还有不满带,其价电子能带是不满带。对于绝缘体,晶体能带中除了满带外.就是空带,
      而且,最高的满带与最低的空带之间的禁带宽度较大;对于半导体材料,与绝缘体的模型无本质差异,只是最高满带与最低空带之间的
      禁带宽度较窄( 详见第五章第六节 )。    
   
  5-5 、请解释什么是布洛赫电子和布洛赫波。
   
  5-6 、请解释费米面和费米能级的含义。
   
  5-7 、请解释电子与空穴的区别。
   
 

5-8 、请推导一维、二维和三维自由电子气的能态密度 N ( E )。

 

    [提示] 利用公式 可以计算三维情况能态密度,对于二维和一维情况,公式作相应的变

      化即可。
   
 

5-9 、一维周期场中电子的波函数 满足布洛赫定理。若晶格常数为 a ,电子的波函数为:

   
 

     (1)     

     (2)     

 

     [提示] 晶体中的电子是布洛赫电子,其电子波函数具有布洛赫函数形式,对于一维情况,有

   
 

5-10 、电子在周期场中的势能为:

     

     且 a =4b , ω 是常数。试画出此势能曲线,求其平均值。

 

    [提示] 令 n=1 , n=2 等来分别确定每个周期的函数形式,并绘图。利用 来求平均值。

   
 

5-11 、用近自由电子模型求解上题,确定晶体的第一个和第二个禁带的宽度。

    [提示] 利用公式    

   
 

5-12 、试写出一维近自由电子近似的第 n 个能带( n=1 , 2 , 3 )中,简约波数 的零级波函数。

 

    [提示] 对于简约波数为 的符合条件波矢为 ,则其属于第 n 个能带的条件是

      ,由此可以确定 n 和 m 的值,并按 形式写出零级波函数。
   
 

5-13 、用紧束缚方法处理面心立方的 s 态电子,若只计及最近邻相互作用,试推导能带函数 E( k ) 。

 

    [提示] 利用公式: 。 对于 s态波函数,是球对称,各方向的重叠积分相同,设为J1

      对于面心立方晶格,最近邻格点有 12 个,分别写出这 12个最近邻格矢代入公式即可。
   
 

5-14 、用紧束缚方法处理体心立方的 s 态电子,若只计及最近邻相互作用,试推导能带函数 E( k ) 。

 

    [提示] 利用公式: 。 对于s 态波函数,是球对称,各方向的重叠积分相同,设 为J1

       对于体心立方晶格,最近邻格点有 8个,分别写出这8个最近邻格矢代入公式即可 。
   
 

5-15 、已知一维晶体的电子能带可写为:

    

 

     式中 a 中晶格常数。试求:

 

    (1)能带宽度;

    (2)电子在波矢 k 的状态时的速度;

    (3)能带底部和顶部电子的有效质量。

 

     [提示] 利用公式 求带宽 , 利用极值条件 求极值 ; 利用 求电子平均速度 ;

       利用 求有效质量 。
   
   
   
   
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