Bài giảng Vật lí chất rắn - Chương 4: Lí thuyết dải năng lượng cung cấp cho học viên những kiến thức về electron trong trường thế tuần hoàn của tinh thể; mô hình electron liên kết yếu (định tính); mô hình electron liên kết mạnh (định tính); kim loại, bán dẫn và điện môi;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
VẬT LÍ CHẤT RẮN Phạm Đỗ Chung Bộ mơn Vật lí chất rắn – Điện tử Khoa Vật lí, ĐH Sư Phạm Hà Nội 136 Xn Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Chương 4 Lí thuyết dải năng lượng Electron trường tuần hồn tinh thể Mơ hình electron liên kết yếu (định tính) Mơ hình electron liên kết mạnh (định tính) Kim loại, bán dẫn điện môi Hàm Bloch Mơ hình electron liên kết yếu (định lượng) Mơ hình electron liên kết mạnh (định lượng) Phương trình chuyển động electron lỗ trống PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Electron Mạng khơng gian Gốc Mạng tinh thể Gốc hình cầu cứng Các cấu trúc xếp chặt Gốc tương tác lẫn nhau Các loại tinh thể (ion,…) Gốc dao động Dải năng lượng PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Electron trong trường thế tuần hoàn của tinh thể Chuyển động electron é- " !ù ! ! ê m Ñ + V( r )ú y( r ) = Ey( r ) ë û E, ψ (r) ó Trạng thái electron PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Electron trong trường thế tuần hoàn của tinh thể PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Mơ hình electron liên kết yếu (định tính) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Mơ hình electron liên kết yếu (định tính) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Mơ hình electron liên kết yếu (định tính) Năng lượng hàm sóng electron tinh thể chiều phải tuần hoàn với chu kì 2𝜋/𝑎 Fig 3.2, p58, H Alloul, Introduction to the physics of electrons in solide PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Mơ hình electron liên kết yếu (định tính) • Năng lượng và xung lượng có giá trị liên tục • Khơng bị giới hạn độ lớn PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Mơ hình electron liên kết yếu (định tính) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 10 Mơ hình electron liên kết mạnh (định tính) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 17 Mơ hình electron liên kết mạnh (định tính) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 18 Kim loại, bán dẫn và điện mơi Trong vật rắn có hai loại dải năng lượng: • Dải được phép: là dải năng lượng chứa các mức khả dĩ mà electron có thể nằm ở các mức năng lượng đó • Dải cấm: là dải khơng chứa mức năng lượng khả dĩ nào Khơng có electron nào trong tinh thể có mức năng lượng thuộc vào dải cấm PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 19 Kim loại, bán dẫn và điện mơi • Vật rắn có cấu trúc năng lượng thành từng dải • Trong mỗi dải được phép có N mức khả dĩ vì vậy có 2N trạng thái của electron • Nằm giữa các dải được phép là dải cấm • Mức năng lượng nằm sâu trong nguyên tử sẽ tách thành các dải hẹp PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 20 Kim loại, bán dẫn và điện môi Cấu trúc dải năng lượng của tinh thể Số electron trong hệ PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 21 Kim loại, bán dẫn và điện mơi Kim loại • Xét tinh thể mà nút ion ngun tố hóa trị (Li, K, …) • Các nguyên tử đóng góp electron vào dải hóa trị • Dải hóa trị dải lượng hình thành từ mức lượng electron hóa trị PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 22 Kim loại, bán dẫn và điện mơi Dải hóa trị điền đầy nửa Các electron nằm dải dễ dàng chuyển lên mức lượng cao nhờ tác dụng điện trường nên tham gia vào trình dẫn điện vật rắn Dải phép cịn trống có chứa electron có khả dẫn điện gọi dải dẫn Các tinh thể nguyên tố nhóm (Li, K, …) kim loại PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 Sodium (Na): 3s1 23 Kim loại, bán dẫn và điện môi PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 24 Kim loại, bán dẫn và điện môi PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 25 Kim loại, bán dẫn và điện mơi Bán dẫn • Tinh thể có dải hóa trị bị chiếm đầy • Dải phép bên trống hồn tồn khơng phủ lên dải hóa trị • Dải lượng phép mà trống hồn tồn cịn gọi dải trống • Khoảng dải trống dải hóa trị (bề rộng dải cấm) nhỏ Eg≤ eV PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2018 Eg ≤ eV 26 Kim loại, bán dẫn và điện môi PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 27 Kim loại, bán dẫn và điện mơi Điện mơi • Tinh thể có dải phép bị chiếm đầy • Dải trống bên khơng phủ lên dải bị chiếm • Khoảng hai dải (bề rộng dải cấm) Eg>> eV Ở nhiệt độ phịng, chuyển động nhiệt khơng thể đưa electron từ dải hóa trị lên dải trống bên Eg>> kBT Điện mơi khơng có khả dẫn điện điều kiện bình thường PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 28 Kim loại, bán dẫn và điện mơi Bán kim (semimetal) • Trong số tinh thể xảy trường hợp đáy dải trống nằm thấp đỉnh dải hóa trị (rất nhỏ) • Số electron đủ để lấp đầy dải hóa trị PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 29 Kim loại, bán dẫn và điện mơi Bán kim (semimetal) • Bán kim có khả dẫn điện Có hai loại hạt dẫn là: electron lỗ trống với số lượng • Số hạt tải điện bán kim nhỏ so với kim loại • Số hạt tải bán kim tăng theo nhiệt độ số electron tự kim loại không phụ thuộc nhiệt độ PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 30 Kim loại, bán dẫn và điện môi Fig 1, p162, C Kittel, Introduction to Solid state physics, 8th Tất vật rắn tinh thể có cấu trúc lượng thành dải Nhưng xếp dải khác cách phân bố electron vào dải khác dẫn đến tính chất vật rắn khác hoàn toàn PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 31 ... Chung-HNUE-2020 17 Mơ hình electron liên kết mạnh (định tính) PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 18 Kim loại, bán dẫn và điện mơi Trong vật rắn có hai loại dải năng lượng: • Dải được phép: là dải năng lượng chứa các... mức khả dĩ mà electron có thể nằm ở các mức năng lượng đó • Dải cấm: là dải khơng chứa mức năng lượng khả dĩ nào Khơng có electron nào trong tinh thể có mức năng lượng thuộc vào dải cấm PHẠM Đỗ Chung-HNUE-2020 19 Kim loại, bán dẫn và điện mơi... Kim loại, bán dẫn và điện mơi • Vật rắn có cấu trúc năng lượng thành từng dải • Trong mỗi dải được phép có N mức khả dĩ vì vậy có 2N trạng thái của electron • Nằm giữa các dải được phép là dải cấm • Mức năng lượng nằm