表面P型掺杂浓度大些， 表面n型表面杂质
弯曲区域越窄，光电子更能穿过这一区域，从表面逸出
GaAs-Cs2O负电子亲和势光电发射薄膜 结构：在GaAs表面制备一层n型Cs2O，在Cs2O表面在制备单
原子Cs层
能带结构： GaAs/Cs2O异质结结构使界面处能带向下弯，Cs 为Cs2O又提供了电子，界面处能带进一步向下弯
薄膜的能带结构
金属与半导体接触 E
Ef 金属
Ec 半导体
N型半导体
半导体 载 流 子 的 不 同
P型半导体
外场作用 非平衡态载流子
Ag-Cs2O薄膜的能带结构
Ag
Cs2O
Ag
Ag
Ag-BaO薄膜的能带结构
Ag-BaO薄膜与Ag-Sc2O薄膜的结构类似，适用于探索超短激 光脉冲的光电功能薄膜。
第四章光电纳米薄膜的能带结 构和电学性质
引言
电学
光学
磁性
电子的输运（电子的跃迁） 能带理论
导体：价带是导带或等效导带
导带
空带
空带
满带
满带
满带
重叠
相连
绝缘体：只有满带和空带，且禁带宽度较大
E g 禁带
空带
3 ~ 6eV
满带
例如金刚石中两个碳原 子相距15纳米时， Eg=5.33电子伏。
半导体：价带是满带，但是禁带宽度较小
每个布里渊区经过适当的平移之后和第一布里渊区重合
布里渊区：
•布里渊区边界描述了晶体周期性边界（势场）对电子作用。
•电子先填充低能级，对应等能面离布里渊区边界远，不受周期场的 影响，是球面；
•但随着电子依次向高能级填充，对应等能面接近布里渊区边界，受 周期场的影响，发生变形；
•等能面与布里渊区边界相交时。形成不连续能带。
价电子 +
体系性质
+
Born-Oppenheimer绝热近似：同时也被称为定核近似，它是 由奥本海默和他的导师玻恩在1927年共同提出的。
核心：分子系统中核的运动与电子的运动可以分离。研究电 子运动的时候可以近似的认为原子核是静止不动的，而研 究原子核的运动时则不需要考虑空间中电子的分布。
原子核体系：
负电子亲和势
当薄膜表面存在杂质原子时，对表面电子的亲和势会产生影 响，如杂质给出电子，则称为n型表面杂质，若接受电子， 则称为，p型表面杂质。
当p型半导体表面存在n型表面杂质时，表面杂质原子给出电 子而带正电，半导体薄膜接收电子而带负电，表面能带向 下弯曲，薄膜材料表面的有效电子亲和势下降，有利于电 子逸出表面进入真空，即有利于光电发射。
三维和一维存在一个重要的区别，即不同能带在能 量上不一定分隔开，而可能发生能带之间的交叠。 如下图，
原子能级与能带
最简单情况
能级
能带
E f p s
当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分 立的能级，它们是N重简并的，当这N个原子逐渐靠近时， 原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在（违 反泡利不相容原则）从而只能分裂成N个非常靠近的能级 （10-22ev），因为能量差甚小，可看成能量连续的区域， 称为能带。
我们期望体系的哈密顿量 则薛定谔方程为
单电子周期势场示意图
Hartree自洽场近似 密度泛函理论 局域密度近似 准粒子近似
能带形成的微观解释:外层电子共有化
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
原子结合成晶体时晶体中电子 的共有化运动
布里渊区与能带
第一布里渊区实际上就是晶格的倒格子的Wigner-Seitz原胞
超晶格的能带结构
超晶格薄膜的结构及其能带特点： 1）多层薄膜，一般在十层以上，薄膜界面对薄膜性质影响
巨大 2）每层厚度在1~10纳米之间，这个尺度大于自然晶格常数，
但小于电子平均自由程和德拜长度 3）是严格周期性多层薄膜，不同材料周期交叠，同种材料
薄膜厚度完全一致 4）还须使多层不同材料构造出周期势场。
• 决定材料中声波的传波、热膨胀、晶格比热、晶格热导率 和晶格缺陷等
• 体系中离子（原子）实运动由经典Newton运动方程所描述
• 周期排列的离子（原子）实的行为可以通过晶格动力学来 处理，通过声子描述其物理性质
电子体系：电子体系的薛定谔方程决带结构和磁学性能等等。
空带
E g 禁带 0.1 ~ 2eV
满带
(E g 0.1 ~ 2eV )
例如硅Eg=1.14电子伏，锗 Eg=0.67电子伏，砷化镓
Eg=1.43电子伏。
导体、半导体、绝缘体的不同，主要是能带结构不同
金属导电与半导体导电的差别：金属导电的载流子是自 由电子，半导体导电的载流子是导带中的电子和价带中 的空穴。
能带理论
能带理论是目前研究固态材料中电子运动的一个主 要基础理论。是在量子力学规律确定以后，在用 量子力学研究金属电导理论过程中发展起来的。
1、单电子近似 复杂性起源：多体问题
http://www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/Flash/Cha os/ThreeBody/ThreeBody.html