2022-2023学年高二物理竞赛课件：极化子和电子-声子相互作用

极化子和电子-声子相互作用 极化子和电子-声子相互作用 1.电子对晶格的极化 ●在至少是部分离子键的半导体中,电子吸 引正离子,排斥负离子. 空穴情况正好相反. ●极化结果使晶格产生畸变—等同于纵模 光学声子的叠加(纵模声子会引起体积的 压缩和膨胀,而横模声子不会产生这样效 果).这样,自由载流子将与”声子云”相伴随. 2. 极化子 ●带电载流子与声子云的整体称为极化子. ●极化子中声子云半径 半导体中, 若声子云半径大于晶格常数, 称 为“大极化子“；而小极化子局域在单胞内. 其中 为刚性点阵中电子或空穴的有效 质量. ●有效质量 其中 为夫勒利希耦合系数,描述带电载流子与 LO声子的耦合. 和 分别为 频和低频介电常数. 的高 对于非离子键晶体,根据 因此, 一般半导体, 总之,实际离子键晶体中，电子或空穴的 有效质量 相对刚性点阵中 变大, 这种现象称为质量重整化. ●能隙的变化 晶格的畸变使得能隙减小， 这种现象称为能量重整化. ●由于晶格的极化的存在,实验 (如回旋共 振，光谱) 中测得电子或空穴的 和 一般是相应极化子的 和 不是刚性点阵中的”单纯” 电子或空穴的 而 和 3. 电子-声子相互作用 电子-声子散射： 分类： ①夫勒利希作用 载流子与伴随着光学声子电场的作用. ②形变势散射 ●因为能隙的宽度以及能带结构取决于晶 格参数和基元中原子分布,所以, 形变调制 了能带结构. 若 ●声学（光学）声子可视为晶格常数的周 期性调制，因此, 形变存在等同声子存在. ●总之, 能带调制对载流子的影响也就等 同于声学(光学)声子与载流子相互作用. ③压电耦合 ●非中心对称的晶体中,由于对晶体施加应 力,晶体畸变会产生变化电场,而该电场会 对载流子产生作用. 同样因为声学(光学) 声子可视为晶格常数的周期性调制,所以这 个过程就相当于声子与载流子相互作用. ※计算能带的基本方法 非相对论条件下,真空中自由电子色散关系 1. 弱周期势中电子色散关系 ●一维弱周期势: 周期为a . 以倒格矢 平移自由电子的色散曲 线，即可得到扩展形式的自由电子色散曲 线（虚线）. 极限情况下，周期势振幅为0， 这表示周 期势不存在（也称为空格）. $$