固体物质中的电子特性

为了理解一些重要固态装置的工作机理，如半导体激光器、发光二极管、各种光探测器和光调制器等，必须研究固体材料电子性质中一些相当特殊的性质。这就是本节需要介绍的内容。

固体是物质的一种形态，与分子的化学运动力相比，其分子间的力较大，所以组成原子或分子被约束在一种网格结构中。只有当分子紧靠在一起，这种解释才正确。这是因为如果外层电子的波动函数中有大量叠加，那么，从整体上讲，分子才会呈电中性，彼此间才有作用力。这种叠加导致另一个重要结果：电子所在能级是共享的，是材料作为整体而非单个分子（如气体的情况）的一种性质。

为了根据物理学内容解释强相互作用对固体能级结构的影响，需要研究两个简单的振子，如两个钟摆，相互作用时会发生什么。如果两个钟摆的长度相等，振荡频率f相同，用同样的摆杆连接，那么，摆动时，由摆杆传递的力使它们彼此相互作用。对于组合系统，有两个“特征模”，就是说有两个按照一定规律稳定的振荡态。即图1.7所示的两个钟摆同相一起摆动和反相反方向摆动。而其他状态，两个钟摆的振幅和相对相位都随时间变化。两个特征值有不同的频率f_p（同相）和f_a（反相），并且有

f_p>f>f_a(www.xing528.com)

现在，初频f不再是表示系统特性的参数，由较高和较低的另外两个频率代替。如果令其中一个钟摆在f_p和f_a的频率范围内摆动，那么它会使另一个钟摆摆动。当第一个钟摆到达静止位置后再反向摆动时，第二个钟摆达到最大振幅，能量将在两个钟摆间以频率（f_p-f_a）连续转移。现在，研究由一根杆串联起来的三个同样的钟摆。有三个特征值：（1）都同相；（2）外侧两个同相，中间一个反相；（3）左侧或右侧两个同相，右侧或左侧一个反相。每种状态都有自己的频率，所以有三种频率。若有n个钟摆，则在概念上很容易推断，就是有n个以初频f为中心的频率，原来的单一频率已经变成由n个频率组成的频率带。如果n非常大，如同固体中的分子数目，则频率相当接近，以至于基本上形成了一个连续的频率带，因此形成了连续的电子能级。可以希望单个原子或分子的每个分离能级都形成分离的容许能级带，这些能带被一些电子不能跃迁的能量间隙所隔开（见图6.10）。这种性质对表示固体中的电子特性至关重要，是光子学中最重要的性质，所以，在确切研究为什么如此重要之前，必须详细地研究。

图6.10　耦合振子造成的带结构