Реферат: Электрон в слое

Министерство Образования, Молодежи иСпорта

Республики Молдова

 

Государственный университет Молдовы


Физический

факультет

Кафедра

теоретической

физики


КурсоваяРабота


Тема:   Электронв слое.


Руководитель работы:

Климин С.Н.

Работу выполнил

студент 3-го курса:

Радченко Андрей


Кишинёв1997 г.
Микрочастица (электрон) в слое.

Собственно говоря, одномерная задача, котораясейчас будет рассмотрена, во многих учебных руководствах довольно подробноразобрана путём введения некоторых  упрощений.

Она состоит в следующем:

Микрочастица (электрон) движется вдоль оси x,и её движение полностью определяется следующим гамильтонианом :

 

ì -ћ2/(2m)׶2/¶x2+ U0  ,  x < -a

 Ù   ï

 H = í -ћ2/(2m0)׶2/¶x2     ,  -a < x < a

ï

î -ћ2/(2m)׶2/¶x2+ U0  ,  x > a

Где m   -   эффективнаямасса электрона в областях I, III ;

         m0-   эффективная масса электрона вобласти II.

Запишемуравнение Шрёдингера для каждой области :

  ì ¶2YI/¶x2+ 2m/ћ2×(E — U0)YI = 0    ,  x £ -a

  ï

  í ¶2YII/¶x2+ 2m0/ћ2×E×YI = 0         ,  -a£ x £ a

ï

  î ¶2YIII/¶x2 +2m/ћ2×(E — U0)×YI = 0               , x ³ a

/>

 

 

Область I :    

Общий вид решения уравнения Шрёдингера для 1-ойобласти записывается сразу :

YI(x) = A×exp(n×x) + B×exp(-n×x).

Используя свойство ограниченности волновойфункции, мы придём к тому что B = 0. Значит,

YI(x) = A×exp(n×x).

Волноваяфункция для второй области тоже элементарно определяется :

YII(x) = C×exp(i×k×x) + D×exp(-i×k×x).

Функциясостояния для третьей области выглядит так :

YIII(x) = F×exp(-n×x).

Где

                   k = (2m0×E/ћ2)1/2

                   n= (2m×(U0-E)/ћ2)1/2.

Стратегиянаших дальнейших действий будет состоять в следующем :

¨  ¨   Напишем систему из  4 уравнений, удовлетворение которых эквивалентно удовлетворению функциями граничнымусловиям.

¨  ¨   В этой системе из  4 уравнений будут фигурировать неизвестные коэффициенты  A,C,Dи F. Мысоставим линейную однородную систему относительно них.

¨  ¨   Ясно, что существованиенетривиальных решений допускается только в случае когда детерминант системыравен нулю. Как выяснится чуть позже, из этого весьма полезного факта мыизвлечём уравнение, корнями которого будут возможные уровни энергии.

Приступим к осуществлению первого пункта, т.е.запишем условия сшивания волновых функций :

   YI(x=-a) = YII(x=-a)

YII(x=a) = YIII(x=a)

     YI¢(x=-a)/m = YII¢(x=-a)/m0

   YII¢(x=a)/m0= YIII¢(x=a)/m

Ав наших определениях этих функций это выглядит так :

A×exp(-n×a) = C×exp(-i×k×a) + D×exp(i×k×a)

m-1×A× n×exp(-n×a) = i×k×/m0×(C×exp(-i×k×a) — D×exp(i×k×a))

C×exp(i×k×a) + D×exp(-i×k×a) = F×exp(-n×a)

i×k×/m0×(C×exp(i×k×a) — D×exp(-i×k×a)) = — n/m×F×exp(-n×a).


Теперьсоставим определитель :

|exp(-n×a)              -exp(-i×k×a)                     -exp(i×k×a)                       0                         |

|m-1×n×exp(-n×a)     -1/m0×i×k×exp(-i×k×a)       1/m0×i×k×exp(i×k×a)            0                         |

|0                            exp(i×k×a)                         exp(-i×k×a)                       -exp(-n×a)         |

|0                            1/m0×i×k×exp(i×k×a)            -1/m0×i×k×exp(-i×k×a)        1/m×n×exp(-n×a)|

Если теперь раскрыть этот определитель пообычным правилам и приравнять его к нулю, то мы получим следующее уравнение дляуровней энергии:

((n/m)2-(k/m0)2)×Sin(2×k×a) + 2×k×n/(m×m0)×Cos(2×k×a) = 0.

Это уравнение решается численным методом, аименно,  методом Ньютона.

Найдём неизвестные коэффициенты A, C, D, F для более полного описанияволновой функции. Для этого воспользуемся некоторыми соотношениями, которыенепосредственно вытекают из условий сшивания и условия нормировки.

C= F×exp(-n×a)×{exp(i×k×a) + exp(-3×i×k×a)×(i×k/m0 — n/m)/(n/m + i×k/m0)}

D= C×exp(-2×i×k×a)×(i×k/m0-n/m)/(n/m + i×k/m0)

A= exp(n×a)×(C×exp(-i×k×a) + D×exp(i×k×a)) .

Поскольку A, C и D линейно зависят от F, тоцелесообразно ввести обозначения :

A = RA×F

C = RC×F

D = RD×F.

RA, RC, RD — известныепостоянные.

Таким образом, если мы каким-то образом узнаемконстанту F,то мы определим остальные константы A, C, D.  А сделаем мы это с помощью условия нормировки.

Действительно :

YI(x) = F×RA×exp(n×x)

YII(x) = F×( RC×exp(i×k×x) + RD×exp(-i×k×x)).

YIII(x) = F×exp(-n×x).

I1+ I2 + I3 = 1


Где

I1 = |F|2×|RA|2×òQexp(2×n×x)×dx = |F|2×|RA|2×(2×n)-1×exp(2×n×x) =

= |F|2×|RA|2×(2×n)-1×exp(-2×n×a)

I2 = |F|2×{ òL|RC|2×dx + òL|RD|2×dx + RC×RD*×òLexp(2×i×k×x)×dx +

+ RC*×RD×òLexp(-2×i×k×x)×dx } = |F|2×{ 2×a×(|RC|2 + |RD|2) +

((exp(2×i×k×a) — exp(-2×i×k×a))×RC×RD*/(2×i×k) +

+ i×((exp(-2×i×k×a) — exp(2×i×k×a))×RC*×RD/(2×k) }

I3 = |F|2×òWexp(-2×n×x)×dx = |F|2×(2×n)-1×exp(-2×n×a)

|F|2 = { |RA|2×(2×n)-1×exp(-2×n×a) + 2×a×(|RC|2 + |RD|2) +

((exp(2×i×k×a) — exp(-2×i×k×a))×RC×RD*/(2×i×k) +

+ i×((exp(-2×i×k×a) — exp(2×i×k×a))×RC*×RD/(2×k) + (2×n)-1×exp(-2×n×a) }-1.

Теперь, когда мы знаем  F, нетрудно определитькоэффициенты A, C, D, а значити волновую функцию, характеризующую состояние электрона.

 

Электрон в слоях

 

Задача, которая сейчас будет описана,характеризуется тем, что потенциал обладает пространственной периодичностью.Схематически это изображается так.

/>

То есть, это ни что иное как одномерное движениеэлектрона в периодическом поле. Графически это можно изобразить сериейпотенциальных барьеров или, как говорят, серией потенциальных ступенек.

Аналитически условие периодичности потенциалазаписывается весьма просто:

U(x)=U(x+2a)       (1)

Соотношение (1) записано в предположении,что ширина каждой потенциальной ямы равна ширине всякого потенциальногобарьера.

Ясно, что волновые функции, соответствующиеобластям I,III,удовлетворяют одному и тому же уравнению Шредингера:

¶2Y/¶x2+ 2m/ћ2×(E — U0)Y = 0

следовательно эти функции отличаются толькопостоянным множителем, который называется фазовым множителем.

Этот фазовый множитель мы будем обозначатьследующим образом:

r = exp(i2ak)

Тогда Y(x+2ma) = Y(x)×rm ,       где m=0,±1,±2,...                (2)

Оказывается, что достаточным для определениядискретного энергетического спектра (рассматривается только случай когда E<U0)и волновой функцииявляется рассмотрение областей I, II, III. Действительно, пользуясьсоотношением (2), мы определим волновую функцию на всей действительной оси.

 

Рассмотрим область I:

Уравнение Шредингера для нее записывается ввиде:

¶2YI/¶x2 + 2m2/ћ2×(E — U0)YI = 0    ,  0 >x > -a

егорешение выглядит просто:

YI(x) = A×exp(n×x) + B×exp(-n×x).

Где n = (2m2(U0-E)/ћ2)1/2

 

Рассмотрим область II:

Уравнение Шредингера для нее записывается ввиде:

¶2YII/¶x2 + 2m1/ћ2×E YII = 0    ,  a ³ x ³ 0

егорешение выглядит просто:

YII(x) = C×exp(i×p×x) + D×exp(-i×p×x).

Где  p = (2m1E/ћ2)1/2

Рассмотрим область III:

¶2YIII/¶x2 + 2m2/ћ2×(E — U0)YIII = 0    ,  2a >x > a

егорешение выглядит просто:

YIII(x) = r (A×exp(n×x) + B×exp(-n×x)).

Запишем граничные условия:

YI(x=0) =YII(x=0)

YII(x=a) = YIII(x=a)

     YI¢(x=0)/m = YII¢(x=0)/m0

   YII¢(x=a)/m0= YIII¢(x=a)/m

Подставляя волновые функции в эту системууравнений, мы получим некоторые связи между коэффициентами A, B, C, D:

A+B=C+D

C exp(i pa)+D exp(-i p a) = exp(i 2 a k) (A exp(n a)+B exp(-n a))

(A-B) n/m2= (C-D) i p / m1

(C exp(i pa)-D exp(-i p a)) i p / m1 = exp(i 2 a k) n/m2(A exp(n a)-B exp(-n a))

Следуя приведённым выше соображениям, мысоставим определитель :

|1                                 1                                    -1                            -1                       |

|exp(i×k×2a+n×a)           exp(i×k×2a-n×a)              -exp(i×p×a)               -exp(-i×p×a)        |

|n/m2                           -n/m2                             -i×p/m1                     i×p/m1                        |

|n/m2exp(i×k×2a+n×a)    -n/m2×exp(i×k×2a-n×a)    -i×p/m1×exp(i×p×a)    i×p/m1×exp(-i×p×a)    |

и приравняем его к нулю.

Результатом раскрытия определителя будет весьмагромоздкое уравнение содержащее в качестве неизвестного энергию электрона.

Рассчитанные уровни энергии для различныхэффективных масс приведены ниже.

a=10;          U=10;             m1=4;              m2=1

 

0.1135703312666857 0.6186359585387896 0.2019199605676639 0.3155348518478819 0.05047267055441365 1.263391478912778 0.4544326758658974 2.137353840637548 0.808172718170137 2.479933076698526 0.4544326758658974 6.168062551132728 5.611693924351967 1.820461802850339 1.529165865668653 1.023077302091622

                                                                                              

a=10           U=10              m1=2               m2=1

 

0.1032788024178655 0.2324238959628721 0.41331603936642 0.6460490460448886 0.930750939555283 1.26759057783714 1.656787195799296 2.098624192369327 2.593469359607937 3.141805331837109 3.744277072860902 5.887485640841992

a=10           U=10              m1=1               m2=1

0.05408120469105441 0.2163802958297131 0.4870681554965061 0.86644533469418 1.354969224117534 1.953300729714778 2.662383817919513 4.418966218448088 7.961581805911094

  

a=10           U=10              m1=0.5            m2=1

0.118992095909544 4.249561710930034 1.068004282376146 0.4754473139332004 5.78216724725356 2.955345679469631 1.895012565781256

a=10           U=10              m1=.25            m2=1

0.2898665804439349 4.30026851446248 2.479039415645616 1.132264393019809
еще рефераты
Еще работы по физике