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Cours 3
6. BANDES D’ENERGIE DE L’ELECTRON DANS LE CRISTAL
On a montré que, dans un atome isolé, l’énergie de l’électron a des valeurs discrètes en
fonction du nombre quantique n conformément à la relation:
Si l’atome fait partie d’un cristal, tous les
noyaux et tous ses électrons forment un
système, chaque particule étant dans le
champ de forces des autres particules.
L’énergie potentielle U d’un électron, situé
dans ce champ de forces, a une variation périodique liée aux dimensions de la maille du
réseau. Pour analyser le comportement d’un électron dans un potentiel périodique, il est plus
simple de considérer un modèle de cristal unidimensionnel, dont les conclusions seront
valables seulement de manière qualitative pour le cas tridimensionnel. Pour ce modèle,
dans l’état stationnaire, le comportement d’un électron est décrit par la fonction d’onde
uniélectronique ψ qui est la solution de l’équation de Schrödinger simplifiée :
où U(x) est l’énergie potentielle de l’électron et w(x) son énergie totale. On admet comme
hypothèses simplificatrices, l’existence d’une interaction entre les électrons qui correspond
à une valeur d’énergie constante et l’indépendance du comportement des électrons du
mouvement des noyaux dans les nœuds du réseau.
L’énergie potentielle (fig. 3.2) de période a (paramètre fondamental du réseau) se
peut écrire sous la forme d’une série Fourier :
) (3.3)
Mais, l’expression d’énergie potentielle
periodique de l’electron ne peut etre decrite d’une
facon analitique en vue de rrésoudre l’equation de
Schrodinger:
En evitant une résolution directe à l’aide de certaines
aproximations, on arrive à la conclusion que dans une
cristal formé de N atomes, chaque niveau énergétique orbital de l’atome isolé se fend en N
sous-niveaux énergétiques très proches. Les N sous-niveaux énergétiques très proches
forment une bande d’énergie permise dont la largeur depend de la distance entre les atomes.
Pour la distance a entre les atomes du cristal, les bandes de l’énergie permise ont une
certain largeur et elles sont separées par des intervalles, appelées bandes interdites.
w 1 2 3 n
3s3p3d
2s2p
1s
Fig. 3.1
(3.2)ψψ)(
d
ψd
22
2
0
2wxU
x
m