理解半导体价带质量

Bloch 定理从数学上证明了在周期性晶体中，电子可以获得负质量。本文旨在为为何如此提供物理理解。我们依次分析 3 重轨道价态耦合到（i）导带中的非简并轨道能级、（ii）导带中的 3 重轨道能级、以及（iii）通过自旋轨道相互作用耦合到自旋态的后果。我们表明，价电子要获得相对于晶轴的任意动量下的负质量绝非平凡：不仅需要与简并轨道导带能级耦合，还需要自旋量子化轴引起的 3 重价子空间的对称性破缺，正如自旋轨道相互作用所诱导的。由于该相互作用的相对论起源，负价质量的存在因而构成了量子相对论的一个意外特征。