光電子器件物理學(xué)

前言

　　信息化社會的技術(shù)基礎(chǔ)是光通信和光電子器件，社會對信息的巨大需求，又直接推動著光電子器件和技術(shù)的發(fā)展。大容量、高速度、小型化和集成化，是在量子力學(xué)基本理論應(yīng)用的物理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。光學(xué)和光子學(xué)、電子學(xué)、光電子器件、光電子集成、量子力學(xué)原理有機地結(jié)合起來，推動著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。具有各種知識背景，包括電子學(xué)、光學(xué)工程、半導(dǎo)體物理學(xué)、光電器件設(shè)計與制造和計算機方面的研究人員、工程師和技術(shù)人員，迫切地感到需要拓寬自己的知識面。而實際工作的緊迫性又要求盡快掌握滿足工程需要的基礎(chǔ)知識而暫時避開精細而嚴密的系統(tǒng)理論，包括在科學(xué)技術(shù)前沿仍然處于發(fā)展中的科學(xué)原理和仍處在爭議中的科學(xué)問題。工程應(yīng)用首先要求在實踐上重復(fù)可靠的量子力學(xué)理論，具有可操作性。這些已經(jīng)得到實際應(yīng)用的物理原理的靈活應(yīng)用還有很大的發(fā)展和創(chuàng)新空間。如量子尺寸效應(yīng)，即量子阱、超晶格的理論，已經(jīng)是大量光電子器件的物理基礎(chǔ)，但是在量子理論中，這只是非常少的一部分。因此，我們很需要像《光電子器件物理學(xué)》這樣一本為交叉學(xué)科發(fā)展服務(wù)的精煉的學(xué)術(shù)專著?！　∵@本書是作者多年從事光電子器件物理教學(xué)與研究工作的結(jié)晶。他根據(jù)器件制造和新型光電子器件發(fā)展的要求，從光的電磁場理論、固體物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)和量子力學(xué)提取必要的知識，組建了關(guān)于光電子器件物理的綜合性基礎(chǔ)理論，能滿足有不同知識背景而從事光電子器件設(shè)計、制造及器件應(yīng)用的一般工程技術(shù)人員和研究生的需求，也可以用作高等學(xué)校教學(xué)用參考書。甚至對一般關(guān)心光電子器件發(fā)展及其應(yīng)用的讀者也會有很大的幫助，這將有利于推動光電子器件的發(fā)展和應(yīng)用。

內(nèi)容概要

　　《光電子器件物理學(xué)》共六章，第1章對光電器件一個多世紀的發(fā)展歷程，分五個階段做了評述；第2，3，4，5章對光電器件和光電子技術(shù)相關(guān)的物理理論作了精選和評述；第6章講述實用光電器件原理與技術(shù)，選擇當今最具代表性和正在發(fā)展中的器件作了特別論述。在浩如煙海的光電子技術(shù)中，《光電子器件物理學(xué)》給讀者一種清晰的思路和深入的物理思想啟發(fā)，可供大學(xué)高年級學(xué)生和研究生及光電技術(shù)科技工作者學(xué)習和工作參考。

書籍目錄

第1章 光電子器件概論1.1 光子學(xué)與電子學(xué)器件1.1.1 電子管1.1.2 晶體管1.1.3 激光器1.1.4 集成電路出現(xiàn)1.1.5 集成光學(xué)和光纖通信1.1.6 半導(dǎo)體激光器1.1.7 半導(dǎo)體光電探測器1.2 超晶格量子阱器件1.3 光電圖像轉(zhuǎn)換器1.3.1 引言1.3.2 攝像管1.3.3 變像管和像增強器1.3.4 光電圖像轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用1.4 微細加工技術(shù)1.4.1 微細加工技術(shù)的產(chǎn)生1.4.2 平面薄膜加工技術(shù)1.4.3 幾何圖形制作技術(shù)1.5 光電子信息技術(shù)發(fā)展評述1.5.1 光電子信息技術(shù)發(fā)展階段1.5.2 光電子技術(shù)與理論1.5.3 當今發(fā)展光子和電子技術(shù)必須的物理理論第2章 光波與電磁波理論基礎(chǔ)2.1 電磁場2.1.1 靜電場和高斯定理2.1.2 電介質(zhì)的極化與極化強度2.1.3 電介質(zhì)中的電場與電感應(yīng)強度2.2 靜電勢、泊松方程與拉普拉斯方程2.2.1 靜電勢2.2.2 泊松方程2.2.3 分離變量法求解拉普拉斯方程2.3 靜電能2.3.1 真空中點電荷系的靜電能2.3.2 電荷連續(xù)分布時的靜電場2.3.3 導(dǎo)體系的靜電能2.4 穩(wěn)恒電流與磁場2.4.1 穩(wěn)恒電流與穩(wěn)恒電場2.4.2 歐姆定律及維持穩(wěn)恒電流的條件2.4.3 穩(wěn)恒電流與穩(wěn)恒電場分布2.5 真空中穩(wěn)恒電流的磁場2.5.1 電流間相互作用的安培定律2.5.2 電流的磁場、畢奧一薩伐爾定律2.5.3 磁場的散度與旋度2.5.4 磁感應(yīng)強度的邊值關(guān)系2.6 磁介質(zhì)中的磁場2.6.1 磁介質(zhì)的磁化和磁化強度2.6.2 磁介質(zhì)中的磁場強度與環(huán)路定理2.7 靜磁場的矢勢與環(huán)形電流的磁場2.7.1 靜磁場的矢勢及其滿足的微分方程2.7.2 靜磁場的標勢及其滿足的微分方程2.8 麥克斯韋方程組2.8.1 法拉第電磁感應(yīng)定律2.8.2 麥克斯韋方程組2.8.3 洛侖茲力公式2.9 電磁場能量與動量2.9.1 電磁場的能量與能量守恒2.9.2 電磁場的動量與動量守恒2.10 電磁波與電磁波方程2.10.1 波動方程2.10.2 平面電磁波2.10.3 電磁波在絕緣介質(zhì)分界面上的反射與折射2.10.4 電磁波在導(dǎo)電介質(zhì)中的傳播及其在導(dǎo)體表面上的反射2.11 電磁波在波導(dǎo)中的傳播2.11.1 矩形波導(dǎo)2.11.2 圓柱形波導(dǎo)中傳播的電磁波2.12 電磁波在同軸傳輸線中的傳播2.12.1 同軸傳輸線中傳播的電磁波2.12.2 同軸線中傳播的TEM主波2.12.3 同軸傳輸線的電報方程2.13 電介質(zhì)波導(dǎo)與光導(dǎo)纖維2.13.1 圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)的解2.13.2 邊值關(guān)系與特征方程2.13.3 光纖中的導(dǎo)模2.13.4 色散曲線和場分量分布第3章 電子與量子力學(xué)理論3.1 量子力學(xué)產(chǎn)生的直接物理背景3.1.1 黑體輻射能實驗及普朗克開創(chuàng)量子論3.1.2 普朗克量子論創(chuàng)新點與理論方法3.1.3 光電效應(yīng)與愛因斯坦的光量子學(xué)說3.1.4 原子線狀光譜與玻爾的舊量子論3.1.5 量子概念的其他實驗證明3.2 量子論的基本概念和基本原理3.2.1 一個觀點3.2.2 兩條規(guī)律3.2.3 五條基本原理3.3 狀態(tài)和薛定諤方程3.3.1 狀態(tài)和波函數(shù)的引進3.3.2 薛定諤方程3.4 體系粒子數(shù)守恒3.4.1 體系的定態(tài)3.4.2 粒子流密度公式與守恒定律3.4.3 幾率流密度矢量應(yīng)用舉例3.5 一維無限深方勢阱3.5.1 求解定態(tài)問題的思考方法條理化3.5.2 討論3.6 一維有限深方勢阱（對稱型）3.7 一維線性諧振子3.8 一維三角勢阱3.9 一維勢壘與勢阱的量子透射3.9.1 一維方勢壘量子反射與透射系數(shù)3.9.2 一維勢阱的量子透射討論3.9.3 6勢阱與勢壘的透射3.10 簡并態(tài)微擾理論3.10.1 非簡并態(tài)微擾理論3.10.2 定態(tài)簡并微擾理論3.10.3 簡并與非簡并微擾的例題3.11 含時微擾的量子躍遷3.11.1 含時微擾的的基本方程3.11.2 狀態(tài)躍遷幾率3.11.3 含時周期微擾的共振躍遷3.11.4 光躍遷的測不準關(guān)系3.12 單量子阱光吸收和發(fā)射的初步量子理論3.12.1 愛因斯坦的光發(fā)射與吸收原理3.12.2 平衡態(tài)三種躍遷幾率的公式推導(dǎo)3.12.3 受光照射的原子體系量子躍遷第4章 固體物理與半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)4.1 固體原子周期性排列的空間描述4.1.1 晶體原子的幾何空間描述4.1.2 晶胞、晶面的矢量表示4.1.3 晶體的對稱性4.2 倒格矢與布里淵區(qū)4.2.1 倒易空間的晶格描述4.2.2 布里淵區(qū)4.3 晶格振動的量子論描述4.3.1 簡諧振動與熱容量的量子理論4.3.2 愛因斯坦和德拜的熱容量理論4.3.3 晶格線性微振動的格波解——光學(xué)支與聲學(xué)支4.4 固體電子運動的量子論描述4.4.1 晶體價電子運動的理論模型4.4.2 單電子近似與布洛赫波4.5 準自由電子近似4.5.1 定態(tài)微擾4.5.2 簡并微擾4.5.3 能帶與布里淵區(qū)4.6 固體能帶理論的啟發(fā)性概念4.6.1 電子運動的準經(jīng)典粒子模型4.6.2 能態(tài)密度與費米面4.6.3 外場作用下的準經(jīng)典粒子（有效質(zhì)量概念）4.6.4 導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體能帶區(qū)別4.6.5 導(dǎo)電機制的定性討論4.7 金屬電子論的基本問題4.7.1 單電子近似模型4.7.2 金屬電子的費米分布4.7.3 低溫費米能級4.8 光場作用的固體4.8.1 固體介質(zhì)極化4.8.2 光的散射現(xiàn)象4.8.3 光的吸收4.8.4 激子4.9 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)特性4.9.1 帶隙與帶邊有效質(zhì)量4.9.2 常見半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)4.10布里淵區(qū)與能帶雜質(zhì)能級……第5章 集成光學(xué)與光纖通信基礎(chǔ)第6章 實用光電子器件參考文獻

章節(jié)摘錄

　　前節(jié)已經(jīng)講過光電效應(yīng)，而電光效應(yīng)，就是電致發(fā)光器件，也稱為發(fā)光器件。如半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管等人造光源。制作光源器件主要是尋找發(fā)光材料，發(fā)光材料的研究已經(jīng)形成一個材料學(xué)的學(xué)科，是一個發(fā)展中的學(xué)科。這里暫不討論，而電光效應(yīng)對光電子技術(shù)的發(fā)展是有重要貢獻的。從科學(xué)歷史看，在人們還不知道怎樣在生產(chǎn)中應(yīng)用電時，就已經(jīng)開始應(yīng)用光現(xiàn)象了。物理學(xué)創(chuàng)始人伽利略（Galileo，1564-1642）發(fā)明了第一臺望遠鏡，并用幾何光學(xué)計算出焦距。那時的光學(xué)元件就是玻璃塊，可惜的是在以前的三百多年中，光學(xué)和光學(xué)儀器應(yīng)用（或者說光學(xué)工程技術(shù)）沒有多少進步，從物理原理來看沒有什么變化，一直維持在宏觀物理的水平上，可是從19世紀開始，電的應(yīng)用卻是突飛猛進，從1831年法拉第（Faraday.Michael）電磁感應(yīng)實驗開始，電動機、發(fā)電機、電廠、電網(wǎng)和電站等都出現(xiàn)了，使得19世紀被稱為電的世界，電動力成為生產(chǎn)生活主要能源。后來（1862年）麥克斯韋電磁場理論的出現(xiàn)，使得物理學(xué)研究進入微觀物質(zhì)世界，19世紀末開始發(fā)展現(xiàn)代物理或者說微觀物理（指原子物理和量子力學(xué)）研究，最早發(fā)現(xiàn)電子（1897年提出，1907年實驗確認），電磁波是1865年麥克斯韋（Maxwell）提出的，1887年赫茲（Hertz）實驗證實。1895-1897年馬可尼（Marconi）和波波夫（TIonob）發(fā)明無線電接收裝置。那時的光電子技術(shù)只是電子技術(shù)，而且直到激光器發(fā)明（1960年）之前，在光電子技術(shù)年代，光學(xué)技術(shù)部分只能說“光”，不能說“光子”，而且是可見光波段。所以光電子技術(shù)早期工作是利用光電效應(yīng)的物理原理，用電子學(xué)儀器研究用光照射的物體，當時對微觀光學(xué)的知識還很少，后來的研究表明，我們能看到的觀察體是反射光起決定性作用，而不是入射光。所以光電探測器的設(shè)計主要是改善對反射光的接收能力，如靈敏度、響應(yīng)速度和清晰度等。　　那時對光的應(yīng)用目的，主要是能夠更清楚更詳細的看到東西，其實就是古老光學(xué)（約在16世紀）提出的問題：人眼為什么能看到東西？光電探測器也就是回答這個問題的初始答案。　　再來分析人眼看到東西的物理過程，當入射光照射物體時，是反射光到達的人眼，也就是說反射光帶來了觀察對象的信息，如顏色、清晰度和形狀，而這些信息正好跟光的三要素：頻率、振幅和相位一一對應(yīng)。而不同的物體這三要素的數(shù)值是不一樣的，因此把反射光稱信息光，因為照射到觀察對象，把入射光受到觀察對象調(diào)制成反射光，也就是反射光帶回了觀察對象的位置、形狀和顏色，而入射光就沒有這些信息的?！　∷匀搜劭吹降臇|西是由反射光的三要素確定的，而入射光的頻率（或顏色）、強度、相位對任何物體都是一樣的，直接觀察入射光就無法區(qū)分不同的觀察對象，無法區(qū)分就是沒看到，所以有觀察意義的光是反射光或者說是信息光，這就如同太陽光掛在天上，對所有生物用途都是一樣的，有的生物黑天可以活動，而白天不能活動，因為看不到東西；人在黑天不能活動，看不到東西，為什么？就是人和其他生物一樣長在他們身上的眼睛不同。

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