光電子器件物理學(xué)

前言

　　信息化社會(huì)的技術(shù)基礎(chǔ)是光通信和光電子器件，社會(huì)對(duì)信息的巨大需求，又直接推動(dòng)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(lái)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(jī)地結(jié)合起來(lái)，推動(dòng)著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。具有各種知識(shí)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(jì)與制造和計(jì)算機(jī)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(shí)面。而實(shí)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(shí)而暫時(shí)避開(kāi)精細(xì)而嚴(yán)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(zhēng)議中的科學(xué)問(wèn)題。工程應(yīng)用首先要求在實(shí)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(shí)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(zhuān)著?！　∵@本書(shū)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(chǎng)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(shí)，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(shí)背景而從事光電子器件設(shè)計(jì)、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(shū)。甚至對(duì)一般關(guān)心光電子器件發(fā)展及其應(yīng)用的讀者也會(huì)有很大的幫助，這將有利于推動(dòng)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(duì)光電器件一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程，分五個(gè)階段做了評(píng)述；第2，3，4，5章對(duì)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(píng)述；第6章講述實(shí)用光電器件原理與技術(shù)，選擇當(dāng)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(jí)學(xué)生和研究生及光電技術(shù)科技工作者學(xué)習(xí)和工作參考。

書(shū)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(cè)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(qiáng)器1.3.4 光電圖像轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用1.4 微細(xì)加工技術(shù)1.4.1 微細(xì)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(píng)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(dāng)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(chǎng)2.1.1 靜電場(chǎng)和高斯定理2.1.2 電介質(zhì)的極化與極化強(qiáng)度2.1.3 電介質(zhì)中的電場(chǎng)與電感應(yīng)強(qiáng)度2.2 靜電勢(shì)、泊松方程與拉普拉斯方程2.2.1 靜電勢(shì)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(diǎn)電荷系的靜電能2.3.2 電荷連續(xù)分布時(shí)的靜電場(chǎng)2.3.3 導(dǎo)體系的靜電能2.4 穩(wěn)恒電流與磁場(chǎng)2.4.1 穩(wěn)恒電流與穩(wěn)恒電場(chǎng)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(chǎng)分布2.5 真空中穩(wěn)恒電流的磁場(chǎng)2.5.1 電流間相互作用的安培定律2.5.2 電流的磁場(chǎng)、畢奧一薩伐爾定律2.5.3 磁場(chǎng)的散度與旋度2.5.4 磁感應(yīng)強(qiáng)度的邊值關(guān)系2.6 磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)2.6.1 磁介質(zhì)的磁化和磁化強(qiáng)度2.6.2 磁介質(zhì)中的磁場(chǎng)強(qiáng)度與環(huán)路定理2.7 靜磁場(chǎng)的矢勢(shì)與環(huán)形電流的磁場(chǎng)2.7.1 靜磁場(chǎng)的矢勢(shì)及其滿足的微分方程2.7.2 靜磁場(chǎng)的標(biāo)勢(shì)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(chǎng)能量與動(dòng)量2.9.1 電磁場(chǎng)的能量與能量守恒2.9.2 電磁場(chǎng)的動(dòng)量與動(dòng)量守恒2.10 電磁波與電磁波方程2.10.1 波動(dòng)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(bào)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)及普朗克開(kāi)創(chuàng)量子論3.1.2 普朗克量子論創(chuàng)新點(diǎn)與理論方法3.1.3 光電效應(yīng)與愛(ài)因斯坦的光量子學(xué)說(shuō)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(shí)驗(yàn)證明3.2 量子論的基本概念和基本原理3.2.1 一個(gè)觀點(diǎn)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(jìn)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(wú)限深方勢(shì)阱3.5.1 求解定態(tài)問(wèn)題的思考方法條理化3.5.2 討論3.6 一維有限深方勢(shì)阱（對(duì)稱型）3.7 一維線性諧振子3.8 一維三角勢(shì)阱3.9 一維勢(shì)壘與勢(shì)阱的量子透射3.9.1 一維方勢(shì)壘量子反射與透射系數(shù)3.9.2 一維勢(shì)阱的量子透射討論3.9.3 6勢(shì)阱與勢(shì)壘的透射3.10 簡(jiǎn)并態(tài)微擾理論3.10.1 非簡(jiǎn)并態(tài)微擾理論3.10.2 定態(tài)簡(jiǎn)并微擾理論3.10.3 簡(jiǎn)并與非簡(jiǎn)并微擾的例題3.11 含時(shí)微擾的量子躍遷3.11.1 含時(shí)微擾的的基本方程3.11.2 狀態(tài)躍遷幾率3.11.3 含時(shí)周期微擾的共振躍遷3.11.4 光躍遷的測(cè)不準(zhǔn)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(ài)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(duì)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(dòng)的量子論描述4.3.1 簡(jiǎn)諧振動(dòng)與熱容量的量子理論4.3.2 愛(ài)因斯坦和德拜的熱容量理論4.3.3 晶格線性微振動(dòng)的格波解——光學(xué)支與聲學(xué)支4.4 固體電子運(yùn)動(dòng)的量子論描述4.4.1 晶體價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的理論模型4.4.2 單電子近似與布洛赫波4.5 準(zhǔn)自由電子近似4.5.1 定態(tài)微擾4.5.2 簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)經(jīng)典粒子模型4.6.2 能態(tài)密度與費(fèi)米面4.6.3 外場(chǎng)作用下的準(zhǔn)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(jī)制的定性討論4.7 金屬電子論的基本問(wèn)題4.7.1 單電子近似模型4.7.2 金屬電子的費(fèi)米分布4.7.3 低溫費(fèi)米能級(jí)4.8 光場(chǎng)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(jiàn)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(jí)……第5章 集成光學(xué)與光纖通信基礎(chǔ)第6章 實(shí)用光電子器件參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　前節(jié)已經(jīng)講過(guò)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(gè)材料學(xué)的學(xué)科，是一個(gè)發(fā)展中的學(xué)科。這里暫不討論，而電光效應(yīng)對(duì)光電子技術(shù)的發(fā)展是有重要貢獻(xiàn)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(shí)，就已經(jīng)開(kāi)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(tái)望遠(yuǎn)鏡，并用幾何光學(xué)計(jì)算出焦距。那時(shí)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(shuō)光學(xué)工程技術(shù)）沒(méi)有多少進(jìn)步，從物理原理來(lái)看沒(méi)有什么變化，一直維持在宏觀物理的水平上，可是從19世紀(jì)開(kāi)始，電的應(yīng)用卻是突飛猛進(jìn)，從1831年法拉第（Faraday.Michael）電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電廠、電網(wǎng)和電站等都出現(xiàn)了，使得19世紀(jì)被稱為電的世界，電動(dòng)力成為生產(chǎn)生活主要能源。后來(lái)（1862年）麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的出現(xiàn)，使得物理學(xué)研究進(jìn)入微觀物質(zhì)世界，19世紀(jì)末開(kāi)始發(fā)展現(xiàn)代物理或者說(shuō)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(shí)驗(yàn)確認(rèn)），電磁波是1865年麥克斯韋（Maxwell）提出的，1887年赫茲（Hertz）實(shí)驗(yàn)證實(shí)。1895-1897年馬可尼（Marconi）和波波夫（TIonob）發(fā)明無(wú)線電接收裝置。那時(shí)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(shuō)“光”，不能說(shuō)“光子”，而且是可見(jiàn)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(dāng)時(shí)對(duì)微觀光學(xué)的知識(shí)還很少，后來(lái)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(cè)器的設(shè)計(jì)主要是改善對(duì)反射光的接收能力，如靈敏度、響應(yīng)速度和清晰度等。　　那時(shí)對(duì)光的應(yīng)用目的，主要是能夠更清楚更詳細(xì)的看到東西，其實(shí)就是古老光學(xué)（約在16世紀(jì)）提出的問(wèn)題：人眼為什么能看到東西？光電探測(cè)器也就是回答這個(gè)問(wèn)題的初始答案?！　≡賮?lái)分析人眼看到東西的物理過(guò)程，當(dāng)入射光照射物體時(shí)，是反射光到達(dá)的人眼，也就是說(shuō)反射光帶來(lái)了觀察對(duì)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(duì)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?yàn)檎丈涞接^察對(duì)象，把入射光受到觀察對(duì)象調(diào)制成反射光，也就是反射光帶回了觀察對(duì)象的位置、形狀和顏色，而入射光就沒(méi)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(qiáng)度、相位對(duì)任何物體都是一樣的，直接觀察入射光就無(wú)法區(qū)分不同的觀察對(duì)象，無(wú)法區(qū)分就是沒(méi)看到，所以有觀察意義的光是反射光或者說(shuō)是信息光，這就如同太陽(yáng)光掛在天上，對(duì)所有生物用途都是一樣的，有的生物黑天可以活動(dòng)，而白天不能活動(dòng)，因?yàn)榭床坏綎|西；人在黑天不能活動(dòng)，看不到東西，為什么？就是人和其他生物一樣長(zhǎng)在他們身上的眼睛不同。

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