固体光电子学-绪论

固体理论讲义一序论1.什么是固体固体是由大量原子所结合而成的不会流动的宏观体系。

从导电性讲：导体、半导体、绝缘体。

从晶格结构讲：晶态、准晶、非晶态、无系玻璃态。

3.元激发的概念T=0 K时，固体的基态不仅是能量最低的状态，而且还是某种有序态。

从微观角度分析，实验上所测得的宏观属性是固体在外扰动作用下从基态跃迁到激发态时所产生的响应。

对于能量靠近基态的低激发状态，往往可看作成是一些独立基本激发单元的集合，它们具有确定的能量和波矢，这些基本激发单元就是元激发，有时也称为准粒子。

4.元激发的分类元激发大体可分为两类：一类是集体激发的准粒子：声子、磁振子、等离激元等，表现为序参量的微小涨落。

这类元激发一般为波色子。

另一类元激发是个别激发：极化子、金属中的屏蔽电子或准电子。

4．固体理论的基本任务在于从微观上解释固体的各种特性，阐明其规律。

固体理论的主要方法为量子场论的方法。

借助于元激发的引入，可以使复杂的多体问题简化为接近于理想气体的准粒子系统，从而使低激发态的描述变得十分简单。

解释固体的实验测量特性问题归结为求解在给定外扰动作用下互作用系统的元激发问题，这是固体量子论的中心课题。

5.固体理论的讲授内容（1）周期性结构：正格矢、倒格矢、布里渊区。

（2）声子：晶格动力学、声学模、光学模、极化激元。

（3）磁振子：海森伯模型、铁磁自旋理论、反铁磁自旋理论。

（4）等离激元：等离激元和准电子、介电函数。

（5）电声子相互作用：（6）超导电性的微观理论：BCS理论。

（7）氧化物高温超导体（8）能带理论：（9）极化子理论：大极化子与小极化子。

（10）激子理论：瓦尼尔-莫特激子、夫伦克耳激子。

（11）强关联电子体系（12）无系系统连续介质近似：连续介质近似是将整个固体系统看作一宏观意义下的均匀介质，不考虑原子及晶格结构的具体细节。

绝热近似：考虑到离子实的质量比较大，离子运动速度相对慢，位移相对小，在讨论电子问题时，可以认为离子是固定在瞬时的位置上，这样，多种粒子的问题就简化成多电子问题。

光电子学中的固态光学器件原理光电子学是研究光与电子之间相互作用的学科领域，而固态光学器件则是光电子学中的重要组成部分。

固态光学器件利用固体材料的特殊性质，将光与电子相互转换，从而实现各种光学功能。

本文将介绍一些常见的固态光学器件原理，包括发光二极管、激光器和光电二极管。

发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）是一种能够将电能转换成光能的器件。

其工作原理基于半导体材料的特性。

半导体材料中的电子能级分为导带和价带，两者之间存在能隙。

当外加电压施加在半导体材料上时，电子从价带跃迁到导带，同时释放出能量，产生光辐射。

不同的半导体材料具有不同的能隙，因此可以发射出不同波长的光。

通过控制半导体材料的成分和结构，可以实现不同颜色的LED光源。

激光器（Laser）是一种能够产生高度相干、单色、高亮度光束的器件。

激光器的工作原理基于光的受激辐射效应。

激光器由三个基本部分组成：激发源、增益介质和光学反射镜。

激发源通过电流或光能激发增益介质，使其处于激发态。

当光子通过增益介质时，会与激发态的原子或分子发生相互作用，产生受激辐射，释放出一束相干的光。

这束光经过光学反射镜的反射和放大，最终形成激光束。

激光器的波长和功率可以通过调节增益介质和光学反射镜的参数来控制。

光电二极管（Photodiode）是一种能够将光信号转换成电信号的器件。

其工作原理基于半导体材料的光电效应。

当光照射在光电二极管上时，光子的能量会激发半导体材料中的电子，使其跃迁到导带，产生电流。

光电二极管通常由p-n结构构成，其中p型区域富含空穴，n型区域富含电子。

当光照射在p-n结上时，光生载流子会在电场的作用下被分离，形成电流。

通过控制光电二极管的结构和材料，可以实现对不同波长的光信号的检测和测量。

除了上述提到的几种固态光学器件，还有许多其他的器件也在光电子学中得到广泛应用。

例如，光电晶体管（Phototransistor）是一种能够将光信号转换成电信号的放大器件，其工作原理基于晶体管的放大作用。

电子行业第五章固体电子论基础引言在电子行业中，固体电子论是一门重要的学科。

它涉及到电子学中固态材料中电子行为的研究和应用。

本文将介绍固体电子论的基础知识，包括固体材料的能带结构、载流子行为和导电性等方面。

1. 固体材料的能带结构固体材料的能带结构是固体电子论中的基本概念。

能带结构描述了固体材料中电子的能量分布情况，决定了材料的导电性质。

1.1 带隙带隙是固体材料能带结构中的一个重要概念。

它指的是能带之间的能量差，代表了材料的导电性质。

根据带隙的大小，材料可以分为导体、绝缘体和半导体。

•导体：带隙非常小或者没有带隙，导电性能较好，如金属材料。

•绝缘体：带隙非常大，几乎没有自由电子，不导电，如陶瓷材料。

•半导体：带隙介于导体和绝缘体之间，导电性能可以通过控制添加杂质来改变，如硅、锗等材料。

1.2 能带能带是固体材料在能量-动量空间中的能级分布。

根据波函数周期性的性质，可以将能带分为价带和导带。

•价带：位于较低能量范围的带，包含了大量的价电子，与共价键形成，对材料的导电性有重要影响。

•导带：位于较高能量范围的带，包含了能够自由运动的载流子，可以贡献电流。

2. 载流子行为固体电子论中，载流子是指固体材料中自由运动的电子或正孔。

了解载流子行为有助于理解材料的导电性质和电子器件的工作原理。

2.1 电子电子是带负电的基本粒子，是固体材料中最常见的载流子。

在导体中，电子可以自由地在导带中移动，从而形成电流。

2.2 正孔正孔是电子带正电的现象。

当材料中存在缺电子的位置时，电子从相邻原子跳到这个位置上，同时会在原来位置上留下一个相当于正电荷的空位。

这个空位被称为正孔，它可以像自由电子一样在价带中移动，也可以贡献电流。

2.3 有效质量有效质量是指固体材料中载流子的运动性质类似于自由电子时的质量。

由于固体材料中载流子的运动受到晶体结构和电场等因素的影响，其运动性质可能会有所改变。

有效质量的概念可以用于描述载流子的运动性质和参与电子行为的程度。

固态物理学中的光电子学研究随着科学技术的日新月异和应用的广泛发展，光电子学的研究已经跨越了多个学科的界限，成为了现代科学的一个重要领域。

其中，固态物理学中的光电子学研究旨在探究光子和电子之间相互作用的物理机制，为新型材料和电子器件的研制提供理论和实验基础。

本文将围绕这一主题，探讨固态物理学中的光电子学研究现状、发展趋势以及其应用前景。

一、光电效应及其应用光电效应是光子与固体材料相互作用的一种典型现象，通常指物质受到光照射而发生电子发射的过程。

早在19世纪末，人们就已经发现了光电效应的存在，但直到20世纪初，爱因斯坦才提出了能够解释光电效应的引出理论，从而引领了人们对光电子学研究的新篇章。

随着实验技术的不断发展，人们逐渐发现光电效应是一种多样化的现象，包括外光电效应、内光电效应、反向光电效应、次级光电子发射以及光致伏安效应等。

而这些现象的发现，不仅扩展了对光电效应的认知，也拓宽了光电子学的应用场景。

实际上，光电效应已经被应用于很多领域，如太阳能电池、激光器和摄像等。

其中，辐照效应就是利用光电效应制造的最早应用之一，它通过光电效应将电子从某些晶体材料中释放出来，生成氧化亚银或氧化铜的微结构表面，以增加钞票和其他安全证件上的抗伪造性。

此外，电子/光子超导、半导体光譜、以及一些基于量子点的宽带实现器（QD W/B IPs）也是光电效应的应用方向之一。

二、光电子学与半导体物理作为固态物理学的重要分支之一，半导体物理研究主要集中在探究半导体中电子和空穴的状态和运动特性，以及电子和空穴的相互作用等方面。

而在这些研究中，光电子学扮演了一个非常关键的角色，如半导体光电子学研究的发展，有效地解决了半导体中光子与电子、空穴之间的相互作用机制，为半导体物理学的深入研究提供了有力支撑。

特别是在半导体激光器，以及光纤通讯等研究领域中，人们广泛应用了光电子学的理论和实验方法。

通过外界光信号的激励，使半导体材料中的电子和空穴产生非平衡状态，并通过特殊工艺，在材料内部有效地构筑出激光谐振腔。

固体光电子学物理科学与技术学院本科课程教学大纲《固体光电子学》Solid Optoelectronics一、课程基本信息学时/学分:68/4先修课程:《高等数学》、《大学物理》课程号:20223740课程类别:专业课(选修)适用专业:固体光电子学开课教师: 物理学院何捷，卢铁成教材:《固体光电子学》傅竹西中国科技大学出版社二、本课程的性质、地位和任务《固体光电子学》是建立在光电子学基础上得一门专业学科，是研究利用光子传输信息的应用科学。

它是在光学、电磁学、激光物理、固体物理和电子学等基础上建立起来的一门交叉学科，涉及到与光信息有关的各个领域。

光电子学是在信息产业高速发展的形式下建立和发展起来的，随着信息高速公路的发展和人民生活的现代化，光电子学显示了越来越重要的作用和广阔的发展前景。

本课程内容主要针对光通讯、集成光学和计算机等方面的应用，较全面地讲述了与光信息有关的基本原理、规律和方法。

包括固体光发射，光调制、光传输和耦合、光的探测和接受及光信息处理、记录和显示等。

并注意介绍该领域中一些新发展和新技术，有其突出了固体光电子器件的工作原理和功能。

由于本课程主要针对物理学专业的同学，因此在讲述时着重基础知识的阐述，并注重内容的广泛性和新颖性，对课程内容的深度也做了适当的考虑。

在教学过程中，充分调动和发挥学生的主动性和创造性，进行启发式教学，提倡学生自学，培养学生自学能力。

为巩固所学知识，学生要做必要的课外练习，为增加学生的知识面和深度，学生还要阅读一些课外参考书。

三、本课程教学内容和基本要求本课程部分采用傅竹西编写的《固体光电子学》作教材，讲授的深度以教材为主，但鉴于教学时数的限制，考虑到专业要求将部分大学物理已学过的内容删除，另外将部分内容作为课外阅读教材，和作为专题讲座的教材。

为了培养学生的自学能力，还将安排部分章节作为学生课外自学内容，为及1 注:物理系专业课(选修)物理科学与技术学院本科课程教学大纲时检查自学情况，因材施教，将组织学生将所学内容，以讲课的形式在课堂上讲授，并把部分自学内容引入期末考试中。