读半导体简史18光

1. 生命之光

1.1. 地球随光而生，居住在这里的人类依靠光来发现世界

• 1.1.1. 几万年以前，钻木取火使人类能够创造

• 1.1.2. 几千年之前，铜镜的发明使人类能够控制光的走向

• 1.1.3. 电的出现，扩大了人类对光的认知

• 1.1.3.1. 光照射某些物质时可以产生电

• 1.1.3.2. 电通过某些物质时可以发射光

• 1.1.4. 电磁场理论的确立，使光是一种电磁波的理念深入人心

1.2. 光可以借助半导体材料生电，光伏行业因此而生

1.3. 电能够经由半导体材料发光，将显示照明领域推入巅峰

1.4. 光伏与显示照明也是集成电路之外，半导体最大的两个应用场景

1.5. “光放大”的基础，使激光的出现成为必然

• 1.5.1. 激光是半导体制作不可或缺的一环，半导体材料也是实现激光最为廉价的手段

2. 光学起源

2.1. 1000多年以前，古人在观测拂晓日出、黄昏日落这些质朴自然现象的过程中，形成了对光的基础认知

2.2. 春秋战国时期，墨子发现小孔成像。在西方，欧几里得确立了几何光学的基础

2.3. 17世纪上半叶，光学正式成为一门科学

• 2.3.1. 斯涅耳与笛卡儿将光的反射与折射现象归纳为反射与折射定律

2.4. 17世纪下半叶，牛顿发明了反射式望远镜，提出了光的色散原理，他认为白光由彩虹中出现的所有颜色组合而成，并通过棱镜实验证明了这个原理

• 2.4.1. 牛顿在棱镜实验之后，便断言了解一个物质的结构，仅需要了解这个物质的光谱即可

2.5. 英国科学家胡克已经提出光的波动说，认为光以波的方式传播

2.6. 荷兰的惠更斯发展了胡克理论，认为光是一种机械波，使用波动说证明了光的反射定律和折射定律，解释了光的衍射与双折射等光学现象

2.7. 1690年，惠更斯提出光的波动原理，即惠更斯原理

2.8. 19世纪初，英国的托马斯·杨进行了著名的双缝实验，发现光通过双缝后产生了干涉条纹

• 2.8.1. 随后他用波的叠加原理解释了这一现象，提出光是一种波，但这个实验结果没有改变粒子说的主流地位

2.9. 1814年，德国科学家夫琅禾费(Joseph von Fraunhofer)

• 2.9.1. 夫琅禾费线

2.10. 1815年，法国一位科技爱好者菲涅耳，开始了光学之旅

• 2.10.1. 在光学领域，有一系列以“菲涅耳”为前缀的术语与仪器，包括菲涅耳数、菲涅耳积分、菲涅耳透镜、菲涅耳双面镜、菲涅耳双棱镜、菲涅耳衍射等

2.11. 1818年，菲涅耳以光的波动说为基础，通过严谨的数学推理，解释了光的偏振现象，推导得出光线通过圆孔后产生衍射图案的精确规律

• 2.11.1. 菲涅耳的理论推导与实验数据十分吻合

• 2.11.2. 光的波动说死灰复燃

2.12. 泊松根据菲涅耳的理论得出结论，如果将小圆盘放在一束光线中，其后的屏幕中心将会出现一个极小的亮斑

• 2.12.1. 这个亮斑就是在光学领域中著名的泊松斑

2.13. 1821年，菲涅耳进一步提出光是一种横波，并基于这个理论，圆满解释了光的偏振、反射、折射与双折射，提出了菲涅耳公式

2.14. 1859年，德国科学家本生(Robert Bunsen)和基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)揭开了太阳光谱蕴藏的部分秘密

• 2.14.1. 本生灯

• 2.14.2. 太阳光抵达地球之前，穿越了太阳大气层中的钠蒸气，也间接证明了太阳中含有钠

• 2.14.3. 基尔霍夫的学生

• 2.14.3.1. 验证了电磁波存在的海因里希·赫兹

• 2.14.3.2. 开创了量子力学的普朗克

2.15. 1885年，荷兰科学家巴耳末发明了一个公式，可以精确计算出这4条氢原子谱线的位置，并预测出其他尚未发现的谱线位置，这个公式也被称为巴耳末公式

2.16. 电磁学在欧洲兴起，奥斯特实验建立了电与磁之间的联系

2.17. 19世纪末期，塞曼在分析钠元素光谱时，引入了一个强磁场，之后他发现谱线发生了分裂，这就是塞曼效应

• 2.17.1. 这个效应是研究原子结构和发光机制的重要工具

• 2.17.2. 洛伦兹解释了塞曼效应，并精确测量出电子所带电荷与质量的比值，即荷质比

• 2.17.2.1. 这个效应至今还是研究原子结构的重要方法

2.18. 赫兹验证了麦克斯韦电磁场理论的正确性

• 2.18.1. 光是一种电磁波的观点已不可质疑

2.19. 1900年，量子力学理论正式诞生，此后光谱分析方法更加成熟，逐步成为研究原子、分子、凝聚态等物质微观结构与微观粒子相关作用的主要方法

2.20. 普朗克

• 2.20.1. 普朗克回顾了之前的所有公式后，发现只要黑体辐射出的能量连续，之前出现的公式没有一个是正确的，一些公式在某种特定条件之下，所得出的结果甚至是荒唐的

• 2.20.2. 普朗克认为能量并不连续，是由一份份不可分割的最小能量组成，这个最小能量被称为“能量子”​，大小等于hν，其中ν为辐射电磁波的频率，h是普朗克常数

• 2.20.3. 普朗克根据“最小能量子”理论得出了一个全新的黑体辐射公式，也被称为普朗克公式，合理解释了黑体辐射问题

2.21. 1902年，Phillip Lenard发现随着光的强度增大，所产生的光电子数目也将增多，但是光电子的动能却与光的强度无关，只与入射光的频率有关

2.22. 与光的波动说与粒子说一道发展的，还有另外一个重要的光学领域，即光谱分析

• 2.22.1. 光谱分析是研究原子结构的重要手

• 2.22.2. 光谱分析不仅是观测微观世界的眼睛，还可以用于宏观世界

• 2.22.3. 太阳系与银河系的物质组成、宇宙爆炸学说，也是基于光谱分析而提出

• 2.22.4. 在宇宙中，每一束光线所包含的信息，超过了多数人的想象

2.23. 1928年，印度科学家拉曼无意中发现当光线照射到物质时，除了能够检测到与入射光频率相同的反射光之外，还发现了与光源频率不同的其他散射光所形成的光谱

• 2.23.1. 用现代量子力学观点，拉曼散射可以简单地理解为光粒子照射到物质的某个粒子后，该物质粒子的电子发生能级跃迁而发射出光的过程

• 2.23.2. 散射称为拉曼散射，将散射光谱称为拉曼光谱

• 2.23.3. 拉曼光谱可以应用在许多领域，包括半导体材料

• 2.23.4. 拉曼也因此获得了1930年度的诺贝尔物理学奖

2.24. ​“散布光子，捕获光子，分析光子”也逐步成为探密物质微观结构的通用方法，并延续至今，成为一门博大精深的学科

2.25. 物质在一定条件作用之下可以发光，其中最简单的方法莫过于通过加热为物质提供能量

2.26. 不同温度的物体辐射出的光线并不相同

• 2.26.1. 温度高的物体发出的光线越偏近于黄色也越亮

• 2.26.2. 温度低的物体发出的光线越偏近于红色也越暗

2.27. 金属能否发生光电效应与光的波长有关，与光照时间与强度无关

2.28. 爱因斯坦

• 2.28.1. 关于光电效应的解释

• 2.28.2. 至今，量子力学与相对论已历经百余年的发展，我们对电子和光子的认知也许依然处于初步阶段，但却并不影响爱因斯坦所创造的这一理论，可以完美地解释光与电之间的联系

• 2.28.3. 在爱因斯坦提出这些理论不到50年的时间里，出现了若干个与光电相关，具有深远影响的应用领域，包括光伏、显示与LED(Light Emitting Diode)照明、激光等

2.29. 带着质疑，美国物理学家密立根在三年艰苦的证伪过程中，一步步成为光电效应学说最坚定的支持者

• 2.29.1. 1914年，他证实了爱因斯坦光电效应方程的正确性，之后又测量出普朗克常数h的数值

2.30. 1923年，美国物理学家康普顿发现，X射线与电子相遇发生散射时，在散射光中除了有原波长的X射线之外，还产生了大于原波长的X射线

• 2.30.1. 波长的增量随着散射角的不同而变化，这种现象被称为康普顿效应