【XH】半导体激光器能带结构和光谱益的量子理论-半导体激光器设计理论III-(上册) pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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郭长志著

图书标签:

半导体激光器
能带结构
光谱特性
量子理论
激光器设计
半导体物理
光电子学
材料科学
物理学
半导体器件

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店铺：爱尚美润图书专营店

出版社：科学出版社

ISBN：9787030473400

商品编码：29491665820

包装：精装

出版时间：2016-03-01

具体描述

基本信息

书名：半导体激光器能带结构和光谱益的量子理论-半导体激光器设计理论III-(上册)

定价：178.00元

作者：郭长志

出版社：科学出版社

出版日期：2016-03-01

ISBN：9787030473400

字数：

页码：479

版次：1

装帧：精装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

内容提要

量子理论是研究半导体激光器中：①体半导体、量子阱、量子线、量子点等增益介质的电子能谱结构，及其②电子与辐射光场的相互作用，包括光的产生、吸收、放大和散射等涉及不同能带之间、能带以内不同子带或各种晶格缺陷和杂质能级之间的光跃迁和非光跃迁、带内散射和弛豫等决定半导体激光器涉及光电性能的重要量子行为。其中①和②分别用单电子近似理论和半经典理论处理。任务是研究对半导体激光器的阈值、激光功率、调制速率、器件结构和激光波段等的设计都有根本意义的激光材料光增益谱结构和激光量子效率等。全书论述既重基础又涉前沿，既重物理概念又重推导编程演算，后对全量子理论也有简要的介绍。
　　《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（上册）》适合有关专业的研究人员和教师、研究生、大学高年级本科生作为专业课本、参考书或自修提高的读物。

总序
引言

章半导体及其低维结构能带理论
1．1 能带论的基础
1．1．1 单电子能带模型的三个基本近似
1．1．2 晶格周期性的作用
1．1．3 晶格电子能谱及其表述方式
1．1．4 能带结构的计算
1．2 有效质量分析与k-p微扰论
1．2．1 有效质量分析
1．2．2 K·p微扰论的有限个能带模型
1．2．3 凯恩简并四带模型，有自旋一轨道相互作用的k·p法
1．2．4 拉廷格一科恩简并价带k·p微扰论
1．2．5 应变对能带结构的影响
1．2．6 GaN的能带结构
1．3 非均匀半导体一半导体异质结构
1．3．1 模型固体理论
1．3．2 包络函数理论和有效质量方程
1．3．3 半导体量子阱的能带结构
1．3．4 量子阱的子带结构
1．3．5 多阱结构和阱间耦合
1．3．6 任意一维势能场中的电子包络态——传播矩阵法
1．3．7 空间电荷分布对能带结构的影响

第2章半导体能带之间的跃迁
2．1 电子和光子的能态密度及其统计占据率
2．1．1 电子能带的态密度
2．1．2 半导体量子点中的三维谐振子模型
2．1．3 光子能态密度——大光腔情况
2．1．4 电子和光子在多能级系统上的统计分布
2．1．5 体半导体中载流子浓度及其费米能级的确定
2．1．6 半导体量子阱中的载流子浓度及其费米能级的确定
2．2 半导体中的光跃迁
2．2．1 微观唯象理论
2．2．2 三种基本光跃迁速率之间的关系
2．3 光跃迁的量子力学
2．3．1 光跃迁几率
2．3．2 半导体带间光吸收和光增益

作者介绍

文摘

序言

【XH】半导体激光器能带结构和光谱益的量子理论-半导体激光器设计理论III-(上册) 本书内容简介本书是“半导体激光器设计理论”系列丛书的第三卷（上册），聚焦于半导体激光器的核心基础——能带结构和光谱特性，并深入阐述其量子理论。本书旨在为读者构建一个全面而深入的理解框架，揭示半导体激光器从材料特性到光辐射产生机制的内在联系。我们不涉及具体的激光器制造工艺、详细的电路设计或市场应用分析，而是将重点放在理论的根基上，为读者提供坚实的学术储备。第一章：半导体材料的能带理论基础本章将首先回顾晶体物理学中的基本概念，包括晶格结构、布里渊区以及周期性势场下的电子运动。在此基础上，我们将详细介绍能带理论（Band Theory）的核心原理。我们将从单原子模型出发，逐步过渡到多原子晶体，阐释电子在周期性势场中形成离散能级，并最终汇聚成连续的能带。原子轨道与分子轨道：简要回顾原子轨道概念，并说明当原子在晶体中聚集时，它们的原子轨道会发生轨道杂化，形成分子轨道。周期性势场与Bloch定理：介绍Bloch定理，解释为何电子在周期性势场中可以被描述为平面波与周期性函数的乘积，以及这一定理在能带形成中的关键作用。能带的形成与区分：详细阐述价带（Valence Band）、导带（Conduction Band）以及它们之间的禁带（Band Gap）。我们将分析不同材料（如Si, Ge, GaAs）的禁带宽度及其对光电性质的影响。电子与空穴的引入：定义电子（Electron）和空穴（Hole）的概念，并阐述它们在半导体中的自由运动以及各自的有效质量（Effective Mass）。有效质量的概念是理解载流子动力学和光学过程的关键。费米能级与载流子浓度：引入费米能级（Fermi Level）的概念，并讨论其在不同温度下以及不同掺杂浓度下的变化。我们将推导本征半导体和掺杂半导体的载流子浓度表达式，为后续的光学特性分析奠定基础。有效质量的物理意义：深入探讨有效质量不仅仅是一个参数，它反映了电子或空穴在晶格中受外力作用时的响应程度，与能带的曲率（Curvature）直接相关。第二章：半导体中的光学跃迁与激子效应在建立起能带理论的坚实基础后，本章将重点探讨半导体材料如何与光相互作用，特别是与光辐射相关的跃迁过程。直接带隙与间接带隙半导体：区分直接带隙（Direct Band Gap）和间接带隙（Indirect Band Gap）半导体，并解释它们在光学跃迁效率上的巨大差异。我们将分析能量-动量（E-k）关系图，直观展示带隙类型。光吸收过程：详细描述光子能量如何被半导体吸收，引起电子从价带跃迁到导带（或从占据态跃迁到非占据态），形成电子-空穴对。我们将分析光吸收系数（Absorption Coefficient）与光子能量、禁带宽度以及材料结构的关系。辐射复合过程：重点阐述电子和空穴在导带和价带中复合并释放能量的过程。我们将区分辐射复合（Radiative Recombination）和非辐射复合（Non-radiative Recombination），并说明辐射复合是产生激光光子的根本机制。激子（Exciton）的形成与性质：引入激子的概念，解释电子和空穴由于库仑吸引力形成束缚态。我们将讨论本征激子（Frenkel Exciton）和瓦尔特-厄里克激子（Wannier-Mott Exciton），并分析激子对其光学性质的影响，包括激子吸收峰和激子发光。非线性光学效应（简要介绍）：简要提及在强光场作用下可能出现的非线性光学效应，例如二次谐波产生等，但不会深入探讨其复杂机制，仅为拓宽读者视野。第三章：半导体激光器的辐射理论本章将聚焦于半导体激光器产生相干光的核心——辐射理论，从量子力学的角度解释光与物质的相互作用。量子力学中的辐射过程：回顾量子电动力学（Quantum Electrodynamics, QED）的基础，特别是自发辐射（Spontaneous Emission）和受激辐射（Stimulated Emission）的概念。 Einstein A与B系数：详细推导Einstein A（自发辐射系数）和B（受激吸收系数、受激辐射系数）系数，并阐释它们之间的关系。我们将证明受激辐射是产生相干光的关键，其概率与电磁场的强度成正比。光与半导体相互作用的量子描述：将QED的辐射理论与半导体能带理论相结合。我们将分析光子与价带、导带中电子和空穴之间的跃迁过程，计算跃迁速率。相干辐射的产生条件：明确激光产生的三个基本条件：粒子数反转（Population Inversion）、增益介质（Gain Medium）以及谐振腔（Resonant Cavity）。本书重点关注增益介质的形成与光子产生。载流子分布与粒子数反转：深入分析如何通过注入载流子（通常是电注入）来打破载流子在价带和导带的平衡分布，实现粒子数反转。我们将探讨载流子浓度、温度以及能带结构对粒子数反转能力的影响。光学增益（Optical Gain）的推导：基于受激辐射理论，推导半导体材料在实现粒子数反转时的光学增益系数。我们将分析增益系数与载流子浓度、注入电流密度以及半导体材料性质之间的定量关系。第四章：能带结构对光谱特性的影响本章将把前几章建立的理论框架应用到具体的光谱特性分析中，重点考察能带结构如何决定半导体激光器发光的波长和谱线宽度。发光波长与禁带宽度的关系：明确指出半导体激光器发光的中心波长（λ）与材料的禁带宽度（Eg）之间存在大致的倒数关系（λ ≈ hc/Eg），其中h为普朗克常数，c为光速。不同材料的发光波长范围：结合不同化合物半导体（如AlGaAs、InGaAsP、GaN）的禁带宽度，分析它们可实现的发光波长范围，从而解释为何不同的材料适用于不同的激光器应用（如可见光、近红外、短波红外）。光谱展宽机制：详细分析导致激光器光谱展宽的各种机制，包括：载流子统计展宽：由于费米-狄拉克统计，导带和价带中的载流子并非处于单一能量，导致跃迁能量有一定分布。声子散射展宽：载流子与晶格振动（声子）的相互作用会引起能量损失和动量变化，导致跃迁能量展宽。光学散射展宽：载流子之间的散射以及与杂质的散射也会导致能量和动量的变化。器件结构效应：狭窄的量子阱（Quantum Well）结构导致的量子限制效应（Quantum Confinement Effect）会改变能带结构，产生更窄的光谱线。激子对光谱的影响：再次回顾激子对发光光谱的影响，包括激子发光峰的存在及其宽度。能量传递与再吸收：讨论在多层结构或体材料中，不同能级间的能量传递以及发射光子被材料自身吸收的现象，以及这些过程如何影响输出光谱。第五章：量子限制效应与纳米结构激光器随着半导体技术的进步，纳米尺度的结构在激光器设计中扮演着越来越重要的角色。本章将聚焦于量子限制效应及其在纳米结构半导体激光器中的应用。一维、二维、三维量子限制：详细介绍在量子阱（Quantum Well, QW）、量子线（Quantum Wire, QWIRE）和量子点（Quantum Dot, QD）等结构中，载流子运动在一个、两个或三个方向上受到限制而产生的量子限制效应。量子限制态的能量修正：推导不同维度量子限制下，载流子能量的量子化和能级移动。我们将分析维度降低如何改变能带结构，例如将连续的能带转变为离散的能级。量子限制对光学特性的影响：禁带宽度增大：阐述量子限制如何“人为地”增大材料的有效禁带宽度。跃迁概率增强：解释为何二维和一维量子限制的材料通常具有更高的辐射复合效率和更强的增益。光谱特性改变：讨论量子限制如何导致发光光谱的蓝移（Blueshift）以及谱线变窄，从而实现更高效率和更纯净的光。量子阱激光器（QW-LD）: 重点分析量子阱结构如何改变能带，以及它如何成为现代高效率半导体激光器的基础。我们将讨论单量子阱（SQW）和多量子阱（MQW）的设计原则。量子线激光器（QWIRE-LD）和量子点激光器（QD-LD）: 介绍量子线和量子点激光器的理论基础，以及它们在实现更精细的光谱控制和更高的转换效率方面的潜力。我们将重点分析量子点近似为零维（0D）系统时，其能级高度离散化的特性。本书的理论深度与局限性本书所包含的理论内容，是从半导体能带论、量子力学和量子光学等基础学科出发，构建了理解半导体激光器发光原理的完整理论体系。我们力求在概念的清晰性和理论的严谨性之间取得平衡，为读者提供深入的理论指导。需要强调的是，本书不涉及以下内容：具体的材料生长技术，如MOCVD、MBE等。详细的器件结构设计，如PN结、P-i-N结的构建，腔面反射镜的设计等。激光器工作时的电学特性，如注入电流、电压-电流特性、阈值电流等。激光器的光学腔设计与模式理论。复杂的激光器制造工艺与可靠性分析。各种光电器件（如光电二极管、LED）的详细设计与工作原理。激光器的应用领域分析，如通信、医疗、工业等。本书的目标是提供一套扎实的理论基础，使读者能够深刻理解半导体激光器“为何能发光，以及发什么光”，为进一步深入研究和设计半导体激光器提供坚实的学术支撑。

用户评价

评分☆☆☆☆☆

这本书的篇幅看起来相当可观，尤其是“上册”的厚度就足以让人感受到其内容的丰富性。大量的篇幅必然意味着对每一个主题的探讨都进行了充分的展开，而不是蜻蜓点水式的介绍。我期待看到的是，在每个关键理论点被提出之后，作者会详细论证其历史背景、不同学派的观点差异，以及这些理论在现代工程实践中的具体应用案例。这种全景式的梳理，能帮助读者建立起一个完整的知识网络，而不是孤立地掌握某些公式。如果这本书能真正做到覆盖从基础物理原理到前沿工程应用的完整链条，那么它将不仅仅是一本教材，更可能成为该细分领域内一套重要的参考标准，是需要反复研读、常备案头的宝贵资源。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计确实挺吸引人的，封面选用了深沉的蓝色调，搭配上清晰有力的白色和金色字体，给人一种专业而又不失厚重的学术气息。内页纸张的质感也相当不错，触感细腻，墨水印制清晰，即便是长时间阅读也不会感到视觉疲劳。初次翻阅时，我就被其中严谨的排版风格所折服，章节标题和图表标注都设计得十分考究，可以看出出版方在细节处理上的用心。虽然我还没有深入到具体内容的研读，但仅从这本书的外观和装帧来看，它无疑是一本值得收藏的理工科专业书籍。对于那些需要经常查阅和参考相关理论知识的读者来说，这样的印刷质量和设计感无疑是加分项，能极大地提升阅读体验，让学习过程本身也成为一种享受，而不是枯燥的任务。这种对物理形态的重视，也从侧面反映了内容本身的严谨性与深度，让人对内部的知识体系充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

我注意到书中包含了大量的公式推导和理论模型阐述，这通常意味着作者对该领域的理解达到了相当深的层次。从章节标题的用词来看，它似乎没有回避那些被认为是“硬骨头”的核心理论，而是选择了正面迎击，力求提供详尽的数学证明和物理意义的阐释。对于那些追求彻底理解而非仅仅停留在表面概念的专业人士来说，这种深度是至关重要的。我尤其关注了其中关于边界条件处理和特定材料参数引入的部分，这些往往是实际应用中最容易出现偏差的地方。如果书中能对这些细节给出充分的讨论和对比分析，那么这本书的实用价值将得到质的飞跃。它似乎不仅仅是一本知识的罗列，更像是一本指导如何“做”研究和“设计”的工具书，充满了动手实践的潜力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的目录结构设计得非常清晰，层次分明，逻辑推演的脉络一目了然。我大致浏览了一下章节的命名，发现它似乎采用了由基础概念逐步深入到复杂模型的构建路径，这对于初学者来说是一个非常友好的引导。每一部分的前言都简短有力地概括了该章节的核心目标，这种清晰的路线图规划，使得读者在进入具体推导之前就能对即将学习的内容有一个宏观的把握，避免了在复杂的数学公式中迷失方向。特别是对于跨学科背景的读者，这种循序渐进的结构设计能大大降低理解门槛。此外，章节间的过渡似乎也处理得非常平滑，不像有些教材那样生硬地跳跃，而是通过一些承上启下的句子或小节，自然地将前一个知识点与后一个知识点衔接起来，这种流畅的知识流动感，是构建完整理论框架的关键。

评分☆☆☆☆☆

从整体风格上判断，这本书的文字表达偏向于严谨、客观的学术陈述，用词精准，极少出现主观色彩或文学化的修饰。这使得信息传递的效率非常高，每一个句子都承载着明确的知识点。对于习惯了这种专业语境的读者而言，这无疑是一种高效的阅读体验。不过，我也在想，在介绍一些高度抽象的概念时，作者是否也提供了一些直观的类比或图形化的辅助说明？毕竟，纯粹的符号逻辑有时会显得过于冷峻，适当的类比有助于在读者脑海中构建起更加生动、可操作的物理图像。如果书中能巧妙地平衡这种理论的抽象性与直观性，那么它的受众范围将能有效拓宽，不再局限于那些已经完全熟悉该领域术语的专家。