半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（上册） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郭长志 著

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• 半导体激光器
• 能带结构
• 光增益
• 量子理论
• 半导体物理
• 光学物理
• 激光技术
• 量子力学
• 材料科学
• 固态物理

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030473400

版次：1

商品编码：11901453

包装：精装

开本：16开

出版时间：2016-03-01

用纸：胶版纸

页数：479

字数：605000

正文语种：中文

内容简介

　　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激射阈值、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，最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。

内页插图

目录

总序
引言

第1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

前言/序言

　　任何激光器都由三个主要部分组成，一是增益材料、二是波导光腔、三是激发机制，半导体激光器的增益材料主要是直接带隙半导体，包括高折射率的体半导体和低维半导体（量子阱、量子线、量子点），或低折射率的掺饵（Er）S102、掺饵Si3N4等；其波导光腔可由介电波导或等离子体波导构成，其激发机制可为光注入、pn结注入、或量子隧穿注入等。
　　1948年提出半导体激光器的设想，1961年在理论上肯定了在半导体中实现粒子数反转的可能性，并于1962年在发光二极管中偶然观测到激光发射现象之后，制成同质结激光器，从此不断为其提高工作寿命、降低阈值（首先是为了实现室温连续工作）、控制激光模式、提高出光功率、提高调制速率、提高工作温度、拓宽激光波长范围、微型化和集成化、以及某些特殊用途等的目标而迅速发展。在半导体激光器的发展过程中，理论和实验之间，或先或后、互相促进、共同得到重大发展。其中富有活力的设计理论，往往因其开创性和前瞻性，在思想上起着开路先锋的作用，半导体激光器的设计理论大体可分为：工艺理论、速率方程理论、模式理论、和量子理论四个方面：
　　（1）工艺理论在继承传统半导体工艺理论，例如，熔体拉晶、杂质扩散、离予注入、掩膜刻蚀、熔焊烧结等的基础上，着重发展了液相外延、分子束外延、金属有机气相沉积外延生长、和自组织生长等化学热力学和晶体生长动力学的设计理论。其任务是根据半导体激光器件的结构和性能要求，设计出合理可行的制作工艺方法、条件和流程。
　　（2）速率方程理论是从微观唯象观点，以唯象参数为工具，以粒子数守恒为依据的速率方程为分析手段的半导体激光器件物理理论，从全局上揭示了半导体激光器的激射阈值相变、多模之间的模式竞争、模式谱系结构等静态行为，延迟、过冲、振荡过渡等瞬态行为、调制方式方法及其速率、动态频谱结构、动态单模化、光模注入锁定、激光的双稳态、自脉动、分叉、混沌、量子噪声和谱线展宽、载流子在量子阱、量子线、量子点等低维结构中的捕获和逃逸等动力学行为及其物理机制，所涉及的有关唯象参数的数值大小则由实验估测，而其物理机制、内涵、导出、和理论估算等，则由下述宏观和微观理论分别解决和提供。其任务是挖掘器件的潜能，发现和提出可能的新器件或新性能、提出优化器件现有性能等的器件设计方案。
　　（3）模式理论是研究激光在波导光腔中的传播规律，各种波导结构中可能存在的各种光模类型和模式结构特点、揭示激光模式结构与波导结构的内在联系，从而发现控制波导结构和模式结构的途径。由于光在传播过程中主要突出其波动性，因而量子场论和经典场论导出基本上相同的结果，因此完全可以从麦克斯韦方程组出发进行分析。其任务是找出器件性能所需的佳激光模式结构和设计出其合理的波导光腔结构方案。
　　（4）量子理论是研究半导体激光器中体半导体、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。其处理所涉及的电子系统与光子系统相互作用的理论基础或出发点，有经典理论、半经典理论、全量子理论三个层次。经典理论是将电子的运动服从牛顿力学，光波及其与电子的相互作用服从经典场论，即麦克斯韦方程组。这对众多的电子与光波之间弱相互作用的折射率现象和自发发射因子现象都可得出相当成功的理论结果。半经典理论是将电子的运动服从量子力学，但对光波采用经典场论近似，即近似服从麦克斯韦方程组。这在受激辐射和散射问题都获得非常成功，但无法直接处理自发辐射问题，全量子理论是将电子和光子的运动皆统一服从量子力学，即将电磁辐射场量子化，这样的量子场论与量子电动力学或量子电子学或光子学的差别只在一般可忽略相对论效应，至于光和非光跃迁所涉的增益介质中的电子能级则由半导体能带的量子理论得出，因此，现行的半导体激光器发光过程的理论大多是以半导体能带结构理论和半经典光跃迁的量子理论为基础。其任务是研究半导体激光材料的光增益和激光的量子效率，及其光增益谱结构，如增益谱的峰值增益及其相应的峰值能量和增益谱宽与半导体能带结构的关系，以及影响增益的可能因素，提出拓宽激光波段和提高激光增益的新材料及其受到增益介质的尺寸和维数的影响。这对半导体激光器的激射阈值、激光功率、调制速率、器件结构和激光波段等都有根本性的意义。

《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（上册）》 概述 本书是关于半导体激光器基础理论的开篇之作，深入探讨了半导体材料的能带结构及其对光增益机制的决定性影响。本书旨在为读者构建一个坚实的理论框架，理解半导体激光器如何通过量子力学原理实现相干光源的产生。作为上册，本书重点聚焦于静态的能带理论及其基本概念，为后续深入的光增益计算和激光器动力学分析奠定坚实的基础。读者将在此领略量子世界在固体材料中的奇妙展现，理解电子如何在高低能带间跃迁，以及这种跃迁如何与光子发生相互作用。 内容详述 第一章：引论——半导体激光器的基本概念与发展历程 本章将为读者描绘半导体激光器的宏伟图景，从其诞生伊始的科学意义与技术突破，到如今在通信、传感、医疗、工业等领域的广泛应用，勾勒出其不可替代的地位。我们将简要回顾半导体激光器发展的关键里程碑，例如首次实现的同质结和异质结激光器，以及不同材料体系（如GaAs、InP、GaN等）的兴起与演进。同时，本章也将提出本书的核心研究问题：半导体激光器产生光增益的内在物理机制是什么？其能带结构扮演着怎样的关键角色？这些问题将引领读者进入本书更为深入的理论探讨。 第二章：晶体结构与周期性势场 要理解半导体材料的能带结构，首先需要掌握其微观的晶体结构。本章将从原子排列的周期性出发，介绍晶体的基本概念，如晶格、基元、晶向和晶面。在此基础上，我们将引入“布里洛兹区域”的概念，这是描述晶体中电子动量空间周期性的重要工具，为后续能带理论的构建打下基础。本章将详细讲解如何用周期性势场来描述晶体中电子受到的相互作用，以及为何这种周期性势场是形成能带结构的关键。我们将探讨各种晶体结构（如金刚石结构、闪锌矿结构等）的特点，以及它们如何影响材料的电子性质。 第三章：布里渊区与电子的能带 本章是本书的核心内容之一，将深入讲解能带理论的起源与发展。我们将从薛定谔方程在周期性势场中的求解入手，导出能带的形成机制。核心概念包括： 能带（Energy Bands）: 解释电子在晶体中并非处于离散的能量状态，而是被限制在某些连续的能量范围内，这些范围被称为能带。 带隙（Band Gap）: 详细阐述能带之间存在的禁止能量区域，即带隙。带隙的宽度是区分导体、绝缘体和半导体的关键物理量。 电子态的周期性: 论述电子的波函数在晶格平移下的周期性，以及Bloch定理在能带理论中的核心作用。Bloch定理表明，晶体中电子的波函数可以表示为平面波与晶格周期性函数的乘积。 布里渊区（Brillouin Zone）: 讲解布里渊区作为电子动量空间的“第一性”区域，以及电子的动量（或波数k）是如何在布里渊区内分布的。 不同能带的特性: 介绍价带（Valence Band）和导带（Conduction Band）的概念，以及它们在半导体中的作用。 第四章：特殊布里渊区中的能带结构 本章将聚焦于一些典型的半导体材料，分析其在第一布里渊区中的能带结构特点。我们将重点讲解： 直接带隙（Direct Band Gap）半导体: 阐述在k空间中，导带底和价带顶位于同一k值（通常是Γ点）的半导体。这类材料通常是高性能半导体激光器的首选，因为电子-空穴复合能直接辐射出光子，效率更高。 间接带隙（Indirect Band Gap）半导体: 论述在k空间中，导带底和价带顶位于不同k值的半导体。在这种情况下，电子-空穴复合需要同时吸收或放出声子（晶格振动）来满足动量守恒，因此辐射效率较低，通常不适用于制造高效激光器。 高对称点（High Symmetry Points）: 介绍在布里渊区内的一些特殊点，如Γ点、X点、L点等，它们在能带结构计算中具有重要意义。 能带色散关系（Band Dispersion Relation）: 详细展示E(k)关系图，分析不同材料的能带形状，以及其斜率（反映了电子的有效质量）和曲率。 第五章：电子的有效质量 有效质量是描述电子在晶体中运动惯性的一个重要概念，它与电子在自由空间中的质量不同，是考虑了晶体周期性势场对电子运动影响的结果。本章将深入探讨： 有效质量的定义: 从能带的曲率出发，推导出电子有效质量的定义。有效质量越小，电子越容易被加速，迁移率越高。 各项异性有效质量: 讲解在不同方向上，电子的有效质量可能不同，这被称为各项异性。 电子和空穴的有效质量: 分别讨论电子和空穴的有效质量，以及它们在能带结构中的体现。 有效质量在激光器性能中的作用: 简要提及有效质量如何影响载流子迁移率和对光的吸收/发射特性。 第六章：空穴的性质 与电子类似，空穴也是半导体中重要的载流子，它们在价带中扮演着核心角色。本章将详细介绍： 空穴的形成: 解释空穴的产生是由于价带中电子的缺失，可以等效地看作一个带正电荷的粒子。 空穴的有效质量: 阐述空穴的有效质量，通常比电子的有效质量要大。 重空穴与轻空穴: 介绍在价带中，由于能带的曲率不同，存在重空穴和轻空穴，它们的有效质量和迁移率也不同。 空穴在激光器中的作用: 简要介绍空穴如何与电子复合产生光。 第七章：简化的能带模型——有效质量近似 为了简化分析，本章将介绍“有效质量近似”这一强大的工具。 有效质量近似的原理: 解释在某些条件下，可以将复杂的多带问题简化为单带问题，只考虑导带底和价带顶附近的电子和空穴。 近似的适用范围: 讨论有效质量近似在何种情况下成立，以及其局限性。 基于有效质量近似的能带描述: 展示如何使用有效质量近似来描述电子和空穴的运动，以及它们与外部电场或磁场的作用。 第八章：应变对能带结构的影响 在现代半导体器件制造中，引入应变是一种重要的调控材料电子性质的手段。本章将探讨： 应变的基本概念: 介绍晶格失配、薄膜生长等原因如何引起材料内部产生应变。 应变对能带隙的影响: 阐述单轴应变和双轴应变如何改变材料的能带隙大小，包括升压和降压效应。 应变对能带顶和带底位置的影响: 详细说明应变如何改变导带底和价带顶的k空间位置，从而影响材料的光学性质。 应变工程在半导体激光器中的应用: 简要提及应变如何被用来优化激光器的激射波长、阈值电流等性能。 结语 《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（上册）》为读者提供了理解半导体激光器工作原理的坚实理论基础。通过对晶体结构、周期性势场、能带形成、有效质量以及应变效应的深入剖析，本书将带领读者一步步揭示半导体材料复杂的量子世界，为理解更高级的光增益理论和激光器设计奠定不可或缺的知识储备。本书的每一章都力求逻辑清晰，概念明确，图文并茂，旨在帮助读者在理论的海洋中找到清晰的航向。

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这本书的出版对我来说简直是及时雨！我目前正在进行一项关于新型半导体激光器器件设计的项目，而理论基础的薄弱一直是我的一大困扰。特别是对于激光器核心的光增益机制，我一直觉得理解不够透彻。这本书的标题《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（上册）》正是我急需的那部分内容。我非常看重书中对能带结构量子理论的阐述，希望它能系统地介绍如何从量子力学角度理解半导体材料的电子能带、空穴能带以及它们的形成机制。更重要的是，我期待它能详细地推导和讲解光增益的量子理论，例如如何通过态密度、跃迁概率和费米-狄拉克分布来计算增益谱，以及如何解释阈值增益的形成。如果书中能包含一些关于量子阱、量子丝或量子点等低维结构半导体激光器的能带和增益特性讨论，那将是极大的惊喜。我希望这本书能提供扎实的理论工具，帮助我理解和优化我的器件设计，解决我在项目中遇到的理论难题。

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收到《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（上册）》这本书，我内心是充满期待与一丝敬畏的。作为一名在光电子领域摸索多年的研究人员，虽然对半导体激光器的应用和宏观表现有所了解，但对其背后深层的量子理论却始终感到有些隔膜。这本书的书名直指核心，预示着它将深入剖析半导体激光器的“灵魂”——能带结构和光增益的量子起源。我特别希望书中能够详尽地阐述晶体周期势对电子能态的影响，以及如何通过布里渊区和能带隙来描述半导体的导电性和光学性质。对于光增益的量子理论，我期望它能清晰地展示受激辐射过程中光子与电子-空穴对的相互作用，以及如何通过玻尔兹曼近似或更精确的统计方法来计算增益系数。如果书中还能涉及不同掺杂浓度、不同温度下能带结构和增益特性的变化，甚至是一些量子限制效应如何影响增益，那将极大提升本书的价值。

评分☆☆☆☆☆

终于拿到这本《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（上册）》了！光是封面就透着一股严谨的学术气息，让人对内容充满了期待。我一直对半导体激光器的工作原理深感好奇，尤其是在量子力学层面是如何解释其能带结构以及光增益产生的。这本书的书名就精准地抓住了我的兴趣点，感觉它会是一次深入探索的旅程。我希望它能详细阐述半导体材料中电子和空穴的能带分布，以及这些能带如何影响激光的产生。特别是关于光增益的量子理论部分，我非常期待能看到对受激辐射、吸收以及反转粒子数等关键概念的详尽解释。希望书中能提供清晰的数学模型和物理图像，帮助我理解这些抽象的概念。另外，如果能包含一些不同类型半导体激光器（如GaAs、InP基激光器）的能带结构和增益特性分析，那就更完美了。我希望这本书能够成为我学习半导体激光器理论的一个坚实基础，为我日后深入研究相关领域打下坚实的基础。

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这本书的到来，对于我这个刚刚踏入半导体光电子领域的研究生来说，意义非凡。在学校的课程中，我对半导体激光器的基础知识有所涉猎，但总觉得不够深入，尤其是在理解其核心工作原理时，常常感到力不从心。这本书的标题《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（上册）》立刻吸引了我，它精准地概括了我目前最迫切想学习的内容。我希望这本书能用清晰易懂的语言，引导我一步步理解半导体材料的能带是如何形成的，例如不同晶体结构下的能带图是怎样的，以及能带的形状和宽度对激光性能有何影响。对于光增益的量子理论，我非常期待书中能详细解释“反转粒子数”是如何实现的，以及它与材料的增益特性之间的关系。如果书中能提供一些计算增益的示例，或者解释不同材料体系（如化合物半导体）的能带结构和增益差异的原因，我将感到非常欣慰。

评分☆☆☆☆☆

我一直在寻找一本能够系统地、深入地解释半导体激光器工作原理的专业书籍，而《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（上册）》恰好填补了这个空白。我希望这本书能为我提供一个坚实的理论框架，让我能够从最根本的物理原理出发，理解半导体激光器的设计和性能。我期望书中能详细介绍Bloch定理在能带结构分析中的应用，以及如何利用有效质量近似来描述电子和空穴的动力学行为。更重要的是，我希望书中能对光增益的量子理论进行严谨的推导，包括对跃迁偶极矩、光子密度以及散射过程的考虑。如果书中能够包含一些半导体激光器的制造工艺与能带结构、增益特性之间关系的讨论，或者分析不同材料体系（如直接带隙和间接带隙半导体）在激光应用中的优势和劣势，那将极大地拓宽我的视野。