半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（上冊） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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郭長誌 著

圖書標籤:

• 半導體激光器
• 能帶結構
• 光增益
• 量子理論
• 半導體物理
• 光學物理
• 激光技術
• 量子力學
• 材料科學
• 固態物理

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030473400

版次：1

商品編碼：11901453

包裝：精裝

開本：16開

齣版時間：2016-03-01

用紙：膠版紙

頁數：479

字數：605000

正文語種：中文

內容簡介

　　量子理論是研究半導體激光器中：①體半導體、量子阱、量子綫、量子點等增益介質的電子能譜結構，及其②電子與輻射光場的相互作用，包括光的産生、吸收、放大和散射等涉及不同能帶之間、能帶以內不同子帶或各種晶格缺陷和雜質能級之間的光躍遷和非光躍遷、帶內散射和弛豫等決定半導體激光器涉及光電性能的重要量子行為。其中①和②分彆用單電子近似理論和半經典理論處理。任務是研究對半導體激光器的激射閾值、激光功率、調製速率、器件結構和激光波段等的設計都有根本意義的激光材料光增益譜結構和激光量子效率等。全書論述既重基礎又涉前沿，既重物理概念又重推導編程演算，最後對全量子理論也有簡要的介紹。
　　《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（上冊）》適閤有關專業的研究人員和教師、研究生、大學高年級本科生作為專業課本、參考書或自修提高的讀物。

內頁插圖

目錄

總序
引言

第1章 半導體及其低維結構能帶理論
1．1 能帶論的基礎
1．1．1 單電子能帶模型的三個基本近似
1．1．2 晶格周期性的作用
1．1．3 晶格電子能譜及其錶述方式
1．1．4 能帶結構的計算
1．2 有效質量分析與k-p微擾論
1．2．1 有效質量分析
1．2．2 K·p微擾論的有限個能帶模型
1．2．3 凱恩簡並四帶模型，有自鏇一軌道相互作用的k·p法
1．2．4 拉廷格一科恩簡並價帶k·p微擾論
1．2．5 應變對能帶結構的影響
1．2．6 GaN的能帶結構
1．3 非均勻半導體一半導體異質結構
1．3．1 模型固體理論
1．3．2 包絡函數理論和有效質量方程
1．3．3 半導體量子阱的能帶結構
1．3．4 量子阱的子帶結構
1．3．5 多阱結構和阱間耦閤
1．3．6 任意一維勢能場中的電子包絡態——傳播矩陣法
1．3．7 空間電荷分布對能帶結構的影響

第2章 半導體能帶之間的躍遷
2．1 電子和光子的能態密度及其統計占據率
2．1．1 電子能帶的態密度
2．1．2 半導體量子點中的三維諧振子模型
2．1．3 光子能態密度——大光腔情況
2．1．4 電子和光子在多能級係統上的統計分布
2．1．5 體半導體中載流子濃度及其費米能級的確定
2．1．6 半導體量子阱中的載流子濃度及其費米能級的確定
2．2 半導體中的光躍遷
2．2．1 微觀唯象理論
2．2．2 三種基本光躍遷速率之間的關係
2．3 光躍遷的量子力學
2．3．1 光躍遷幾率
2．3．2 半導體帶間光吸收和光增益

前言/序言

　　任何激光器都由三個主要部分組成，一是增益材料、二是波導光腔、三是激發機製，半導體激光器的增益材料主要是直接帶隙半導體，包括高摺射率的體半導體和低維半導體（量子阱、量子綫、量子點），或低摺射率的摻餌（Er）S102、摻餌Si3N4等；其波導光腔可由介電波導或等離子體波導構成，其激發機製可為光注入、pn結注入、或量子隧穿注入等。
　　1948年提齣半導體激光器的設想，1961年在理論上肯定瞭在半導體中實現粒子數反轉的可能性，並於1962年在發光二極管中偶然觀測到激光發射現象之後，製成同質結激光器，從此不斷為其提高工作壽命、降低閾值（首先是為瞭實現室溫連續工作）、控製激光模式、提高齣光功率、提高調製速率、提高工作溫度、拓寬激光波長範圍、微型化和集成化、以及某些特殊用途等的目標而迅速發展。在半導體激光器的發展過程中，理論和實驗之間，或先或後、互相促進、共同得到重大發展。其中富有活力的設計理論，往往因其開創性和前瞻性，在思想上起著開路先鋒的作用，半導體激光器的設計理論大體可分為：工藝理論、速率方程理論、模式理論、和量子理論四個方麵：
　　（1）工藝理論在繼承傳統半導體工藝理論，例如，熔體拉晶、雜質擴散、離予注入、掩膜刻蝕、熔焊燒結等的基礎上，著重發展瞭液相外延、分子束外延、金屬有機氣相沉積外延生長、和自組織生長等化學熱力學和晶體生長動力學的設計理論。其任務是根據半導體激光器件的結構和性能要求，設計齣閤理可行的製作工藝方法、條件和流程。
　　（2）速率方程理論是從微觀唯象觀點，以唯象參數為工具，以粒子數守恒為依據的速率方程為分析手段的半導體激光器件物理理論，從全局上揭示瞭半導體激光器的激射閾值相變、多模之間的模式競爭、模式譜係結構等靜態行為，延遲、過衝、振蕩過渡等瞬態行為、調製方式方法及其速率、動態頻譜結構、動態單模化、光模注入鎖定、激光的雙穩態、自脈動、分叉、混沌、量子噪聲和譜綫展寬、載流子在量子阱、量子綫、量子點等低維結構中的捕獲和逃逸等動力學行為及其物理機製，所涉及的有關唯象參數的數值大小則由實驗估測，而其物理機製、內涵、導齣、和理論估算等，則由下述宏觀和微觀理論分彆解決和提供。其任務是挖掘器件的潛能，發現和提齣可能的新器件或新性能、提齣優化器件現有性能等的器件設計方案。
　　（3）模式理論是研究激光在波導光腔中的傳播規律，各種波導結構中可能存在的各種光模類型和模式結構特點、揭示激光模式結構與波導結構的內在聯係，從而發現控製波導結構和模式結構的途徑。由於光在傳播過程中主要突齣其波動性，因而量子場論和經典場論導齣基本上相同的結果，因此完全可以從麥剋斯韋方程組齣發進行分析。其任務是找齣器件性能所需的佳激光模式結構和設計齣其閤理的波導光腔結構方案。
　　（4）量子理論是研究半導體激光器中體半導體、量子阱、量子綫、量子點等增益介質的電子能譜結構及其電子與輻射光場的相互作用，包括光的産生、吸收、放大和散射等涉及不同能帶之間、能帶以內不同子帶或各種晶格缺陷和雜質能級之間的光躍遷和非光躍遷、帶內散射和弛豫等決定半導體激光器涉及光電性能的重要量子行為。其處理所涉及的電子係統與光子係統相互作用的理論基礎或齣發點，有經典理論、半經典理論、全量子理論三個層次。經典理論是將電子的運動服從牛頓力學，光波及其與電子的相互作用服從經典場論，即麥剋斯韋方程組。這對眾多的電子與光波之間弱相互作用的摺射率現象和自發發射因子現象都可得齣相當成功的理論結果。半經典理論是將電子的運動服從量子力學，但對光波采用經典場論近似，即近似服從麥剋斯韋方程組。這在受激輻射和散射問題都獲得非常成功，但無法直接處理自發輻射問題，全量子理論是將電子和光子的運動皆統一服從量子力學，即將電磁輻射場量子化，這樣的量子場論與量子電動力學或量子電子學或光子學的差彆隻在一般可忽略相對論效應，至於光和非光躍遷所涉的增益介質中的電子能級則由半導體能帶的量子理論得齣，因此，現行的半導體激光器發光過程的理論大多是以半導體能帶結構理論和半經典光躍遷的量子理論為基礎。其任務是研究半導體激光材料的光增益和激光的量子效率，及其光增益譜結構，如增益譜的峰值增益及其相應的峰值能量和增益譜寬與半導體能帶結構的關係，以及影響增益的可能因素，提齣拓寬激光波段和提高激光增益的新材料及其受到增益介質的尺寸和維數的影響。這對半導體激光器的激射閾值、激光功率、調製速率、器件結構和激光波段等都有根本性的意義。

《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（上冊）》 概述 本書是關於半導體激光器基礎理論的開篇之作，深入探討瞭半導體材料的能帶結構及其對光增益機製的決定性影響。本書旨在為讀者構建一個堅實的理論框架，理解半導體激光器如何通過量子力學原理實現相乾光源的産生。作為上冊，本書重點聚焦於靜態的能帶理論及其基本概念，為後續深入的光增益計算和激光器動力學分析奠定堅實的基礎。讀者將在此領略量子世界在固體材料中的奇妙展現，理解電子如何在高低能帶間躍遷，以及這種躍遷如何與光子發生相互作用。 內容詳述 第一章：引論——半導體激光器的基本概念與發展曆程 本章將為讀者描繪半導體激光器的宏偉圖景，從其誕生伊始的科學意義與技術突破，到如今在通信、傳感、醫療、工業等領域的廣泛應用，勾勒齣其不可替代的地位。我們將簡要迴顧半導體激光器發展的關鍵裏程碑，例如首次實現的同質結和異質結激光器，以及不同材料體係（如GaAs、InP、GaN等）的興起與演進。同時，本章也將提齣本書的核心研究問題：半導體激光器産生光增益的內在物理機製是什麼？其能帶結構扮演著怎樣的關鍵角色？這些問題將引領讀者進入本書更為深入的理論探討。 第二章：晶體結構與周期性勢場 要理解半導體材料的能帶結構，首先需要掌握其微觀的晶體結構。本章將從原子排列的周期性齣發，介紹晶體的基本概念，如晶格、基元、晶嚮和晶麵。在此基礎上，我們將引入“布裏洛茲區域”的概念，這是描述晶體中電子動量空間周期性的重要工具，為後續能帶理論的構建打下基礎。本章將詳細講解如何用周期性勢場來描述晶體中電子受到的相互作用，以及為何這種周期性勢場是形成能帶結構的關鍵。我們將探討各種晶體結構（如金剛石結構、閃鋅礦結構等）的特點，以及它們如何影響材料的電子性質。 第三章：布裏淵區與電子的能帶 本章是本書的核心內容之一，將深入講解能帶理論的起源與發展。我們將從薛定諤方程在周期性勢場中的求解入手，導齣能帶的形成機製。核心概念包括： 能帶（Energy Bands）: 解釋電子在晶體中並非處於離散的能量狀態，而是被限製在某些連續的能量範圍內，這些範圍被稱為能帶。 帶隙（Band Gap）: 詳細闡述能帶之間存在的禁止能量區域，即帶隙。帶隙的寬度是區分導體、絕緣體和半導體的關鍵物理量。 電子態的周期性: 論述電子的波函數在晶格平移下的周期性，以及Bloch定理在能帶理論中的核心作用。Bloch定理錶明，晶體中電子的波函數可以錶示為平麵波與晶格周期性函數的乘積。 布裏淵區（Brillouin Zone）: 講解布裏淵區作為電子動量空間的“第一性”區域，以及電子的動量（或波數k）是如何在布裏淵區內分布的。 不同能帶的特性: 介紹價帶（Valence Band）和導帶（Conduction Band）的概念，以及它們在半導體中的作用。 第四章：特殊布裏淵區中的能帶結構 本章將聚焦於一些典型的半導體材料，分析其在第一布裏淵區中的能帶結構特點。我們將重點講解： 直接帶隙（Direct Band Gap）半導體: 闡述在k空間中，導帶底和價帶頂位於同一k值（通常是Γ點）的半導體。這類材料通常是高性能半導體激光器的首選，因為電子-空穴復閤能直接輻射齣光子，效率更高。 間接帶隙（Indirect Band Gap）半導體: 論述在k空間中，導帶底和價帶頂位於不同k值的半導體。在這種情況下，電子-空穴復閤需要同時吸收或放齣聲子（晶格振動）來滿足動量守恒，因此輻射效率較低，通常不適用於製造高效激光器。 高對稱點（High Symmetry Points）: 介紹在布裏淵區內的一些特殊點，如Γ點、X點、L點等，它們在能帶結構計算中具有重要意義。 能帶色散關係（Band Dispersion Relation）: 詳細展示E(k)關係圖，分析不同材料的能帶形狀，以及其斜率（反映瞭電子的有效質量）和麯率。 第五章：電子的有效質量 有效質量是描述電子在晶體中運動慣性的一個重要概念，它與電子在自由空間中的質量不同，是考慮瞭晶體周期性勢場對電子運動影響的結果。本章將深入探討： 有效質量的定義: 從能帶的麯率齣發，推導齣電子有效質量的定義。有效質量越小，電子越容易被加速，遷移率越高。 各項異性有效質量: 講解在不同方嚮上，電子的有效質量可能不同，這被稱為各項異性。 電子和空穴的有效質量: 分彆討論電子和空穴的有效質量，以及它們在能帶結構中的體現。 有效質量在激光器性能中的作用: 簡要提及有效質量如何影響載流子遷移率和對光的吸收/發射特性。 第六章：空穴的性質 與電子類似，空穴也是半導體中重要的載流子，它們在價帶中扮演著核心角色。本章將詳細介紹： 空穴的形成: 解釋空穴的産生是由於價帶中電子的缺失，可以等效地看作一個帶正電荷的粒子。 空穴的有效質量: 闡述空穴的有效質量，通常比電子的有效質量要大。 重空穴與輕空穴: 介紹在價帶中，由於能帶的麯率不同，存在重空穴和輕空穴，它們的有效質量和遷移率也不同。 空穴在激光器中的作用: 簡要介紹空穴如何與電子復閤産生光。 第七章：簡化的能帶模型——有效質量近似 為瞭簡化分析，本章將介紹“有效質量近似”這一強大的工具。 有效質量近似的原理: 解釋在某些條件下，可以將復雜的多帶問題簡化為單帶問題，隻考慮導帶底和價帶頂附近的電子和空穴。 近似的適用範圍: 討論有效質量近似在何種情況下成立，以及其局限性。 基於有效質量近似的能帶描述: 展示如何使用有效質量近似來描述電子和空穴的運動，以及它們與外部電場或磁場的作用。 第八章：應變對能帶結構的影響 在現代半導體器件製造中，引入應變是一種重要的調控材料電子性質的手段。本章將探討： 應變的基本概念: 介紹晶格失配、薄膜生長等原因如何引起材料內部産生應變。 應變對能帶隙的影響: 闡述單軸應變和雙軸應變如何改變材料的能帶隙大小，包括升壓和降壓效應。 應變對能帶頂和帶底位置的影響: 詳細說明應變如何改變導帶底和價帶頂的k空間位置，從而影響材料的光學性質。 應變工程在半導體激光器中的應用: 簡要提及應變如何被用來優化激光器的激射波長、閾值電流等性能。 結語 《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（上冊）》為讀者提供瞭理解半導體激光器工作原理的堅實理論基礎。通過對晶體結構、周期性勢場、能帶形成、有效質量以及應變效應的深入剖析，本書將帶領讀者一步步揭示半導體材料復雜的量子世界，為理解更高級的光增益理論和激光器設計奠定不可或缺的知識儲備。本書的每一章都力求邏輯清晰，概念明確，圖文並茂，旨在幫助讀者在理論的海洋中找到清晰的航嚮。

評分☆☆☆☆☆

收到《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（上冊）》這本書，我內心是充滿期待與一絲敬畏的。作為一名在光電子領域摸索多年的研究人員，雖然對半導體激光器的應用和宏觀錶現有所瞭解，但對其背後深層的量子理論卻始終感到有些隔膜。這本書的書名直指核心，預示著它將深入剖析半導體激光器的“靈魂”——能帶結構和光增益的量子起源。我特彆希望書中能夠詳盡地闡述晶體周期勢對電子能態的影響，以及如何通過布裏淵區和能帶隙來描述半導體的導電性和光學性質。對於光增益的量子理論，我期望它能清晰地展示受激輻射過程中光子與電子-空穴對的相互作用，以及如何通過玻爾茲曼近似或更精確的統計方法來計算增益係數。如果書中還能涉及不同摻雜濃度、不同溫度下能帶結構和增益特性的變化，甚至是一些量子限製效應如何影響增益，那將極大提升本書的價值。

評分☆☆☆☆☆

這本書的齣版對我來說簡直是及時雨！我目前正在進行一項關於新型半導體激光器器件設計的項目，而理論基礎的薄弱一直是我的一大睏擾。特彆是對於激光器核心的光增益機製，我一直覺得理解不夠透徹。這本書的標題《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（上冊）》正是我急需的那部分內容。我非常看重書中對能帶結構量子理論的闡述，希望它能係統地介紹如何從量子力學角度理解半導體材料的電子能帶、空穴能帶以及它們的形成機製。更重要的是，我期待它能詳細地推導和講解光增益的量子理論，例如如何通過態密度、躍遷概率和費米-狄拉剋分布來計算增益譜，以及如何解釋閾值增益的形成。如果書中能包含一些關於量子阱、量子絲或量子點等低維結構半導體激光器的能帶和增益特性討論，那將是極大的驚喜。我希望這本書能提供紮實的理論工具，幫助我理解和優化我的器件設計，解決我在項目中遇到的理論難題。

評分☆☆☆☆☆

我一直在尋找一本能夠係統地、深入地解釋半導體激光器工作原理的專業書籍，而《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（上冊）》恰好填補瞭這個空白。我希望這本書能為我提供一個堅實的理論框架，讓我能夠從最根本的物理原理齣發，理解半導體激光器的設計和性能。我期望書中能詳細介紹Bloch定理在能帶結構分析中的應用，以及如何利用有效質量近似來描述電子和空穴的動力學行為。更重要的是，我希望書中能對光增益的量子理論進行嚴謹的推導，包括對躍遷偶極矩、光子密度以及散射過程的考慮。如果書中能夠包含一些半導體激光器的製造工藝與能帶結構、增益特性之間關係的討論，或者分析不同材料體係（如直接帶隙和間接帶隙半導體）在激光應用中的優勢和劣勢，那將極大地拓寬我的視野。

評分☆☆☆☆☆

這本書的到來，對於我這個剛剛踏入半導體光電子領域的研究生來說，意義非凡。在學校的課程中，我對半導體激光器的基礎知識有所涉獵，但總覺得不夠深入，尤其是在理解其核心工作原理時，常常感到力不從心。這本書的標題《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（上冊）》立刻吸引瞭我，它精準地概括瞭我目前最迫切想學習的內容。我希望這本書能用清晰易懂的語言，引導我一步步理解半導體材料的能帶是如何形成的，例如不同晶體結構下的能帶圖是怎樣的，以及能帶的形狀和寬度對激光性能有何影響。對於光增益的量子理論，我非常期待書中能詳細解釋“反轉粒子數”是如何實現的，以及它與材料的增益特性之間的關係。如果書中能提供一些計算增益的示例，或者解釋不同材料體係（如化閤物半導體）的能帶結構和增益差異的原因，我將感到非常欣慰。

評分☆☆☆☆☆

終於拿到這本《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（上冊）》瞭！光是封麵就透著一股嚴謹的學術氣息，讓人對內容充滿瞭期待。我一直對半導體激光器的工作原理深感好奇，尤其是在量子力學層麵是如何解釋其能帶結構以及光增益産生的。這本書的書名就精準地抓住瞭我的興趣點，感覺它會是一次深入探索的旅程。我希望它能詳細闡述半導體材料中電子和空穴的能帶分布，以及這些能帶如何影響激光的産生。特彆是關於光增益的量子理論部分，我非常期待能看到對受激輻射、吸收以及反轉粒子數等關鍵概念的詳盡解釋。希望書中能提供清晰的數學模型和物理圖像，幫助我理解這些抽象的概念。另外，如果能包含一些不同類型半導體激光器（如GaAs、InP基激光器）的能帶結構和增益特性分析，那就更完美瞭。我希望這本書能夠成為我學習半導體激光器理論的一個堅實基礎，為我日後深入研究相關領域打下堅實的基礎。