半導體激光器電子能帶結構和光增益的量子理論 9787030473400 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
• 量子理論
• 電子能帶結構
• 光增益
• 半導體物理
• 光學物理
• 材料科學
• 物理學
• 激光技術
• 量子力學

店鋪： 廣影圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030473400

商品編碼：29625081886

包裝：圓脊精裝

齣版時間：2016-05-01

基本信息

書名:半導體激光器電子能帶結構和光增益的量子理論

定價：178.00元

售價：129.9元,便宜48.1元,摺扣72

作者:郭長誌

齣版社：科學齣版社

齣版日期：2016-05-01

ISBN：9787030473400

字數：600

頁碼：488

版次：1

裝幀：圓脊精裝

開本：B5

商品重量：0.4kg

編輯推薦

內容提要

本書討論瞭達到設計所需精度的量子阱、量子綫、和量子點的電子能帶和能級的量子理論和設計計算,帶間和子帶間光躍遷幾率和光增益的半徑典量子理論和設計,應變效應及其對各維能帶結構的影響、溫度效應T0問題的物理機製，特彆是俄歇復閤的量子理論及其剋服方案和設計,量子阱間耦閤、載流子落入和逃逸時間的理論和設計。子帶間量子級聯激光器的理論和設計，其真正優點和局限性。扼要介紹全量子理論的量子光學和自發發射等理論問題。

目錄

作者介紹

文摘

序言

深入探索半導體激光器核心奧秘：電子能帶結構與光增益的量子理論 書籍簡介 本書旨在為讀者提供一個全麵、深入且基於量子理論的半導體激光器工作原理的透徹理解。我們聚焦於半導體激光器最核心的兩個概念：電子能帶結構與光增益。理解這兩個方麵，是掌握半導體激光器為何能發齣特定波長激光，以及其工作效率和性能如何調控的關鍵所在。本書將帶領讀者穿越微觀世界的量子力學框架，層層剖析半導體材料的電子特性如何直接影響激光的産生與放大，為從事相關領域研究、開發和應用的技術人員、研究學者以及高年級本科生、研究生提供一份權威而詳實的理論指南。 第一部分：半導體電子能帶結構的量子理論基石 半導體材料的獨特導電性能，源於其精妙的電子能帶結構。本書將從量子力學的基本原理齣發，詳細闡述這一結構是如何形成的。 晶體結構與周期性勢場: 我們首先會介紹構成半導體材料的基本單元——原子，以及它們在三維空間中如何排列形成晶格。然後，我們將引入周期性勢場概念，這是理解能帶形成的起點。在周期性晶格中，電子所處的電場並非均勻，而是呈現齣與晶格周期性相對應的周期性變化。 布洛赫定理: 在周期性勢場中，電子的行為不再像自由電子那樣簡單。布洛赫定理是描述這些電子運動的關鍵。我們將詳細解釋布洛赫定理如何指齣，在周期性勢場中的電子波函數具有特定的形式，即可以錶示為平麵波與一個具有晶格周期的函數的乘積。這一定理直接導齣瞭電子能譜的離散化，為能帶的齣現埋下瞭伏筆。 能帶的形成與區分: 緊接著，我們將深入探討周期性勢場如何導緻電子能量的離散化，並最終形成“能帶”。我們將詳細解釋“價帶”和“導帶”的概念，以及它們之間的“帶隙”是如何形成的。價帶是滿帶，其電子通常不易參與導電；導帶是空的或部分空的，其電子的運動能夠導緻電流的産生。帶隙的寬度是決定半導體材料導電類型（如絕緣體、半導體、導體）的根本因素。 不同半導體材料的能帶結構: 不同的半導體材料（如矽、鍺、砷化鎵、氮化鎵等）具有不同的原子構成和晶體結構，從而錶現齣各異的能帶結構。本書將重點介紹幾種重要的半導體材料，分析它們的能帶結構特點，例如直接帶隙半導體與間接帶隙半導體的區彆，以及這種區彆對激光器應用的重要性。我們還會討論能帶的形狀（色散關係）如何影響電子的有效質量，進而影響其在電場作用下的行為。 摻雜對能帶結構的影響: 為瞭實現半導體的導電特性調控，常常會對其進行摻雜。本書將詳細闡述摻雜（如n型摻雜和p型摻雜）如何通過引入額外的電子或空穴，在原來的能帶結構中形成“雜質能級”，並顯著改變材料的導電性能。我們將深入分析雜質能級的能量位置及其對費米能級的影響，為後續理解p-n結的形成和載流子注入打下基礎。 量子尺寸效應（可選，根據具體內容添加）: 對於某些特殊的半導體結構，如量子阱、量子綫和量子點，當其尺寸接近或小於電子的德布羅意波長時，會發生量子尺寸效應，導緻能帶結構發生顯著變化，形成離散的能級。如果書中包含這部分內容，我們將詳細介紹這些微納結構中的電子行為，以及它們如何為開發新型激光器提供可能。 第二部分：光增益的量子理論機製 光增益是激光器工作的核心概念，它指的是在特定條件下，介質對光的放大作用。在半導體激光器中，光增益的産生與電子能帶結構緊密相關，是電子躍遷過程的直接體現。 受激輻射與吸收的基本原理: 本部分將從量子力學的基本概念齣發，解釋光與物質的相互作用。我們將詳細闡述三種基本過程：自發輻射、受激輻射和吸收。受激輻射是激光産生的前提，即一個處於高能級（激發態）的粒子（電子）在外部光子的作用下，釋放齣與該光子頻率、方嚮、相位都相同的光子，從而實現光的放大。吸收則是光子被粒子吸收，導緻粒子從低能級躍遷到高能級。 光增益的産生條件：粒子數反轉: 為瞭實現淨的光增益，必須滿足“粒子數反轉”的條件。這意味著在特定的能級上，處於高能級的粒子數必須多於處於低能級的粒子數。我們將深入分析，在半導體激光器中，如何通過電注入的方式（即施加反嚮偏壓，嚮p-n結注入電子和空穴），在導帶和價帶的特定區域實現粒子數反轉。 費米-狄拉剋統計與載流子分布: 電子在半導體中的分布遵循費米-狄拉剋統計。我們將詳細介紹費米-狄拉剋分布函數，以及它如何描述在不同溫度和費米能級下，電子占據各個能級的概率。在受激發射發生前，需要將大量電子注入到導帶，同時將大量空穴注入到價帶，從而使得導帶底部的電子占據概率顯著升高，價帶頂部的空穴占據概率顯著升高，在一定能量範圍內形成粒子數反轉。 光學躍遷與躍遷率: 光增益的本質在於受激輻射過程的速率。我們將介紹電子在能帶之間的光學躍遷，包括直接躍遷和間接躍遷。對於直接帶隙半導體，電子可以直接從導帶躍遷到價帶，輻射光子。對於間接帶隙半導體，躍遷過程中需要同時涉及聲子的參與，效率較低。我們將介紹躍遷率的計算，以及它如何受到能帶結構、載流子濃度和溫度等因素的影響。 增益譜的形成與特性: 光增益並非在所有頻率上都相同，而是存在一個“增益譜”。我們將分析增益譜的形狀，以及它如何與半導體材料的能帶結構、費米能級的移動、激子效應（如果書中涉及）等因素相關。書中將詳細介紹如何通過控製摻雜濃度、注入電流密度以及材料組成來調控增益譜的位置和寬度，以獲得特定波長的激光輸齣。 吸收損耗與閾值條件: 任何激光器都存在損耗，包括吸收損耗、散射損耗等。在半導體激光器中，電子-空穴對的吸收、自由載流子吸收等都會消耗光能。為瞭實現激光輸齣，受激輻射産生的增益必須剋服這些損耗。我們將詳細介紹激光器工作所需的“閾值條件”，即增益等於損耗的臨界狀態。隻有當注入的載流子密度達到一定程度，産生足夠的增益來補償腔內的損耗時，激光器纔能穩定地發齣激光。 載流子動力學與速率方程: 載流子在注入、復閤和躍遷過程中的動態行為對激光器的瞬態響應和穩定性至關重要。本書將引入載流子速率方程和光子速率方程，用於描述載流子密度、光子密度以及激光輸齣功率隨時間的變化。我們將分析這些方程如何揭示激光器的起振過程、閾值行為以及動態特性。 本書的價值與讀者收益 本書以嚴謹的科學態度，清晰的邏輯思路，深入淺齣的講解方式，將復雜的量子理論轉化為易於理解的知識體係。讀者通過閱讀本書，將能夠： 1. 深刻理解半導體激光器的基本工作原理： 擺脫對黑箱式設備的依賴，真正掌握電子能帶結構如何決定光子産生，以及光增益如何實現光的放大。 2. 建立紮實的量子理論基礎： 掌握描述半導體電子行為的關鍵量子力學概念，為進一步深入研究量子光學、固體物理等領域打下堅實基礎。 3. 掌握分析和設計半導體激光器的理論工具： 學習如何利用能帶理論和光增益理論來預測和優化激光器的性能，例如激光輸齣波長、閾值電流、效率等。 4. 瞭解不同半導體材料的特性與應用： 能夠根據材料的能帶結構，理解其在不同激光器應用中的優勢與劣勢。 5. 為解決實際工程問題提供理論指導： 無論是激光器的故障診斷，還是新一代激光器的概念設計，本書提供的理論框架都將發揮重要作用。 目標讀者 從事半導體激光器研發、設計、製造和測試的工程師。 從事光電子學、量子光學、固體物理等領域研究的研究學者。 對半導體激光器工作原理感興趣的高年級本科生、研究生。 希望係統性學習半導體激光器理論的高等院校教師。 本書不僅僅是一本教科書，更是一扇通往理解半導體激光器微觀世界奧秘的大門。我們相信，通過對電子能帶結構和光增益量子理論的深入探索，您將對這一改變世界的科技發明有一個全新的、更深刻的認識。

評分☆☆☆☆☆

總的來說，這本書的難度定位非常清晰，它麵嚮的是高階的研究生或者已經有一定研究基礎的科研人員，對於入門者來說可能需要極強的毅力和耐心。我個人花費瞭比預期長得多的時間來消化其中的內容，尤其是在處理半定域化電荷密度和晶格振動耦閤引發的弛豫過程時，感覺自己仿佛迴到瞭最艱難的博士階段。然而，正是這種挑戰性，確保瞭其內容的權威性和不可替代性。它沒有提供任何捷徑，而是要求讀者必須親手推導、親身經曆每一個理論構建的過程。這種“硬碰硬”的閱讀體驗，最終帶來的知識沉澱是無可替代的。如果一個專業人士想要深入理解半導體激光器在微觀層麵是如何實現高效光輸齣的，這本書絕對是繞不開的一座高峰，值得投入時間和精力去徵服。

評分☆☆☆☆☆

我嘗試從一個跨學科研究者的角度來評價這本書的貢獻。我的主要研究方嚮是光子學與材料科學的交叉點，我們常常需要快速評估新型半導體材料的潛在光放大能力。這本書提供瞭一個非常係統且自洽的框架來完成這種評估。它沒有將“電子”和“光子”視為孤立的實體，而是通過耦閤的哈密頓量和微擾理論，將這兩者的相互作用置於一個統一的量子力學範疇內進行處理。這種“一體化”的視角，極大地拓寬瞭我對光-物質相互作用的理解邊界。書中對於非綫性效應在增益飽和階段的初步探討，也為我們後續探索超快激光領域中的某些現象提供瞭理論起點。雖然書中對高級的非綫性光學效應著墨不多，但它構建的量子基礎是理解這些復雜現象的必經之路。可以說，它為我們這些應用導嚮的研究人員提供瞭一張清晰的“理論地圖”。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計就透著一股深沉的學術氣息，那種厚重感讓人一上手就覺得它絕非等閑之作。我原本對這個領域瞭解有限，隻是齣於興趣想稍微探究一下。翻開第一章，那種嚴謹的邏輯和詳盡的數學推導立刻就給我來瞭個下馬威。它不像某些科普讀物那樣試圖用比喻來軟化晦澀的概念，而是直截瞭當地深入到物理圖像的核心。大量的公式和符號充斥其中，看得我頭皮發麻，但那種步步為營、層層遞進的論證過程，又讓人不得不佩服作者對材料和光子相互作用的理解達到瞭何等精微的境界。特彆是關於能帶理論在半導體結構中的應用部分，作者似乎毫不保留地展示瞭其研究的深度，對於那些試圖從第一性原理理解激光發射機製的讀者來說，這無疑是一本極佳的“硬核”教材。雖然閱讀過程需要極大的專注力和紮實的物理基礎，但每攻剋一個難點，心中湧起的滿足感也是無與倫比的。這本書的價值在於它的深度和全麵性，它不是在介紹“是什麼”，而是在解釋“為什麼是這樣”，這纔是真正學術著作的魅力所在。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和圖錶的質量給我留下瞭非常好的印象。在如此密集的理論推導中，清晰的圖錶是理解復雜物理過程的生命綫。作者在解釋電子在能帶間躍遷、激發態壽命等動態過程時，所配的示意圖不僅數量多，而且準確地捕捉瞭理論模型的核心要素。特彆是涉及費米能級移動和準費米能級分離的能帶圖，畫得極其細緻，讓人能清晰地分辨齣粒子注入前後能帶結構的變化趨勢。坦白說，有些國內齣版的專業書籍在圖錶印刷上經常齣現模糊不清或者信息過載的問題，但這本書在這方麵做得非常齣色，體現瞭齣版方對學術質量的尊重。對於需要通過視覺輔助來理解這些抽象量子現象的研究者來說，這種高標準的製圖是極大的便利。閱讀體驗的流暢度，很大程度上得益於這種嚴謹的版式設計和高質量的插圖支撐。

評分☆☆☆☆☆

我是一個資深的半導體器件工程師，日常工作接觸的更多是實際的工藝參數和器件性能優化，對於背後的基礎物理理論，有時會感到知識鏈條有些斷裂。這本書的齣現，正好填補瞭我理論知識上的空白。最讓我印象深刻的是它對“光增益”這一核心概念的剖析。它沒有停留在簡單的粒子數反轉層麵，而是通過精細的量子力學模型，將增益係數的計算與材料的帶隙結構、載流子分布函數緊密聯係起來。書中對異質結、量子阱等復雜結構下的能帶彎麯和載流子限製效應的討論尤為精彩，這些都是我們在設計高效率激光器時必須考慮的實際問題。雖然初讀時，為瞭跟上作者的思維跳躍速度，我不得不頻繁地查閱量子力學和固體物理的前置知識，但一旦理清瞭這些基礎，再迴看現代激光器設計規範時，那些原本抽象的參數背後都有瞭堅實的理論支撐。這本書與其說是一本參考書，不如說是一個高級的“理論訓練營”，強迫你從最底層的物理規律去重新審視你每天操作的器件。