正版现货 半导体激光器能带结构和光增益的量子理论(下册) 科学出版社 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郭长志 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030473806

商品编码：29693565437

包装：圆脊精装

出版时间：2016-05-01

图书基本信息
图书名称	半导体激光器能带结构和光增益的量子理论(下册)
作者	郭长志
定价	168.00元
出版社	科学出版社
ISBN	9787030473806
出版日期	2016-05-01
字数
页码
版次	1
装帧	圆脊精装
开本
商品重量	0.4Kg

内容简介

本书讨论了达到设计所需精度的量子阱、量子线、和量子点的电子能带和能级的量子理论和设计计算,带间和子带间光跃迁几率和光增益的半径典量子理论和设计,应变效应及其对各维能带结构的影响、温度效应T0问题的物理机制，特别是俄歇复合的量子理论及其克服方案和设计,量子阱间耦合、载流子落入和逃逸时间的理论和设计。子带间量子级联激光器的理论和设计，其真正优点和局限性。扼要介绍全量子理论的量子光学和自发发射等理论问题

作者简介

目录

编辑推荐

文摘

序言

《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（下册）》导读 本书作为《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论》的下册，深入探讨了半导体激光器工作中至关重要的量子力学基础理论，重点聚焦于半导体材料的能带结构如何决定其光学性质，以及这些性质如何转化为实际的光增益效应。全书内容严谨，理论体系完整，旨在为从事半导体激光器研发、设计、制造以及相关领域科学研究的读者提供一套系统、深入的理论框架。 第一章：晶体材料的电子结构与能带理论 本章是理解半导体激光器量子特性的基石。我们将从基础的晶体物理学出发，系统回顾周期性势场中电子的运动行为。通过Bloch定理的阐述，我们将引入晶体能带的概念，解释其形成机制——原子轨道在晶格相互作用下展宽、劈裂，最终形成连续的能带。 电子在周期性势场中的运动： 详细介绍电子在晶体内部所处的周期性电势环境，以及为何它们不再遵循自由粒子模型。 Bloch定理的物理意义： 深入解析Bloch函数的形式及其所代表的平面波与周期性晶格势相互作用的共振特征，解释了能带的出现并非巧合，而是电子波与晶格周期性相互作用的必然结果。 能带的形成与分类： 阐述能带是如何从离散的原子能级演化而来，以及不同原子轨道（如s、p、d轨道）在形成能带过程中的贡献。详细介绍价带、导带、禁带的定义及其在材料中的物理意义，特别是禁带宽度（Eg）对半导体材料光学和电学性质的关键性。 布里渊区与晶格动量： 引入布里渊区的概念，解释其在倒格空间中的重要性。定义晶格动量（或称波矢k），并阐述其在描述电子能态时的作用。 有效质量近似： 介绍有效质量的概念，解释为何在描述电子在能带中的运动时，引入有效质量比自由电子质量更能准确反映其动力学行为。详细推导有效质量张量，并探讨其各向异性对电子输运和光学性质的影响。 费米-狄拉克统计： 回顾费米-狄拉克分布函数，解释其在描述低温下电子在能带中的填充情况。特别关注费米能级的位置，阐述其在区分导体、半导体和绝缘体中的作用，以及温度对费米能级的影响。 直接带隙与间接带隙半导体： 详细区分直接带隙和间接带隙半导体的能带结构特点。通过k-E图（能量-波矢图）的分析，明确其区别在于导带底和价带顶在k空间的位置关系。强调直接带隙半导体在发光和受激发光（激光）过程中的优势。 第二章：载流子的产生、湮灭与输运 本章将聚焦于半导体材料中载流子的动态行为，包括电子和空穴的产生、湮灭过程以及它们在电场和温度梯度下的输运现象。这些是理解半导体激光器中电注入和光增益形成的重要前提。 本征载流子浓度： 讲解本征半导体中电子和空穴的产生机制——热激发。推导本征载流子浓度与禁带宽度和温度的关系。 杂质能级与掺杂： 详细介绍施主能级和受主能级，以及它们在n型和p型半导体中的作用。阐述不同掺杂浓度如何影响载流子浓度，以及掺杂对费米能级位置的影响。 载流子产生与湮灭机制： 直接跃迁辐射复合： 重点分析电子-空穴对通过直接带隙跃迁而辐射出光子的过程。解释其在直接带隙半导体中作为主要发光机制的重要性。 间接跃迁辐射复合： 探讨间接带隙半导体中，需要声子参与才能实现的辐射复合过程。解释为何这一过程效率较低，不适合作为激光器的增益介质。 俄歇复合： 介绍俄歇复合，即一个载流子通过将能量传递给另一个载流子，使其跃迁到更高能级或被激发的非辐射过程。分析其对激光效率的负面影响。 陷阱复合： 讨论杂质能级或晶格缺陷导致的陷阱复合，也是一种非辐射过程。 载流子输运： 漂移： 解释在电场作用下，载流子发生的定向运动。引入载流子迁移率的概念，并讨论其与材料性质、温度、电场强度及掺杂浓度的关系。 扩散： 阐述由于载流子浓度梯度引起的载流子随机运动，导致载流子从高浓度区域向低浓度区域迁移。引入扩散系数的概念。 爱因斯坦关系： 阐述迁移率和扩散系数之间的关系（爱因斯坦关系），揭示了载流子运动的内在联系。 连续性方程： 建立描述载流子浓度随时间、空间变化的守恒方程，它是分析半导体器件动态行为的重要工具。 第三章：半导体中的光学过程：吸收、自发辐射与受激辐射 本章将深入探讨半导体材料与光相互作用的微观过程，这是实现激光器增益效应的核心。我们将详细分析光的吸收、自发辐射和受激辐射的量子力学过程。 光与物质相互作用的基本原理： 从量子电动力学的角度，介绍光子与电子的相互作用。 吸收过程： 光学吸收的条件： 详细阐述电子从低能级跃迁到高能级所需的条件，包括能量守恒和动量守恒（尤其关注直接带隙和间接带隙材料的区别）。 吸收系数： 定义吸收系数，并探讨其随光子能量、材料性质（禁带宽度、掺杂浓度）和温度的变化。 Urbach衰减： 介绍在禁带边缘附近出现的非本征吸收现象，其原因可能与缺陷态或晶格振动有关。 自发辐射： 量子过程： 描述电子-空穴对在没有外部激励的情况下，通过跃迁到低能级并释放一个光子的过程。 自发辐射谱： 分析自发辐射的光谱分布，其形状与载流子分布函数（如费米-狄拉克分布）以及材料的光学跃迁速率有关。 自发辐射寿命： 定义载流子复合到自发辐射所需的时间，是衡量发光效率的一个重要参数。 受激辐射： 爱因斯坦的诱导发射理论： 详细阐述在外部光子作用下，激发态的电子-空穴对会产生一个与入射光子完全相同的光子（能量、方向、相位、偏振）的过程。 受激辐射的条件： 强调受激辐射是激光器增益效应的源泉，需要处于粒子数反转的状态。 受激辐射截面： 定义描述受激辐射几率的物理量，并分析其与材料性质和光子能量的关系。 与吸收和自发辐射的联系： 阐述受激辐射、吸收和自发辐射在量子力学描述中的统一性，以及它们之间的概率关系。 第四章：光增益的量子理论 本章将是本书的核心，我们将基于前几章建立的理论基础，构建半导体激光器中的光增益的完整量子理论。 粒子数反转的产生： 详细解释如何通过电注入（载流子注入）或光泵浦（光激励）在半导体中实现电子和空穴的粒子数反转。讨论不同注入方式对粒子数反转能力的影响。 增益系数的定义与推导： 宏观增益系数： 从宏观上看，定义光强在介质中传播时随距离的增长率，即增益系数（g）。 微观增益系数的量子力学推导： 严格地从微观的受激辐射概率和吸收概率出发，结合载流子分布函数，推导出增益系数的微观表达式。这一推导将涉及态密度、跃迁矩阵元、载流子填充概率等关键量子力学概念。 增益谱： 分析增益系数随光子能量的变化关系，即增益谱。讨论增益谱的形状、峰值位置以及其对激光输出波长选择的影响。 影响增益系数的因素： 深入分析各种因素对增益系数的影响，包括： 载流子浓度： 增益通常随着载流子浓度的增加而增大，但存在饱和效应。 材料的带隙和能带结构： 直接带隙材料具有更高的增益，能带形状决定了增益谱的展宽。 量子限制效应（量子阱、量子线、量子点）： 讨论量子限制如何改变态密度和能带结构，从而显著提高增益系数，降低阈值泵浦密度。 温度： 温度升高通常会导致增益下降和增益谱展宽。 缺陷和散射： 缺陷和散射会引入吸收和非辐射复合，降低净增益。 光学损耗： 讨论内部损耗（如自由载流子吸收、吸收边界损耗）和外部损耗（如镜面反射损耗），它们与增益系数共同决定了激光器的阈值条件。 增益饱和效应： 解释在高注入密度下，增益系数不再随载流子浓度线性增加的现象，并分析其物理机制。 增益非均匀展宽与均匀展宽： 非均匀展宽： 由不同材料区域或不同缺陷态的载流子引起的增益谱展宽。 均匀展宽： 由单个跃迁过程的自然宽度、温度引起的声子散射、载流子-载流子散射等引起的增益谱展宽。 激光阈值条件： 明确提出实现激光振荡所需的增益条件（增益必须大于总损耗），并给出阈值泵浦功率或电流的表达式。 量子效率与光转换效率： 区分自发辐射效率、辐射复合效率和光转换效率，并分析如何通过优化材料和结构来提高这些效率。 第五章：量子限制结构中的增益理论 本章将聚焦于现代半导体激光器中最重要的结构——量子限制结构（如量子阱、量子线、量子点）的光增益理论。我们将详细阐述量子限制如何改变能带结构和载流子分布，从而带来性能上的巨大提升。 量子阱（Quantum Wells）： 二维量子限制： 详细介绍在纳米尺度上，载流子在一个维度上受到强约束，形成二维电子气。 离散化能级： 阐述量子限制导致垂直于量子阱方向的电子能级离散化，形成一系列子带。 阶梯状态密度（DOS）： 对比块状半导体中的平方根依赖的态密度，重点讲解量子阱中阶梯状态密度及其对增益的影响。 增益系数的计算： 推导量子阱中的增益系数表达式，强调阶梯状态密度如何提高峰值增益和增益谱的平坦度。 多量子阱（MQW）结构： 介绍通过重复生长多层量子阱和势垒层，以进一步提高增益和降低阈值电流。 量子线（Quantum Wires）： 一维量子限制： 描述载流子在两个维度上受到限制，形成一维电子气。 狄拉克δ函数型态密度： 讲解量子线中零维狄拉克δ函数型的态密度，其具有极高的态密度集中度。 潜在的超高增益： 分析狄拉克δ函数型态密度对增益系数的理论提升潜力。 量子点（Quantum Dots）： 零维量子限制： 描述载流子在三个维度上均受到限制，形成所谓的“人造原子”。 离散能级： 讲解量子点中高度离散化的能级结构，与原子能级类似。 离散化态密度： 阐述量子点中类原子式的离散态密度。 显著的增益特性： 分析零维限制如何带来极高的增益系数，降低阈值电流，并实现窄带化激光输出。 量子点激光器的优势与挑战： 讨论量子点激光器在增益、阈值、温度稳定性等方面的优势，以及材料均匀性、尺寸控制等方面的挑战。 第六章：半导体激光器工作参数的理论分析 本章将综合前面的理论，分析半导体激光器在实际工作中的关键参数，并探讨如何通过理论指导实际设计。 阈值电流与注入效率： 详细分析影响阈值电流的各项因素，包括内部增益、损耗、载流子寿命、注入效率等。 激光输出功率： 探讨输出功率与注入电流、器件结构、输出耦合效率等的关系。 微分效率： 定义并分析微分效率，这是衡量激光器在超过阈值后，输出功率随注入电流增加效率的指标。 光束质量： 简要提及影响激光器光束质量的因素，如横模竞争、腔长、增益谱等。 温度特性： 分析温度变化对激光器性能（如阈值电流、输出波长、效率）的影响，并探讨提高温度稳定性的方法。 器件结构与优化： 结合前面的理论，提出如何通过优化材料选择、能带工程、量子结构设计、腔体设计等手段，以达到优异的激光器性能。 先进激光器结构简介（可选）： 简要介绍一些先进的半导体激光器结构，如分布式反馈（DFB）激光器、分布布拉格反射器（DBR）激光器、外腔激光器等，并简述其理论基础。 总结 《半导体激光器能带结构和光增益的量子理论（下册）》通过层层深入的理论解析，为读者构建起一个关于半导体激光器量子特性的完备知识体系。从基础的晶体电子理论，到载流子动力学，再到光与物质的量子相互作用，最终汇聚到复杂的光增益理论，特别是量子限制结构中的增益效应，本书为理解和设计高性能半导体激光器提供了坚实的理论支撑。本书内容严谨，逻辑清晰，图文并茂，是相关领域科研人员、工程师以及高年级本科生和研究生学习研究的宝贵参考资料。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计，那种深邃的蓝色调配上精细的图表线条，一下子就抓住了我的眼球。我是一个业余的电子爱好者，对半导体器件的原理一直充满好奇，尤其是激光器那种“无中生有”的奇妙过程。以前看一些科普读物，讲到能带结构总是寥寥数语，点到为止，让我总觉得像是隔着一层毛玻璃看东西，看得不真切。这本书的厚度就预示着它的深度，那种扎实的学术气息扑面而来，让人知道这不是一本可以随便翻阅的消遣读物，而是需要坐下来，沏上一壶好茶，全神贯注去啃的硬骨头。我特别期待它在光与物质相互作用部分能拿出点真东西，毕竟，光增益的精确计算，那才是区分“懂”和“精通”的关键所在。从排版上看，公式和文字的密度都很高，这对我来说是好事，意味着信息量巨大，能填补我知识体系里的空白。

评分☆☆☆☆☆

我最近在研究如何优化垂直腔面发射激光器（VCSEL）的阈值电流，正是为了解决一个具体的工程问题才翻开这本书的。这本书的价值在于，它提供的理论框架是如此普适和基础，以至于可以横向应用于所有基于III-V族半导体的光电器件。例如，在探讨了本征增益后，书中还延伸讨论了载流子限制效应如何改变了费米能级的位置，进而影响了光学耦合效率。这种从微观量子力学到宏观器件性能的完整链条的梳理，让我豁然开朗。它没有直接给出针对VCSEL的“速效药方”，但它给了我一套完整的“诊断工具”和“设计原理”，让我可以自己去推导和预测不同设计参数下的最终表现。对于追求深度和系统性理解的研究者而言，这本书无疑是案头必备的宝典。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧质量也值得一提，作为一本专业的学术著作，它能保持如此高的印刷精度，实属不易。特别是那些复杂的晶格结构图和能级示意图，线条清晰锐利，即使用放大镜观察，也未见模糊或重影，这对于理解波函数和态密度至关重要。我曾遇到过一些其他出版社的物理书籍，图表印刷质量不过关，导致对特定光学跃迁过程的理解产生偏差。这本《量子理论（下册）》在这方面做得非常出色，体现了出版方的专业态度。它不仅仅是知识的载体，也是一件可以长期保存和参考的典藏品。从纸张的手感来说，也比市面上许多轻浮的读物要厚重得多，拿在手里很有分量。

评分☆☆☆☆☆

说实话，这本书的阅读体验并非轻松愉快，它更像是一场思维的马拉松。我必须承认，有些章节，尤其是关于载流子复合机制的深入探讨，我不得不反复阅读好几遍，甚至需要借助外部的经典物理教材来辅助理解某些高阶概念。但正是这种挑战性，让我体会到了“硬核”知识带来的满足感。它不是那种试图用生动故事来掩盖理论深度的书，它坦诚地展示了半导体物理的复杂性与美感。我特别欣赏作者在讨论不同激光器结构（如双异质结与量子阱）对增益谱影响时，那种对比分析的视角，清晰地勾勒出材料科学进步对器件性能提升的关键作用。这本书是工具书，更是启发我思考未来材料可能性的思想火花。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本“下册”，我首先被它的逻辑严谨性所折服。前置知识的铺垫非常到位，作者似乎深谙读者从宏观认识到微观机理的认知过程，每一步推导都像是在搭建一座精密的桥梁，每块砖瓦（每一个假设和近似）都放得恰到好处。我印象最深的是对量子效率和阈值电流密度分析的那几章，传统的教科书往往把这些当成黑箱公式直接给出，但这本书却把从薛定谔方程出发，如何一步步回归到我们熟悉的半导体激光器设计参数，中间的数学推导过程详尽到近乎苛刻的程度。对于我这种需要将理论应用于实际电路仿真的工程师来说，这种“知其然更知其所以然”的阐述方式简直是无价之宝。它不是在告诉你“应该”怎么做，而是在告诉你“为什么”必须这么做。