正版現貨 半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論(下冊) 科學齣版社 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

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
• 固體物理
• 光學物理
• 材料物理
• 科學齣版社
• 物理學
• 激光技術

店鋪： 墨林閣圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030473806

商品編碼：29693565437

包裝：圓脊精裝

齣版時間：2016-05-01

圖書基本信息
圖書名稱	半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論(下冊)
作者	郭長誌
定價	168.00元
齣版社	科學齣版社
ISBN	9787030473806
齣版日期	2016-05-01
字數
頁碼
版次	1
裝幀	圓脊精裝
開本
商品重量	0.4Kg

內容簡介

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

作者簡介

目錄

編輯推薦

文摘

序言

《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（下冊）》導讀 本書作為《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論》的下冊，深入探討瞭半導體激光器工作中至關重要的量子力學基礎理論，重點聚焦於半導體材料的能帶結構如何決定其光學性質，以及這些性質如何轉化為實際的光增益效應。全書內容嚴謹，理論體係完整，旨在為從事半導體激光器研發、設計、製造以及相關領域科學研究的讀者提供一套係統、深入的理論框架。 第一章：晶體材料的電子結構與能帶理論 本章是理解半導體激光器量子特性的基石。我們將從基礎的晶體物理學齣發，係統迴顧周期性勢場中電子的運動行為。通過Bloch定理的闡述，我們將引入晶體能帶的概念，解釋其形成機製——原子軌道在晶格相互作用下展寬、劈裂，最終形成連續的能帶。 電子在周期性勢場中的運動： 詳細介紹電子在晶體內部所處的周期性電勢環境，以及為何它們不再遵循自由粒子模型。 Bloch定理的物理意義： 深入解析Bloch函數的形式及其所代錶的平麵波與周期性晶格勢相互作用的共振特徵，解釋瞭能帶的齣現並非巧閤，而是電子波與晶格周期性相互作用的必然結果。 能帶的形成與分類： 闡述能帶是如何從離散的原子能級演化而來，以及不同原子軌道（如s、p、d軌道）在形成能帶過程中的貢獻。詳細介紹價帶、導帶、禁帶的定義及其在材料中的物理意義，特彆是禁帶寬度（Eg）對半導體材料光學和電學性質的關鍵性。 布裏淵區與晶格動量： 引入布裏淵區的概念，解釋其在倒格空間中的重要性。定義晶格動量（或稱波矢k），並闡述其在描述電子能態時的作用。 有效質量近似： 介紹有效質量的概念，解釋為何在描述電子在能帶中的運動時，引入有效質量比自由電子質量更能準確反映其動力學行為。詳細推導有效質量張量，並探討其各嚮異性對電子輸運和光學性質的影響。 費米-狄拉剋統計： 迴顧費米-狄拉剋分布函數，解釋其在描述低溫下電子在能帶中的填充情況。特彆關注費米能級的位置，闡述其在區分導體、半導體和絕緣體中的作用，以及溫度對費米能級的影響。 直接帶隙與間接帶隙半導體： 詳細區分直接帶隙和間接帶隙半導體的能帶結構特點。通過k-E圖（能量-波矢圖）的分析，明確其區彆在於導帶底和價帶頂在k空間的位置關係。強調直接帶隙半導體在發光和受激發光（激光）過程中的優勢。 第二章：載流子的産生、湮滅與輸運 本章將聚焦於半導體材料中載流子的動態行為，包括電子和空穴的産生、湮滅過程以及它們在電場和溫度梯度下的輸運現象。這些是理解半導體激光器中電注入和光增益形成的重要前提。 本徵載流子濃度： 講解本徵半導體中電子和空穴的産生機製——熱激發。推導本徵載流子濃度與禁帶寬度和溫度的關係。 雜質能級與摻雜： 詳細介紹施主能級和受主能級，以及它們在n型和p型半導體中的作用。闡述不同摻雜濃度如何影響載流子濃度，以及摻雜對費米能級位置的影響。 載流子産生與湮滅機製： 直接躍遷輻射復閤： 重點分析電子-空穴對通過直接帶隙躍遷而輻射齣光子的過程。解釋其在直接帶隙半導體中作為主要發光機製的重要性。 間接躍遷輻射復閤： 探討間接帶隙半導體中，需要聲子參與纔能實現的輻射復閤過程。解釋為何這一過程效率較低，不適閤作為激光器的增益介質。 俄歇復閤： 介紹俄歇復閤，即一個載流子通過將能量傳遞給另一個載流子，使其躍遷到更高能級或被激發的非輻射過程。分析其對激光效率的負麵影響。 陷阱復閤： 討論雜質能級或晶格缺陷導緻的陷阱復閤，也是一種非輻射過程。 載流子輸運： 漂移： 解釋在電場作用下，載流子發生的定嚮運動。引入載流子遷移率的概念，並討論其與材料性質、溫度、電場強度及摻雜濃度的關係。 擴散： 闡述由於載流子濃度梯度引起的載流子隨機運動，導緻載流子從高濃度區域嚮低濃度區域遷移。引入擴散係數的概念。 愛因斯坦關係： 闡述遷移率和擴散係數之間的關係（愛因斯坦關係），揭示瞭載流子運動的內在聯係。 連續性方程： 建立描述載流子濃度隨時間、空間變化的守恒方程，它是分析半導體器件動態行為的重要工具。 第三章：半導體中的光學過程：吸收、自發輻射與受激輻射 本章將深入探討半導體材料與光相互作用的微觀過程，這是實現激光器增益效應的核心。我們將詳細分析光的吸收、自發輻射和受激輻射的量子力學過程。 光與物質相互作用的基本原理： 從量子電動力學的角度，介紹光子與電子的相互作用。 吸收過程： 光學吸收的條件： 詳細闡述電子從低能級躍遷到高能級所需的條件，包括能量守恒和動量守恒（尤其關注直接帶隙和間接帶隙材料的區彆）。 吸收係數： 定義吸收係數，並探討其隨光子能量、材料性質（禁帶寬度、摻雜濃度）和溫度的變化。 Urbach衰減： 介紹在禁帶邊緣附近齣現的非本徵吸收現象，其原因可能與缺陷態或晶格振動有關。 自發輻射： 量子過程： 描述電子-空穴對在沒有外部激勵的情況下，通過躍遷到低能級並釋放一個光子的過程。 自發輻射譜： 分析自發輻射的光譜分布，其形狀與載流子分布函數（如費米-狄拉剋分布）以及材料的光學躍遷速率有關。 自發輻射壽命： 定義載流子復閤到自發輻射所需的時間，是衡量發光效率的一個重要參數。 受激輻射： 愛因斯坦的誘導發射理論： 詳細闡述在外部光子作用下，激發態的電子-空穴對會産生一個與入射光子完全相同的光子（能量、方嚮、相位、偏振）的過程。 受激輻射的條件： 強調受激輻射是激光器增益效應的源泉，需要處於粒子數反轉的狀態。 受激輻射截麵： 定義描述受激輻射幾率的物理量，並分析其與材料性質和光子能量的關係。 與吸收和自發輻射的聯係： 闡述受激輻射、吸收和自發輻射在量子力學描述中的統一性，以及它們之間的概率關係。 第四章：光增益的量子理論 本章將是本書的核心，我們將基於前幾章建立的理論基礎，構建半導體激光器中的光增益的完整量子理論。 粒子數反轉的産生： 詳細解釋如何通過電注入（載流子注入）或光泵浦（光激勵）在半導體中實現電子和空穴的粒子數反轉。討論不同注入方式對粒子數反轉能力的影響。 增益係數的定義與推導： 宏觀增益係數： 從宏觀上看，定義光強在介質中傳播時隨距離的增長率，即增益係數（g）。 微觀增益係數的量子力學推導： 嚴格地從微觀的受激輻射概率和吸收概率齣發，結閤載流子分布函數，推導齣增益係數的微觀錶達式。這一推導將涉及態密度、躍遷矩陣元、載流子填充概率等關鍵量子力學概念。 增益譜： 分析增益係數隨光子能量的變化關係，即增益譜。討論增益譜的形狀、峰值位置以及其對激光輸齣波長選擇的影響。 影響增益係數的因素： 深入分析各種因素對增益係數的影響，包括： 載流子濃度： 增益通常隨著載流子濃度的增加而增大，但存在飽和效應。 材料的帶隙和能帶結構： 直接帶隙材料具有更高的增益，能帶形狀決定瞭增益譜的展寬。 量子限製效應（量子阱、量子綫、量子點）： 討論量子限製如何改變態密度和能帶結構，從而顯著提高增益係數，降低閾值泵浦密度。 溫度： 溫度升高通常會導緻增益下降和增益譜展寬。 缺陷和散射： 缺陷和散射會引入吸收和非輻射復閤，降低淨增益。 光學損耗： 討論內部損耗（如自由載流子吸收、吸收邊界損耗）和外部損耗（如鏡麵反射損耗），它們與增益係數共同決定瞭激光器的閾值條件。 增益飽和效應： 解釋在高注入密度下，增益係數不再隨載流子濃度綫性增加的現象，並分析其物理機製。 增益非均勻展寬與均勻展寬： 非均勻展寬： 由不同材料區域或不同缺陷態的載流子引起的增益譜展寬。 均勻展寬： 由單個躍遷過程的自然寬度、溫度引起的聲子散射、載流子-載流子散射等引起的增益譜展寬。 激光閾值條件： 明確提齣實現激光振蕩所需的增益條件（增益必須大於總損耗），並給齣閾值泵浦功率或電流的錶達式。 量子效率與光轉換效率： 區分自發輻射效率、輻射復閤效率和光轉換效率，並分析如何通過優化材料和結構來提高這些效率。 第五章：量子限製結構中的增益理論 本章將聚焦於現代半導體激光器中最重要的結構——量子限製結構（如量子阱、量子綫、量子點）的光增益理論。我們將詳細闡述量子限製如何改變能帶結構和載流子分布，從而帶來性能上的巨大提升。 量子阱（Quantum Wells）： 二維量子限製： 詳細介紹在納米尺度上，載流子在一個維度上受到強約束，形成二維電子氣。 離散化能級： 闡述量子限製導緻垂直於量子阱方嚮的電子能級離散化，形成一係列子帶。 階梯狀態密度（DOS）： 對比塊狀半導體中的平方根依賴的態密度，重點講解量子阱中階梯狀態密度及其對增益的影響。 增益係數的計算： 推導量子阱中的增益係數錶達式，強調階梯狀態密度如何提高峰值增益和增益譜的平坦度。 多量子阱（MQW）結構： 介紹通過重復生長多層量子阱和勢壘層，以進一步提高增益和降低閾值電流。 量子綫（Quantum Wires）： 一維量子限製： 描述載流子在兩個維度上受到限製，形成一維電子氣。 狄拉剋δ函數型態密度： 講解量子綫中零維狄拉剋δ函數型的態密度，其具有極高的態密度集中度。 潛在的超高增益： 分析狄拉剋δ函數型態密度對增益係數的理論提升潛力。 量子點（Quantum Dots）： 零維量子限製： 描述載流子在三個維度上均受到限製，形成所謂的“人造原子”。 離散能級： 講解量子點中高度離散化的能級結構，與原子能級類似。 離散化態密度： 闡述量子點中類原子式的離散態密度。 顯著的增益特性： 分析零維限製如何帶來極高的增益係數，降低閾值電流，並實現窄帶化激光輸齣。 量子點激光器的優勢與挑戰： 討論量子點激光器在增益、閾值、溫度穩定性等方麵的優勢，以及材料均勻性、尺寸控製等方麵的挑戰。 第六章：半導體激光器工作參數的理論分析 本章將綜閤前麵的理論，分析半導體激光器在實際工作中的關鍵參數，並探討如何通過理論指導實際設計。 閾值電流與注入效率： 詳細分析影響閾值電流的各項因素，包括內部增益、損耗、載流子壽命、注入效率等。 激光輸齣功率： 探討輸齣功率與注入電流、器件結構、輸齣耦閤效率等的關係。 微分效率： 定義並分析微分效率，這是衡量激光器在超過閾值後，輸齣功率隨注入電流增加效率的指標。 光束質量： 簡要提及影響激光器光束質量的因素，如橫模競爭、腔長、增益譜等。 溫度特性： 分析溫度變化對激光器性能（如閾值電流、輸齣波長、效率）的影響，並探討提高溫度穩定性的方法。 器件結構與優化： 結閤前麵的理論，提齣如何通過優化材料選擇、能帶工程、量子結構設計、腔體設計等手段，以達到優異的激光器性能。 先進激光器結構簡介（可選）： 簡要介紹一些先進的半導體激光器結構，如分布式反饋（DFB）激光器、分布布拉格反射器（DBR）激光器、外腔激光器等，並簡述其理論基礎。 總結 《半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論（下冊）》通過層層深入的理論解析，為讀者構建起一個關於半導體激光器量子特性的完備知識體係。從基礎的晶體電子理論，到載流子動力學，再到光與物質的量子相互作用，最終匯聚到復雜的光增益理論，特彆是量子限製結構中的增益效應，本書為理解和設計高性能半導體激光器提供瞭堅實的理論支撐。本書內容嚴謹，邏輯清晰，圖文並茂，是相關領域科研人員、工程師以及高年級本科生和研究生學習研究的寶貴參考資料。

評分☆☆☆☆☆

說實話，這本書的閱讀體驗並非輕鬆愉快，它更像是一場思維的馬拉鬆。我必須承認，有些章節，尤其是關於載流子復閤機製的深入探討，我不得不反復閱讀好幾遍，甚至需要藉助外部的經典物理教材來輔助理解某些高階概念。但正是這種挑戰性，讓我體會到瞭“硬核”知識帶來的滿足感。它不是那種試圖用生動故事來掩蓋理論深度的書，它坦誠地展示瞭半導體物理的復雜性與美感。我特彆欣賞作者在討論不同激光器結構（如雙異質結與量子阱）對增益譜影響時，那種對比分析的視角，清晰地勾勒齣材料科學進步對器件性能提升的關鍵作用。這本書是工具書，更是啓發我思考未來材料可能性的思想火花。

評分☆☆☆☆☆

我最近在研究如何優化垂直腔麵發射激光器（VCSEL）的閾值電流，正是為瞭解決一個具體的工程問題纔翻開這本書的。這本書的價值在於，它提供的理論框架是如此普適和基礎，以至於可以橫嚮應用於所有基於III-V族半導體的光電器件。例如，在探討瞭本徵增益後，書中還延伸討論瞭載流子限製效應如何改變瞭費米能級的位置，進而影響瞭光學耦閤效率。這種從微觀量子力學到宏觀器件性能的完整鏈條的梳理，讓我豁然開朗。它沒有直接給齣針對VCSEL的“速效藥方”，但它給瞭我一套完整的“診斷工具”和“設計原理”，讓我可以自己去推導和預測不同設計參數下的最終錶現。對於追求深度和係統性理解的研究者而言，這本書無疑是案頭必備的寶典。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計，那種深邃的藍色調配上精細的圖錶綫條，一下子就抓住瞭我的眼球。我是一個業餘的電子愛好者，對半導體器件的原理一直充滿好奇，尤其是激光器那種“無中生有”的奇妙過程。以前看一些科普讀物，講到能帶結構總是寥寥數語，點到為止，讓我總覺得像是隔著一層毛玻璃看東西，看得不真切。這本書的厚度就預示著它的深度，那種紮實的學術氣息撲麵而來，讓人知道這不是一本可以隨便翻閱的消遣讀物，而是需要坐下來，沏上一壺好茶，全神貫注去啃的硬骨頭。我特彆期待它在光與物質相互作用部分能拿齣點真東西，畢竟，光增益的精確計算，那纔是區分“懂”和“精通”的關鍵所在。從排版上看，公式和文字的密度都很高，這對我來說是好事，意味著信息量巨大，能填補我知識體係裏的空白。

評分☆☆☆☆☆

拿到這本“下冊”，我首先被它的邏輯嚴謹性所摺服。前置知識的鋪墊非常到位，作者似乎深諳讀者從宏觀認識到微觀機理的認知過程，每一步推導都像是在搭建一座精密的橋梁，每塊磚瓦（每一個假設和近似）都放得恰到好處。我印象最深的是對量子效率和閾值電流密度分析的那幾章，傳統的教科書往往把這些當成黑箱公式直接給齣，但這本書卻把從薛定諤方程齣發，如何一步步迴歸到我們熟悉的半導體激光器設計參數，中間的數學推導過程詳盡到近乎苛刻的程度。對於我這種需要將理論應用於實際電路仿真的工程師來說，這種“知其然更知其所以然”的闡述方式簡直是無價之寶。它不是在告訴你“應該”怎麼做，而是在告訴你“為什麼”必須這麼做。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀質量也值得一提，作為一本專業的學術著作，它能保持如此高的印刷精度，實屬不易。特彆是那些復雜的晶格結構圖和能級示意圖，綫條清晰銳利，即使用放大鏡觀察，也未見模糊或重影，這對於理解波函數和態密度至關重要。我曾遇到過一些其他齣版社的物理書籍，圖錶印刷質量不過關，導緻對特定光學躍遷過程的理解産生偏差。這本《量子理論（下冊）》在這方麵做得非常齣色，體現瞭齣版方的專業態度。它不僅僅是知識的載體，也是一件可以長期保存和參考的典藏品。從紙張的手感來說，也比市麵上許多輕浮的讀物要厚重得多，拿在手裏很有分量。