{RT}半導體激光器能帶結構和光增益的量子理論:下冊-郭長誌 科學齣版社 97870304 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
• 郭長誌
• 科學齣版社
• 物理學
• 光學
• 材料科學
• 半導體物理

店鋪： 華裕京通圖書專營店

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030473806

商品編碼：29733069640

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

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

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目錄

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編輯推薦

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文摘

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序言

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量子世界的光之翼：探索半導體材料的奧秘 在微觀世界的深邃領域，電子與光子的交織譜寫著一麯生命的贊歌，而在這壯麗的交響樂中，半導體材料以其獨特的量子特性，成為瞭現代科技發展中不可或缺的璀璨明星。從通信網絡的飛速發展到信息處理的極緻追求，再到新能源領域的革新，這一切都離不開對半導體材料內在量子機製的深入理解與巧妙運用。 本書將帶領您踏上一段激動人心的求索之旅，深入剖析半導體材料的核心——能帶結構，並在此基礎上，揭示材料如何將電能轉化為耀眼的光芒，即光增益的量子理論。我們將聚焦於材料科學與量子物理的交匯點，以前沿的理論視角，為您展現半導體激光器之所以能夠高效運作的根本原理。 第一章：量子世界的基石——電子的能級與晶體的秩序 在宏觀世界中，物體可以自由地占據任何能量狀態。然而，當我們將目光投嚮原子尺度，物質的行為就遵循著一套截然不同的、由量子力學支配的法則。原子內部的電子，並非在軌道上隨意遊蕩，而是被束縛在特定的、離散的能量“軌道”上。這些能量軌道構成瞭原子的能級結構，是理解一切物質性質的起點。 當成韆上萬個原子緊密地排列在一起，形成晶體時，這些獨立的原子能級會發生奇妙的“融閤”。在晶體內部，電子不再屬於單個原子，而是可以在整個晶格中自由運動。這種集體行為導緻瞭原子能級在能量上發生展寬，形成一係列連續的、被稱為“能帶”的區域。這些能帶之間，可能存在能量上的“禁帶”，電子無法在此區域停留。 能帶結構是半導體材料的靈魂。它決定瞭材料是導電（金屬）、絕緣（絕緣體）還是介於兩者之間（半導體）。在半導體中，存在一條區分最高滿帶（價帶）和最低空帶（導帶）的禁帶，其寬度恰到好處，使得材料可以通過外界能量（如電場或光照）中的電子躍遷，從而實現導電性。 本書將首先從量子力學的基本原理齣發，介紹電子在周期性勢場中的行為。我們將運用薛定諤方程，分析自由電子在周期性勢場中的波函數演化，進而推導齣布洛赫定理（Bloch's Theorem），這是理解晶體中電子行為的關鍵。隨後，我們將深入探討不同晶體結構（如立方結構、六方結構）對能帶形狀和特徵的影響。您將瞭解到，即使是細微的晶格排列差異，也會對電子的運動行為産生深遠的影響，進而塑造材料的光電特性。 我們將詳細解析電子在布裏淵區（Brillouin Zone）中的能量-動量關係，也就是E-k圖。這個抽象的二維圖像，卻蘊含著材料電子結構的全部信息。通過對E-k圖的解讀，我們可以識彆齣半導體的直接帶隙（Direct Band Gap）和間接帶隙（Indirect Band Gap）的特點。這對於理解其光發射效率至關重要。例如，GaAs等直接帶隙半導體，其導帶底和價帶頂在動量空間重閤，電子躍遷時能量和動量轉移的匹配度高，有利於高效的光子發射。而Si等間接帶隙半導體，其導帶底和價帶頂在動量空間不重閤，電子躍遷時需要藉助聲子（晶格振動）來完成動量守恒，這大大降低瞭光發射效率，因此Si並不適閤作為直接的光源，更多應用於探測等領域。 此外，我們還將探討一些重要的概念，如費米能級（Fermi Level）及其在不同摻雜程度下的變化，這對於理解半導體的導電機製（n型和p型）至關重要。通過摻雜，我們可以人為地改變半導體中的載流子濃度，從而精確調控其電學性質。 第二章：光與物質的對話——光生載流子與吸收過程 當光子照射到半導體材料錶麵時，它會與材料中的電子發生相互作用。如果光子的能量大於或等於半導體的帶隙寬度（E_g），那麼這個光子就可能被電子吸收，將電子從價帶激發到導帶，從而産生一對自由的電子-空穴對。這個過程被稱為光吸收（Optical Absorption），是光電轉換過程的第一步，也是許多光電器件（如光探測器、太陽能電池）工作的基礎。 本書將深入探討光吸收的微觀機製。我們將分析吸收光譜的形狀與材料能帶結構的關聯。不同能量的光子，會激發不同動量狀態的電子發生躍遷。通過測量材料在不同波長下的吸收係數，我們可以反推齣材料的能帶結構信息，特彆是帶隙寬度。 我們還將介紹一些關鍵的光學參數，如吸收係數（Absorption Coefficient）、摺射率（Refractive Index）和反射係數（Reflection Coefficient）。這些參數不僅決定瞭光在材料中的傳播和衰減情況，也影響著器件的光學效率。我們將從量子力學的角度，分析這些參數的微觀根源，以及它們如何受到材料的電子結構、晶格缺陷、摻雜濃度以及溫度等因素的影響。 值得一提的是，光吸收過程中，電子從價帶躍遷到導帶，留下瞭帶隙中的一個“空位”，這個空位被稱為空穴（Hole）。空穴在某種意義上可以被看作是帶負電的電子的“反粒子”，它同樣可以自由移動，並攜帶正電荷。電子和空穴的産生，使得半導體材料獲得瞭導電能力，這是實現許多光電器件功能的前提。 第三章：點亮黑暗的希望——載流子注入與受激輻射 半導體激光器最核心的原理在於其能夠産生並放大光。這離不開一個關鍵的過程：受激輻射（Stimulated Emission）。要實現受激輻射，首先需要為材料提供大量的自由電子和空穴，使它們能夠聚集在能量較高的能級上。這個過程通常通過電注入（Electrical Injection）來實現，也就是在半導體材料中施加反嚮偏壓，迫使電子和空穴分彆注入到不同的區域（例如p-n結中的n區和p區），並在結區附近復閤。 當半導體材料中存在足夠高的自由電子和空穴濃度時，一個具有特定能量的光子（能量等於或略大於帶隙寬度）就可以與一個處於高能級的電子發生相互作用。如果該電子恰好處於一個被占據的能量狀態，並且存在一個能量相等的空穴在較低能量狀態等待被填充，那麼這個光子就可以“誘導”該電子躍遷到空穴所在的位置，同時釋放齣一個與入射光子完全相同（頻率、方嚮、相位和偏振）的光子。這就是受激輻射。 本書將深入探討半導體中載流子的分布和行為。我們將介紹少數載流子（Minority Carrier）和多數載流子（Majority Carrier）的概念，以及它們在摻雜材料中的動態平衡。在進行電注入時，我們將關注電子和空穴如何在p-n結區域被“泵浦”（Pumped）到高能量狀態。 我們將詳細解析增益介質（Gain Medium）的概念。在半導體激光器中，通常采用的是p-n結或多量子阱（Quantum Well）結構，這些結構能夠有效地限製電子和空穴的復閤區域，並形成足夠高的載流子密度，從而産生光學增益。 第四章：光之共鳴——光學諧振腔與激光輸齣 受激輻射産生的相乾光子，需要一個“放大器”來不斷增強，並最終形成激光束。這個放大器就是光學諧振腔（Optical Resonator）。在半導體激光器中，光學諧振腔通常由材料本身的晶麵或者在其錶麵鍍上的反射膜構成。 當受激輻射産生的光子在諧振腔內來迴反射時，它們會與介質中的其他電子發生更多的受激輻射，從而産生更多的相乾光子，形成光信號的指數級增長。隻有那些能夠與諧振腔的模式（Mode）相匹配的光子，纔會被有效地放大。 本書將詳細介紹光學諧振腔的形成機製，包括其幾何結構、反射率以及諧振頻率。我們將分析不同類型的諧振腔，例如法布裏-珀羅（Fabry-Perot）諧振腔，這是最常見的半導體激光器諧振腔結構。我們將探討腔長、反射鏡反射率如何影響腔的品質因子（Quality Factor, Q值），進而影響激光器的閾值電流和輸齣功率。 當注入的載流子濃度達到一定程度，使得受激輻射的速率大於光在腔內的損耗速率時，激光就會被激發。這個臨界點被稱為激光閾值（Lasing Threshold）。本書將詳細分析閾值電流的計算，以及影響閾值電流的因素，如材料質量、腔損耗、載流子壽命等。 此外，我們還將探討激光的輸齣特性，包括其光譜綫寬、方嚮性、相乾性以及功率。這些特性都與材料的量子特性和光學諧振腔的設計緊密相關。 第五章：前沿探索——多量子阱與新型材料 為瞭進一步提高半導體激光器的性能，例如降低閾值電流、提高輸齣效率、拓展工作波長等，科研人員不斷探索新的材料體係和結構設計。其中，多量子阱（Multi-Quantum Well, MQW）結構是近年來半導體激光器領域最成功的創新之一。 在多量子阱結構中，交替生長著兩種不同帶隙的半導體材料，形成一係列非常薄的“阱”（Well）層和“勢壘”（Barrier）層。在阱層中，電子和空穴受到量子限製，其能量不再是連續的，而是被分割成離散的子帶。這種量子限製效應能夠顯著改變材料的光學增益特性，例如，將電子和空穴的能量-動量關係進行重疊，從而降低激光閾值，提高光子産生效率。 本書將深入剖析多量子阱結構中的量子限製斯塔剋效應（Quantum-Confined Stark Effect, QCSE），以及它如何影響材料的吸收和發射光譜。我們還將介紹一些用於構建多量子阱的典型材料體係，例如GaAs/AlGaAs、InGaAs/InP等，並分析不同材料體係的優缺點以及其在不同應用領域中的潛力。 此外，我們還將簡要介紹一些當前半導體激光器領域的前沿研究方嚮，例如量子點（Quantum Dot）激光器，量子級聯（Quantum Cascade）激光器，以及利用新型半導體材料（如III-V族化閤物半導體、II-VI族化閤物半導體、甚至二維材料）實現的激光器。這些前沿技術正不斷推動半導體激光器嚮著更高性能、更寬波段、更低功耗的方嚮發展，為未來的通信、傳感、醫療等領域帶來無限可能。 通過本書的學習，您將不僅掌握半導體激光器背後深刻的量子理論，更能理解這些理論如何在實際器件中得到應用，並對未來半導體光電子學的發展趨勢有一個更清晰的認識。讓我們一起，在量子世界的奇妙旅程中，探尋光之奧秘。

評分☆☆☆☆☆

《真空能與零點能量的量子場論詮釋》這本書給我的震撼是難以言喻的。它大膽地觸及瞭理論物理中最核心、也最令人睏惑的問題之一。作者的論證過程充滿瞭哲學思辨的光芒，不僅僅停留在計算卡西米爾效應的數值上，而是深入探討瞭量子場論中無窮大的處理哲學——重整化理論的物理意義。書中對真空漲落的描述，仿佛揭示瞭我們習以為常的“空無一物”的空間背後，隱藏著一個沸騰的能量海洋。我尤其欣賞作者對宇宙學常數問題的探討，他梳理瞭從早期量子引力嘗試到弦理論中景觀概念的演變，清晰地展示瞭物理學傢在麵對理論預測與實驗觀測巨大差異時所經曆的思想掙紮。閱讀此書，需要極大的專注力和對高等數學的良好基礎，因為它穿越瞭許多現代物理學的邊界，但對於那些渴望直麵宇宙終極奧秘的求知者而言，這本書無疑是一次精神上的洗禮和思想的極限挑戰。

評分☆☆☆☆☆

坦白講，我對《超導材料的微觀機理與宏觀現象》這本書的期望值本來挺高的，但讀完之後，心情卻有些復雜。首先，這本書的理論深度毋庸置疑，對BCS理論的闡述細緻入微，從配對機製到能隙的形成，每一個環節的邏輯鏈條都非常堅實，看得齣作者在基礎理論上的深厚功力。然而，書中對實驗現象的介紹略顯保守和滯後，比如對高溫超導體的第二類超導特性分析，雖然也提及瞭Ginzburg-Landau理論，但總感覺缺乏一些近十年來的實驗進展的補充，使得內容在時效性上稍顯不足。我個人更希望看到更多關於新型二維超導材料，例如石墨烯或過渡金屬硫化物中超導性的研究進展，那些實驗結果往往能對現有理論提齣更尖銳的挑戰。此外，排版上的一些小問題，比如公式中的上下標有時顯得擁擠，影響瞭閱讀的流暢度，對於需要頻繁查閱公式的讀者來說，是個小小的睏擾。總體而言，它更像是一本紮實的基礎理論參考書，而非一本麵嚮未來探索的創新指南。

評分☆☆☆☆☆

翻開《復雜係統中的非綫性動力學：混沌與分岔分析》，我立刻被那種撲麵而來的數學美感所吸引。作者的敘事風格非常獨特，他似乎有一種魔力，能將那些看似毫無章法的隨機波動，用優雅的數學工具梳理得井井有條。書中對洛倫茲吸引子、Rössler吸引子的詳細幾何解析，簡直是一場視覺盛宴，那些相圖的繪製和描述，讓我仿佛置身於一個由微分方程構築的奇特空間。特彆值得稱贊的是，作者在講解分岔理論時，引入瞭大量的物理和生物學實例，例如種群增長模型中的周期性振蕩，極大地降低瞭理解門檻。這種理論聯係實際的做法，使得原本抽象的數學概念變得生動起來，不再是冰冷的公式堆砌。讀完整本書，我最大的感受是，混沌並非無序，而是隱藏在復雜錶象下的、遵循特定規律的美麗秩序。對於從事氣候建模、流體力學或者經濟學分析的研究者來說，這本書提供的分析工具箱是極其寶貴的財富。

評分☆☆☆☆☆

這本《量子隧穿效應在納米結構中的應用探索》簡直是為我這種對前沿物理著迷的讀者量身打造的！作者在開篇就深入淺齣地闡述瞭量子力學在極小尺度下如何顛覆我們對經典物理的認知，特彆是對勢壘穿透概率的計算，那種嚴謹的數學推導讓人忍不住想拿起筆跟著演算一遍。書中對於不同勢場中波函數如何演變的討論，尤其是在非均勻勢場下的薛定諤方程求解，簡直是教科書級彆的典範。我印象最深的是關於量子點中電子離散能級的形成機製，作者沒有停留在理論錶述，而是通過精妙的類比，將抽象的數學概念轉化為清晰的物理圖像。整本書的行文節奏把握得非常好，既有宏觀概念的鋪陳，又不乏微觀細節的打磨，讀起來酣暢淋灕，讓人感覺每翻過一頁，對這個看似神秘的領域就多瞭一份掌控感。尤其是最後關於自鏇電子學中隧穿磁阻效應的章節，對未來信息存儲技術的啓發性太大瞭，強烈推薦給所有對凝聚態物理和納米技術感興趣的同仁們。

評分☆☆☆☆☆

我對《高能物理實驗數據處理與統計推斷》的評價是“極其實用，但略顯枯燥”。這本書的價值體現在其對實際操作流程的精細指導上，完全可以作為大型對撞機數據分析的標準操作手冊來使用。從事件篩選、本底扣除，到係統誤差的量化評估，每一步驟都有明確的統計學依據支撐。作者對濛特卡洛模擬（MC Simulation）的講解尤其到位，詳細闡述瞭如何設計有效的權重函數和如何進行收斂性檢查，這對於任何想親自處理物理實驗數據的研究生來說都是一座金礦。然而，這本書的敘事風格非常“工程化”，幾乎沒有進行任何的理論背景迴顧，直接切入方法論，這使得初次接觸統計推斷的讀者可能會感到吃力，需要輔以其他概率論書籍進行對照學習。此外，書中對貝葉斯方法的討論相對簡略，更多地偏嚮於傳統的頻率學派統計，這在當前的粒子物理領域中略顯不足，期待未來版本能增加更多關於馬爾可夫鏈濛特卡洛（MCMC）算法的應用實例。