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第1章 绪论1

1.1 半导体能带的基本概念和键合图1

1.2 半导体激光器的发明3

1.3 光电子学领域5

1.4 本书概述10

习题12

参考文献12

参考书目13

第Ⅰ部分 基础理论18

第2章 半导体电子学基础18

2.1 麦克斯韦方程组和边界条件18

2.1.1 MKS单位的麦克斯韦方程组18

2.1.2 边界条件19

2.1.3 准静电场20

2.2 半导体电子学方程组20

2.2.1 泊松方程20

2.2.2 连续性方程组20

2.2.3 载流子输运方程21

2.2.4 辅助关系22

2.2.5 边界条件25

2.3 半导体中的产生和复合26

2.3.1 辐射跃迁的带间产生-复合过程26

2.3.2 非辐射跃迁的产生-复合过程27

2.3.3 本征量子效率30

2.3.4 受激辐射过程引起的复合30

2.3.5 碰撞电离产生-复合过程31

2.4 产生-复合在光电子器件中的应用及举例31

2.4.1 均匀光注入31

2.4.2 非均匀载流子产生33

2.5 半导体p-N和n-P异质结34

2.5.1 无偏置p-N结的耗尽近似36

2.5.2 偏置p-N结39

2.5.3 准费米能级和少数载流子注入40

2.5.4 电流密度和I-V特性43

2.5.5 半导体n-P异质结44

2.6 半导体n-N异质结和金属-半导体结45

2.6.1 半导体n-N异质结45

2.6.2 金属-半导体结47

习题48

参考文献48

第3章 量子力学基础50

3.1 薛定谔方程50

3.2 方势阱52

3.2.1 无限高势垒模型52

3.2.2 有限高势垒模型55

3.3 谐振子58

3.4 氢原子及二维和三维空间中的激子61

3.4.1 三维解61

3.4.2 二维解62

3.5 与时间无关的微扰理论63

3.5.1 微扰法63

3.5.2 矩阵表述67

3.6 与时间有关的微扰理论68

附录3A L？wdin再归一化（renormalization）方法70

习题71

参考文献72

第4章 半导体中的电子能带结构理论74

4.1 布洛赫定理和简单能带的k·p方法74

4.1.1 单一能带的k·p理论75

4.1.2 二能带（或非简并多能带）模型的k·p理论76

4.2 能带结构的Kane模型：考虑自旋-轨道相互作用的k·p方法77

4.2.1 函数unk（r）的薛定谔方程77

4.2.2 基函数和哈密顿矩阵78

4.2.3 哈密顿矩阵的本征值和本征函数的解79

4.2.4 本征能量和对应带边基函数总结81

4.2.5 一般坐标方向82

4.3 Luttinger-Kohn模型：简并能带的k·p方法83

4.3.1 哈密顿量和基函数83

4.3.2 利用L？wdin微扰法的哈密顿量的解84

4.3.3 总结85

4.4 单一能带和简并能带的有效质量理论86

4.4.1 单一能带的有效质量理论86

4.4.2 简并能带的有效质量理论87

4.5 应变对能带结构的影响87

4.5.1 应变半导体的Pikus-Bir哈密顿量87

4.5.2 无自旋-轨道分裂带耦合的能带结构89

4.5.3 具有自旋-轨道分裂带耦合的应变半导体的能带结构94

4.6 任意一维势中的电子态95

4.6.1 传输矩阵方程的推导及其本征值求解95

4.6.2 调制掺杂量子阱的自洽解96

4.6.3 n型调制掺杂量子阱98

4.6.4 p型调制掺杂量子阱99

4.6.5 电子和空穴布居数100

4.7 超晶格的Kronig-Penney模型100

4.7.1 传输矩阵的推导101

4.7.2 本征值和本征矢的解102

4.8 半导体量子阱的能带结构104

4.8.1 导带104

4.8.2 价带105

4.8.3 子带色散的直接实验测量107

4.8.4 Luttinger-Kohn哈密顿量的块对角化（Block Diagonalization）107

4.8.5 Luttinger-Kohn哈密顿量的轴向近似109

4.8.6 2×2上哈密顿量解的数值方法110

4.8.7 2×2下哈密顿量解的数值方法110

4.9 应变半导体量子阱的能带结构111

4.9.1 应变量子阱的子带能量112

4.9.2 应变量子阱的价带子带能量色散113

习题114

参考文献115

第Ⅱ部分 光的传输120

第5章 电磁学和光的传输120

5.1 时谐场和对偶原理120

5.1.1 时谐场120

5.1.2 电磁学中的对偶原理121

5.2 坡印廷定理和倒易关系121

5.2.1 坡印廷定理121

5.2.2 倒易关系122

5.3 均匀介质中麦克斯韦方程组的平面波解123

5.4 光在各向同性介质中的传输123

5.5 有损耗介质中的波传输：洛伦兹振子模型和金属等离子体125

5.5.1 半导体中的传输常数和折射率125

5.5.2 洛伦兹偶极子模型126

5.5.3 导电介质128

5.6 平面波在界面的反射130

5.6.1 TE偏振130

5.6.2 TM偏振132

5.6.3 平面波传输的阻抗概念133

5.7 矩阵光学134

5.8 平面波在多层介质反射的传输矩阵法136

5.9 周期介质中的波传输139

5.9.1 色散图和阻带139

5.9.2 平面波在分布布拉格反射器上的反射141

附录5A Kramers-Kronig关系146

习题148

参考文献148

第6章 光在各向异性介质中的传输和辐射150

6.1 光在单轴介质中的传输150

6.1.1 场解150

6.1.2 k波面153

6.1.3 折射率椭球154

6.1.4 应用155

6.2 旋光介质中的波传输：磁光效应157

6.3 麦克斯韦方程组的通解和规范变换162

6.4 辐射场和远场图样164

6.4.1 辐射场的一般表达式164

6.4.2 远场近似165

习题167

参考文献168

第7章 光波导理论169

7.1 对称介质平板波导169

7.1.1 TE偏振的电场和导波条件的推导169

7.1.2 图解导波条件171

7.1.3 截止条件171

7.1.4 低频极限和高频极限172

7.1.5 传输常数kz和有效折射率neff173

7.1.6 AlxGa1-xAs体系的折射率173

7.1.7 光学模式的归一化常数175

7.1.8 光限制因子Г175

7.1.9 TM模H=？Hy175

7.2 非对称介质平板波导176

7.2.1 TE偏振，E=？Ey176

7.2.2 TM偏振，H=？Hy178

7.3 波导问题的射线光学方法178

7.4 矩形介质波导179

7.4.1 HEpq模（或Ey（p+1）（q+1）模）180

7.4.2 EHpq模（或Ex（p+1）（q+1）模）181

7.5 有效折射率法183

7.6 损耗或增益介质中的波传导184

7.7 表面等离子体波导186

7.7.1 单一界面的表面等离子体模式187

7.7.2 金属平板中的表面等离子体模式188

习题190

参考文献191

第8章 耦合模理论193

8.1 波导耦合器193

8.1.1 横向耦合器193

8.1.2 棱镜耦合器193

8.1.3 光栅耦合器194

8.2 耦合光波导196

8.2.1 耦合模理论的一般公式表述196

8.2.2 本征解198

8.2.3 耦合波导的通解199

8.3 光波导耦合器的应用201

8.3.1 光波导开关201

8.3.2 △β耦合器202

8.4 光环形谐振器和分插滤波器203

8.4.1 波导环形谐振器系统的公式表述203

8.4.2 光分插滤波器204

8.4.3 耦合环光波导（CROW）结构206

8.5 分布反馈（DFB）结构209

8.5.1 耦合模方程的推导210

8.5.2 耦合模方程的本征解212

8.5.3 DFB结构的反射和透射214

附录8A 平行波导的耦合系数216

附录8B 改进的耦合模理论216

习题217

参考文献220

第Ⅲ部分 光的产生226

第9章 半导体中的光学过程226

9.1 利用费米黄金定则的光跃迁226

9.1.1 电子-光子相互作用哈密顿量226

9.1.2 由电子-光子相互作用引起的跃迁率227

9.1.3 光吸收系数228

9.1.4 介电常数的实部和虚部229

9.2 自发辐射和受激辐射229

9.2.1 光子的态密度230

9.2.2 受激辐射和自发辐射：爱因斯坦A系数和B系数231

9.2.3 光增益和自发辐射谱的推导232

9.3 体半导体的带间吸收和增益234

9.3.1 带间光学矩阵元的计算和k选择定则234

9.3.2 光吸收谱235

9.3.3 光增益谱236

9.4 量子阱中的带间吸收和增益237

9.4.1 量子阱的带间光学矩阵元237

9.4.2 联合态密度和光吸收谱238

9.4.3 准费米能级的确定239

9.4.4 增益谱总结240

9.4.5 理论增益谱及其和实验的比较240

9.5 体半导体和量子阱半导体的带间动量矩阵元241

9.5.1 体半导体的动量矩阵元242

9.5.2 量子阱的动量矩阵元242

9.6 量子点和量子线244

9.6.1 量子点245

9.6.2 量子线248

9.7 子带间吸收250

9.7.1 子带间偶极矩250

9.7.2 子带间吸收谱251

9.7.3 实验结果253

9.7.4 子带间量子级联激光器254

9.8 考虑价带混合效应的量子阱激光器的增益谱255

9.8.1 考虑价带混合效应的增益谱的一般公式表述255

9.8.2 动量矩阵元的计算256

9.8.3 增益谱的最终表达式和数值例子258

9.8.4 自发辐射谱和辐射电流密度259

附录9A 基函数的坐标变换和动量矩阵元259

习题261

参考文献264

第10章 半导体激光器基础268

10.1 双异质结半导体激光器268

10.1.1 能带图和载流子注入268

10.1.2 阈值条件271

10.1.3 光功率输出：粗略推导271

10.1.4 发光二极管和激光二极管：自发辐射和放大自发辐射所扮演的角色273

10.1.5 放大自发辐射和光增益测量275

10.2 增益导引和折射率导引半导体激光器278

10.2.1 条形结构增益导引半导体激光器278

10.2.2 折射率导引半导体激光器280

10.3 量子阱激光器281

10.3.1 一个简化的增益模型282

10.3.2 电子和空穴准费米能级的确定282

10.3.3 零温度增益谱283

10.3.4 有限温度增益谱285

10.3.5 峰值增益系数与载流子浓度的关系286

10.3.6 多量子阱激光器的标度率287

10.4 应变量子阱激光器290

10.4.1 有效质量对增益和透明载流子浓度的影响291

10.4.2 应变对带边能量的影响291

10.4.3 应变量子阱的能带结构294

10.4.4 增益-电流密度（G-J）关系296

10.5 应变量子点激光器297

10.5.1 量子点结构298

10.5.2 自发辐射、增益和激射谱299

10.5.3 高速调制：p型掺杂和隧穿注入301

10.5.4 量子点半导体光放大器305

习题306

参考文献306

第11章 先进半导体激光器316

11.1 分布反馈激光器316

11.1.1 DFB激光器的基本公式表述316

11.1.2 通过DFB结构的反射和透射318

11.1.3 带有两个端面的DFB结构319

11.1.4 增益耦合DFB激光器322

11.1.5 相移DFB激光器323

11.1.6 分布布拉格反射（DBR）半导体激光器324

11.2 垂直腔表面发射激光器326

11.2.1 激射条件327

11.2.2 载流子注入和光分布：增益导引330

11.2.3 氧化型VCSEL：折射率限制331

11.2.4 温度相关性和结发热331

11.2.5 光输出和微分量子效率332

11.3 微腔和光子晶体激光器333

11.3.1 微腔激光器的结构334

11.3.2 Purcell因子和自发辐射因子336

11.3.3 二维光子晶体激光器339

11.3.4 速率方程和L-I曲线341

11.4 量子级联激光器342

11.4.1 Ⅰ类中红外量子级联激光器结构344

11.4.2 速率方程、光增益和阈值电流346

11.4.3 量子级联激光器的光波导和光学模式348

11.4.4 量子级联激光器的性能349

11.4.5 THz量子级联激光器350

11.4.6 Ⅱ类量子级联激光器354

11.5 GaN基蓝-绿光激光器和发光二极管355

11.5.1 纤锌矿晶体的能带结构356

11.5.2 应变纤锌矿晶体358

11.5.3 纤锌矿量子阱和极化场360

11.5.4 应变纤锌矿量子阱激光器的光增益363

11.5.5 蓝-绿光激光器和LED364

11.5.6 非极性（m平面和a平面）和半极性（r平面）器件366

11.6 耦合激光器阵列369

11.6.1 耦合模方程的解369

11.6.2 远场辐射图样371

附录11A 应变纤锌矿晶体的哈密顿量373

附录11B 带边光学跃迁矩阵元375

习题377

参考文献377

第Ⅳ部分 光的调制394

第12章 半导体激光器的直接调制394

12.1 速率方程和线性增益分析394

12.1.1 线性增益理论395

12.1.2 小信号调制响应396

12.2 考虑非线性增益饱和的高速调制响应397

12.2.1 非线性增益饱和397

12.2.2 小信号方程的正弦稳态解398

12.3 输运对量子阱激光器的影响：电调制和光调制400

12.4 半导体激光器的频谱线宽和线宽增强因子404

12.4.1 存在自发辐射时光强和相位的基本方程405

12.4.2 功率谱和半导体激光器频谱线宽407

12.4.3 半导体激光器的线宽增强因子408

12.5 相对强度噪声谱409

习题411

参考文献411

第13章 电光和声光调制器416

13.1 电光效应和振幅调制器416

13.1.1 电光效应416

13.1.2 纵向振幅调制器418

13.1.3 横向振幅调制器420

13.2 相位调制器421

13.2.1 光相位调制421

13.2.2 X-切LiNbO3晶体423

13.2.3 Z-切LiNbO3晶体423

13.3 波导器件中的电光效应424

13.3.1 马赫-曾德尔干涉仪型波导调制器426

13.3.2 定向耦合器型调制器427

13.3.3 △β倒相定向耦合器428

13.4 光通过声波散射：拉曼-奈斯（Raman-Nath）衍射和布拉格衍射429

13.4.1 拉曼-奈斯衍射429

13.4.2 布拉格衍射430

13.5 布拉格声光耦合器的耦合模分析431

习题433

参考文献434

第14章 电吸收调制器436

14.1 光吸收的一般公式：436

14.1.1 吸收公式437

14.1.2 2|φn(0)|2的物理解释：态密度437

14.1.3 带间自由电子-空穴跃迁的光吸收谱438

14.2 Franz-Keldysh效应：光子辅助隧穿438

14.2.1 均匀电场下薛定谔方程的解439

14.2.2 态密度求和与吸收谱440

14.3 激子效应441

14.3.1 三维激子441

14.3.2 二维激子442

14.3.3 三维和准二维激子的实验结果444

14.4 量子限制斯塔克效应（QCSE）445

14.4.1 量子阱结构中含激子效应的光吸收谱446

14.4.2 微扰法448

14.4.3 激子吸收谱及与实验数据的比较448

14.5 电吸收调制器450

14.6 集成电吸收调制器-激光器（EML）451

14.7 自电光效应器件（SEED）457

附录14A 二粒子波函数和有效质量方程458

附录14B 考虑激子效应时电子-空穴有效质量方程的解461

习题464

参考文献464

第Ⅴ部分 光的探测和太阳能电池472

第15章 光电探测器和太阳能电池472

15.1 光电导472

15.1.1 光电导性472

15.1.2 时域中的光电流响应473

15.1.3 光电导中的噪声475

15.1.4 n-i-p-i超晶格光电导478

15.2 pn结光电二极管479

15.2.1 I-V曲线和光电流480

15.2.2 R0A积481

15.2.3 电流响应度和探测度482

15.3 p-i-n光电二极管483

15.4 雪崩光电二极管485

15.4.1 理想雪崩光电二极管：单载流子型的碰撞电离485

15.4.2 电子和空穴同时碰撞电离486

15.4.3 吸收区和倍增区分离的雪崩光电二极管（SAM APD）491

15.4.4 多量子阱雪崩光电二极管491

15.5 子带间量子阱光电探测器493

15.5.1 子带间光吸收493

15.5.2 量子阱中的光电导增益494

15.5.3 暗电流495

15.6 太阳能电池496

15.6.1 太阳辐射与基本器件参数496

15.6.2 pn结太阳能电池和频谱响应498

15.6.3 量子阱和多结太阳能电池501

习题504

参考文献505

附录A 模型固体理论中的半导体异质结能带512

附录B GaAs和InP的光学常数518

附录C Si、Ge和一些二元、三元和四元化合物的电学性质521

附录D InN、GaN、AIN和它们的三元化合物的参数524

中英文术语对照526