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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neff 173

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Г 175

7.1.9 TM模H=？Hy 175

7.2 非对称介质平板波导 176

7.2.1 TE偏振，E=？Ey 176

7.2.2 TM偏振，H=？Hy 178

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LED 364

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