Solid State and Quantum Theory for Optoelectronics pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Parker, Michael A.

出品人:

页数:848

译者:

出版时间:2009-11

价格:$ 208.99

装帧:HRD

isbn号码:9780849337505

丛书系列:

图书标签:

Solid State Physics
Quantum Mechanics
Optoelectronics
Semiconductor Physics
Quantum Theory
Materials Science
Physics
Electronics
Optical Properties
Condensed Matter Physics

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具体描述

While applications rapidly change one to the next in our commercialized world, fundamental principles behind those applications remain constant. So if one understands those principles well enough and has ample experience in applying them, he or she will be able to develop a capacity for reaching results via conceptual thinking rather than having to always rely on models to test various conditions. In Solid State and Quantum Theory for Optoelectronics, Michael Parker provides a general conceptual framework for matter that leads to the matter-light interaction explored in the author's Physics of Optoelectronics (CRC Press). Instead of overburdening readers with the definition-theorem- proof format often expected in mathematics texts, this book instructs readers through the development of conceptual pictures. Employing a proven pedagogic approach, as rigorous as it is intuitive, Professor Parker - Provides several lead-ins to the quantum theory including a brief review of Lagrange and Hamilton's approach to classical mechanics and the fundamental quantum link with Hilbert space Demonstrates the Schrodinger wave equation from the Feynman path integral Discusses standard topics such as the quantum well, harmonic oscillator, representations, perturbation theory, and spin Expands discussion from the density operator and its applications to quantum computing and teleportation Provides the concepts for ensembles and microstates in detail with emphasis on the derivation of particle population distributions across energy levels Professors Parker includes problems to help readers understand and internalize the material. But just as important, the working-through of these problems will help readers develop the sort of approach that, instead of wholly relying on models, enables them to extrapolate solutions guided by informed intuition developed over the course of formal study and laboratory experiment. It is the kind of conceptual thinking that will allow readers to move with deeper understanding from optical applications to more theoretical topics in physics.

《现代半导体物理与器件原理》内容提要：本书旨在为读者提供对半导体物理学基础及其在现代光电子器件应用中的核心原理的深入、全面的理解。本书的架构精心设计，从最基本的材料科学和量子力学背景入手，逐步深入到复杂的半导体能带结构、载流子输运机制，最终涵盖了各种关键光电子器件的工作原理、设计考量与性能优化策略。全书力求在理论深度与工程实践之间取得平衡，确保读者不仅掌握“是什么”，更能理解“为什么”以及“如何做”。第一部分：半导体基础与量子力学基石第一章：晶体结构与电子能带理论的引入本章首先回顾了固体物理学的基本概念，重点讨论了晶体结构、布拉格衍射以及倒易空间的概念。随后，我们将深入探讨电子在周期性晶格中的行为。通过薛定谔方程在周期势场下的应用，详细推导了布洛赫定理，这是理解半导体电子特性的理论基石。紧接着，本书详细阐述了晶体动量、有效质量的概念及其在描述载流子运动中的重要性。引入布里渊区，并解释了如何通过晶格对称性确定能带的拓扑结构，为后续能带结构的具体分析打下坚实基础。第二章：能带结构、费米能级与本征半导体本章聚焦于半导体特有的能带结构——价带（Valence Band, VB）和导带（Conduction Band, CB）的形成及其带隙（Bandgap）的物理意义。我们将计算不同晶体结构下能带结构的特点，区分直接带隙和间接带隙材料的重要性。随后，详细阐述了费米-狄拉克统计在半导体中的应用，推导了本征半导体中电子和空穴浓度的表达式，并精确定义了本征费米能级的位置。本章还讨论了温度对载流子浓度的影响，并引入了密度局域态（DOS）的概念，为计算光学吸收和发射过程提供必要的理论工具。第三章：掺杂半导体与载流子统计本章深入研究了通过掺杂调控半导体电学性质的技术。详细分析了N型和P型半导体的形成机制，包括杂质能级的位置、电离能以及其对费米能级移动的影响。对于简并（Degenerate）和非简并（Non-degenerate）半导体，我们分别推导了电子和空穴的浓度公式，并探讨了在不同温度下（从低温到高温）载流子浓度的变化趋势。此外，本章还讨论了杂质散射、声子散射（光学与非光学）以及载流子之间的库仑散射，这些散射机制是理解载流子输运特性的关键。第二部分：载流子输运与光电特性第四章：载流子输运动力学本章集中探讨载流子在电场和梯度下的宏观输运现象。从玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation, BTE）出发，我们推导了漂移速度、扩散系数以及迁移率（Mobility）的定义。详细分析了欧姆定律在半导体中的微观起源。本章特别关注了载流子的平均自由时间概念，并引入了弛豫时间近似（Relaxation Time Approximation, RTA）来求解BTE。此外，还分析了光生载流子的行为，包括复合机制（辐射复合与非辐射复合）及其在材料中的寿命。第五章：光与半导体的相互作用本章详细阐述了光子与半导体材料的相互作用过程，这是所有光电子器件工作的物理基础。首先，我们讨论了光吸收过程，区分了带内吸收（价带到导带跃迁）和带外吸收，并给出了吸收系数与光子能量的定量关系，强调了吸收边（Absorption Edge）的特性。随后，深入探讨了光致发光（Photoluminescence, PL）和电致发光（Electroluminescence）的机制，计算了光子产率。本章还讨论了光电导效应（Photoconductivity）和光伏效应（Photovoltaic Effect）的微观机制，为理解传感器和太阳能电池奠定基础。第六章：异质结的构建与能带匹配本章转向半导体异质结（Heterojunction）的物理学。详细介绍了不同材料界面上的能带弯曲、界面电荷的形成以及肖特基势垒（Schottky Barrier）的形成条件。重点分析了Anderson规则，用于预测不同晶格常数和禁带宽度材料组合下的能带失配和位错的产生。特别讨论了I型、II型和III型异质结的能带排列及其对载流子限制和输运的影响，这对于设计量子阱（Quantum Wells）和超晶格（Superlattices）至关重要。第三部分：光电器件的工作原理与优化第七章：PN结与二极管（Diode）本章是半导体器件物理的核心。详细分析了PN结的形成过程，包括内建电场、耗尽区宽度和势垒高度的计算。深入探讨了不同偏置条件下（零偏、正向偏置、反向偏置）的电流-电压（I-V）特性曲线的物理机制，包括扩散电流和漂移电流的贡献。重点分析了PN结在光照下的行为，即光电二极管（Photodiode）的工作原理，以及其响应速度和噪声特性的限制因素。第八章：激光二极管（Laser Diode）的物理机制本章专门讲解半导体激光器的工作原理。首先，详细阐述了受激辐射（Stimulated Emission）的概念，并推导出爱因斯坦的自发辐射和受激辐射系数关系。随后，阐述了实现激光作用的必要条件：粒子数反转（Population Inversion）和光学谐振腔的设计。详细分析了阈值电流密度（Threshold Current Density）的确定，并讨论了激光二极管的输出功率、线宽以及温度依赖性。本章还涵盖了量子阱激光器（QW Lasers）如何通过量子限制效应降低阈值电流。第九章：光电探测器与太阳能电池本章侧重于光电能量转换器件。对于光电探测器，本书分析了PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）的结构、工作模式、量子效率（Quantum Efficiency）以及噪声特性，重点关注它们在高速光通信中的应用。在太阳能电池部分，详细推导了理想光伏电池的开路电压 ($V_{oc}$)、短路电流 ($I_{sc}$) 和填充因子（Fill Factor）的计算公式。重点讨论了异质结太阳能电池和薄膜太阳能电池中界面质量对整体效率的影响，并分析了俄歇复合（Auger Recombination）在电池效率极限中的作用。第十章：先进器件概念与未来展望本章探讨了超越传统PN结器件的一些前沿概念和新兴技术。包括：LED的发光效率瓶颈与高亮度LED（如InGaN基LED）的设计思路；高速光调制器（如马赫-曾德尔调制器）的电光效应基础；以及隧道二极管和IMPATT二极管的工作原理。最后，展望了新型二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）在下一代光电器件设计中的潜力与面临的挑战。本书特点：严谨的推导过程：几乎所有关键公式均提供详细的数学推导，确保读者对物理过程的理解深入扎实。强调材料特性：明确区分了III-V族、II-VI族以及硅基材料在能带工程中的独特优势和局限性。工程应用导向：理论分析紧密结合实际器件的性能指标，如效率、带宽和可靠性。丰富的插图与实例：包含大量能带图、载流子分布图和器件I-V曲线图，辅助理解抽象概念。