Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:

作者:Koch, Stephan W.

出品人:

页数:469

译者:

出版时间:

价格:$ 108.48

装帧:

isbn号码:9789812838834

丛书系列:

图书标签:

半导体物理
量子理论
光学性质
电子性质
固态物理
材料科学
量子力学
能带理论
半导体材料
光学电子学

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具体描述

This invaluable textbook presents the basic elements needed to understand and research into semiconductor physics. It deals with elementary excitations in bulk and low-dimensional semiconductors, including quantum wells, quantum wires and quantum dots. The basic principles underlying optical nonlinearities are developed, including excitonic and many-body plasma effects. Fundamentals of optical bistability, semiconductor lasers, femtosecond excitation, the optical Stark effect, the semiconductor photon echo, magneto-optic effects, as well as bulk and quantum-confined FranzKeldysh effects, are covered. The material is presented in sufficient detail for graduate students and researchers with a general background in quantum mechanics. This fifth edition includes an additional chapter on 'Quantum Optical Effects' where the theory of quantum optical effects in semiconductors is detailed. Besides deriving the 'semiconductor luminescence equations' and the expression for the stationary luminescence spectrum, the results are presented to show the importance of Coulombic effects on the semiconductor luminescence and to elucidate the role of excitonic populations.

《半导体光学与电子特性量子理论》内容概要本书旨在为读者提供一个关于半导体材料中光与电子相互作用的量子力学基础的深入、全面的综述。本书的结构设计力求逻辑清晰，从基础的量子力学原理出发，逐步过渡到半导体特有的能带结构、光学吸收、辐射复合以及电子输运过程的精确描述。第一部分：基础与模型第一章：晶体周期性与电子波函数本章首先回顾了晶体周期性势场下的薛定谔方程及其精确解——布洛赫定理。我们将详细讨论布洛赫电子的能带结构形成机制，包括紧束缚近似（Tight-Binding Approximation）和近自由电子模型（Nearly Free Electron Model）在描述不同晶体结构下的电子行为中的应用与局限性。重点分析了由布里渊区结构决定的能带隙的物理意义，并引入了有效质量概念，解释其在描述半导体载流子运动中的重要性。第二章：半导体能带理论进阶深入探讨了更精确的能带计算方法，包括各种形式的赝势理论（Pseudopotential Theory），特别是Kohn-Sham密度泛函理论（DFT）在计算实际半导体材料（如硅、砷化镓）的基态性质和能带结构中的实际应用。本章将详述如何利用这些理论工具确定价带顶和导带底的位置，以及费米能级的确定，为后续的光电过程分析奠定坚实的理论基础。此外，对有效质量张量的各向异性讨论将为理解应变半导体中的载流子行为做铺垫。第二章：晶格振动与声子本章侧重于晶格的量子化描述——声子。从经典弹性理论出发，导向于晶格振动的量子化模型，即声子的概念。详细推导了声子色散关系（Dispersion Relations），区分了光学声子和声学声子。讨论了声子与电子的耦合作用，特别是散射机制，如德拜-华勒斯因子（Debye-Waller Factor）在衍射理论中的应用，以及声子在热导率和载流子弛豫时间中的核心作用。第二部分：光吸收与光谱学第三章：光与电子的耦合：吸收过程本章核心关注半导体对光的吸收机制。从半导体能带结构出发，推导了光吸收的微观理论基础——费希特定理（Fermi’s Golden Rule）。详细分析了直接跃迁（Direct Transitions）和间接跃迁（Indirect Transitions）的概率，并结合动量守恒的要求，确定了吸收系数随频率（或能量）的变化规律。对吸收边（Absorption Edge）的形状分析，包括Urbach尾的成因，将作为材料缺陷和无序性的敏感探针。第四章：激子效应与库仑相互作用在弱耦合极限下，电子-空穴对形成准粒子——激子（Excitons）。本章采用有效质量近似下的类氢模型来描述束缚激子（Bound Excitons）和自由激子（Free Excitons）的能级结构和吸收光谱特征。讨论了激子吸收峰的斯托克斯位移（Stokes Shift）及其在光电器件性能中的影响。此外，本章还将涵盖高密度载流子激发下的激发态动力学。第五章：光发射与辐射复合与吸收过程相对，本章聚焦于半导体中的光发射机制。详细分析了电子从导带复合到价带（或缺陷能级）的过程中光子的产生。重点讨论了辐射复合（Radiative Recombination）的速率方程，区分了直接带隙和间接带隙材料中的辐射效率差异。对不同温度下的复合速率依赖性进行了深入探讨，并介绍了光致发光（PL）光谱在材料表征中的实际应用。第三部分：电子输运与输运现象第六章：载流子的动力学与玻尔兹曼输运方程本章建立在晶格和电子相互作用的基础上，引入玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation, BTE）来描述半导体中载流子的非平衡态输运。详细阐述了如何利用弛豫时间近似（Relaxation Time Approximation）求解BTE，从而导出电导率、霍尔系数和扩散系数。重点分析了主要的散射机制——声子散射、杂质散射和载流子-载流子散射对迁移率的影响。第七章：光学效应与输运的耦合讨论光照对载流子输运的影响。分析光生载流子对材料电学性能的改变，特别是光电导（Photoconductivity）现象。对光伏效应（Photovoltaic Effect）和光电导增益（Photoconductive Gain）的机理进行详尽的理论剖析，为太阳能电池和光电探测器的设计提供理论支撑。第八章：量子输运与低维结构将理论扩展至更精细的量子尺度。简要介绍玻尔兹曼方程在高场和短时间尺度下的局限性。引入量子输运的概念，讨论弹道输运（Ballistic Transport）和量子限制效应。对低维半导体结构（如量子阱、量子线和量子点）中的电子态密度和光学跃迁的改变进行分析，解释其增强的光电性能的微观机制。总结本书通过严谨的量子力学框架，系统地覆盖了半导体材料从能带形成到光电响应的全部关键物理过程。内容不仅限于理论推导，更强调与现代实验观测和器件物理的紧密结合，适合高年级本科生、研究生以及从事半导体物理和光电子学研究的专业人员作为教材或参考书。