半导体光电子学

目录

第1章 绪论 1

1.1 半导体器件及半导体IC 产业的发展历史 1

1.1.1 半导体器件早期发展 1

1.1.2 半导体IC 产业发展 2

1.1.3 摩尔定律和后摩尔时代 3

1.2 半导体材料的基本性质 4

1.2.1 半导体的结构特征 4

1.2.2 半导体的能带结构 7

1.2.3 半导体基本光学特性 10

1.3 半导体的光电应用简介 12

1.3.1 半导体发光器件原理简介 13

1.3.2 载流子跃迁发射光谱介绍 14

1.3.3 半导体发光激发过程 16

1.3.4 半导体LED 器件发展及机理概述 17

课后习题 18

参考文献 18

第2章 半导体光电子器件中的异质结与横模 20

2.1 半导体光电子器件的基本结构 20

2.1.1 PN 结 20

2.1.2 异质结 29

2.2 半导体光电子器件中的模式 41

2.2.1 横模及其物理意义 42

2.2.2 TE、TM 模及其物理意义 44

2.3 器件的远场与相差 46

2.3.1 器件的远场 46

2.3.2 器件的相差 49

课后习题 53

参考文献 53

第3章 载流子注入与速率方程 55

3.1 载流子的物理概念及其注入过程 55

3.1.1 半导体的能级与能带 55

3.1.2 半导体中的能态密度 57

3.1.3 半导体中的杂质与缺陷 58

3.1.4 半导体平衡载流子分布 59

3.1.5 半导体中载流子的注入 61

3.2 载流子的辐射与非辐射复合过程 62

3.2.1 载流子的辐射复合过程 63

3.2.2 载流子的非辐射复合过程 64

3.2.3 俄歇复合过程 67

3.2.4 表面复合 69

3.3 能带收缩与能带填充效应 69

3.3.1 能带收缩效应 70

3.3.2 能带填充效应 71

3.4 LED 载流子速率方程与发光效率 74

3.4.1 LED 发光原理 74

3.4.2 LED 载流子速率方程 76

3.4.3 LED 发光效率 78

课后习题 82

参考文献 82

第4章 半导体激光器 84

4.1 半导体激光器的速率方程推导 84

4.1.1 激光振荡增益 84

4.1.2 场速率方程 85

4.1.3 线宽增强因子 86

4.1.4 激光速率方程 88

4.2 FP 激光器阈值条件与纵模特性 90

4.2.1 FP 激光器结构及工作原理 90

4.2.2 FP 激光器阈值条件 91

4.2.3 FP 激光器纵模特征 93

4.3 半导体激光器阈值与效率 93

4.3.1 半导体激光器阈值特性 94

4.3.2 半导体激光器效率 96

4.4 半导体激光器的温度特性 97

4.5 半导体激光器的增益特性 99

课后习题 104

参考文献 104

第5章 动态单模与高速调制 106

5.1 发光二极管直接调制 106

5.2 半导体激光器直接调制 108

5.2.1 半导体激光器的瞬态特性 108

5.2.2 半导体激光器的动态分析 109

5.2.3 半导体激光器的模式稳定性问题 110

5.3 DFB 和DBR 激光器 112

5.3.1 耦合波方程 112

5.3.2 ？/4 相移的折射率耦合DFB 113

5.3.3 增益耦合DFB 114

5.3.4 DBR 激光器 114

5.3.5 工作特性 115

5.4 半导体激光器的强度噪声和线宽 116

5.4.1 肖洛-汤斯线宽 116

5.4.2 频率噪声 117

5.4.3 Langevin 噪声源 118

5.4.4 RIN 和谱密度函数 118

5.5 半导体激光器的啁啾 119

课后习题 119

参考文献 119

第6章 半导体光电探测器 121

6.1 基本结构与原理 121

6.1.1 探测器的响应度和带宽 126

6.1.2 探测器的噪声 128

6.2 快速光电二极管 134

6.3 雪崩光电二极管 134

6.3.1 雪崩光电二极管的基本结构和原理 135

6.3.2 雪崩光电二极管制备材料的选择 136

6.3.3 雪崩光电二极管的芯片结构 137

6.4 极弱光信号探测 139

6.4.1 基本型光子计数系统 139

6.4.2 辐射源补偿型光子计数系统 141

6.4.3 背景补偿型光子计数系统 142

6.5 微波光子探测器 144

6.5.1 外光电探测器 144

6.5.2 光电导探测器 144

6.5.3 光生伏特探测器 144

6.5.4 光磁电探测器 145

课后习题 145

参考文献 145

第7章 太阳能光热与光伏 146

7.1 太阳能光热吸收薄膜 146

7.1.1 太阳能光热吸收薄膜的发展历程 146

7.1.2 太阳能光热吸收薄膜的工作原理 147

7.1.3 太阳能光热吸收薄膜的分类 149

7.1.4 太阳能光热吸收薄膜的制备 150

7.2 太阳能真空集热管 152

7.3 太阳能电池基本原理 153

7.3.1 光生伏特效应 153

7.3.2 太阳能电池的电流-电压特性 154

7.3.3 太阳能电池的性能表征 155

7.4 太阳能电池的分类与特色 156

7.4.1 硅基太阳能电池 157

7.4.2 薄膜太阳能电池 158

7.4.3 新型太阳能电池 162

课后习题 173

参考文献 173

第8章 光子集成 174

8.1 光子集成的意义与瓶颈问题 174

8.1.1 光子集成的出现 174

8.1.2 光子集成的分类、意义与应用 175

8.1.3 光子集成的瓶颈问题 178

8.1.4 光子集成发展的启示：InP 还是Si 180

8.2 半导体光调制器 182

8.2.1 电吸收调制器的基本原理与工作特性 182

8.2.2 M-Z 调制器的基本原理与工作特性 188

8.3 半导体集成光源 192

8.3.1 对接生长技术 192

8.3.2 选区生长技术 193

8.3.3 量子阱混合技术 193

8.3.4 非对称双波导技术 194

课后习