半導體光電子學及應用

李培麗，博士，教授，南京郵電大學光電工程學院副院長，國內外權威學術期刊的審稿人，中國光學學會全息與光信息處理專委會委員。。在教學方面，先後為本科生主講"光電子學”"光電子器件”等課程，為研究生主講"光學工程前沿進展”"光網絡新技術及應用”等課程。作為光電信息科學與工程專業負責人，積極指導專業建設並進行教學改革。主持完成1項電子信息類專業教指委研究項目、1項江蘇省學位與研究生教育學會學位授予質量研究課題研究項目、1項江蘇省研究生教育教學研究與實踐課題1項和2項南京郵電大學校級教改項目；發表教學研究論文6篇。在科研方面，主要研究方向為全光網中的信號處理與光通信器件。先後主持國家自然科學基金項目2項，省部級科研項目3項，作為主要研究成員參與包括973、863計劃在內的項目多項。在國內外權威學術期刊和國際學術會議上發表論文70余篇，授權國家發明專利10項。

目 錄

第1章 半導體物理基礎 1
1.1　半導體中的電子狀態 1
1.1.1　半導體中的電子狀態和
能帶 1
1.1.2　半導體中電子的運動　
有效質量 5
1.1.3　本征半導體的導電機構　
空穴 7
1.1.4　常用半導體的能帶結構 7
1.1.5　半導體中雜質和缺陷
能級 13
1.2　半導體中載流子的統計分布 16
1.2.1　態密度 16
1.2.2　載流子的統計分布　
費米能級 17
1.2.3　半導體的載流子濃度 19
1.3　半導體的導電性 24
1.3.1　載流子的漂移運動　
遷移率 24
1.3.2　電導率 25
1.4　非平衡載流子 25
1.4.1　非平衡載流子的註入與
復合 25
1.4.2　非平衡載流子的壽命 26
1.4.3　準費米能級 27
1.4.4　載流子的擴散運動 28
1.4.5　載流子的漂移擴散　
愛因斯坦關系式 31
1.4.6　連續性方程式 32
1.5　pn結 33
1.5.1　pn結及其能帶圖 33
1.5.2　pn結電流電壓特性 37
1.6　異質結 42
1.6.1　異質結及其能帶圖 42
1.6.2　異質結對載流子的限制 46
習題1 46
參考文獻 47
第2章 半導體中光子與電子的相互作用 48
2.1　半導體中的躍遷過程 48
2.1.1　帶間躍遷 48
2.1.2　其他躍遷 50
2.1.3　三種與光有關的帶間
量子躍遷 50
2.1.4　躍遷幾率 51
2.2　光子密度分布與能量分布 52
2.3　躍遷速率　愛因斯坦系數的
關系 54
2.3.1　躍遷速率 54
2.3.2　愛因斯坦系數的關系 55
2.3.3　凈受激輻射速率 55
2.3.4　粒子數反轉條件 57
2.4　半導體中的光吸收 58
2.4.1　本征吸收 58
2.4.2　非本征吸收 61
2.5　半導體中的載流子復合 63
2.5.1　輻射復合 64
2.5.2　非輻射復合 66
習題2 71
參考文獻 71
第3章 半導體發光二極管 72
3.1　概述 72
3.2　半導體發光二極管的結構與
原理 73
3.2.1　同質結LED 73
3.2.2　異質結LED 80
3.3　半導體發光二極管的性能 82
3.3.1　LED的效率 82
3.3.2　LED的P-I特性 82
3.3.3　LED的光譜特性 83
3.3.4　LED的瞬態響應 83
3.3.5　LED的溫度特性 86
3.3.6　LED的可靠性及壽命 87
3.4　半導體發光二極管的材料和
設計 87
3.4.1　由輻射效率選擇LED
材料 87
3.4.2　由輻射波長選擇LED
材料 87
3.4.3　由異質結晶格匹配選擇
LED材料 88
3.4.4　襯底材料的選擇 89
3.4.5　由異質結光波導效應
選擇LED材料 89
3.4.6　LED的結構設計 89
3.5　先進結構半導體發光二極管 90
3.5.1　芯片變形 90
3.5.2　背部反射 91
3.5.3　表面粗化 91
3.5.4　圖案化襯底 92
3.5.5　芯片倒裝 93
3.6　半導體發光二極管的應用 94
3.6.1　在光通信中的應用 95
3.6.2　在顯示中的應用 97
3.6.3　在照明中的應用 98
3.7　提高LED光提取效率的設計案例
—圓頂封裝的倒裝AlGaN基深
紫外LED結構設計 99
習題3 104
參考文獻 104
第4章 半導體激光器工作原理及類型 105
4.1　概述 105
4.2　光子在半導體激光器光學諧振腔
內的振蕩 106
4.2.1　半導體激光器的基本結構
和原理 106
4.2.2　半導體激光器的增益 107
4.2.3　半導體激光器的閾值
條件 109
4.3　基於電子狀態調控的半導體
激光器類型 114
4.3.1　基於橫向限制的半導體
激光器 115
4.3.2　基於側向限制的半導體
激光器 118
4.4　基於光子狀態調控的半導體
激光器類型 122
4.4.1　F-P腔半導體激光器 122
4.4.2　DFB半導體激光器 123
4.4.3　VCSEL半導體激光器 128
4.5　低維半導體激光器 131
4.5.1　低維量子結構及其基本
理論和特點 131
4.5.2　應變效應 138
4.5.3　低維量子激光器 140
習題4 143
參考文獻 144
第5章 半導體激光器的性能及應用 146
5.1　半導體激光器的性能 146
5.1.1　半導體激光器的閾值
特性 146
5.1.2　半導體激光器的效率 150
5.1.3　半導體激光器的遠場
特性 151
5.1.4　半導體激光器的模式
特性 153
5.1.5　半導體激光器的光譜
特性 157
5.1.6　半導體激光器的瞬態
特性 159
5.1.7　半導體激光器的退化和
失效 167
5.2　半導體激光器的應用 169
5.2.1　在光纖通信領域中的
應用 169
5.2.2　在軍事領域中的應用 171
5.2.3　在工業領域中的應用 173
5.2.4　在醫學領域中的應用 174
5.3 低閾值單模近紅外量子點激光器的
研制案例—基於Ag2Se量子點的
自組裝激光器的研制 176
習題5 180
參考文獻 181
第6章 半導體光放大器 183
6.1　概述 183
6.2　半導體光放大器的基本原理 184
6.3　半導體光放大器的性能 186
6.3.1　半導體光放大器的增益
特性 186
6.3.2　半導體光放大器的非線性
效應 189
6.3.3　半導體光放大器的噪聲
特性 190
6.3.4　半導體光放大器的耦合
特性 191
6.4　先進的半導體光放大器 192
6.4.1　張應變體材料半導體光
放大器 192
6.4.2　量子阱半導體光放大器 193
6.4.3 量子點半導體光放大器 195
6.5　半導體光放大器的應用展望 198
6.5.1　在光纖通信傳輸中的
應用 198
6.5.2　在全光信號處理中的
應用 199
6.6　提高SOA耦合效率的設計案例
—束狀集成波導SOA與無源
測試結構的設計 202
習題6 207
參考文獻 207
第7章 半導體光電探測器 208
7.1　光電探測器的物理效應和分類 208
7.1.1　光電效應 209
7.1.2　光熱效應 211
7.1.3　光電探測器的分類 211
7.2　光電探測器的材料及性能參數 212
7.2.1　光電探測器材料的選擇 212
7.2.2　光電探測器的性能參數 213
7.3　PD光電二極管 218
7.3.1　PD光電二極管的結構及
工作原理 218
7.3.2　PD光電二極管的光
電流 219
7.3.3　PD光電二極管響應速度的
影響因素 222
7.4　PIN光電探測器 222
7.4.1　PIN光電探測器的結構及
工作原理 222
7.4.2　光電流的計算 223
7.4.3　PIN光電探測器的頻率
特性 224
7.4.4　PIN光電探測器的材料及
器件設計 228
7.5　雪崩光電探測器 228
7.5.1　半導體中的雪崩效應 228
7.5.2　APD的結構和工作原理 229
7.5.3　APD的倍增過程 230
7.5.3　APD的工作特性 234
7.5.4　新型APD 237
7.6　光電導探測器 239
7.6.1　光電導探測器的結構和
工作原理 239
7.6.2　光電導探測器的改進
結構 242
7.7　光電池 242
7.7.1　光電池的結構和工作
原理 242
7.7.2　光電池的基本性能 243
7.7.3　新型太陽能電池 247
7.8　半導體光電探測器的應用 251
7.8.1　在光纖通信中的應用 251
7.8.2　在激光雷達中的應用 252
7.8.3　在軍事中的應用 253
7.8.4　在自動化控制中的應用 255
7.8.5　在環境監測和報警中的
應用 256
7.8.6　在綠色能源領域的應用 258
7.9　高增益帶寬積矽鍺APD的設計案例
—基於L形SACM結構和阻抗
諧振的矽鍺APD 259
習題7 264
參考文獻 267