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内容简介

半导体光电子学是研究半导体中光子与电子相互作用、光能与电能相互转换的一门科学，涉及量子力学、固体物理、半导体物理等一些基础物理，也关联着半导体光电子材料及其相关器件，在信息和能源等领域有着广泛的应用。半导体光电子器件的性能改善无不是通过不断优化半导体材料和器件结构以增强电子与光子的相互作用、实现高效电能与光能相互转换的结果，其中异质结所形成的电子势垒和光波导的双重效应起到了关键作用。全书分十章，各章内容相互关联，形成当今半导体光电子学较为完整的、理论和实际应用相结合的系统。

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ISBN：9787121342561

开本：16开

页数：324

字数：518.0

本书目录

目    录
绪论	1
第1章  半导体中光子-电子的相互作用	4
1.1  半导体中量子跃迁的特点	4
1.2  直接带隙与间接带隙跃迁	5
1.2.1  概述	5
1.2.2  电子在能带之间的跃迁几率	7
1.2.3  电子在浅杂质能级和与其相对的能带之间的跃迁	11
1.2.4  重掺杂时的带-带跃迁	13
1.3  光子密度分布与能量分布	14
1.4  电子态密度与占据几率	16
1.5  跃迁速率与爱因斯坦关系	20
1.5.1  净的受激发射速率和半导体激光器粒子数反转条件	22
1.5.2  自发发射与受激发射速率之间的关系	24
1.5.3  净的受激发射速率与增益系数的关系	25
1.5.4  净的受激吸收速率与吸收系数	25
1.6  半导体中的载流子复合	26
1.6.1  自发辐射复合速率	27
1.6.2  俄歇（Auger）复合	31
1.7  增益系数与电流密度的关系	36
思考与习题	42
参考文献	43
第2章  异质结	44
2.1  异质结及其能带图	44
2.1.1  pN异型异质结	45
2.1.2  突变同型异质结	47
2.1.3  渐变异质结	48
2.2  异质结在半导体光电子学器件中的作用	49
2.2.1  在半导体激光器（LD）中的作用	49
2.2.2  异质结在发光二极管（LED）中的作用	50
2.2.3  异质结在光电二极管探测器中的应用	50
2.3  异质结中的晶格匹配	50
2.4  对注入激光器异质结材料的要求	55
2.4.1  从激射波长出发来选择半导体激光器的有源材料	56
2.4.2  从晶格匹配来考虑异质结激光器材料	58
2.4.3  由异质结的光波导效应来选择半导体激光器材料	58
2.4.4  衬底材料的考虑	63
2.5  异质结对载流子的限制	63
2.5.1  异质结势垒对电子和空穴的限制	63
2.5.2  由泄漏载流子引起的漏电流	66
2.5.3  载流子泄漏对半导体激光器的影响	69
思考与习题	70
参考文献	70
第3章  平板介质光波导理论	72
3.1  光波的电磁场理论	72
3.1.1  基本的电磁场理论	72
3.1.2  光学常数与电学常数之间的关系	73
3.2  光在平板介质波导中的传输特性	78
3.2.1  平板介质波导的波动光学分析方法	78
3.2.2  平板介质波导的射线分析法	84
3.3  矩形介质波导	91
思考与习题	95
参考文献	96
第4章  异质结半导体激光器	97
4.1  概述	97
4.2  光子在谐振腔内的振荡	98
4.3  在同质结基础上发展的异质结激光器	101
4.3.1  同质结激光器	101
4.3.2  单异质结半导体激光器	102
4.3.3  双异质结激光器	103
4.4  条形半导体激光器	105
4.4.1  条形半导体激光器的特点	105
4.4.2  条形激光器中的侧向电流扩展和侧向载流子扩散	106
4.5  条形激光器中的增益光波导	111
4.5.1  概述	111
4.5.2  增益波导的数学分析	112
4.5.3  增益波导激光器中的像散、K因子	117
4.5.4  侧向折射率分布对增益波导的影响	118
4.6  垂直腔表面发射激光器（VCSEL）	120
4.6.1  概述	120
4.6.2  VCSEL的结构	121
4.6.3  布拉格反射器	123
4.7  分布反馈（DFB）半导体激光器	126
4.7.1  概述	126
4.7.2  耦合波方程	127
4.7.3  耦合波方程的解	129
4.7.4  阈值增益和振荡模式	130
4.7.5  DFB激光器结构与模选择	132
思考与习题	134
参考文献	135
第5章  半导体激光器的性能	137
5.1  半导体激光器的阈值特性	137
5.1.1  半导体激光器结构对其阈值的影响	137
5.1.2  半导体激光器的几何尺寸对阈值电流密度的影响	138
5.1.3  温度对阈值电流的影响	141
5.2  半导体激光器的效率	142
5.3  半导体激光器的远场特性	145
5.3.1  垂直于结平面的发散角?⊥	146
5.3.2  平行于结平面方向上的发散角?//	148
5.3.3  波导结构对远场特性的影响	148
5.4  半导体激光器的模式特性	149
5.4.1  纵模谱[11]	150
5.4.2  影响纵模谱的因素	151
5.4.3  激光器的单纵模工作条件	153
5.4.4 “空间烧洞”效应对单模功率的限制	155
5.4.5  温度对模谱的影响	156
5.4.6  单纵模激光器	157
5.5  半导体激光器的光谱线宽	158
5.5.1  肖洛?汤斯（Schawlow-Townes）线宽?vsT	158
5.5.2  半导体激光器的线宽	159
5.5.3  与输出功率无关的线宽	161
5.5.4  增益饱和与线宽	161
5.6  半导体激光器的瞬态特性	162
5.6.1  瞬态响应的物理模型	162
5.6.2  速率方程	163
5.6.3  延迟时间td	164
5.6.4  对半导体激光器直接调制	165
5.6.5  张弛振荡	167
5.6.6  自持脉冲	170
5.7  半导体激光器的退化和失效	171
5.7.1  半导体激光器的工作方式	171
5.7.2  半导体激光器的退化	173
5.7.3  欧姆接触的退化	175
5.7.4  温度对半导体激光器退化的影响	175
思考与习题	175
参考文献	176
第6章  低维量子半导体材料	178
6.1  概述	178
6.2  量子阱的基本理论和特点	180
6.2.1  量子阱中的电子波函数和能量分布	180
6.2.2  量子阱中电子的态密度和增益	182
6.2.3  量子阱中的激子性质	184
6.2.4  应变量子阱	185
6.3  量子阱半导体激光器	187
6.3.1  概述	187
6.3.2  单量子阱（SQW）半导体激光器	188
6.3.3  多量子阱（MQW）半导体激光器	189
6.3.4  量子级联激光器	191
6.4  量子线与量子点	192
6.4.1  量子线和量子点基本理论	192
6.4.2  量子线和量子点制备方法	194
6.4.3  量子点的定位生长	195
6.4.4  硅基异质外延的量子点及激光器	196
思考与习题	199
参考文献	199
第7章  半导体光放大器（SOA）	202
7.1  概述	202
7.2  半导体光放大器的性能要求	204
7.2.1  半导体光放大器的增益特性	205
7.2.2  半导体光放大器的噪声特性	210
7.2.3  半导体光放大器的耦合特性[7]	211
7.3  半导体光放大器应用展望	212
7.3.1  半导体光放大器在光纤通信传输网上的应用	213
7.3.2  半导体光放大器在全光信号处理中的应用	214
思考与习题	217
参考文献	218
第8章  可见光半导体光发射材料和器件	219
8.1  概述	219
8.2  红光半导体光发射材料和器件	222
8.2.1  红光半导体材料	222
8.2.2  红光半导体激光器	224
8.2.3  红光发光二极管	226
8.3  蓝/绿光半导体光发射材料和器件	228
8.3.1  概述	228
8.3.2  Ⅲ-N化合物半导体光发射材料	229
8.3.3  蓝/绿光半导体光发射器件	232
思考与习题	233
参考文献	234
第9章  半导体中的光吸收和光探测器	236
9.1  本征吸收	236
9.1.1  直接带隙跃迁引起的光吸收	237
9.1.2  间接带隙跃迁引起的光吸收	239
9.2  半导体中的其他光吸收	243
9.2.1  激子吸收	243
9.2.2  自由载流子吸收	247
9.2.3  杂质吸收	249
9.3  半导体光电探测器的材料和性能参数	250
9.3.1  常用的半导体光电探测器材料	250
9.3.2  半导体光电探测器的性能参数	250
9.4  无内部倍增的半导体光探测器	253
9.4.1  光电二极管	253
9.4.2  PlN光探测器	254
9.4.3  光电导探测器	256
9.5  半导体雪崩光电二极管（APD）	257
9.5.1  APD的原理与结构	257
9.5.2  APD的噪声特性	261
9.5.3  APD的倍增率（或倍增因子）	263
9.5.4  APD的响应速度	263
9.5.5  低电压工作的APD	264
9.6  量子阱光探测器	265
9.6.1  量子阱雪崩倍增二极管	265
9.6.2  基于量子阱子能级跃迁的中/远红外探测器	266
9.6.3  基于量子限制斯塔克效应的电吸收调制器	267
思考与习题	270
参考文献	271
第10章  半导体光电子器件集成	273
10.1  概述	273
10.1.1  集成电路的启示	273
10.1.2  由电子与光子所具有的并行性和互补性应为PIC或OEIC出现的逻辑推理	273
10.1.3  PIC和OEIC的发展	274
10.1.4  需求对光子集成或光电子集成的强力拉动	275
10.2  制约光子集成和光电子集成发展的某些因素	276
10.2.1  制约光子集成或光电子集成发展的因素	276
10.2.2  发展光子集成或光电子集成的某些启示	277
10.3  几种常用的光子集成手段	280
10.3.1  对接再生长	280
10.3.2  选区外延生长	281
10.3.3  量子阱混合	281
10.3.4  键合	282
10.3.5  双波导集成	282
10.4  某些推动光子集成发展的潜在科学技术	283
10.4.1  微环谐振腔	283
10.4.2  光子晶体	286
10.4.3  表面等离子体激元（SPP）	289
10.4.4  超材料、超表面及其在光电集成中的应用	295
思考与习题	301
参考文献	302
附录A  薛定谔方程与一维方势阱	306
附录B  半导体的电子能带结构	310

展开

前言

前    言
《半导体光电子学》第2版自2013年元月问世至今又历时了5年。在历史长河中，5年时光只是弹指一挥间。然而，这短短的5年中，人们都能感受到我国正走向富强、人民正奔向小康。其间最令人感受深刻的莫过于我国一跃进入信息社会，尽情享受由信息带来的财富和高生活质量。可能许多人并未关注我国的超级计算机在国际评比中屡登榜首，但都能感受到凭借一个小小的手机能知天下事，能与国内乃至世界各地的亲朋好友随时视频通信，足不出户即可购物和支付等科技的变革。不少人可能只知道巨型计算机的运算速度只取决于集成电路芯片，却并不知晓计算机中日益增多的光互连、并行光信息处理对信息容量所做出的贡献。也可能不少人只知道手机通信如此便捷得益于无线通信（常称的Wi-Fi)，却不去深究如果没有光纤/光缆进入千家万户、没有跨海跨洋的大容量光缆连接到世界各地，并由此构建的光通信网络大平台，则无线通信将只能实现短距离且难以畅通的信息交流。这就是因为包括无线网在内的各种互联网+业务都将汇集到光通信网络这个大平台上进行信息的快速（光速）传输与交换之故，各种互联网只是光网络的接入网而已。基于这一认识，就不难理解由光纤/光缆作为信息传输介质所编织的光网络中，有无数体积很小但高效率工作的半导体激光器发出作为信息载体的激光，有无数接收信息的半导体光探测器。正是它们长年累月的默默奉献才有今天的光网络大平台。
为了促进我国半导体光电子材料和器件的发展以及培养这一领域专业人才的需要，早在1985年原我国电子工业部教材编审委员会征集相关教材选题时，本人所提出的《半导体光电子学》选题被认可后并在全国招标，1988年本人所提交的书稿又被该教材编审委员会选中，并于1989年由指定的电子科技大学出版社出版。为适应半导体光电子学的快速发展，本书的第2版于2013年元月由电子工业出版社出版发行。承蒙一些重点高校相关专业任课教师的器重，本书被用作相关专业大学本科教材、高校或相关研究所硕士研究生的选修课程以及博士研究生入学考试的参考书。时隔5年虽经3次印刷，但仍能发现书中存在一些错误和不足。为此，2017年初经与电子工业出版社竺南直博士（本书责任编辑）商定，将对本书内容做进一步精炼，结合其本身的发展需要增加一些新的内容，并于2018年初出版本书的第3版。
为了确保此版有更充实的内容，本书原作者特邀请华中科技大学黄黎蓉教授和洪伟副教授共同参与本书第3版的相关工作。她们二位早年跟随我完成博士学位后又与我共同从事科研与教学，她们均有较高的学术造诣和认真的治学态度，因而期待此版有更好的质量与读者见面。
第3版沿用第2版的章节结构应是合理的。这基于几个方面：① 综观半导体光电子学的发展，无不是通过加强半导体光电子材料中电子与光子的相互作用、增强二者之间能量转换效率，以获得各种半导体光电子器件所需的性能的。这是贯穿全书的主线。②本书章节较多涉及了最能体现上述特点的半导体光发射器件。这是因为相比之下光吸收材料和相关器件要单纯许多。例如，用作光发射器件的半导体材料要求是直接带隙的，而且根据发射波长，对半导体材料的组成元素和比例（即组分比）都有严格要求，对有源层和限制层之间有很好的晶格匹配要求；而作为半导体光探测器的半导体除了选用量子跃迁效率高的直接带隙材料外，间接带隙半导体也能产生较强的光吸收。③ 将以量子阱为代表的低维量子材料置于全书中心位置的第6章，体现其核心地位，也体现了半导体光电子材料的发展和认识规律，具有承前启后的作用。只有认识到体材料中具有3个自由度的电子受限能力不足而不利于其与光子相互作用的增强，才能理解减少电子自由度的重要性，也才有后来半导体光电子器件性能的提升。
本书第1章是全书的理论基础，半导体光电子器件的功能是电子在半导体能带之间跃迁的结果。跃迁速率的大小反映电子与光子相互作用的强弱，是量子力学、半导体物理等近代物理向光电子领域的延伸。第2章的异质结是两种不同带隙的半导体所形成的晶体界面和载流子势垒，同时利用异质结两边的折射率差又可成为光子全反射界面，从而成为第3章光波导的基础。异质结的这种双重作用是第4章体材料半导体激光器的基本结构要件，也是其后发展各种高性能半导体光电子材料和器件的基础。异质结之间的距离必须从对载流子限制和对光子限制的光波导效应各自优化的基础上做综合考虑，以求得到第5章所列器件的最佳性能，例如，激光器的阈值电流、输出光的模式、线宽、调制等特性。
本书第3版对前一版仍存在的少数印刷失误和内容叙述不妥之处做了修改；结合半导体光电子学的最新进展对某些章节内容做了较多补充；进一步加强了全书各章节内容之间的关联和前后呼应，以求更加系统和连贯。尽管如此，限于作者水平，仍会有一些不尽人意之处，恳请读者不吝批评指正。
本书仅是作者以光信息传输中所用光源和探测、光信息存储和处理所需的半导体光电子器件为应用背景，对半导体光电子材料中电子与光子相互作用的基本理论、器件结构和性能要求等方面的粗浅认识基础上编写的，远非半导体光电子学丰富内涵的全部。在第10章所提的正待发展的半导体光电子学的几个方面以及绪论中所提的有待进一步探索的几个问题也只是受限于作者认识水平所为。但愿本书能为致力于进一步发展半导体光电子学、进一步提高半导体光电子器件性能和拓展其应用的同仁提供一点创新动力。
最后对长期关心、支持和使用本书的朋友们致以衷心的谢意。

黄德修           
2018年2月于华中科技大学

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