光电信息科学与工程类专业规划教材半导体光电子学(第3版)

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