半导体光电子学(绪论)
半导体光电子技术第一章
能带
布洛赫定理
v) =e ikv .rvuk (r ) v k (r
薛定谔方程（波动方程）
2 V [h 2 + (r )](r ) =E (r )(r ) 2m
(1)
而uk (k)必须同时具有晶体周期性
v v
求导后有
2
v
h (1+ ) 2 +V (r )]uk (r ) =E (r )uk (r ) (2) [ k 2m i
在纯净的半导体中掺入杂质，杂质电离 后，导带中的导电电子增多，增强了半导体的 导电能力。通常把主要依靠导带电子导电的半 导体称为电子型或n型半导体。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在n型半导体中： 电子浓度n>>空穴浓度p
电子是多数载流子，简称多子; 空穴是少数载流子，简称少子。
受主杂质、受主能级
下面讨论硅中掺硼(B)的情况：
当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层 之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳 层交叠较少。 原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局 限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去， 因而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共 有化运动。
电子只能在相似壳层间转移； 最外层电子的共有化运动最显著；
当价带顶部的一些电子被激发到导带后，价带中就留 下了一些空状态。相当于在下图中的共价键上缺少一个 电子而出现一个空位。在晶格间隙出现一个导电电子。 根据电中性的要求，可以认为这个空状态带有正电荷。
因为价带带有空状态后，就会 有电流，而价带电子的总电 流，就如同一个带正电荷的粒 子运动时所产生的电流。因 此，通常把价带中空着的状态 看成是带正电的粒子，称为空 穴。引入这样一个假想的粒子--- 空穴后，便可以把价带中大 量电子对电流的贡献用少量空 穴表达出来。
电子行业半导体光电子学
电子行业半导体光电子学引言电子行业是当今社会中一个重要的产业，而半导体光电子学则是电子行业中的一个重要分支。
本文将介绍半导体光电子学的基本概念、应用领域以及未来发展趋势。
什么是半导体光电子学？半导体光电子学是研究光子与半导体材料相互作用的科学学科。
光子是光的基本单位，而半导体是一种特殊的材料，具有在一定条件下既能导电又能隔电的特性。
半导体光电子学研究的是光与半导体材料之间的相互转换关系，从而实现光的控制和检测。
半导体光电子学的应用领域半导体光电子学在电子行业中有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：光通信光通信是一种基于光的信息传输技术。
通过半导体光电子学技术，可以实现光的发射、接收和调制，从而实现高速和高带宽的网络传输。
目前，光纤通信被广泛应用于电话、互联网和电视等领域，半导体光电子学技术的发展使得光通信变得更加快速和可靠。
光储存光储存是一种利用光来存储和读取信息的技术。
半导体光电子学技术可以实现将光转化为电信号和能量，从而实现信息的存储和检索。
光存储器的容量大、读写速度快，因此在计算机领域中有重要的应用。
光电传感器光电传感器是一种利用光电二极管等光电转换元件来检测和测量光信号的传感器。
通过半导体光电子学技术，可以将光信号转化为电信号，从而实现光的探测和测量。
光电传感器在工业自动化、医疗设备和环境监测等领域有广泛的应用。
激光器激光器是一种利用半导体材料产生激光的设备。
激光器的产生是建立在半导体光电子学原理上的，通过半导体中的电荷载流子重新组合来产生光子，从而产生激光。
激光器被广泛应用于科学研究、医疗、通信和制造等领域。
半导体光电子学的未来发展趋势随着科技的不断进步和需求的增加，半导体光电子学在未来有许多发展趋势。
高速、大容量的光通信随着互联网的快速发展，对于高速和大容量的网络传输需求越来越大。
半导体光电子学技术在实现高速、大容量光通信方面具有重要作用。
未来的发展趋势是将光通信技术应用于更广泛的领域，并提高传输速度和容量。
半导体光电子器件讲解ppt
按制造工艺分
半导体光电子器件的结构
常见的半导体光电子器件结构包括：衬底、活性层、电极等。
衬底通常选用半导体材料，如硅、锗、三五族化合物等。
活性层是光电子器件的核心部分，用于实现光吸收、载流子产生、光电器件的作用。
电极的作用是收集和导出活性层产生的载流子。
半导体光电子器件的工作原理是当加电压时，即势垒降低，有大量电子从N区注入到P区，形成一定的电流，当没有光照时，只有热平衡反向电流，当有光照时，会形成附加的光生电流，从而实现了光电转换。
半导体光电子器件的工作原理
04
半导体光电子器件的性能参数
03
迁移率
指半导体材料中载流子的平均漂移速度，反映了半导体材料导电性能的好坏。
半导体光电子器件的电学参数
01
载流子浓度
指半导体材料中自由电子和空穴的浓度，可以反映半导体材料的导电性能。
02
电阻率
指半导体材料电阻的大小，通常与材料的载流子浓度和迁移率有关。
xx年xx月xx日
半导体光电子器件讲解ppt
CATALOGUE
目录
引言半导体光电子器件的基本原理半导体光电子器件的种类与结构半导体光电子器件的性能参数半导体光电子器件的生产与制造半导体光电子器件的应用案例
0器件简介
2
3
半导体光电子器件是利用半导体材料和器件实现光-电信号转换的器件。
半导体材料通常包括硅、锗、砷化镓、磷化铟等。
半导体光电子器件具有体积小、重量轻、稳定性好、寿命长等特点。
半导体光电子器件的历史发展
半导体光电子器件的起源可以追溯到20世纪60年代。
20世纪80年代，随着光纤通信技术的发展，半导体光电子器件在光纤通信领域得到广泛应用。
《半导体光电子学课件》绪论
04
半导体光电子学的技术挑 战
材料制备与表征技术
材料纯度与缺陷控制
为了获得高性能的光电子器件，需要制备高纯度、低缺陷的材料。
晶体生长技术
晶体生长是光电子器件制造的基础，需要发展先进的晶体生长技术， 以获得大尺寸、高质量的晶体。
材料表征技术
对材料的物理、化学和光学性质进行准确测量和表征，是评估材料 质量和性能的关键。
《半导体光电子学课 件》绪论
目录
• 半导体光电子学的定义与重要性 • 半导体光电子学的发展历程 • 半导体光电子学的核心概念
目录
• 半导体光电子学的技术挑战 • 半导体光电子学的未来展望
01
半导体光电子学的定学是一门研究半导体中光与物质相互作用的科学，主要涉及光子在半 导体材料中的产生、传播和吸收等过程。
光电器件的工作原理
1
光电器件是指利用光子与电子相互作用原理制成 的器件，其工作原理主要基于半导体的光电效应。
2
光电器件可以分为光电导器件、光生伏特器件和 光电发射器件等类型，它们分别利用不同机制实 现光能与电能的转换。
3
光电器件的性能参数包括光谱响应范围、响应速 度、量子效率等，这些参数决定了器件在不同领 域的应用价值。
半导体光电子学的交叉学科研究
物理与化学
将物理和化学的理论与技术应用于半导体光电子学的研究，以深入理解光电子现 象的本质和规律。
生物与医学
将生物和医学的理论与技术应用于半导体光电子学的研究，以开发新型的光电子 生物传感器和医疗设备。
THANKS
感谢观看
新器件
研究新型光电器件，如光子晶体器件 、表面等离子体激元器件等，以实现 更高效、更紧凑的光电子器件。
光电器件的高效化与小型化
半导体光电子学第1章半导体中光子电子的
GaAs就是一种直接带隙半导体材料。它的晶体结构如图。
它属于闪锌矿结构。它与金刚石有相似的结构，每一个晶格点阵 上的原子与4个相邻的原子键合。它们的区别在于：在金刚石结构 中，每一个晶格点阵上的原子是相同的；而在闪锌矿结构中，每 一个晶格点阵上的原子与相邻的键合原子不同。
跃迁的选择定则：不管是竖直跃迁还是非竖直 跃迁，也无论是吸收光子还是发射光子，量子 系统总的动量和能量必须守恒。
给定电子跃迁的初始态能量和动量及终态能量 和动量，当跃迁只涉及一个光子时，选择定则 可表示为：
Ei E f hv 0
(ki k f k p ) 0
第十六页，编辑于星期六：十九点 十分。
前言：半导体物理基础 1.1 半导体中量子跃迁的特点 1.2 直接带隙与间接带隙跃迁 1.3 光子密度分布 1.4 电子态密度与占据几率
1.5 跃迁速率与爱因斯坦关系 1.6 半导体中的载流子复合
1.7 增益系数与电流密度的关系
小结
第六页，编辑于星期六：十九点 十分。
前言：半导体物理基础
半导体光电子技术的发展及应用
半导体光电子学： 是研究半导体中光子-电子相互作用，光
能与电能相互转换的一门学科。
第一页，编辑于星期六：十九点 十分。
半导体光电子技术的发展及应用
发展： 半导体光电子学的产生可以追述到19世纪，那个时候人 们就发现了半导体中的光吸收和光电导现象。上个世纪 60年代得到飞速发展，这主要归因于半导体激光器（LD） 的出现。1962年第一台半导体激光器诞生，是由美国GE 公司的霍尔(Hall)研制成的。这一时期的半导体激光器的 特点是：同质结材料，激光器的阈值电流密度特别高，只 能在液氮温度（77k）或更低的温度下状态脉冲工作，没 有任何实用价值。1969年美国研制出SHLD(Single Heterojunction Laser Diode),1970年前苏联研制出 DHLD(Double Heterojunction Laser Diode)。双异 质结激光器电流密度大大降低，实现了室温下连续工作， 就在同一时间低损耗光纤研制成功。
《半导体光电子》课件
概述
光电子学在现代科学和技术中起着重要作用。通过本节课，您将了解光电子 学的基本概念，并探索半导体光电子的发展历程。
半导体光电子材料
硅
作为最常见的半导体材料之一，硅在光电子学中有 广泛的应用。
未来发展方向
如半导体材料的性能优化、新材料的探索和创新器件 的设计。
总结
1 半导体光电子的重要性
2 未来发展前景
在通信、能源和医学等领域发挥着关键的作用。
随着技术的不断进步，半导体光电子将在更多领 域创造出更多可能性。
锗
在红外和太阳能电池等领域有重要应用。
氮化镓
具有优异的光电性能，常用于高能效LED和激光器。
硒化铟
用于红外探测器和太阳能电池。
半导体光电子器件
1
光电晶体管
2
具有放大光信号的功能，用于光通信和传感
器。
3
光电二极管
将光能转化为电能，广泛应用于通信和探测 领域。
光电子鼓
将光信号转化为电信号，并能放大信号，用 于图像传输和光通信。
半导体光电子应用
光纤通信
通过光信号传输数据，具有高速和大容量的优势。
激光器
能产生高强度、高单色性和准直性的激光光束，广泛 应用于医学、制造和科研领域。
光学成像
使用光学设备进行图像捕捉和处理，应用于医学成像、
太阳能电池
通过半导体光电子材料将阳光转化为可再生的电能。
半导体材料的研究和发展
研究方法
包括实验室合成、材料表征和器件测试等多个研究步 骤。
半导体器件 绪论
Source Gate
Gate Source Drain
Drain
Gate Oxide
Sapphire Substrate
Appenzeller, et al., PRL, 93, 19, 2019
Liu, et al., Nano Letters, 6, 34, 2019
2019/9/13
半导体器件物理
S
D
SiO2
Si back gate
High-quality nanotubes can be grown at specific positions
2.6 nm in diameter
1 mm
1.0 nm in diameter
1 mm
2019/9/13
IDS(nA)
-60 -50 -40 -30 -20 -10
Si Substrate
5 nm
Tri-Gate
Nanowire
5 nm
S DS
G
III-V Carbon Nanotube
FET
Future options subject to research & change
半导体器件物理
24
中国科学技术大学物理系微电子专业
2019/9/13
半导体器件物理
0 0.0 -0.2
半导体器件物理
-0.4 -0.6 VDS(V)
Vg: -4 V 0V
2V 6V
-0.8 -1.0 33
中国科学技术大学物理系微电子专业 Toward Integrated Nanotube Systems
N-type Field Effect Transistor
《半导体光电子学》课件
探测器性能测试
演示光电探测器的响应度、速度和线性范围 等测试方法。
实验四：光子集成回路的制备与性能测试
总结词
掌握光子集成回路的基本原理、制备工艺和性能测试方法
光子集成回路基本原理
介绍光子晶体、光波导和光子器件等基本概念。
光子集成回路制备工艺
介绍微纳加工、耦合和封装等关键工艺流程。
回路性能测试
演示光子集成回路的传输损耗、器件特性和系统性能等测试方法。
发展历程与现状
发展历程
从20世纪初的初步研究到现在的广 泛应用，经历了基础研究、技术突破 和应用拓展等阶段。
现状
随着光电子器件的快速发展，半导体 光电子学在通信、能源、医疗等领域 发挥着越来越重要的作用。
半导体光电子学的应用领域
通信领域
利用半导体光电子器件实现高 速、大容量的信息传输，如光 纤通信系统中的激光器、调制
太阳能电池
提高太阳能电池的光电转换效率和稳 定性，降低成本，推动其在可再生能 源领域的应用。
光子集成回路的研究
光子晶体
研究新型光子晶体结构和材料，实现光 子器件的小型化、集技术，制作高性能的光子器 件，推动光子集成回路的发展。
半导体光电子学的未来展望
新材料、新结构的研究
导带是电子填充的能级， 价带是空穴填充的能级， 禁带是导带和价带之间的 能量间隙。
不同类型和性质的半导体 具有不同的能带结构。
半导体的光学性质
半导体的光学性质与材料的能带结构和光学常 数有关。
光电效应是太阳能电池等光电器件工作的基础。
半导体对光的吸收、反射、折射和散射等行为 具有特定的规律。
半导体的光电效应是指光子照射在半导体表面时 ，半导体吸收光子能量并产生电子-空穴对的现 象。
半导体光电子学第二章第四章
x1 φ1
EC1
ΔEC
Eg1
F1
EV1
ΔEV
p
x2 φ2
真空能级
EC2 F2
Eg2
EV2
N
EC1
F1 EV1
δ1
x1 φ1
p
VDP Eg1
ΔEC
VDP ΔEV
N VD 真空能级
x2 φ2 VDN
EC2
δ2
F2
Eg2 VDN
EV2
-Xp 0 XN
δ1=Ev1-F1，δ2=Ec2-F2 ΔEc=χ1-χ2=Δχ（2.1-1） ΔEv=Ev2-Ev1 =（Eg2+χ2）-（Eg1+χ1）=ΔEg-Δχ =ΔEg-ΔEc
界面复合速度：
s nvthNISdE
S 8vthn (a)
a02 a0
a1 a2 2
a0
aa1a2
a
晶格失配率
( )100% a0
双异质结激光器中若两个异质结之间的距离为d， 当体内复合与界面态复合并存时，则注入载流子的有 效复合寿命可表示为
1 1 2s 1
eff r d nr
内量子效率
一般认为，构成异质结的两种不同半导体之间严格的晶格 常数匹配是获取性能良好的异质结的重要条件，否则在异 质结表面就会产生所谓的悬挂键。
悬挂键：
晶格在表面
的最外层的 每个硅原子
Si Si Si Si Si
将有一个未 配对的电子
Si Si Si Si Si
即有一个未
饱和键，如 图，这个键
Si Si Si Si Si
ND2 NA1
V DV D pV DN V D(p 12 1N N D A 1 2)
《半导体光电子学课件》2.2手推版
可靠性测试
通过加强可靠性测试和寿命评估， 确保光电子器件在实际应用中的
稳定性和可靠性。
降低光电子器件的成本与能耗
01
02
03
成本控制
通过优化制造工艺和降低 材料成本，实现光电子器 件的低成本化生产。
能耗降低
通过优化电路设计和采用 低功耗技术，降低光电子 器件的能耗，提高能源利 用效率。
详细描述
PD由一个光敏表面和一个电极组成，当光照射到光敏表面时，光子与表面原子相互作用产生电子-空穴对，形成 光生电流。PD在探测、测量、通信等领域有广泛应用。
其他光电子器件
总结词
除了LED、LD和PD外，还有许多 其他类型的光电子器件，如光电 晶体管、光电倍增管等。
详细描述
这些器件在功能和应用上有所不 同，但基本原理相似，都是利用 光与半导体的相互作用实现光能 与电能的转换。
信息通信
光电子器件在光纤通信、网络设 备和数据中心等领域具有广泛应 用，如光调制器、光放大器、光
探测器等。
能源与环境
光电子器件在太阳能光伏发电、激 光雷达和环境监测等领域也有重要 应用，如太阳能电池、激光器等。
医疗与生物技术
光电子器件在医疗诊断和治疗、生 物检测和成像等领域具有广泛的应 用前景，如光学显微镜、光谱仪等。
感谢观看
半导体的能带结构
总结词
半导体的能带结构由价带、导带和禁带组成，其能带结构决定了半导体的导电特性和光 学特性。
详细描述
价带是半导体内电子占据的能量范围，导带是电子未被占据的能量范围，禁带宽度则是 指价带顶到导带底的能量间隔。半导体的导电能力取决于禁带宽度的大小，禁带宽度越 大，电子跃迁到导带所需的能量越高，电阻率越大。同时，半导体的光学特性也与其能
半导体光电子学
半导体光电子学是半导体物理学和光学的交叉学科。
它是光通讯、光电器件、量子计算等领域的基础。
本文将从半导体物理学和光学两个方面，深入探讨的相关知识。
一、半导体物理学与半导体物理学是发展的重要基础。
半导体物理学是研究半导体中的电子、空穴、杂质、晶格振动等物理现象的学科。
半导体物理学在分析半导体材料的电学和光学性质时，提供了理论模型。
半导体物理学主要研究以下四个方面：载流子（电子、空穴）、杂质和位错、势场及其效应、光学及其效应。
这些知识对于理解是非常重要的。
在半导体物理学中，PN结和PNP结都是半导体器件的典型结构。
PN结由P型半导体和N型半导体组成，它具有整流和限流的特性。
PNP结由P型半导体、N型半导体和P型半导体组成，它适合作为小信号放大器、开关和稳压器使用。
则涉及光的物理性质与半导体的相互作用，是光学和半导体物理学两个领域融合而成。
半导体器件是的核心。
半导体材料因其独特的电学和光学性质，是制造光电器件的理想材料。
半导体器件广泛应用于光通讯、光电器件、量子计算等领域。
二、光学原理与光学是研究光学原理及其应用的学科。
中的光学主要涉及：光的相干性、明暗间隔、半导体的吸收和发射光谱等。
在中，光可以被分为连续谱和线性谱。
连续谱指的是由频率连续变化的光波组成的谱。
线性谱指的是由频率分立变化的光波组成的谱。
半导体中的光谱因其特殊的光子能带结构而呈现出独特的特征。
当半导体物质受到光的刺激时，可能会发生吸收、发射、自发辐射等现象。
这些现象可以用谐振器的概念来解释。
半导体的谐振器可看作在材料结构中引起原子振动的光子与电子之间的相互作用。
在光电器件中，半导体激光器具有广泛的应用前景。
激光器是将各种光激活物质的能量转化成光能的器件，具有独特的单色性和方向性。
激光器由光反馈镜、工作材料、电子输运层和阈值电流元件等构成。
在激光器中，工作材料是电子和空穴的结合物，产生激光。
三、光通讯与光通讯主要利用光信号来传递信息。
光通讯的发展与技术的进步密不可分。
半导体光电子学的理论与实践
半导体光电子学的理论与实践半导体光电子学是研究半导体材料在光电子领域中的应用及其理论研究的学科。
它涵盖了光电器件、光通信、光电计算、光电存储、光传感、生物光子学等多个领域。
在当今信息化社会中，半导体光电子学已经成为了一种重要的技术手段，并对人类的生活和工作产生了深远的影响。
半导体光电子学所涉及的半导体材料主要有硅(Si)、锗(Ge)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)、氮化铟(InGaN)等。
其中，硅和锗是最早被研究的材料，研究重点在于它们在集成电路领域中的应用。
而GaN、GaAs和InGaN等材料则被广泛应用于LED、LD、PD、APD、太阳能电池、传感器等各种光学器件中。
在半导体光电子学中，光电器件是最为重要的研究领域之一。
光电器件是利用半导体材料对光敏感性强的特点，通过光电转换将光信号转换为电信号的器件。
常见的光电器件主要有光电二极管(PD)、激光二极管(LD)、反射式光电子倍增管(APD)等。
PD是一种将光信号转换为电信号的器件，其灵敏度高、响应速度快、性能稳定且易于实现集成化的优点，使之成为了最常用的光电器件之一。
在信息光通信、光计算、光传感等领域中都有着广泛的应用。
LD是利用外部电流激励弛豫振荡器进而激发产生高度相干光的器件。
由于其发射的光束方向性强、光强稳定、波长单一等优点，因此在光通信、激光雷达、医疗等领域都有着广泛的应用。
APD是一种将光信号转换为电信号的超级敏感器件。
在低光强条件下，它比PD的灵敏度高几个数量级，能够检测到非常微弱的光信号。
APD被广泛应用于通信、遥感、医学等领域中。
半导体光电子学不仅涉及到器件的制备和性能研究，还关注光电器件的应用与系统的设计。
在传感领域，光纤传感、激光雷达、遥感系统等光电子系统被广泛应用于环境监控、飞行器导航、医学诊断等领域。
以激光雷达为例，在国防、民用航空领域，其探测距离、探测角度都比传统雷达更广阔，并且在探测到目标后能够提供更加详细的信息。
半导体光电子学半导体中的光吸收和光
上述允许得直接带隙跃迁
发生在价带与导带分别为
半导体得s带与p带构成得
材料中。作为对d值大小 得粗略估计,可me= mh= m0,n=4,fif1,则
d 6.7 104 h Eg 1 2 cm1
(7、19)
大家有疑问的，可以询问和交流
可以互相讨论下，但要小声点
2、间接吸收得吸收系数
在图7、1-4所表示得间接带隙跃迁中,两种从初态至终态得跃迁方式 都必将伴随有声子得发射与吸收,在不考虑多声子吸收时,则有
h Eg Es h Eg Es
吸收声子 发射声子
式中Es为声子能量,尽管Es与Eg相比
h Eg Es
(7、1-24)
以横上 波只声就 学是声考子虑、了纵一波种光类学型 声得 子声 、子 横。 波深 光入 学得 声分 子析 各还 自应 得区 贡分献,纵不波同声类学型声得子声、子
能量就是不同得,因而i应该就是各种类型声子所引起得吸收系数之与。
在前面得讨论中,我们只 考虑单声子过程,所作得 i1/2~h关系曲线图如图 7、1-7所示。对应每一 温度得吸收曲线在横轴 (h轴)上得截距分别为 Eg-Es与Eg+Es,即分别对 应于吸收声子与发射声子 得情况。显然在低温下发 射声子就是主要得。
e2 B21 m02 0n 2
h
2j
V
1
exp
j2
1
t
exp
j
kp kc kv
r
u2
r
jkv
u1 r
2
(1、2-25)
当光辐射场与半导体中电子发生共振相互作用时,即满=2=1,则
半导体光电子学
瑞典皇家科学院2000年10月10 日宣布，将2000年度诺贝 尔物理奖授予三位科学家，他们是俄罗斯科学院圣彼得 堡约飞技术物理研究所的Zh．1．Alferov、美国加利福尼 亚大学的Herbert Kmemer和美国德克萨斯器公司的Jack S．KilbY，以表彰他们为现代信息技术，特别是他们发明 的高速晶体管、激光二极管和集成电路(芯片)所作出的奠 基性贡献 Alferov和Kmemer由于他们在半导体异质结及其在电子和 光电子学中的应用方面的突出贡献而获奖．
• 1973年，电气电子工程师协会（IEEE），J.J.埃 贝斯奖（J.J.Ebers Award） • 1982年，国际砷化镓及相关化合物研讨会，海 因里希-韦尔克-奖章（Heinrich-Welker-Medaille） • 1983年，电气电子工程师协会电子器件学会， 国家讲师奖（National Lecturer） • 1986年，电气电子工程师协会，杰克· 默尔敦 奖（Jack Morton Award） • 1994年，亚历山大-冯-洪堡研究奖（Alexandervon-Humboldt-Forschungspreis） • 2000年，诺贝尔物理学奖
• 1954年他前往美国，工作于普林斯顿 和帕罗奥图的多家研究机构，1968年 至1976年任博尔德科罗拉多大学物理 学教授。1976年，克勒默说服圣塔芭 芭拉加利福尼亚大学的电子和计算机 工程系，将有限的项目资金用于刚刚 形成的化合物半导体技术，而不是投 资发展主流的硅技术，这一决定使得 圣塔芭芭拉加利福尼亚大学占据了这 一领域的领导地位。
个人简介
• 赫伯特· 克勒默1928年出生在德 国魏玛，父亲是公务员，母亲 是家庭主妇，都来自学。他在柏 林实习时，利用“空中桥梁” 逃往了西德，并在格丁根完成 了关于晶体管中热电子效应的 理论物理学研究和博士论文， 1952年获得博士头衔。此后他 将职业定位在物理学和半导体 技术研究上。
半导体光电子学
半导体光电子学是以半导体材料和器件为基础，利用光与半导体材料相互作用的物理现象，研究光与半导体相互作用的机理和方法，从而研发出一系列光电器件和光电系统，应用于通信、信息存储、能源、医疗、环保等领域。
本文将从材料、器件、应用等多个方面介绍的相关知识。
一、半导体材料半导体材料通常指能够在一定条件下，既具有导电性又具有绝缘性的物质。
半导体材料在光电子学领域中应用广泛，主要有以下几种类型。
1.硅(Si)：硅是最常用的半导体材料之一，由于硅材料价格便宜、普遍存在，所以广泛应用于半导体器件中。
硅材料通常用于制作光探测器、发光二极管和激光二极管等器件。
2.砷化镓(GaAs)：砷化镓是另一个常用的半导体材料，其基带效应好，可用于高速通信和光电探测器中。
另外，砷化镓也广泛应用于磁光盘读写器等信息存储设备中。
3.铟磷化镉(InP)：铟磷化镉是在高速通信和光电探测方面较为重要的半导体材料。
铟磷化镉器件具有高响应速度和较高的量子效率，具有优异的性能特点。
二、半导体器件半导体器件是利用半导体材料制成的电子器件，广泛应用于信息存储、医疗领域、通信设备和电力自动化等领域。
这些器件包括发光二极管、光电探测器、光放大器和光调制器等。
1.发光二极管(LED)：发光二极管是一种半导体器件，其将电能转化为光能。
LED具有低功耗、长寿命和低成本等优点，广泛应用于基于LED的照明产品中。
2.光电探测器：光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
光电探测器的主要应用包括通信、医疗、环境监测、天文学和空间探索等领域。
3.激光二极管：激光二极管是一种电-光转换器，其将电能转化为光能的能力比LED更为强大。
激光二极管具有小体积、低成本、高发光效率和长寿命等优点，广泛应用于通信、制造业等领域。
三、应用领域已经广泛应用于各个领域，包括通信、信息存储、能源、医疗、环保等。
1.通信：在光纤通信领域中起着重要作用。
通信器件包括激光器、调制器、放大器和光电探测器等。
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二、光电子学及其发展
1. 什么是半导体光电子学？
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； 由光学和电子学相结合而形成的新技术学科。
➢ 涉及量子力学、固体物理、半导体物理等一些基础物理； ➢ 关联着半导体光电子材料及其相关器件；
➢ 半导体光电子学的内涵远超出半导体光学或半导体中的 光学性质。 即不是简单地研究将光作用到半导体上所产生的物理现 象，也研究半导体中电子对光子的反作用和能动性。
4月4月222日2日，，世世界界最最大大太太阳阳能能飞飞机机““太太阳阳动动力力2号2号””如如大大风风筝筝一一般般，，在在黑黑夜夜里里滑滑翔翔下下降降南南京京机机场场。
2015年4月22日，“太阳动力2号”在黑夜里滑翔下降南京机场。 驾驶太阳能飞机的是安德烈•波斯贝格（Andre Borschberg）。
1958年，英国劳森等发明碲镉汞（HgCdTe）红外探测器。
后来，光通讯、信号处理、传感技术的发展，需要高速、高灵 敏度的半导体光电探测器。为此，发展了PIN光电探测器、雪崩 光电探测器（APD）、谐振腔增强型（RCE）光电探测器、金 属半导体-金属行波光电探测器，以及分离吸收梯度电荷和信增 （SAGCM）APD等。
① 信息领域
(1)
全球光通讯网络分布
Global optical communication networks
3个
0.85μm 1.31μm
1.55μm
光纤通信中光电子器件的发展
第一代: 第二代: 第三代: 第四代: 第五代:
GaAlAs LED 和 LD / Si-PIN 和 Si-APD
光电子学有时狭义地指光-电转换器件及其应用的领域。
三、光电子器件及其应用
1. 什么是半导体光电器件 2. 半导体光电器件的分类 3. 半导体光电器件的发展 4. 半导体光电器件的应用 5. 光电子产业
半导体激光器（LD）的发展
发光二极管（LED）的发展
1965年，GaAsP材料制作的红色LED商用化。
半导体光电子学( 绪论)
绪论
一、课程介绍 二、光电子学及其发展 三、光电子器件及其应用
一、课程介绍
地位作用 （非常重要） 课程性质 （专业基础课，必修） 考核性质和方式 （闭卷） 作业 成绩评定 （平时:考试 30:70）
课程主要内容
绪论 第1章 半导体中光子-电子的互作用 第2章 半导体激光器的结构和原理 第3章 半导体激光器的性能 第4章 半导体中的光吸收和光探测器 第5章 半导体光放大器
0.85m, 短距离, 低速
InGaAsP LED 和 LD / Ge-APD 和 InGaAs-PIN
1.3m
InGaAsP single mode LD / InGaAs-PIN , APD
1.3m 长距离，高速
DFB LD （分布反馈式激光器）/ InGaAs PIN-FET 等
1.55m
QW LD （量子激光器）…
2. 半导体光电子学的发展
➢ 1873年，史密斯（W．Smith）在“不良导体”硒 中看到在光作用下电导增加的现象；
➢ 1887年，赫兹（Hertz）将各种因光而致电的变化 现象统称为光电效应；
➢ 1897年，汤姆逊（Thomson）发现电子； ➢ 1905年，爱因斯坦（Einstein）提出光子学说。
(2)
LED:
各种彩色LED灯
超红 超黄 黄绿
纯绿
超蓝
三基色
各种显示模块
室内外LED滚动显示条屏
动感灯箱广告屏
户外大屏幕彩色显示屏
LED交通灯
全国大部分城市已由传统交通灯替换为LED交通灯。
(3)
② 照明与能源领域
(1) 照明
LED:
LED City
LED汽车车灯
主要得益于低功耗、长寿命、响应速度快的优点。
电子和光子的发现和提出，为发展半导体光电子 学奠定了基础。
➢ 1911年前后，将硒这类“不良导体”称为半导体； ➢ 20世纪前半叶，将电子在半导体中的行为上升到理论高度，
并发现杂质对半导体性能的影响，通过人为掺入杂质改变 半导体的导电性质； ➢ 在研究微观粒子运动规律的量子力学、统计物理、热力学
等现代物理的基础上，形成了半导体物理学。
③ 军事领域
④ 光学仪器领域
激光精密测距
光纤传感
⑤ 加工领域
激光焊接机
激光打标(雕刻)机
⑥ 医疗领域
5. 光电子产业
主要分支
光电材料与元件 光成像和显示 传感和数据存储 光信息处理 光学器材产业 光通信 激光器与激光应用
国际光电子产业分析
2005年：光电子产业的产值达到电子产业产值水平； 2010年：以光电子信息技术为主导的信息产业达到
半导体光电子材料与器件性能还需不断提高。 半导体光电子学面临进一步研究的课题：
① 充分开发能带工程的潜力； ② 低维（特别是一维和零维）量子材料的进一步完善和利用； ③ 光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）是半导体光电子
学发展的制高点和永恒的研究命题； ④ 将现有半导体光电子器件的性能提高到极限。
从而进一步奠定了半导体光电子学的理论基础。
➢ 半导体激光器的出现； ➢ 后来，在光纤通信需求的强烈拉动下，半导体光电子材
料、半导体光电子器件（激光器、光探测器、光放大器 等）快速发展。
推动了研究者系统地研究半导体中光子与电子相互作用 、光能与电能相互转换，使之成为当今极具活力和发展 潜力的半导体光电子学。
矿灯（左）及其照明效果
(动， 4天行驶3010公里。
目前全球最大太阳能飞机“阳光动力”2号
机翼上装有1.7万余块太阳能电池为飞机提供动力， 白天剩余的能量还可以储存在锂电池组中以供夜间飞行， 完成全程约3.5万公里的环球飞行， 创造了全球不耗费任何燃料、完全依靠太阳能作为动力的飞机环球飞行纪录
光电探测器的发展
最早出现的光电子器件是光电探测器。
1929年，L.R.科勒制成银氧铯光电阴极，出现了光电管。
1939年，前苏联V.K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管。 40年代，用半导体材料制成温差电型红外探测器和测辐射热计。 50年代中期，可见光波段的硫化镉、硒化镉光敏电阻和短波红外 硫化铅光电探测器投入使用。