半导体光电子学(绪论)
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。
《半导体光电子学》PPT课件
漂移流
N
_
负向偏压Байду номын сангаас
+ (以空穴行为为例)
PN结两端加上一个负向偏压, 它与内建电场的方向相同 , 因此在PN结边缘处的积累 电荷会被抽取出来.当边缘处的电荷被抽取完之后，内部的载流子就会随着复合而消 失。
正向注入
内建电场
+p
扩散流
漂移流
N_
正向电压
(以空穴行为为例)
加上一个与内建电场方向相反的正向电压 ,由于它的作用使得PN结内部的势垒变窄.。 因此扩散电流要大于漂移电流，从而使得少数载流子能够越过势垒. 由于复合效应， 少数载流子的分布随着与PN结边界距离的增加而减小。
反向抽取
内建电场
扩散流
P
半导体光电子学
插图 2010.4.07
地球表面 平均太阳能 4 x1024J/年，或者5 x 1020 J/小时
2001年全球能量的消耗 4x1020J/年
美国
平衡态
• 空穴 (positive)
内建电场
扩散流
P 漂移流
电子(negative)
N
当外加电压为零时，PN结处于平衡状态. PN结中有效电流为零。由载 流子分布不同造成的扩散电流与PN结边界外累积电荷所形成的内建场 产生的漂移电流抵消。
半导体光电子学第2章异质结
半导体光电子学第2章异质结在半导体光电子学的领域中，异质结是一个极其重要的概念。
它为我们开启了一扇通向高性能光电子器件的大门，对于推动信息技术的发展具有不可估量的作用。
异质结，简单来说，就是由两种不同的半导体材料接触形成的界面。
这两种材料的能带结构、晶体结构和物理化学性质等方面存在差异。
正是由于这些差异，使得异质结展现出了许多独特的性质和功能。
为了更好地理解异质结，我们先来了解一下半导体的基本特性。
半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间，其电学特性主要由能带结构决定。
在半导体中，存在导带和价带，导带中的电子能够自由移动参与导电，而价带中的电子被束缚，不能自由移动。
当两种不同的半导体材料接触时，由于它们的能带结构不同，会导致电子和空穴在界面处的重新分布。
例如，一种材料的禁带宽度较大，另一种材料的禁带宽度较小。
在这种情况下，电子会从禁带宽度小的材料向禁带宽度大的材料转移，从而在界面处形成内建电场。
这个内建电场对于异质结的性能有着重要的影响。
异质结根据其界面的晶体结构匹配程度，可以分为晶格匹配异质结和晶格失配异质结。
晶格匹配异质结的界面原子排列比较整齐，晶格失配异质结则存在一定程度的晶格畸变。
晶格匹配异质结通常具有较好的电学和光学性能，但制备难度较大。
晶格失配异质结虽然存在晶格畸变，但通过一些技术手段可以减小其对性能的不利影响，并且在某些情况下还能带来一些特殊的性质。
异质结的类型多种多样，常见的有突变异质结和缓变异质结。
突变异质结的界面处两种材料的组分突然变化，而缓变异质结的界面处材料的组分则是逐渐变化的。
这两种类型的异质结在性能上各有特点，适用于不同的应用场景。
异质结在半导体光电子器件中有着广泛的应用。
例如，在发光二极管（LED）中，利用异质结可以有效地提高发光效率和亮度。
通过选择合适的半导体材料形成异质结，可以控制电子和空穴的注入和复合过程，从而实现高效的发光。
在激光二极管（LD）中，异质结更是发挥了关键作用。
半导体光电子学
1.半导体中与光有关的3种量子现象 : 自发发射(半导体发光二极管LED的工作原理),受激吸收(光电导,光探测器的工作原理),受激发射(半导体激光器LD,半导体光放大器SOA的工作原理). 填空2.半导体在光电子学中独有的特点: ①半导体能带中存在高的电子态密度,因而在半导体中有可能具有很高的量子跃迁速率②在半导体同一能带内,处在不同激励状态的电子态之间存在相当大的互作用(或大的公有化运动),这种互作用碰撞过程的时间常数与辐射过程的时间常数相比是很短的,因而能维持每个激励态之间的准平衡.③半导体中的电子态可以通过扩散或传导在材料中传播,可以将载流子直接注入发光二极管或激光器的有源区中,因而有很高的能量转换效率.④在两能级的激光系统中,每一处于激发态的电子有它唯一返回的基态(即某一特定的原子态) 理解3.爱因斯坦关系说明什么问题: 爱因斯坦关系B12=B21;A21=8πn3ℎv3c3B21爱因斯坦关系表示了热平衡条件下自发发射,受激发射与受激吸收三种跃迁几率之间的关系4.粒子数反转条件(伯纳德-杜拉福格条件)f c>f v(导带电子占据几率大于价带电子占据几率); F c−F v>ℎv (准费米能级之差大于作用在该系统的光子能量);ΔF≥E g (准费米能级之差大于等于禁带宽度)5.异质结能带图:Pn能带图6. 弗伽定律:7. 异质结对载流子和光子的限制:NpP 结构异质结中①由N 型限制层注入p 型有源层的电子将受到pP 同型异质结的势垒的限制,阻挡它们向P 型限制层内扩散.②pN 型异质结的空穴势垒限制着有源层中的多数载流子空穴向N 型限制层的运动. ③由于能产生光波导效应，从而限制有源区中的光子从该区向宽带隙限制层逸出而损失掉。
n 1 < n 2 > n 38. 激光器的构成:①激光工作介质②激励源③光学谐振腔9. 光子和费米子的差别:光子属于玻色子,服从玻色爱因斯坦分布.电子属于费米子服10.K选择定则的定义:不管是竖直跃迁还是非竖直跃迁,也不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,这就是跃迁的k选择定则11.同质结和异质结或同型异质结和异型异质结空间电荷区的差别:①同质结:当P型半导体和N型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
《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
第一章绪论-光电子学ppt课件
光电子技术的特征：光源激光化、传输 波导化、手段电子化、电子学中的理论 模式和处理方法光学化。
光电子技术与微电子技术共同构成了信息技 术的两大重要支柱。
一.光电子学可发展历程
1883年，爱迪生在一次 改进电灯的实验中，将一 根金属线密封在发热灯丝 附近，通电后意外地发现， 电流居然穿过了灯丝与金 属线之间的空隙。 1884年，他取得了该发明 的专利权。这是人类第一 次控制了电子的运动，这 一现象的发现，为20世纪 蓬勃发展的电子学提供了 生长点。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光子开关的响应时间可以达到飞 秒数量级。光子属于玻色子，不带 电荷，不易发生相互作用，因而光 束可以交叉。光子过程一般也不受 电磁干扰。
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
光调制器、光波导、光开关、 光放大器．以及光隔离器等各 种光学部件的发展。
在电子学技术中采用小尺寸的 光学零部件的组合。
光通信原理示意图
光技术的发展没能够 超过电子技术的发展
想得到更多的信息量、 更高的演算速度，用 现存电子技术是不可 能实现的。
光信号传输方式要比 用电布线好得多， 超并行计算机的配线 方式，
电子学已经出现不能适应新 的要求的征兆???
然而，历史却并没有简单地重演。
当电子通信容量达到最大限度而 不能继续扩大时，人们很自然地 把目光转向波长更短的光波。
光子学的信息荷载量要大得多，光的 焦点尺寸与波长成反比，光波波长比 无线电波、微波短得多，经二次谐波 产生倍频，激光可使光盘存贮信息量 大幅度增加。
发明了真空二级管整流器
《半导体光电子学》课件
原理
通过受激辐射产生的一束相干光，实现信息传输或 高精度切割。
应用
医疗、通信、材料加工、激光雷达和光谱学等领域 的关键技术。
光通信中的半导体器件
1 光纤收发模块
将电信号转换为光信号并 通过光纤传输，实现远距 离高速通信。
2 光开关
通过控制光信号的传输路 径和光的开关，实现网络 的快速切换和重构。
3 光放大器
应用
住宅和商业建筑的能源供应、太阳能车、太空探索 和户外充电等。
形成了半导体器件的基础， 如二极管和太阳能电池。
了解能带之间的能级间隙 和激子的形成，有助于设 计电子器件。
LED （发光二极管）工作原理及其应用
原理
通过注入P型和N型半导体内的载流子复合释放出能 量，产生可见光。
应用
照明、显示屏、指示灯和满足复杂颜色需求的装饰 等各行各业。
激光器工作原理及其应用
III-V族化合物
在高频率、高功率和高温环境下表现出色，常 用于雷达和通信系统。
镓化物
优良的光电特性，广泛应用于激光器、LED等器 件。
有机半导体
灵活的分子结构，使其适用于柔性显示和光电 传感器等领域。
光电子物理基础知识
1 能带理论
描述了半导体中电子能级 的分布和载流子运动的机 制。
2 PN结
3 半导体能级
放大光信号强度，以确保 信号在传输过程中不衰减。
光电探测器及其应用
1
光电二极管
将光能转换为电能，并常用ห้องสมุดไป่ตู้光电信号检测与光通信系统。
2
光电倍增管（PMT）
高增益和灵敏度使其适用于低能光子探测和高精度测量。
3
光电二极管阵列
在光谱测量、光学成像和医学诊断方面有广泛应用。
半导体光电子学第一章
无规则运动状态的分子由于相互之间的碰撞引起的谱线加宽。
非均匀加宽
每一个发光粒子所发的光只对谱线内某些确定的频率才有贡献，各种不同的粒子对线型函数中的不同频率各有贡献，
因此各种发光粒子的作用是不并度。如果一个能级只有一个量子态，该能级称为非简并的。
（3）．费密分布律
（4）．玻色分布律
对不满足泡里不相容原理的粒子(如光子、介子等)按能量分布的规律
３、热辐射和黑体辐射的几个概念：热辐射、朗伯体、视见函数、普朗克公式；
热辐射（温度辐射）：
任何物体的温度在高于绝对零度时都能产生辐射。
朗伯体：
一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。
有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足 公式一
式中I0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为 余弦辐射体 或 朗伯体 。
余弦辐射体的辐射亮度为 公式二
可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角θ无关。
视见函数：P15
第一章 光与物质相互作用基础
基本概念与名词解释
１、光子学说的几个基本概念：相格、光子简并度等；
（1） 相体积（相格）:
a在相空间体积元h3内的各点，物理上是不能分开的，因而属于同一状态；
b光子所能被分辨的最小尺度；
c一个相格代表一种光子的量子态；
备注：光子的一种状态对应的相空间体积元h3
（2） 光子简并度
简并：一个相格代表一种光子的量子态，但光子与电子不同，
可以有多个光子处于同一种量子态上，这种现象称为简并；
光子简并度：处于同一量子态的平均光子数目。
２、微观粒子的四个统计分布规律：麦克斯韦速率分布率、波耳兹曼分布率、费米分布率、玻色分布率；
半导体器件 绪论
1m
Vacuum valves
1 cm
Transistor
1 mm
Integrated circuits
VLSI
10 nm
1A
2019/6/28
Molecular dimensions
1950 1970 1990 2010 2030
Year
Semiconductor Devices
From Intel
Source: Intel
2019/6/28
30 nm
20 nm
10 nm
Metal Gate High-k
Si Substrate
5 nm
Tri-Gate
Nanowire
5 nm
S DS
G
III-V Carbon Nanotube
FET
Future options subject to research & change
metal electrode
CH4
nanotube
2019/6/28
900 ºC
Semiconductor DeviHce. Ds ai, et al, Nature 395, 878 (1998). 32
中国科学技术大学物理系微电子专业
Infrastructure: Nanotube CVD Generation I
reverts the doping from p type to n type.
2019/6/28
Semiconductor Devices
34
中国科学技术大学物理系微电子专业 Integrated Nanotube Systems:
Complementary Carbon Nanotube Inverter
半导体光电子学第三版教学大纲
半导体光电子学第三版教学大纲课程介绍半导体光电子学是材料科学家、电子工程师和物理学家中非常重要的一个课程。
本课程将涵盖各种半导体光电子学的基础知识和基本理论，包括材料结构、能带理论、载流子输运和激子。
此外，本课程还会介绍半导体激光器、探测器、光伏器件和光通讯器件等方面的知识。
教材说明本课程教材为《半导体光电子学》第三版，作者包括马丁·A·格林、C·J·中村和古尔德·卡尔。
该教材是半导体光电子学领域的经典教材之一，内容非常丰富，对于深入了解半导体光电子学相关知识非常有用。
课程安排以下是本课程的课程安排：第一周：材料结构和元素半导体此周主要介绍了半导体的基础知识，包括材料结构、材料的各种特性以及基于半导体的各种器件技术。
第二周：能带理论本周主要介绍了半导体中的能带理论，这是理解半导体物理学中非常重要的一部分，学习过后能够帮助学生更好地理解激子与载流子的作用。
第三周：载流子输运和复合本周将介绍载流子输运和复合的基本知识，这是半导体物理学中比较复杂的部分之一。
我们将讨论电场、热平衡、掺杂和多子参与的物理模型。
第四周：激子本周将介绍激子的基本知识，激子是光电器件中非常重要的一部分，学习过后能够帮助学生深入了解激光器件和其他光电器件。
第五周：激光器件本周将介绍激光器件和半导体器件的制造工艺，包括简单的半导体激光器件、半导体激光器设备和高速半导体激光器件。
第六周：探测器本周将介绍光探测器，包括简单的PIN探测器、法布里-珀罗型光发射器探测器、双异质结探测器、Ge探测器、量子阱探测器、光电流探测器等探测器。
第七周：光伏器件本周将介绍太阳能电池、照明器件以及其他光伏器件，包括多结太阳能电池、有机太阳能电池、半导体发光二极管、有机发光二极管等。
第八周：光通讯器件本周将介绍光通讯器件，包括LED和LD的基本原理、光收发模块的结构等。
总结本课程将覆盖半导体光电子学的基础知识和基本理论，为想深入了解该领域的学者们提供了有力的支持和指导。
《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。
电子行业1绪论-光电子学
电子行业绪论-光电子学引言光电子学是电子行业中的一个重要分支，它研究光与电子之间的相互作用以及利用光将信息转换为电子信号。
随着科技的不断发展，光电子学在电子行业中的应用越来越广泛。
本文将介绍光电子学的基本概念、应用领域以及未来发展趋势。
光电子学的基本概念光电子学是研究光与电子之间相互关系的学科，它涉及到光的产生、传播、探测和操控等方面。
光电子学的研究对象包括光电材料、光电器件和光电系统等。
通常情况下，光电子学的研究主要聚焦于以下几个方面：1.光电效应：光电效应是指当光照射到物质表面时，电子从物质中被激发出来并形成电流的现象。
光电效应被广泛应用于光电器件的制造以及光信号转换。
2.光子学：光子学是光学与电子学的交叉学科，研究光的产生、传播和控制等方面。
光子学在通信、显示和光电器件等领域有着重要的应用。
3.光电器件：光电器件是指能够将光能转换为电能或者反过来将电能转换为光能的设备。
常见的光电器件包括光电二极管、光电传感器、光电开关等。
4.光电系统：光电系统是由光电器件和其他配套设备组成的集成系统，用于光信号的传输、处理和控制等。
光电系统广泛应用于通信、测量和显微成像等领域。
光电子学的应用领域光电子学在如今的电子行业中有着广泛的应用，主要体现在以下几个领域：1.通信：光纤通信是光电子学的一个重要应用领域。
通过利用光的传输性能，可以实现高速、大容量的数据传输。
光纤通信已经成为现代通信网络的主要传输方式。
2.显示技术：液晶显示器、有机发光二极管（OLED）等显示技术都依赖于光电子学的研究成果。
光电子学的进步为显示技术带来了更高的分辨率、更广的色域和更低的功耗。
3.光伏发电：光电效应的研究使得太阳能光伏发电成为一种可行的可再生能源。
光电子学的发展促进了太阳能电池技术的进步，使得太阳能发电成为可持续发展的能源选择。
4.光学成像：光电子学的研究成果在光学成像领域得到了广泛应用。
例如，数字相机、摄像机和医学成像设备等都离不开光电子学的支持。
半导体光电子学第一章
教师简介
简历（程立文） 2005年吉林大学电子科学与技术本科；2008年中科院长春光机所光电 子学硕士；2012年中科院上海技术物理研究所微电子学与固体电子学博士 2012年到扬大任教 现主要从事研究方向: 光电子器件芯片设计和优化； 教学课程 《专业软件应用》《LED及固态照明》《传感器原理及应用》《光电 子学》 联系方式 E-MAIL：lwcheng@ 办公地点：瘦西湖校区物理楼（57号楼）214
主要内容：
半导体中光子-电子相互作用 异质结及光波导方面的理论 半导体激光器 发光二极管 半导体光探测器 太阳能电池 CCD图象传感器
学习本课程的意义：
就业方向之一：半导体光电子学以半导体 为基础，半导体器件有电子器件和光子器 件。 光电子技术发展迅速。 考研：北京大学、清华大学、北师大、北 邮、华中科技大学、中科院苏州纳米所、 中科院半导体所
1.2 直接带隙与间接带隙跃迁
直接带隙与间接带隙
间接带隙半导体中电子在导带极小值与价带
极大值之间的跃迁在能带图中表现为非竖直
方向，称为非竖直跃迁，或间接跃迁。
直接带隙半导体中电子在导带极小值与价带
极大值之间的跃迁在能带图中表现为竖直方
向，称为竖直跃迁，或直接跃迁。
跃迁的K选择定则：不管是竖直跃迁还是非竖 直跃迁，也不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。
Eg=Ec- Ev
根据导带被 电子填充情 况和禁带的 宽度可将固 体分为导体、 半导体和绝 缘体。
能量低者称为价带，能量高者称为导带， 导带和价带之间的带隙没有电子状态，称 为禁带。
《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。
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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
半导体光电子学教学大纲
附件2：《半导体光电子学》教学大纲（理论课程及实验课程适用）一、课程信息课程名称（中文）：半导体光电子学课程名称（英文）：Semiconductor Optoelectronics课程类别：选修课课程性质：专业方向课计划学时：40（其中课内学时：40 ，课外学时：0）计划学分：2.5先修课程：量子力学、固体物理选用教材：《半导体物理学简明教程》，孟庆巨胡云峰等编著，电子工业出版社，2014年6月，非自编；普通高等教育“十二五”规划教材，电子科学与技术专业规划教材开课院部：理学院适用专业：光电信息科学与工程、微电子学等专业课程负责人：梁春雷课程网站：无二、课程简介（中英文）半导体物理学是光电信息科学与工程专业的一门专业方向课。
它是研究半导体的物理性质、基本理论和实验方法的一门科学。
本课程主要介绍固体晶格结构、固体量子理论、载流子输运过程、半导体中的非平衡过剩载流子等等。
通过本课程的学习，可以使学生获得半导体物理的基本概念和基本规律, 培养学生分析和应用半导体各种物理效应的能力，了解半导体性质以及受外界因素的影响及其变化规律。
本课程将为后续课程《光电子材料与器件》打下一定基础。
Semiconductor Physics is a Specialty-Oriented course for the specialty of optoelectronic information science and engineering. The class is a discipline that studies the properties,essential theories and experimental methods for semiconductors. The course focuses on crystal structure and quantum theory of solids, transport process of carriers, unbalanced superfluous carriers of semiconductors and so on.The purpose is to let the students understand and master fundamental concept and fundamental law of the semiconductor physics, train Students' ability to analyze and apply various physical effects of Semiconductors,understand the nature of the semiconductor and its variety law based on the influence of external factors. This course will also make the students ready for the following course of the Optoelectronic materials and devices.三、课程教学要求序号专业毕业要求课程教学要求关联程度1 工程知识本课程注重培养学生理论联系实际的能力、科学研究的思想方法、创新能力以及工程实践能力等。
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基础知识
换算
dB = 10 log10 (P1 / P0) dBm = 10 log10 (P / 1 mW)
0 dB + 0.1 dB + 3 dB + 5 dB + 10 dB -3 dB -10 dB -20 dB -30 dB
=1 = 1.023 (+2.3%) =2 =3 = 10 = 0.5 = 0.1 = 0.01 = 0.001
我国光电子产业近年来的发展迅速，每年以20%递增。
我国光电子产业基地分布示意图
长春 北京 西安 重庆 武汉
南昌
无锡
上海
浙江
福州
广州
总结
1. 理解半导体光电子学研究半导体中光子与电子的相互 作用、光能与电能的相互转换；
2. 了解半导体光电子学的发展；
3. 理解半导体光电器件是光电相互转化的半导体器件； 4. 了解半导体光电器件的分类； 5. 了解半导体光电器件的应用。
0 dBm 3 dBm 5 dBm 10 dBm 20 dBm -3 dBm -10 dBm -30 dBm -60 dBm
= 1 mW = 2 mW = 3 mW = 10 mW = 100 mW = 0.5 mW = 100 W = 1 W = 1 nW
5千亿美元的产业规模；
2010年至2020年：
光电子产业可能逐步取代传统电子产业，
在21世纪将成为最大的产业； 成为衡量一个国家经济发展水平和 综合国力 的重要标志之一。
光电子产业——21世纪的主导产业
国内光电子产业分析
我国光电子产业2014年900多亿美元的产值，占到全球
10%左右的市场份额；
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。 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。
主要得益于低功耗、长寿命、响应速度快的优点。
矿灯（左）及其照明效果
(2) 能源
本田两座梦幻之车：由太阳能电池驱动， 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
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。
① 信息领域
(1)
全球光通讯网络分布
Global optical communication networks
3个
0.85μ m 1.31μ m 1.55μ m
光纤通信中光电子器件的发展
第一代:
GaAlAs LED 和 LD / Si-PIN 和 Si-APD
0.85m
, 短距离, 低速
三、光电子器件及其应用
1. 2. 3. 4. 5. 什么是半导体光电器件 半导体光电器件的分类 半导体光电器件的发展 半导体光电器件的应用 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。
光电探测器的发展
最早出现的光电子器件是光电探测器。
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
激光打标(雕刻)机 激光焊接机
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
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。
4月 4月 22 22 日，世界最大太阳能飞机“太阳动力 日，世界最大太阳能飞机“太阳动力 2号”如大风筝一般，在黑夜里滑翔下降南京机场。 2号”如大风筝一般，在黑夜里滑翔下降南京机场
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）。
第二代:
第三代: 第四代: 第五代:
InGaAsP LED 和 LD / Ge-APD 和 InGaAs-PIN
1.3m
InGaAsP single mode LD / InGaAs-PIN , APD
1.3m
1.55m
长距离，高速
DFB LD （分布反馈式激光器）/ InGaAs PIN-FET 等
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。 光电子学有时狭义地指光-电转换器件及其应用的领域。
QW LD （量子激光器）…
(2)
LED:Leabharlann 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
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。
参考资料:
《光电子学教程》，张季熊，华南理工大学 出版社，2001 《固体光电子学》，傅竹西，中国科技大学 出版社，2012 《光电子学（第二版）》，马养武 王静环 包成芳 鲍超，浙江大学出版社，2004
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
第3 章 第4 章 第5 章
半导体激光器的结构和原理
半导体激光器的性能 半导体中的光吸收和光探测器 半导体光放大器
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。
光电子学
Optoelectronics
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 课程性质 作业 （非常重要） （专业基础课，必修） （闭卷）
考核性质和方式
成绩评定 （平时:考试 30:70）
教材:
《半导体光电子学》，黄德修，电子科技大学出版 社，2013