半导体光电子学

半导体光电子学是研究半导体光子和光电子器件的学科，涉及各种半导体光电子器件的物理概念、工作原理及制作技术，在能源、显示、传感和通信等领城都拥有广泛的应用。本书主要包括半导体材料基本性质、半导体光电子器件基本结构、载流子注入与速率方程、半导体激光器基本理论、光信号调制、半导体光电探测器、太阳能光热与光伏、半导体光调制器和光子集成器件，以及半导体光电子器件制造技术等内容，系统介绍了半导体光电子器件中涉及的基本物理概念和制作方法，分析器件的基本工作原理，可以为将来从事半导体光电子器件研究和光纤通信系统研究打下较为扎实的基础。本书可作为电子科学与技术、光学工程等学科研究生及相关专业高年级本科生教材，也可供相关科技工作者参考。

第1章绪论1
1.1半导体器件及半导体IC产业的发展历史1
1.1.1半导体器件早期发展1
1.1.2半导体IC产业发展2
1.1.3摩尔定律和后摩尔时代3
1.2半导体材料的基本性质4
1.2.1半导体的结构特征4
1.2.2半导体的能带结构7
1.2.3半导体基本光学特性10
1.3半导体的光电应用简介12
1.3.1半导体发光器件原理简介13
1.3.2载流子跃迁发射光谱介绍14
1.3.3半导体发光激发过程16
1.3.4半导体LED器件发展及机理概述17
课后习题18
参考文献18
第2章半导体光电子器件中的异质结与横模20
2.1半导体光电子器件的基本结构20
2.1.1PN结20
2.1.2异质结29
2.2半导体光电子器件中的模式41
2.2.1横模及其物理意义42
2.2.2TE、TM模及其物理意义44
2.3器件的远场与相差46
2.3.1器件的远场46
2.3.2器件的相差49
课后习题53
参考文献53
第3章载流子注入与速率方程55
3.1载流子的物理概念及其注入过程55
3.1.1半导体的能级与能带55
3.1.2半导体中的能态密度57
3.1.3半导体中的杂质与缺陷58
3.1.4半导体平衡载流子分布59
3.1.5半导体中载流子的注入61
3.2载流子的辐射与非辐射复合过程62
3.2.1载流子的辐射复合过程63
3.2.2载流子的非辐射复合过程64
3.2.3俄歇复合过程67
3.2.4表面复合69
3.3能带收缩与能带填充效应69
3.3.1能带收缩效应70
3.3.2能带填充效应71
3.4LED载流子速率方程与发光效率74
3.4.1LED发光原理74
3.4.2LED载流子速率方程76
3.4.3LED发光效率78
课后习题82
参考文献82
第4章半导体激光器84
4.1半导体激光器的速率方程推导84
4.1.1激光振荡增益84
4.1.2场速率方程85
4.1.3线宽增强因子86
4.1.4激光速率方程88
4.2FP激光器阈值条件与纵模特性90
4.2.1FP激光器结构及工作原理90
4.2.2FP激光器阈值条件91
4.2.3FP激光器纵模特征93
4.3半导体激光器阈值与效率93
4.3.1半导体激光器阈值特性94
4.3.2半导体激光器效率96
4.4半导体激光器的温度特性97
4.5半导体激光器的增益特性99
课后习题104
参考文献104
第5章动态单模与高速调制106
5.1发光二极管直接调制106
5.2半导体激光器直接调制108
5.2.1半导体激光器的瞬态特性108
5.2.2半导体激光器的动态分析109
5.2.3半导体激光器的模式稳定性问题110
5.3DFB和DBR激光器112
5.3.1耦合波方程112
5.3.2？/4相移的折射率耦合DFB113
5.3.3增益耦合DFB114
5.3.4DBR激光器114
5.3.5工作特性115
5.4半导体激光器的强度噪声和线宽116
5.4.1肖洛-汤斯线宽116
5.4.2频率噪声117
5.4.3Langevin噪声源118
5.4.4RIN和谱密度函数118
5.5半导体激光器的啁啾119
课后习题119
参考文献119
第6章半导体光电探测器121
6.1基本结构与原理121
6.1.1探测器的响应度和带宽126
6.1.2探测器的噪声128
6.2快速光电二极管134
6.3雪崩光电二极管134
6.3.1雪崩光电二极管的基本结构和原理135
6.3.2雪崩光电二极管制备材料的选择136
6.3.3雪崩光电二极管的芯片结构137
6.4极弱光信号探测139
6.4.1基本型光子计数系统139
6.4.2辐射源补偿型光子计数系统141
6.4.3背景补偿型光子计数系统142
6.5微波光子探测器144
6.5.1外光电探测器144
6.5.2光电导探测器144
6.5.3光生伏特探测器144
6.5.4光磁电探测器145
课后习题145
参考文献145
第7章太阳能光热与光伏146
7.1太阳能光热吸收薄膜146
7.1.1太阳能光热吸收薄膜的发展历程146
7.1.2太阳能光热吸收薄膜的工作原理147
7.1.3太阳能光热吸收薄膜的分类149
7.1.4太阳能光热吸收薄膜的制备150
7.2太阳能真空集热管152
7.3太阳能电池基本原理153
7.3.1光生伏特效应153
7.3.2太阳能电池的电流-电压特性154
7.3.3太阳能电池的性能表征155
7.4太阳能电池的分类与特色156
7.4.1硅基太阳能电池157
7.4.2薄膜太阳能电池158
7.4.3新型太阳能电池162
课后习题173
参考文献173
第8章光子集成174
8.1光子集成的意义与瓶颈问题174
8.1.1光子集成的出现174
8.1.2光子集成的分类、意义与应用175
8.1.3光子集成的瓶颈问题178
8.1.4光子集成发展的启示：InP还是Si180
8.2半导体光调制器182
8.2.1电吸收调制器的基本原理与工作特性182
8.2.2M-Z调制器的基本原理与工作特性188
8.3半导体集成光源192
8.3.1对接生长技术192
8.3.2选区生长技术193
8.3.3量子阱混合技术193
8.3.4非对称双波导技术194
课后习题195
参考文献195
第9章半导体光电子器件制造技术196
9.1生长技术196
9.1.1薄膜的制备技术196
9.1.2物理气相沉积198
9.1.3化学气相沉积203
9.1.4其他技术209
9.2光刻技术212
9.2.1光刻技术基本原理与流程212
9.2.2极紫外光刻技术218
9.2.3电子束光刻技术219
9.2.4其他光刻技术221
9.3刻蚀技术223
9.3.1刻蚀技术基本原理与性能参数224
9.3.2湿法刻蚀225
9.3.3干法刻蚀228
9.4离子注入与快速退火技术238
9.4.1离子注入概述238
9.4.2离子注入设备及工艺241
9.4.3离子注入原理244
9.4.4注入离子在靶中的分布248
9.4.5注入损伤252
9.4.6退火255
9.4.7离子注入在半导体工艺中的应用257
9.5处理与优化技术261
9.5.1减薄技术261
9.5.2抛光技术263
9.5.3解离技术269
9.6封装与测试技术269
9.6.1封装技术概述270
9.6.2电子封装技术272
9.6.3光电子封装技术275
9.6.4半导体测试流程278
9.6.5半导体测试方法282
9.6.6半导体光电子器件参数测试287
9.7本章小结295
课后习题295
参考文献296