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第1章 引言 1

1.1 信息时代的前沿学科——光子学 1

1.2 电子和光子的比较 4

1.3 半导体电子学的发展历程 6

1.4 半导体光子学的发展历程 11

1.5 本书的内容 18

参考文献 19

第2章 半导体光子材料 21

2.1 引言 21

2.2 半导体光子材料 22

2.2.1 半导体光子材料的基本特性 22

2.2.2 半导体光子材料的晶体结构 26

2.3 半导体的晶格匹配和失配 28

2.3.1 临界厚度 29

2.3.2 晶格失配度 29

2.4 半导体固溶体 32

2.5 重要的半导体固溶体 35

2.5.1 AlxGa1-xAs 35

2.5.2 GaxIn1-xPyAs1-y 37

2.5.3 (AlxGa1-x)yIn1-yP 39

2.5.4 GexSi1-x 40

2.6 半导体光子材料的折射率 42

2.7 结束语 44

参考文献 45

第3章 半导体异质结构 47

3.1 引言 47

3.2 半导体异质结概念 48

3.3 能带的形成 49

3.4 半导体异质结构的能带图 50

3.4.1 半导体的E-k关系能带图 50

3.4.2 安德森能带模型 52

3.5 几种异质结的能带图 56

3.5.1 异型异质结的能带图 56

3.5.2 异型突变异质结 57

3.5.3 缓变异质结 61

3.5.4 同型突变异质结 62

3.5.5 双异质结 63

3.6 异质结的电学性质 64

3.6.1 异质结的伏－安特性 64

3.6.2 异质结的电容－电压特性 68

3.6.3 异质结对载流子的限制作用 69

3.6.4 异质结的高注入比 70

3.6.5 异质结的超注入现象 71

3.7 异质结的光学特性 71

3.7.1 异质结对光的限制作用 71

3.7.2 窗口效应 72

3.8 结束语 72

参考文献 73

第4章 介质波导 75

4.1 引言 75

4.2 光的反射和折射 76

4.2.1 反射定律 76

4.2.2 折射定律 76

4.2.3 反射率和透射率 77

4.2.4 布儒斯特定律 79

4.2.5 临界角和全反射 79

4.3 电磁场理论 80

4.3.1 麦克斯韦方程 80

4.3.2 波动方程 82

4.3.3 平面波 83

4.3.4 有损耗的介质中的平面波 85

4.4 辐射模、衬底模和波导模 87

4.5 平板介质波导 88

4.5.1 全反射 89

4.5.2 波导条件 89

4.6 平板介质波导中的TE模 92

4.6.1 对称波导 92

4.6.2 偶阶TE模式 93

4.6.3 奇阶TE模式 96

4.7 矩形介质波导 97

4.8 古斯－汉欣位移 100

4.9 光的模式 101

4.10 结束语 103

参考文献 104

第5章 半导体中的光发射和光吸收 106

5.1 引言 106

5.2 辐射复合和非辐射复合 107

5.2.1 辐射复合 108

5.2.2 非辐射复合 111

5.3 光辐射和光吸收的关系 113

5.3.1 光辐射和光吸收的基本概念 113

5.3.2 黑体辐射 114

5.3.3 爱因斯坦关系式 117

5.3.4 半导体中受激辐射的必要条件 119

5.3.5 净受激发射的速率 120

5.3.6 两个能级间的光吸收系数 120

5.4 跃迁几率 122

5.4.1 费米黄金准则 122

5.4.2 矩阵元 123

5.5 半导体中的态密度 125

5.6 半导体中的光吸收和光发射 127

5.6.1 吸收系数 127

5.6.2 自发辐射和受激辐射速率 128

5.7 半导体中的光增益 129

5.8 结束语 134

参考文献 134

第6章 半导体发光二极管 136

6.1 引言 136

6.2 pn结中的载流子分布 136

6.3 半导体pn结特性 139

6.3.1 热平衡时的pn结特性 139

6.3.2 外加偏压时的pn结特性 141

6.4 半导体发光二极管材料 144

6.5 发光二极管的工作原理 147

6.6 LED器件结构 149

6.7 高亮度发光二极管和超辐射发光二极管 153

6.7.1 高亮度发光二极管 153

6.7.2 超辐射发光二极管 155

6.8 发光二极管的特性 158

6.8.1 伏－安特性 158

6.8.2 P-I特性 159

6.8.3 温度特性 160

6.8.4 光谱特性 161

6.8.5 调制带宽 162

6.8.6 发光效率η和出光效率ηout 163

6.8.7 相干特性 163

6.8.8 近场和远场分布特性 164

6.8.9 调制特性和偏振特性 164

6.9 结束语 164

参考文献 166

第7章 半导体激光器 167

7.1 引言 167

7.2 异质结对载流子和光波的限制 168

7.2.1 异质结对载流子的限制 168

7.2.2 波导对光波的限制 171

7.2.3 折射率波导和增益波导 173

7.3 半导体激光器的工作原理 175

7.3.1 半导体受激发射物质 175

7.3.2 粒子数反转 176

7.3.3 谐振腔 176

7.3.4 阈值条件 177

7.4 半导体激光器的基本结构 180

7.4.1 DH、LOC和SCH激光器 181

7.4.2 条型激光器 183

7.5 半导体激光器的特性 185

7.5.1 P-I和效率特性 185

7.5.2 阈值特性 186

7.5.3 效率特性 188

7.5.4 光谱和模式 189

7.5.5 近场图和远场图 190

7.5.6 温度特性 191

7.5.7 调制特性 193

7.5.8 退化和寿命 194

7.6 结束语 196

参考文献 197

第8章 量子阱、分布反馈、垂直腔面发射激光器和半导体光放大器 199

8.1 引言 199

8.2 超晶格和量子结构 200

8.2.1 超晶格和量子结构的基本概念 200

8.2.2 量子结构的能带图和态密度 202

8.2.3 单量子阱和多量子阱 203

8.2.4 应变量子阱 206

8.3 量子阱激光器 207

8.3.1 量子阱激光器的工作原理 207

8.3.2 应变量子阱激光器 210

8.3.3 量子阱激光器的特性 211

8.4 分布反馈激光器和分布布拉格反射激光器 213

8.4.1 布拉格光栅 214

8.4.2 DFB和DBR激光器的结构 215

8.4.3 光波耦合理论 218

8.4.4 四分之一波长相移的DFB激光器 219

8.4.5 DFB激光器的特性 221

8.5 垂直腔面发射激光器 224

8.5.1 多层介质膜反射器 225

8.5.2 VCSEL激光器的结构 226

8.5.3 VCSEL激光器的特性 228

8.6 半导体光放大器 229

8.6.1 半导体光放大器的结构 229

8.6.2 半导体光放大器的增益 231

8.6.3 半导体光放大器的噪声 232

8.7 结束语 233

参考文献 234

第9章 光波导器件 237

9.1 光波导中的模式的计算方法 237

9.1.1 束传播法 238

9.1.2 时域有限差分法 239

9.1.3 薄膜匹配法 241

9.2 脊形波导的单模条件 241

9.2.1 矩形截面脊形波导的单模条件 242

9.2.2 梯形截面脊形波导的单模条件 243

9.2.3 纳米波导的单模条件 243

9.3 硅基阵列波导光栅 245

9.3.1 罗兰圆和AWG的结构 246

9.3.2 AWG的工作原理 247

9.3.3 AWG的特性 249

9.4 微环谐振器 251

9.4.1 微环谐振器的结构 251

9.4.2 微环谐振器的光学特性 253

9.4.3 光滤波器 256

9.5 光调制器／光开关 258

9.5.1 硅基波导的调制机理 259

9.5.2 硅基光开关／调制器的光学结构 263

9.5.3 光开关／调制器的电学结构 266

9.5.4 硅基微纳光开关／调制器的特性 268

9.6 硅基光耦合器 269

9.6.1 硅基光耦合器的结构 269

9.6.2 模斑变换器 271

9.6.3 棱镜耦合器 272

9.6.4 光栅耦合器 272

9.7 结束语 276

参考文献 276

第10章 半导体光电探测器 279

10.1 半导体中的光吸收 279

10.1.1 吸收系数 280

10.1.2 带间本征光吸收 283

10.1.3 自由载流子光吸收 284

10.2 pn结光电二极管 286

10.3 pin光电二极管 288

10.4 雪崩光电二极管 290

10.5 RCE光电探测器 294

10.6 MSM光电二极管 297

10.7 半导体光电探测器的性能 298

10.7.1 量子效率和响应度 299

10.7.2 雪崩倍增因子M 300

10.7.3 暗电流和信噪比 301

10.7.4 响应时间 305

10.8 结束语 307

参考文献 308

第11章 太阳能电池 310

11.1 太阳能——最好的能源 311

11.2 太阳能电池工作原理 314

11.2.1 光伏效应 314

11.2.2 太阳能电池的电流－电压特性 314

11.2.3 光伏效应同材料的关系 317

11.2.4 太阳能电池的效率 318

11.3 硅太阳能电池 323

11.4 非晶硅薄膜太阳能电池 327

11.4.1 非晶硅薄膜的结构和电子态 327

11.4.2 非晶硅薄膜的光学特性 328

11.4.3 非晶硅和非晶锗硅电池 329

11.5 其他硅基太阳能电池 331

11.5.1 非晶硅／微晶硅叠层电池 331

11.5.2 硅量子点电池和黑硅电池 332

11.6 聚光多结太阳能电池 333

11.6.1 多结太阳能电池的结构 334

11.6.2 多结太阳能电池的特性 336

11.7 太阳能电池的发展趋势 339

11.8 结束语 342

参考文献 343

第12章 半导体光子晶体 345

12.1 光子晶体 346

12.1.1 光子晶体概念 346

12.1.2 光子晶体的特性 347

12.2 光子晶体能带的计算 350

12.2.1 基于Bloch理论的平面波展开法 351

12.2.2 时域有限差分法 353

12.2.3 超元胞法 356

12.2.4 计算举例——负折射效应 357

12.3 光子晶体的应用 358

12.3.1 光子晶体的能带同器件的关系 358

12.3.2 光子晶体波导 360

12.3.3 光子晶体分束器和定向耦合器 363

12.3.4 光子晶体滤波器 364

12.3.5 光子晶体光开关／调制器 365

12.3.6 光子晶体发光器件 365

12.4 光子晶体的制备 369

12.5 结束语 371

参考文献 372

第13章 半导体光子集成 374

13.1 信息时代需要光子集成 374

13.2 光子集成的平台 376

13.2.1 InP平台和Si平台的比较 376

13.2.2 SOI 378

13.3 光子集成的关键技术 379

13.3.1 外延生长技术 379

13.3.2 微纳加工技术 381

13.3.3 键合技术 383

13.4 硅基光子集成 383

13.4.1 硅基光子集成方式 383

13.4.2 硅基光波导器件阵列 386

13.4.3 硅基光子集成的光源和探测 391

13.5 光子集成的发展趋势 394

参考文献 397

索引 399