半导体光电子学（第2版）

　　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，涉及量子力学、固体物理、半导体物理等一些基础物理，也关联着半导体光电子材料及其相关器件，在信息和能源等领域有着广泛的应用。本书是作者在1989年原版基础上经过修改和较大篇幅的内容更新与拓展而成的，将半导体中电子与光子的相互作用、光能与电能的相互转换贯穿始终，重点关注各种光电子器件在材料、结构上的兼容性和实现集成功能的可能性，力求反映半导体光电子学的一些主要和*的进展。全书共分10章，第1~5章和第9章是原版内容的修改和扩充，包括半导体中光子-电子的互作用、异质结、平板介质光波导理论、异质结半导体激光器、半导体激光器的性能、半导体中的光吸收和光探测器；其余4章是依据半导体光电子学的*进展而编写的，包括低维量子半导体材料、半导体光放大器（SOA）、可见光半导体光发射器件、半导体光电子器件集成。

目 录
绪论
第1章 半导体中光子-电子的互作用
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
1.2.1 概述
1.2.2 电子在能带之间跃迁的几率
1.2.3 电子在浅杂质能级和与其相对的能带之间的跃迁
1.2.4 重掺杂下带-带跃迁
1.3 光子密度分布与能量分布
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
1.5.1 净的受激发射速率和半导体激光器粒子数反转条件
1.5.2 自发发射与受激发射速率之间的关系
1.5.3 净受激发射速率与增益系数的关系
1.5.4 净的受激吸收速率与吸收系数
1.6 半导体中的载流子复合
1.6.1 自发辐射复合速率
1.6.2 俄歇（Auger）复合
1.7 增益系数与电流密度的关系
思考与习题
参考文献
第2章 异质结
2.1 异质结及其能带图
2.1.1 pN异型质结
2.1.2 突变同型异质结
2.1.3 渐变异质结
2.2 异质结在半导体光电子学器件中的作用
2.2.1 在半导体激光器中的作用
2.2.2 异质结在发光二极管（LED）中的作用
2.2.3 异质结在光电二极管探测器中的应用
2.3 异质结中的晶格匹配
2.4 对注入激光器异质结材料的要求
2.4.1 从激射波长出发来选择半导体激光器的有源材料
2.4.2 从晶格匹配来考虑异质结激光器材料
2.4.3 由异质结的光波导效应来选择半导体激光器材料
2.4.4 衬底材料的考虑
2.5 异质结对载流子的限制
2.5.1 异质结势垒对电子和空穴的限制
2.5.2 由泄漏载流子引起的漏电流
2.5.3 载流子泄漏对半导体激光器的影响
思考与习题
参考文献
第3章 平板介质光波导理论
3.1 光波的电磁场理论
3.1.1 基本的电磁场理论
3.1.2 光学常数与电学常数之间的关系
3.2 光在平板介质波导中的传输特性
3.2.1 平板介质波导的波分析方法
3.2.2 平板介质波导的射线分析法
3.3 矩形介质波导
思考与习题
参考文献
第4章 异质结半导体激光器
4.1 概述
4.2 光子在谐振腔内的振荡
4.3 在同质结基础上发展的异质结激光器
4.3.1 同质结激光器
4.3.2 单异质结半导体激光器
4.3.3 双异质结激光器
4.4 条形半导体激光器
4.4.1 条形半导体激光器的特点
4.4.2 条形激光器中的侧向电流扩展和侧向载流子扩散
4.5 条形激光器中的增益光波导
4.5.1 概述
4.5.2 增益波导的数学分析
4.5.3 增益波导激光器中的象散、K因子
4.5.4 侧向折射率分布对增益波导的影响
4.6 垂直腔表面发射激光器（VCSEL）
4.6.1 概述
4.6.2 VCSEL的结构
4.6.3 布拉格反射器
4.7 分布反馈（DFB）半导体激光器
4.7.1 概述
4.7.2 耦合波方程
4.7.3 耦合波方程的解
4.7.4 阈值增益和振荡模式
4.7.5 DFB激光器结构与模选择
思考与习题
参考文献
第5章 半导体激光器的性能
5.1 半导体激光器的阈值特性
5.1.1 半导体激光器结构对其阈值的影响
5.1.2 半导体激光器的几何尺寸对阈值电流密度的影响
5.1.3 温度对阈值电流的影响
5.2 半导体激光器的效率
5.3 半导体激光器的远场特性
5.3.1 垂直于结平面的发散角⊥
5.3.2 平行于结平面方向上的发散角//
5.3.3 波导结构对远场特性的影响
5.4 半导体激光器的模式特性
5.4.1 纵模模谱
5.4.2 影响纵模谱的因素
5.4.3 激光器的单纵模工作条件
5.4.4 “空间烧洞”效应对单模功率的限制
5.4.5 温度对模谱的影响
5.4.6 单纵模激光器
5.5 半导体激光器的光谱线宽
5.5.1 肖洛-汤斯（Schawlow-Townes）线宽vsT
5.5.2 半导体激光器的线宽
5.5.3 与输出功率无关的线宽
5.5.4 增益饱和与线宽
5.6 半导体激光器的瞬态特性
5.6.1 瞬态响应的物理模型
5.6.2 速率方程
5.6.3 延迟时间td
5.6.4 对半导体激光器直接调制
5.6.5 张弛振荡
5.6.6 自持脉冲
5.7 半导体激光器的退化和失效
5.7.1 半导体激光器的工作方式
5.7.2 半导体激光器的退化
5.7.3 欧姆接触的退化
5.7.4 温度对半导体激光器退化的影响
思考与习题
参考文献
第6章 低维量子半导体材料
6.1 概述
6.2 量子阱的基本理论和特点
6.2.1 量子阱中的电子波函数
6.2.2 量子阱中电子的态密度
6.2.3 量子阱中的激子性质
6.2.4 应变量子阱
6.3 基于量子阱材料的半导体激光器
6.3.1 概述
6.3.2 单量子阱（SQW）半导体激光器
6.3.3 多量子阱（MQW）半导体激光器
6.4 量子线与量子点
思考与习题
参考文献
第7章 半导体光放大器（SOA）
7.1 概述
7.2 半导体光放大器的性能要求
7.2.1 半导体光放大器的增益特性
7.2.2 半导体光放大器的噪声特性
7.2.3 半导体光放大器的耦合特性
7.3 半导体光放大器应用展望
7.3.1 半导体光放大器在光纤通信传输网上的应用
7.3.2 半导体光放大器在全光信号处理中的应用
思考与习题
参考文献
第8章 可见光半导体光发射器件
8.1 概述
8.2 红光半导体发射器件
8.2.1 红光半导体材料
8.2.2 红光半导体激光器
8.2.3 红光发光二极管
8.3 蓝光半导体光发射器件
8.3.1 概述
8.3.2 Ⅲ-N化合物半导体光发射材料
8.3.3 绿光半导体光发射材料
思考与习题
参考文献
第9章 半导体中的光吸收和光探测器
9.1 本征吸收
9.1.1 直接带隙跃迁引起的光吸收
9.1.2 间接带隙跃迁引起的光吸收
9.2 半导体中的其他光吸收
9.2.1 激子吸收
9.2.2 自由载流子吸收
9.2.3 杂质吸收
9.3 半导体光电探测器的材料和性能参数
9.3.1 常用的半导体光电探测器材料
9.3.2 半导体光电探测器的性能参数
9.4 无内部倍增的半导体光探测器
9.4.1 光电二极管
9.4.2 PlN光探测器
9.4.3 光电导探测器
9.5 半导体雪崩光电二极管（APD）
9.5.1 APD的原理与结构
9.5.2 APD的噪声特性
9.5.3 APD的培增率（或倍增因子）
9.5.4 APD的响应速度
9.6 基于量子阱材料的光探测器
9.6.1 量子阱雪崩倍增二极管
9.6.2 量子阱中远红外探测器
思考与习题
参考文献
第10章 半导体光电子器件集成
10.1 概述
10.2 制约光子集成和光电子集成发展的某些因素
10.3 某些推动光子集成发展的潜在科学技术
10.3.1 基于纳米光子学的器件集成
10.3.2 基于表面等离子体的光子集成
10.3.3 光子晶体
10.3.4 微环谐振腔
思考与习题
参考文献

　　早在1985年，当时的电子工业部教材编审委员会征集高等学校教材选题时，我就意识到当时正在崛起的光纤通信中半导体光电子器件是其关键，在这些器件其中充分体现了半导体中光电子与光电子的相互作用，因此我提出《半导体光电子学》这一选命题，并随即被当时由周炳琨教授领导的电子工业部教材编审委员会的认可，但需后在全国范围内招标后确定其作者撰写该书。我作为投标者之一，在截稿截止日前匆匆递交了还未来得及打印的手写稿。所没料到的是教材编审委员会对我的手稿给出了“起点高、内容新，紧密结合应用”较高的评价而被选中，并指定在电子科学大学出版社出版。由于当时还没有基于计算机的激光照排系统而只是只能铅印。尽管经过两次校对，但待1989年正式出版后却发现印刷错误百出，出现错字、漏字、上下窜行等一些不能容忍的错误。尽管如此，该教材在一些重点大学和研究所中使用时后，得到了广大教师和读者的包容和谅解，还于1992年被评为电子工业部优秀教材一等奖。
　　由于光纤通信的需求使1962年问世的半导体激光器徘徊3了5年才实现室温下脉冲工作。有经历了3年，直至1970年终于实现了室温下连续工作，。成为光纤通信发展的第一个里程碑，可以毫不夸张地说，没有半导体激光器和半导体光探测器就没有今天的光纤通信和以光纤通信网为核心的整个信息网络。随着光纤通信的发展的需要，半导体激光器，半导体光探测器和半导体光放大器等在材料、器件结构、性能都得以大的提高，其应用范围不断扩大。与此同时包括各种半导体光探测器、半导体光调制器和半导体光放大器在内的其他一些半导体光电子器件也不断涌现和发展。除了光纤通信外，高密度光信息存储、高性能计算机和“绿色照明”等的需求有又极大地相继拉动了半导体光电子学的发展，不断丰富其内涵。
　　面对半导体光电子学在内容上不断深刻的变化，在和应用上不断迅速的扩大，20多年前所出版的《半导体光电子学》显然未能不可能客观反映其快速发展的步伐，因而拟用该书的第2版来弥补原书的不足。该书第2版曾被列为“九五”国家级规划教材，但由于教学、科研工作繁忙而未能如愿；后又将其列为国家“十五”规划教材，又恰因全力投入武汉光电国家实验室的筹建，使该书的修订工作撰写再次落空，甚至对能否完成该第2版一度失去信心。2010年，得到电子工业出版社的邀请与鼓励，决心完成《半导体光电子学》该书第2版的撰写工作。这绝不是非名利所驱使，一本教材无名利可谈，更何况我早已将个人名利置之度外。，只是深感有愧于曾热爱该书的读者。每当参加一些学术会议，常遇到一些未曾相识的年青朋友，他们谈及曾在《半导体光电子学》书中受益；直到今年还有几位年青学生来询问何处能得到该书；去年一位曾读过该书在美国深造的年青学者还特地到办公室来见我；有的学校在该书早已脱销情况下自行将该书翻印作为教材；以研究半导体科学著称的中科院半导体所长时间以该书作博士生入学考试的参考书，然而却又得不到该书。面对这些，我只有责任来完成该书的第2版。
　　《半导体光电子学》第2版与原书相比内容有较多增删，力求能反映半导体光电子学的一些主要进展。然而，即使如此，也难以跟上其快速发展的客观现实。其中还夹杂有作者主观浅见或偏见。本书有由原版的8章扩展至成10章。第2版对原版的第1-5章和原版的第7章（现第9章）只作了少量增删，第6、7、8、10章是根据半导体光电子学的进展，对原书第8章“发展中的半导体光电子学”中的相关节所作的扩展。鉴于可见光发射器件（激光器、发光二极管）在“白光照明”、光存储和光显示等方面的重要性，将原书4.6节:“可见光半导体激光器”改为“可见光发射器件”，并列入第8章。考虑到垂直腔表面发射激光器相对于通常的法布里-珀洛腔的端面发射是另一种谐振腔型和光发射方式，具有一些独特优点，而将其新增为4.6节.。
　　本书的构思概括如下：和原版相同，将半导体中电子与光子的相互作用，、光能与电能的相互转换贯穿全书始终。半导体光电子器件的功能是光子作用下电子在能带之间的跃迁的结果。因此在第一第1章中围绕这种“跃迁”展开，包括电子跃迁的形式、影响跃迁速率的诸多因素，不同跃迁方式产生的结果，如对半导体激光器和光放大器很重要的粒子发转条件、增益和损耗等。如读者有半导体物理、量子力学的基本知识。，就能很自如地理解和掌握。
　　第二第2章所介绍的异质结是增强电子与光子相互作用的一种基本结构，将电子和光子进行双重限制在作用区内，是半导体激光器能实现室温连续工作的突破口，现已成为绝大多数半导体光电子器件获得高量子效率的基础。在本书的后续各章都会涉及到。因异质结涉及到晶格匹配问题，第6章还谈到晶格失配应变对能带结构和光子-电子互作用的影响。如有一定的固体物理或晶体物理的背景知识背景，对盖章该章的理解会更深入。
　　第二第3章所介绍的平面光波导看起来似乎是光学的范畴。然而，有由半导体形成的异质结形成的光波导是限制光子行为的通道，在半导体光电子学中有着举足轻重的作用。它不但是绝大多数半导体光电子器件的功能作用区，而且是各器件间的互联互连光波导，在光子集成和光电子集成中起重要作用。
　　鉴于半导体激光器对整个半导体光电子学的发展起着举足轻重的重要作用和它在光纤信息技术等各个领域应用的广泛性，第四第4章和第五第5章分别阐述其结构和性能，从而可了解器件结构对性能的影响，即外因对内因的影响。不同器件结构都是基于加强光子和电子的相互作用而有利于提高器件的性能。
　　低维量子材料已成为目前半导体光电子器件的基础，是对电子自由度的限制。，是为当今许多高性能半导体光电子器件得以实现的前提。其所以安排在第6章是考虑承前启后，“有比较才有鉴别”。此前面4~5各章所涉及的是体材料，即异质结所限制的电子仍有三个自由度，对电子的限制只考虑了扩散长度而未计及对其自由度的限制，这种限制线度的量变将对第5章半导体激光器性能产生质的变化，该章也成为后面几章的基础。
　　相对光发射器件，光探测器显得较成熟，故对光探测器一章未作大的修改。第7、8、10章是当今半导体光电子学最具活力的几个方面，与之前面各章相互关联。须强调的是第10章阐述的光子集成或光电子集成始终是半导体光电子学发展的制高点，是关系到半导体光电子学器件的优化组合和兼容。该章所列仅为作者主观认为的相关潜在技术，仅供参考，也有待本领域的科技工作者不懈努力攀登的科技高峰，与集成电路相比，还与很多艰难和漫长的路要走。恳望广大读者极尽创新思维，勇攀光子集成高峰。
　　半导体光电子学的发展，既有本书各章涉及的一些理论问题，还有赖于半导体光电子材料的加工工艺。正如如没有先进的外延设备和工艺，超晶格和量子阱的理论将无法得到证实，也就没有今天的高性能半导体光电子器件。当今在半导体光电子学所取得的一些创新性成就，无不以其独特或完善的加工工艺为前提。这也是如要发挥量子点材料的优越性，还需有制备工艺的进一步突破。本书未涉及半导体光电子工艺的细节，是为遗憾之处。
　　《半导体光电子学》第2版最终问世，只能说了却了作者多年来的心愿。虽力求将该书表现得更完善一些，尽量能反映出半导体光电子学的最新进展成就，但限于作者的学术水平，定有许多不足和偏见之处，只能留下我此生难以弥补的遗憾。请读者予以谅解。
　　最后我要感谢所有曾阅读过原版《半导体光电子学》和关心本第2版出版社的读者和朋友们！是他们对我工作的肯定和鼓励才使我有完成这一夙愿该书第二版的决心和勇气。
　　感谢严莎女士、赵茗副教授为我手稿的计算机输入和整理所给予的无私帮助！
　　感谢华中科技大学对我从教50年的一贯支持和爱护！
　　感谢电子工业出版社、责任编辑竺南直博士的热情支持与配合！
　　作者于华中科技大学
　　2012年11月
　　作者于华中科技大学
　　2012年11月