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本书结合多年教学实践，从基础性、实用性和先进性出发，以“理论-器件-应用”为脉络，系统阐述了半导体光电子学的基础理论及相关器件。介绍了半导体物理基础，讨论了半导体中光子和电子相互作用、光能和电能相互转换，详细介绍了半导体光源、光放大器和光电探测器的结构、基本原理、特性、应用及设计案例。全书共分7章，主要内容包括：半导体物理基础、半导体中光子与电子的相互作用、半导体发光二极管、半导体激光器工作原理及类型、半导体激光器的性能及应用、半导体放大器、半导体光电探测器。本书可作为光电信息科学与工程、电子科学与技术、微电子科学与工程等专业高年级本科生及研究生的基础教材，也可供相关领域的工程技术人员学习参考。

目    录

第1章  半导体物理基础	1
1.1　半导体中的电子状态	1
1.1.1　半导体中的电子状态和
能带	1
1.1.2　半导体中电子的运动　
有效质量	5
1.1.3　本征半导体的导电机构　
空穴	7
1.1.4　常用半导体的能带结构	7
1.1.5　半导体中杂质和缺陷
能级	13
1.2　半导体中载流子的统计分布	16
1.2.1　态密度	16
1.2.2　载流子的统计分布　
费米能级	17
1.2.3　半导体的载流子浓度	19
1.3　半导体的导电性	24
1.3.1　载流子的漂移运动　
迁移率	24
1.3.2　电导率	25
1.4　非平衡载流子	25
1.4.1　非平衡载流子的注入与
复合	25
1.4.2　非平衡载流子的寿命	26
1.4.3　准费米能级	27
1.4.4　载流子的扩散运动	28
1.4.5　载流子的漂移扩散　
爱因斯坦关系式	31
1.4.6　连续性方程式	32
1.5　pn结	33
1.5.1　pn结及其能带图	33
1.5.2　pn结电流电压特性	37
1.6　异质结	42
1.6.1　异质结及其能带图	42
1.6.2　异质结对载流子的限制	46
习题1	46
参考文献	47
第2章  半导体中光子与电子的相互作用	48
2.1　半导体中的跃迁过程	48
2.1.1　带间跃迁	48
2.1.2　其他跃迁	50
2.1.3　三种与光有关的带间
量子跃迁	50
2.1.4　跃迁几率	51
2.2　光子密度分布与能量分布	52
2.3　跃迁速率　爱因斯坦系数的
关系	54
2.3.1　跃迁速率	54
2.3.2　爱因斯坦系数的关系	55
2.3.3　净受激辐射速率	55
2.3.4　粒子数反转条件	57
2.4　半导体中的光吸收	58
2.4.1　本征吸收	58
2.4.2　非本征吸收	61
2.5　半导体中的载流子复合	63
2.5.1　辐射复合	64
2.5.2　非辐射复合	66
习题2	71
参考文献	71
第3章  半导体发光二极管	72
3.1　概述	72
3.2　半导体发光二极管的结构与
原理	73
3.2.1　同质结LED	73
3.2.2　异质结LED	80
3.3　半导体发光二极管的性能	82
3.3.1　LED的效率	82
3.3.2　LED的P-I特性	82
3.3.3　LED的光谱特性	83
3.3.4　LED的瞬态响应	83
3.3.5　LED的温度特性	86
3.3.6　LED的可靠性及寿命	87
3.4　半导体发光二极管的材料和
设计	87
3.4.1　由辐射效率选择LED
材料	87
3.4.2　由辐射波长选择LED
材料	87
3.4.3　由异质结晶格匹配选择
LED材料	88
3.4.4　衬底材料的选择	89
3.4.5　由异质结光波导效应
选择LED材料	89
3.4.6　LED的结构设计	89
3.5　先进结构半导体发光二极管	90
3.5.1　芯片变形	90
3.5.2　背部反射	91
3.5.3　表面粗化	91
3.5.4　图案化衬底	92
3.5.5　芯片倒装	93
3.6　半导体发光二极管的应用	94
3.6.1　在光通信中的应用	95
3.6.2　在显示中的应用	97
3.6.3　在照明中的应用	98
3.7　提高LED光提取效率的设计案例
—圆顶封装的倒装AlGaN基深
紫外LED结构设计	99
习题3	104
参考文献	104
第4章  半导体激光器工作原理及类型	105
4.1　概述	105
4.2　光子在半导体激光器光学谐振腔
内的振荡	106
4.2.1　半导体激光器的基本结构
和原理	106
4.2.2　半导体激光器的增益	107
4.2.3　半导体激光器的阈值
条件	109
4.3　基于电子状态调控的半导体
激光器类型	114
4.3.1　基于横向限制的半导体
激光器	115
4.3.2　基于侧向限制的半导体
激光器	118
4.4　基于光子状态调控的半导体
激光器类型	122
4.4.1　F-P腔半导体激光器	122
4.4.2　DFB半导体激光器	123
4.4.3　VCSEL半导体激光器	128
4.5　低维半导体激光器	131
4.5.1　低维量子结构及其基本
理论和特点	131
4.5.2　应变效应	138
4.5.3　低维量子激光器	140
习题4	143
参考文献	144
第5章  半导体激光器的性能及应用	146
5.1　半导体激光器的性能	146
5.1.1　半导体激光器的阈值
特性	146
5.1.2　半导体激光器的效率	150
5.1.3　半导体激光器的远场
特性	151
5.1.4　半导体激光器的模式
特性	153
5.1.5　半导体激光器的光谱
特性	157
5.1.6　半导体激光器的瞬态
特性	159
5.1.7　半导体激光器的退化和
失效	167
5.2　半导体激光器的应用	169
5.2.1　在光纤通信领域中的
应用	169
5.2.2　在军事领域中的应用	171
5.2.3　在工业领域中的应用	173
5.2.4　在医学领域中的应用	174
5.3  低阈值单模近红外量子点激光器的
研制案例—基于Ag2Se量子点的
自组装激光器的研制	176
习题5	180
参考文献	181
第6章  半导体光放大器	183
6.1　概述	183
6.2　半导体光放大器的基本原理	184
6.3　半导体光放大器的性能	186
6.3.1　半导体光放大器的增益
特性	186
6.3.2　半导体光放大器的非线性
效应	189
6.3.3　半导体光放大器的噪声
特性	190
6.3.4　半导体光放大器的耦合
特性	191
6.4　先进的半导体光放大器	192
6.4.1　张应变体材料半导体光
放大器	192
6.4.2　量子阱半导体光放大器	193
6.4.3  量子点半导体光放大器	195
6.5　半导体光放大器的应用展望	198
6.5.1　在光纤通信传输中的
应用	198
6.5.2　在全光信号处理中的
应用	199
6.6　提高SOA耦合效率的设计案例
—束状集成波导SOA与无源
测试结构的设计	202
习题6	207
参考文献	207
第7章  半导体光电探测器	208
7.1　光电探测器的物理效应和分类	208
7.1.1　光电效应	209
7.1.2　光热效应	211
7.1.3　光电探测器的分类	211
7.2　光电探测器的材料及性能参数	212
7.2.1　光电探测器材料的选择	212
7.2.2　光电探测器的性能参数	213
7.3　PD光电二极管	218
7.3.1　PD光电二极管的结构及
工作原理	218
7.3.2　PD光电二极管的光
电流	219
7.3.3　PD光电二极管响应速度的
影响因素	222
7.4　PIN光电探测器	222
7.4.1　PIN光电探测器的结构及
工作原理	222
7.4.2　光电流的计算	223
7.4.3　PIN光电探测器的频率
特性	224
7.4.4　PIN光电探测器的材料及
器件设计	228
7.5　雪崩光电探测器	228
7.5.1　半导体中的雪崩效应	228
7.5.2　APD的结构和工作原理	229
7.5.3　APD的倍增过程	230
7.5.3　APD的工作特性	234
7.5.4　新型APD	237
7.6　光电导探测器	239
7.6.1　光电导探测器的结构和
工作原理	239
7.6.2　光电导探测器的改进
结构	242
7.7　光电池	242
7.7.1　光电池的结构和工作
原理	242
7.7.2　光电池的基本性能	243
7.7.3　新型太阳能电池	247
7.8　半导体光电探测器的应用	251
7.8.1　在光纤通信中的应用	251
7.8.2　在激光雷达中的应用	252
7.8.3　在军事中的应用	253
7.8.4　在自动化控制中的应用	255
7.8.5　在环境监测和报警中的
应用	256
7.8.6　在绿色能源领域的应用	258
7.9　高增益带宽积硅锗APD的设计案例
—基于L形SACM结构和阻抗
谐振的硅锗APD	259
习题7	264
参考文献	267

前    言
在信息化与智能化浪潮席卷全球的今天，光电子技术已成为推动人类文明进步的基石之一，深刻改变了人类社会生产与生活的方方面面。半导体光电子学是光电子技术主要的理论基础，是研究半导体中光子与电子相互作用、光能与电能相互转化的一门科学，广泛应用于光纤通信、光伏发电、激光雷达、精密探测、智能控制、医学诊断等信息和能源领域。掌握半导体光电子学的基础理论，具备研究相关器件的能力，可以更好地推进光电子技术的发展和创新。
为了及时反映半导体光电子学及其应用的发展，进一步加强半导体光电子学的教学和科学研究工作，我们本着“突出概念、透彻原理、注重应用、引导创新”的精神，编写了这本《半导体光电子学及其应用》教材，力求适用于我国普通高校相关工科专业《光电子学》课程。
本书首先介绍了半导体物理基础和半导体中光子与电子的相互作用，然后系统阐述典型半导体光电子器件的结构、原理、特性与应用，旨在为读者构建半导体光电子学的理论体系及应用体系。全书共分为七章，第1章为半导体物理基础，重点介绍半导体能带理论、载流子输运机制、pn结特性及异质结概念，为后续器件的学习奠定物理基础；第2章为半导体中光子与电子的相互作用，介绍半导体中的跃迁过程及其影响因素、半导体中的光吸收和载流子复合，揭示光电转换的微观本质；第3章为半导体发光二极管，介绍半导体发光二极管的结构、原理、性能和先进结构，并探讨其在光通信、显示和照明中的应用；第4章为半导体激光器的工作原理及类型，分析受激发射条件、阈值特性、半导体激光器类型和低维半导体激光器的结构；第5章为半导体激光器的性能和应用，介绍半导体激光器的特性，包括阈值特性、效率、远场特性、模式特性、光谱特性等，并介绍半导体激光器在光纤通信、军事、工业、医疗等领域的应用；第6章为半导体光放大器，讨论半导体光放大器的基本原理、性能，介绍多种先进半导体光放大器，探讨半导体光放大器在光纤通信和全光信号处理中的应用；第7章为半导体光电探测器，介绍光电探测器的物理效应、性能，分析半导体光电二极管、PIN光电探测器、雪崩光电探测器、光电导探测器等的原理和性能，以及光电池的原理和特性，并介绍半导体光电探测器在光纤通信、激光雷达、军事、自动化控制、环境监测、绿色能源等方面的应用。在第3、5~7章中分别给出了半导体光源、光放大器、光电探测器的创新设计案例。
通过学习本书，你可以获得：
半导体光电物理基础知识。能够系统理解能带理论、载流子统计分布，以及光子-电子相互作用的量子跃迁过程、光增益与吸收的微观物理机制，并用于半导体光电子器件问题的表述。
半导体光电子器件核心理论。能够系统理解半导体发光二极管、激光器、光放大器和光电探测器的结构设计与关键性能参数的物理关联，并用于半导体光电子器件解决方案的比较与综合。
半导体光电理论建模能力。能够基于半导体光电物理基础和半导体光电子器件核心理论，构建光子-电子相互作用动力学模型，用于推演、分析半导体光电子器件问题，为光电子器件的设计提供理论支撑。
半导体光电子器件设计与优化能力：了解各种半导体光电子器件的应用及其不同应用场景下的性能需求。根据不同的应用，能够进行器件结构设计、关键性能参数优化和性能分析，解决半导体光电子器件中的复杂工程问题。
创新意识和能力。能够发现半导体光电子器件的不足或问题，并通过分析，提出具有创新性的解决方案，推动光电子器件的发展。
本书语言简明扼要，通俗易懂，具有很强的基础性、实用性和先进性；立足于编者及所属科研教学团队二十余年的科研积淀与教学实践，旨在构建系统性、实用性与前沿性并重的知识框架；从半导体能带理论出发，循序渐进地阐释光与物质相互作用的物理机制，并通过“理论-器件-应用”的多维视角，完整呈现半导体光电子器件的理论框架与技术脉络。此外，每一章都附有丰富的习题，并且也提供了思维导图，供读者练习和巩固所学知识。
本书可作为光电信息科学与工程、电子科学与技术、微电子科学与工程等专业高年级本科生及研究生的基础教材，也可供相关领域的工程技术人员学习参考。
在实际教学中，可以根据教学对象和学时等具体情况对书中的内容进行删减和组合，也可以进行适当扩展，参考学时为32~64学时。
本书第1、2、6章由李培丽编写，第3章由蒋建编写，第4、5章由施伟华和廖晨编写，第7章由邹建华编写。全书由李培丽统稿。感谢所属科研教学团队的2020~2023级研究生为本教材的撰写给予的帮助。电子工业出版社的编辑们为本书的出版做了大量工作，在此一并表示感谢！
本书的编写过程中，参阅了大量近年来出版的相关著作、文献和技术资料，同时吸取了许多专家和同仁的宝贵经验，在此向他们表示诚挚的感谢。特别感谢陈鹤鸣教授在本书整个编撰过程中给予的悉心指导和鼓励。
本教材的编写，深受黄德修先生的半导体光电子系列著作的启发，借鉴了其中精辟的分析与独到的见解。黄德修先生作为半导体光电子领域的先驱与泰斗，其深厚的学术造诣、严谨的科学态度以及对教育事业的无私奉献，为我们树立了光辉的榜样。在此，我们谨向黄德修先生致以深深的敬意与感谢！
由于半导体光电子领域发展迅速，编者学识与水平有限，书中难免存在一些误漏之处，恳请广大读者批评指正。

李培丽，博士，教授，南京邮电大学光电工程学院副院长，国内外权威学术期刊的审稿人，中国光学学会全息与光信息处理专委会委员。。在教学方面，先后为本科生主讲"光电子学”"光电子器件”等课程，为研究生主讲"光学工程前沿进展”"光网络新技术及应用”等课程。作为光电信息科学与工程专业负责人，积极指导专业建设并进行教学改革。主持完成1项电子信息类专业教指委研究项目、1项江苏省学位与研究生教育学会学位授予质量研究课题研究项目、1项江苏省研究生教育教学研究与实践课题1项和2项南京邮电大学校级教改项目；发表教学研究论文6篇。在科研方面，主要研究方向为全光网中的信号处理与光通信器件。先后主持国家自然科学基金项目2项，省部级科研项目3项，作为主要研究成员参与包括973、863计划在内的项目多项。在国内外权威学术期刊和国际学术会议上发表论文70余篇，授权国家发明专利10项。

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半导体光电子学及应用