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內容簡介

　　光子學是與電子學平行的科學。半導體光子學是以半導體為介質的光子學，專門研究半導體中光子的行為和性能，著重研究光的産生、傳輸、控製和探測等特性，進一步設計半導體光子器件的結構，分析光學性能及探索半導體光子係統的應用。《半導體光子學》分為13章，包括光子材料、異質結構和能帶、輻射復閤發光和光吸收、光波傳輸模式；超晶格和量子阱、發光管、激光器、探測器、光波導器件和太陽能電池等光子器件的工作原理；器件結構和特性以及光子晶體、光子集成等方麵。作者在中國科學院大學（原研究生院）兼職教學18年，《半導體光子學》以該課程的講義為基礎曆時3年寫成，力求對半導體光子學的基本概念、光子器件的物理內涵和前沿研究的發展趨勢作深入的描述和討論，盡可能地提供明晰的物理圖像和翔實的數據與圖錶。

目錄

序
前言
第1章 引言
1.1 信息時代的前沿學科——光子學
1.2 電子和光子的比較
1.3 半導體電子學的發展曆程
1.4 半導體光子學的發展曆程
1.5 本書的內容
參考文獻

第2章 半導體光子材料
2.1 引言
2.2 半導體光子材料
2.2.1 半導體光子材料的基本特性
2.2.2 半導體光子材料的晶體結構
2.3 半導體的晶格匹配和失配
2.3.1 臨界厚度
2.3.2 晶格失配度
2.4 半導體固溶體
2.5 重要的半導體固溶體
2.5.1 Alx-a1-xAs
2.5.2 -axIn1-xPyAs1-y
2.5.3 （Alx-a1-x）yIn1-yP
2.5.4 GexSi1-x
2.6 半導體光子材料的摺射率
2.7 結束語
參考文獻

第3章 半導體異質結構
3.1 引言
3.2 半導體異質結概念
3.3 能帶的形成
3.4 半導體異質結構的能帶圖
3.4.1 半導體的E-k關係能帶圖
3.4.2 安德森能帶模型
3.5 幾種異質結的能帶圖
3.5.1 異型異質結的能帶圖
3.5.2 異型突變異質結
3.5.3 緩變異質結
3.5.4 同型突變異質結
3.5.5 雙異質結
3.6 異質結的電學性質
3.6.1 異質結的伏-安特性
3.6.2 異質結的電容-電壓特性
3.6.3 異質結對載流子的限製作用
3.6.4 異質結的高注入比
3.6.5 異質結的超注入現象
3.7 異質結的光學特性
3.7.1 異質結對光的限製作用
3.7.2 窗口效應
3.8 結束語
參考文獻

第4章 介質波導
4.1 引言
4.2 光的反射和摺射
4.2.1 反射定律
4.2.2 摺射定律
4.2.3 反射率和透射率
4.2.4 布儒斯特定律
4.2.5 臨界角和全反射
4.3 電磁場理論
4.3.1 麥剋斯韋方程
4.3.2 波動方程
4.3.3 平麵波
4.3.4 有損耗的介質中的平麵波
4.4 輻射模?襯底模和波導模
4.5 平闆介質波導
4.5.1 全反射
4.5.2 波導條件
4.6 平闆介質波導中的TE模
4.6.1 對稱波導
4.6.2 偶階TE模式
4.6.3 奇階TE模式
4.7 矩形介質波導
4.8 古斯-漢欣位移
4.9 光的模式
4.1 0 結束語
參考文獻

第5章 半導體中的光發射和光吸收
5.1 引言
5.2 輻射復閤和非輻射復閤
5.2.1 輻射復閤
5.2.2 非輻射復閤
5.3 光輻射和光吸收的關係
5.3.1 光輻射和光吸收的基本概念
5.3.2 黑體輻射
5.3.3 愛因斯坦關係式
5.3.4 半導體中受激輻射的必要條件
5.3.5 淨受激發射的速率
5.3.6 兩個能級間的光吸收係數
5.4 躍遷幾率
5.4.1 費米黃金準則
5.4.2 矩陣元
5.5 半導體中的態密度
5.6 半導體中的光吸收和光發射
5.6.1 吸收係數
5.6.2 自發輻射和受激輻射速率
5.7 半導體中的光增益
5.8 結束語
參考文獻

第6章 半導體發光二極管
6.1 引言
6.2 pn結中的載流子分布
6.3 半導體pn結特性
6.3.1 熱平衡時的pn結特性
6.3.2 外加偏壓時的pn結特性
6.4 半導體發光二極管材料
6.5 發光二極管的工作原理
6.6 LED器件結構
6.7 高亮度發光二極管和超輻射發光二極管
6.7.1 高亮度發光二極管
6.7.2 超輻射發光二極管
6.8 發光二極管的特性
6.8.1 伏-安特性
6.8.2 P-I 特性
6.8.3 溫度特性
6.8.4 光譜特性
6.8.5 調製帶寬
6.8.6 發光效率綰統齬廡�率鏾ut
6.8.7 相乾特性
6.8.8 近場和遠場分布特性
6.8.9 調製特性和偏振特性
6.9 結束語
參考文獻

第7章 半導體激光器
7.1 引言
7.2 異質結對載流子和光波的限製
7.2.1 異質結對載流子的限製
7.2.2 波導對光波的限製
7.2.3 摺射率波導和增益波導
7.3 半導體激光器的工作原理
7.3.1 半導體受激發射物質
7.3.2 粒子數反轉
7.3.3 諧振腔
7.3.4 閾值條件
7.4 半導體激光器的基本結構
7.4.1 DH?LOC和SCH 激光器
7.4.2 條型激光器
7.5 半導體激光器的特性
7.5.1 P-I 和效率特性
7.5.2 閾值特性
7.5.3 效率特性
7.5.4 光譜和模式
7.5.5 近場圖和遠場圖
7.5.6 溫度特性
7.5.7 調製特性
7.5.8 退化和壽命
7.6 結束語
參考文獻

第8章 量子阱?分布反饋?垂直腔麵發射激光器和半導體光放大器
8.1 引言
8.2 超晶格和量子結構
8.2.1 超晶格和量子結構的基本概念
8.2.2 量子結構的能帶圖和態密度
8.2.3 單量子阱和多量子阱
8.2.4 應變量子阱
8.3 量子阱激光器
8.3.1 量子阱激光器的工作原理
8.3.2 應變量子阱激光器
8.3.3 量子阱激光器的特性
8.4 分布反饋激光器和分布布拉格反射激光器
8.4.1 布拉格光柵
8.4.2 DFB和DBR激光器的結構
8.4.3 光波耦閤理論
8.4.4 四分之一波長相移的DFB激光器
8.4.5 DFB激光器的特性
8.5 垂直腔麵發射激光器
8.5.1 多層介質膜反射器
8.5.2 VCSEL激光器的結構
8.5.3 VCSEL激光器的特性
8.6 半導體光放大器
8.6.1 半導體光放大器的結構
8.6.2 半導體光放大器的增益
8.6.3 半導體光放大器的噪聲
8.7 結束語
參考文獻

第9章 光波導器件
9.1 光波導中的模式的計算方法
9.1.1 束傳播法
9.1.2 時域有限差分法
9.1.3 薄膜匹配法
9.2 脊形波導的單模條件
9.2.1 矩形截麵脊形波導的單模條件
9.2.2 梯形截麵脊形波導的單模條件
9.2.3 納米波導的單模條件
9.3 矽基陣列波導光柵
9.3.1 羅蘭圓和AW-的結構
9.3.2 AW-的工作原理
9.3.3 AW-的特性
9.4 微環諧振器
9.4.1 微環諧振器的結構
9.4.2 微環諧振器的光學特性
9.4.3 光濾波器
9.5 光調製器/光開關
9.5.1 矽基波導的調製機理
9.5.2 矽基光開關/調製器的光學結構
9.5.3 光開關/調製器的電學結構
9.5.4 矽基微納光開關/調製器的特性
9.6 矽基光耦閤器
9.6.1 矽基光耦閤器的結構
9.6.2 模斑變換器
9.6.3 棱鏡耦閤器
9.6.4 光柵耦閤器
9.7 結束語
參考文獻

第10章 半導體光電探測器
10.1 半導體中的光吸收
10.1.1 吸收係數
10.1.2 帶間本徵光吸收
10.1.3 自由載流子光吸收
10.2 pn結光電二極管
10.3 pin光電二極管
10.4 雪崩光電二極管
10.5 RCE光電探測器
10.6 MSM 光電二極管
10.7 半導體光電探測器的性能
10.7.1 量子效率和響應度
10.7.2 雪崩倍增因子M
10.7.3 暗電流和信噪比
10.7.4 響應時間
10.8 結束語
參考文獻

第11章 太陽能電池
11.1 太陽能——最好的能源
11.2 太陽能電池工作原理
11.2.1 光伏效應
11.2.2 太陽能電池的電流-電壓特性
11.2.3 光伏效應同材料的關係
11.2.4 太陽能電池的效率
11.3 矽太陽能電池
11.4 非晶矽薄膜太陽能電池
11.4.1 非晶矽薄膜的結構和電子態
11.4.2 非晶矽薄膜的光學特性
11.4.3 非晶矽和非晶鍺矽電池
11.5 其他矽基太陽能電池
11.5.1 非晶矽/微晶矽疊層電池
11.5.2 矽量子點電池和黑矽電池
11.6 聚光多結太陽能電池
11.6.1 多結太陽能電池的結構
11.6.2 多結太陽能電池的特性
11.7 太陽能電池的發展趨勢
11.8 結束語
參考文獻

第12章 半導體光子晶體
12.1 光子晶體
12.1.1 光子晶體概念
12.1.2 光子晶體的特性
12.2 光子晶體能帶的計算
12.2.1 基於Bloch理論的平麵波展開法
12.2.2 時域有限差分法
12.2.3 超元胞法
12.2.4 計算舉例——負摺射效應
12.3 光子晶體的應用
12.3.1 光子晶體的能帶同器件的關係
12.3.2 光子晶體波導
12.3.3 光子晶體分束器和定嚮耦閤器
12.3.4 光子晶體濾波器
12.3.5 光子晶體光開關/調製器
12.3.6 光子晶體發光器件
12.4 光子晶體的製備
12.5 結束語
參考文獻

第13章 半導體光子集成
13.1 信息時代需要光子集成
13.2 光子集成的平颱
13.2.1 InP平颱和Si平颱的比較
13.2.2 SOI
13.3 光子集成的關鍵技術
13.3.1 外延生長技術
13.3.2 微納加工技術
13.3.3 鍵閤技術
13.4 矽基光子集成
13.4.1 矽基光子集成方式
13.4.2 矽基光波導器件陣列
13.4.3 矽基光子集成的光源和探測
13.5 光子集成的發展趨勢
參考文獻
索引

精彩書摘

　　《半導體光子學/中國科學院大學研究生教材係列》：
　　第1章 引言
　　1.1 信息時代的前沿學科——光子學
　　在科學史上，20世紀是值得大書特書的曆史時期，是人類文明史中的輝煌時代。簡單地劃分一下，20世紀的前五十年中，物理學研究獲得特彆重大的突破，以愛因斯坦相對論為代錶的理論研究和以居裏夫婦的放射性探索為代錶的科學實驗為人類開闢瞭新的紀元。20世紀的後五十年中，應用科學的研究和開發獲得特彆重大的突破，晶體管、集成電路和激光器的發明大大加速瞭信息的傳輸速度和各種控製的精確度，徹底地改變瞭人類社會的工作模式和生活方式，人類從此進入瞭一個高速發展的時期。
　　圖1-1是20世紀的著名物理學傢們聚會時的一張閤影，這是一張非常珍貴的照片。照片中留下瞭愛因斯坦、居裏夫人、普朗剋、洛倫茲、朗之萬、居伊、威爾遜、德拜、布拉格、狄拉剋、康普頓、德布羅意、玻恩、玻爾、薛定諤、泡利、布裏淵等人的身影。凡是學過物理學的人都熟悉他們的名字，學習過以他們的名字命名的定理、定律或物理量單位。這從一個側麵說明，在他們所處的年代，物理學在基礎理論方麵獲得瞭特彆重大的進展，真正是群星燦爛、熠熠生輝。
　　麥剋斯韋、玻爾茲曼、愛因斯坦、布拉格、狄拉剋、康普頓、德布羅意、玻爾、薛定諤、泡利、布裏淵等科學傢創建的電磁學、量子力學和相對論等理論，使人們對物質世界的本質和運動規律有瞭深刻的理解和認識，使得人類對物質世界的利用和改造變得越來越快。這些基礎科學和應用科學的研究引發瞭電子技術、能源技術和自動化技術等領域劃時代的革命性飛躍。集成電路、激光器、計算機與光通信的發展把人類社會的物質文明推進到前所未有的高度，為新世紀的持續發展奠定瞭堅實雄厚的基礎。作為信息與能量的載體，電子在科學技術的發展中作齣瞭曆史性的巨大貢獻，科學傢和工程師們常把20世紀稱為“電子時代”。同樣地，作為信息與能量的載體，光子必將在21世紀的科學技術的發展中作齣曆史性的巨大貢獻。
　　1906年首次齣現“光子學”（photonics）這一物理學名詞，最早提齣“光子學”的科學傢就是舉世聞名的物理學傢愛因斯坦（Einstein）。1952年文獻中開始使用“光子學”一詞。1970年荷蘭科學傢Poldervaart將“光子學”定義為“研究以光子為信息載體的科學”，之後，他認為“以光子作為能量載體的科學”也屬於光子學的研究內容。1982年美國的Spectra 雜誌更名為Photonics-Spectra，即由“光譜”更名為“光子學-光譜”，這是最早以“光子學”為期刊名字的雜誌，該刊物提齣光子學是研究如何産生量子化的光子或其他輻射並加以利用的科學，光子學的應用範圍包括能量的發生到通信與信息處理等。貝爾實驗室Ross博士認為，“電子學是關於電子的科學”，光子學則應是“關於光子的科學”。我國老一輩科學傢錢學森院士提齣，“光子學是與電子學平行的科學”，它主要“研究光子的産生、運動和轉化”，還首次提齣瞭“光子學-光子技術-光子工業”的發展模式。
　　顯而易見，光子既是信息的載體，也是能量的載體。光子學就是研究作為信息載體和能量載體的光子的行為及其應用的科學；光子學研究光子與物質（包括光子自身、電子、原子、分子、各種生命活體等）的相互作用，在此基礎上進一步發掘作為信息載體與能量載體的光子的功能和相關應用[1，2]。
　　廣義而言，光子學是研究光子的産生、輸運、控製、反應、探測、接收等過程及其應用的科學。理論上，光子學主要研究光子的量子特性，同各類物質（包括分子、原子、電子以及光子自身）的相互作用，各類效應及其規律；應用上，光子學研究利用光子進行信息傳輸和能量傳輸的各種器件和係統，以便在信息和能源等領域中獲得廣泛的應用[3-5]。
　　光子學是一門實用性極強的學科，已經形成瞭一係列的光子技術，如激光、光縴傳輸、光調製與光開關、光存儲、光探測、光顯示、太陽能的利用等技術。因此光子學不僅是一門基礎科學，同時還是一門應用性極強的技術科學[6，7]。
　　作為一門新興學科，光子學正處於成長時期，將進一步發展、充實、完善。事實上，光子學已經形成瞭光産業，激光器、探測器、調製器、光開關、光盤、顯示器、太陽能電站及其各種光電係統等具有很大的市場，這些産品在工農業生産、國防建設、太陽能利用、儀器設備、傢用電器等應用中發揮著巨大的作用，已經形成瞭一項市場很大的新興産業，即光産業。人們越來越認識到，光産業在世界經濟中的份額正在不斷地擴大。
　　在光子學的發展過程中，已經形成諸多活躍的和重要的研究領域：信息光子學[8]、半導體光子學[9，10]、量子光子學[11]、分子光子學[12]、生物光子學[13]、非綫性光子學[14]、導波（光縴）光子學[4，5]、超快光子學[15]等。它們構成光子學中的多個分支學科，並對光子學及光子技術起著推動和促進的作用。
　　20世紀，電子作為信息的載體和能量的載體構成信息領域和能源領域的主要特徵和標誌，人們常常將20世紀稱為“電子時代”。進入21世紀之後，電子學和光子學互為支撐、互為補充、互為轉換，構成21世紀信息社會的時代特徵。21世紀信息大爆炸，信息的産生、傳遞、接收、應用變得更為廣泛、深入，人們將21世紀稱為“信息時代”。顯而易見，電子學和光子學同為信息時代的重要支柱[16-18]。
　　繼電子學之後，光子學與信息科學的交叉形成一門新興的學科——信息光子學（informationphotonics）[8]，光子學及光子信息科學技術具有許多不同於電子學的新效應、新特性，因而具有許多不同於電子學的優越性。作為專門研究信息的信息光子學，它涉及領域很廣，它是由材料學、計算科學、通信學等許多學科相互交叉形成的一門新學科。在廣播、通信、計算機、化工、醫療等應用領域中信息是載體，通過光的發射、傳播、吸收、散射，可以探測並研究物理信息、化學信息、生物信息、醫學信息等，因而可以實現許多應用。
　　近年來生物學和生命科學變得越來越熱門，它們是光子學的又一個重要應用領域。光與生命具有不解之緣，自然界中有光纔有生命。人類與光親密相伴，光為人體提供瞭各種能源和信息。生物醫學光學與光子學驟然興起，並引發齣一門新興的學科———生物光子學（bio-photonics）[13]，它是由光子學同生命科學相互交叉、相互滲透所形成的一門新興的交叉學科。
　　生物光子學是利用光子研究生命的科學，主要以量子光學作為理論基礎，以生命係統的弱光及超弱光子輻射作為實驗手段，探測生物中的光子行為和特性，獲得各種生物信息。生物光子學研究生物係統中以光子形式儲存和釋放的能量，探測生物係統中光子的行為和特性，探索光子攜帶的生物信息和功能信息，進而錶徵生物係統的結構與特徵，揭示生物組織和生命體的自組織、自相似、自調節、自適應和遺傳性狀等的光物理本質，使生命科學直接深入到物質結構的深層次以及生命體相互作用的微觀機製和物理本質，建立和發展以新陳代謝作用為主要特徵和標誌的生物光子學理論，同時還可以利用光子對生物係統進行加工與改造。
　　同信息光子學、生物光子學等相似，量子光子學、分子光子學、非綫性光子學、超快光子學等光子學分支都有它們的研究領域和內容，我們不再對它們進行定義和深入的解釋。
　　本書講解的主要內容是半導體光子學，這是以半導體材料為介質的光子學，它專門研究光子在半導體材料中的行為和特性，著重研究光在半導體中的産生、傳輸、控製和探測等特性，進一步設計半導體光子器件的結構並分析其光學性能、探索半導體光子係統和應用，我們將對這些內容進行詳細的描述和深入的討論。
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前言/序言

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