半导体光子学  051M4078H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:余金中
授课时间: 星期三, 第1、2节
授课地点: 教1-230
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
授课时间: 星期一, 第1、2节
授课地点: 教1-230
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 051M4078H 课时: 60 学分: 4.0
课程属性: 专业核心课 主讲教师:余金中
英文名称: Semiconductor Photonics

教学目的、要求

《半导体光子学》是为国科大物理电子学、微电子、光学工程、材料、通信、物理等专业的研究生开设专业核心课程,适合在信息领域的研究生学习,为学生进入研究所从事科研工作之前打下坚实的专业基础。
2012 年该课程评选为国科大数字精品课程。2015年由科学出版社出版了教材书籍《半导体光子学》,要求学生购买该书,便于课后深入学习。

预修课程

要求学生具有电磁学、电动力学等课程的基础知识。如果具有固体物理和半导体物理知识则更好。

教 材

余金中,《半导体光子学》,科学出版社,北京,2015。

主要内容

主要内容:
“光子学是与电子学平行的科学”。半导体光子学是以半导体为介质的光子学,它专门研究半导体中光子的行为和性能,着重研究光的产生、传输、控制和探测等特性,进一步设计半导体光子器件的结构和分析光学性能、探索半导体光子系统的应用。
《半导体光子学》60 学时,共13章,主要内容为: 全面地介绍半导体光子学基础理论、应用和发展趋势;着重介绍各种光子器件的结构、工作原理和特性,包括半导体发光器件(发光二极管和激光器)、探测器、光波导、光开关/光调制器、半导体光子晶体、太阳能电池等以及半导体光子集成。
本课程十三章,包括光子材料、异质结构和能带、辐射复合发光和光吸收、光波传输模式、超晶格和量子阱、发光管、激光器、探测器、光波导器件和太阳能电池等光子器件的工作原理、器件结构和特性以及光子晶体、光子集成等。

课程进度
第一章 引言                                     3学时
第二章 半导体光子材料                           6学时
第三章 半导体异质结构                           6学时
第四章 介质波导                                 6学时
第五章 半导体中的受激发射                       6学时
第六章 半导体发光二极管(LED)                  3学时
第七章 半导体激光器的基本结构和特性             4学时
第八章 分布反馈、量子阱和垂直腔面发射激光器     5学时
第九章 半导体光波导器件                         6学时
第十章 半导体光电探测器                         5学时
第十一章 半导体太阳能电池                       4学时
第十二章 光子晶体                               3学时
第十三章 半导体光电子集成                       3学时

《半导体光子学》课程目录
 第一章 引言
1.1 半导体光子学发展史
1.2 半导体光子学的现状和发展趋势
1.3 本书内容
第二章 半导体光子材料
2.1半导体光子材料
2.1.1半导体光子材料的基本特性
2.1.2半导体光子材料的晶体结构
2. 2半导体的晶格匹配和失配 
2.3半导体固溶体
2.4 重要的半导体固溶体 
2.4.1 AlxGa1-xAs
2.4.2 GaxIn1-xPyAs1-y 
2.4.3 (AlxGa1-x)yIn1-yP 
2.4.4 GexSi1-x 
2.5半导体光子材料的折射率
第三章 半导体异质结构
3.1半导体异质结概念
3.2能带的形成
3.3半导体异质结构的能带图 
3.3.1半导体的E-k关系能带图
3.3.2安德逊(Anderson)能带模型
3.4 几种异质结的能带图
3.4.1 异型异质结的能带图
3.4.2 异型突变异质结
3.4.3 缓变异质结[ 
3.4.4 同型突变异质结
3.4.5 双异质结
3.5 异质结的电学性质
3.5.1 异质结的伏-安特性 
3.5.2异质结的电容-电压特性 
3.5.3 异质结对载流子的限制作用
3.5.4异质结的高注入比 
3.5.5异质结的超注入现象
3.6异质结的光学特性 
3.6.1异质结对光的限制作用
3.6.2窗口效应
第四章 介质波导
4.1 光的反射和折射
4.2辐射模、衬底模和波导模
4.3平板介质波导
4.4电磁场理论
4.4.1麦克斯韦(Maxwell)方程 
4.4.2 波动方程 
4.4.3 平面波
4.4.4有损耗的介质中的平面波
4.5 平板介质波导中的TE模 
4.5.1 对称波导
4.5.2 偶阶TE模式
4.5.3 奇阶TE模式
4.6矩形介质波导 
4.7古斯-汉欣(Goos-Hänchen)位移和波导有效厚度
4.8光的模式
第五章 半导体中的受激发射
5.1 辐射复合和非辐射复合
5 .1.1 辐射复合
5.1.2 非辐射复合
5.2光辐射和光吸收的关系
5.2.1 光辐射和光吸收的基本概念
5.2.2黑体辐射
5.2.3 爱因斯坦关系式
5.2.4 半导体中受激辐射的必要条件
5.2.5 净受激发射的速率
5.2.6 两个能级间的光吸收系数
5.3 跃迁几率
5.3.1费米黄金准则
5.3.2矩阵元
5.4半导体中的态密度
5.5半导体中的光吸收和光发射
5.5.1吸收系数
5.5.2自发辐射和受激辐射速率
5.5半导体中的光增益
第六章 半导体发光二极管(LED)
6.1  引言
6.2  能带图和伏-安特性
6.3  发光二极管的分类
6.4  发光二极管的工作原理
6.5  发光二极管材料
6.6  发光二极管器件结构
6.7  超辐射发光二极管
6.8  发光二极管的特性
6.9  发光二极管的发展趋势
第七章 半导体激光器的基本结构和特性
7.1 激光器的分类
7.2 激光二极管的基本结构
7.2.1 x方向的载流子限制和光限制
7.2.2 y方向的载流子限制和光限制
7.3 光限制因子
7.4 激光二极管的特性
7.4.1 阀值特性
7.4.2激光二极管的效率
7.4.3激光二极管的远场特性
7.4.4激光二极管的模式特性
第八章 分布反馈、量子阱和垂直腔面发射激光器
8.1 DFB(分布反馈激光)激光器
8.1.1 器件结构
8.1.2 耦合波理论
8.1.3 DFB 激光器的特性
8.2 QW(量子阱)激光器
8.2.1 超晶格与量子阱
8.2.2 量子化能级和子带
8.2.3 阶梯状态密度分布
8.2.4 量子阱激光器工作原理
8.2.5 单量子阱(SQW)和多量子阱(MSQ)
8.2.6 量子阱激光器的特性
8.3 VCSEL(垂直腔面发射激光器)
8.3.1 多层介质膜的反射率
8.3.2 阀值电流
8.3.3 量子效率
8.3.4 纵模行为
第九章半导体光波导器件
9.1 引言
9.2 AWG 
9.2.1 AWG工作原理
9.2.2 AWG 器件结构
9.2.3 AWG特性
9.3 光开关和调制器
9.3.1 光波开关和调制器结构
9.3.2 光开关和调制器特性
9.4 其它光波导器件
第十章 半导体光电探测器
10.1 光电探测器的材料
10.2 探测器结构和工作原理
10.2.1 PIN
10.2.2 APD
10.2.3 MSM
10.3 探测器性能
10.3.1 响应度
10.3.2 信噪比和暗电流
10.3.3 响应时间
10.3.4 雪崩倍增噪声
第十一章 半导体太阳能电池
11.1 光伏效应
11.2 半导体太阳能电池的材料
11.3 半导体太阳能电池工作原理
11.4 半导体太阳能电池结构
11.4.1 单结太阳能电池
11.4.2 多结太阳能电池
11.5 半导体太阳能电池性能
11.6 半导体太阳能电池发展趋势
第十二章 光子晶体
12.1光子晶体的内涵
12.2光子晶体的分类与制备
12.3光子晶体的物理属性与功能应用
12.4光子晶体的基础研究与发展前景
12.5结论
第十三章 半导体光电子集成
13.1 引言
13.2 几种半导体光电子集成结构
13.3 半导体光电子集成特性
13.4 半导体光电子集成发展趋势

参考文献