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1、半导体光电子学半导体光电子学(绪论绪论)绪绪 论论一、课程介绍一、课程介绍二、光电子学及其发展二、光电子学及其发展三、光电子器件及其应用三、光电子器件及其应用n 地位作用地位作用n 课程性质课程性质n 考核性质和方式考核性质和方式n 作业作业n 成绩评定成绩评定一、课程介绍一、课程介绍（非常重要）（非常重要）（专业基础课，必修）（专业基础课，必修）（闭卷）（闭卷）（平时（平时:考试考试 30:7030:70）u 教材教材:半导体光电子学半导体光电子学，黄德修，电子科技大学出版，黄德修，电子科技大学出版 社，社，20132013 u 参考资料参考资料:光电子学教程光电子学教程，张季熊，华南理工大
2、学，张季熊，华南理工大学 出版社，出版社，20012001 固体光电子学固体光电子学，傅竹西，中国科技大学，傅竹西，中国科技大学 出版社，出版社，2012 2012 光电子学（第二版）光电子学（第二版），马养武，马养武 王静环王静环 包成芳包成芳 鲍超，浙江大学出版社，鲍超，浙江大学出版社，20042004 绪论绪论第第1 1章章 半导体中光子半导体中光子-电子的互作用电子的互作用第第2 2章章 半导体激光器的结构和原理半导体激光器的结构和原理 第第3 3章章 半导体激光器的性能半导体激光器的性能 第第4 4章章 半导体中的光吸收和光探测器半导体中的光吸收和光探测器第第5 5章章 半导体光放大
3、器半导体光放大器 课程主要内容课程主要内容二、光电子学及其发展二、光电子学及其发展1.1.什么是什么是半导体光电子学？半导体光电子学？是研究是研究半导体中半导体中光子光子与与电子电子相互作用、相互作用、光能光能与与电能电能相互转换的一门科学；相互转换的一门科学；由光学和电子学相结合而形成的新技术学科。由光学和电子学相结合而形成的新技术学科。涉及涉及量子力学量子力学、固体物理固体物理、半导体物理半导体物理等一些基础物理；等一些基础物理；关联着半导体光电子材料及其相关器件；关联着半导体光电子材料及其相关器件；半导体光电子学的半导体光电子学的内涵内涵远超出半导体光学或半导体中的远超出半导体光学或半导
4、体中的 光学性质。光学性质。即不是简单地研究将光作用到半导体上所产生的物理现即不是简单地研究将光作用到半导体上所产生的物理现 象，也研究半导体中电子对光子的反作用和能动性。象，也研究半导体中电子对光子的反作用和能动性。1873 1873年，史密斯（年，史密斯（W WSmithSmith）在）在“不良导体不良导体”硒硒 中看到在光作用下电导增加的现象；中看到在光作用下电导增加的现象；1887 1887年，赫兹（年，赫兹（HertzHertz）将各种因光而致电的变化）将各种因光而致电的变化 现象统称为现象统称为光电效应光电效应；1897 1897年，汤姆逊（年，汤姆逊（ThomsonThomson
5、）发现）发现电子电子；1905 1905年年，爱因斯坦（，爱因斯坦（EinsteinEinstein）提出）提出光子学说光子学说。2.2.半导体光电子学的半导体光电子学的发展发展电子电子和和光子的发现光子的发现和提出，为发展和提出，为发展半导体光电子半导体光电子学学奠定了基础。奠定了基础。1911 1911年前后，将硒这类年前后，将硒这类“不良导体不良导体”称为称为半导体半导体；20 20世纪前半叶，将电子在半导体中的行为上升到理论高度，世纪前半叶，将电子在半导体中的行为上升到理论高度，并发现杂质对半导体性能的影响，通过人为掺入杂质改变并发现杂质对半导体性能的影响，通过人为掺入杂质改变 半导体
6、的导电性质；半导体的导电性质；在研究微观粒子运动规律的量子力学、统计物理、热力学在研究微观粒子运动规律的量子力学、统计物理、热力学 等现代物理的基础上，形成了等现代物理的基础上，形成了半导体物理学半导体物理学。从而进一步奠定了从而进一步奠定了半导体光电子学半导体光电子学的的理论基础理论基础。推动了研究者系统地研究半导体中推动了研究者系统地研究半导体中光子与电子相互作用光子与电子相互作用、光能与电能相互转换光能与电能相互转换，使之成为当今极具活力和发展潜，使之成为当今极具活力和发展潜力的力的半导体光电子学半导体光电子学。半导体激光器的出现；半导体激光器的出现；后来，在光纤通信需求的强烈拉动下，半
7、导体光电子材后来，在光纤通信需求的强烈拉动下，半导体光电子材料、半导体光电子器件（激光器、光探测器、光放大器料、半导体光电子器件（激光器、光探测器、光放大器等）快速发展。等）快速发展。光电子学有时光电子学有时狭义狭义地指地指光光-电转换器件及其应用电转换器件及其应用的领域。的领域。三、光电子器件及其应用三、光电子器件及其应用1.1.什么什么什么什么是半导体光电器件是半导体光电器件2.2.半导体光电器件的半导体光电器件的分类分类分类分类3.3.半导体光电器件的半导体光电器件的发展发展发展发展 4.4.半导体光电器件的半导体光电器件的应用应用应用应用5.5.光电子光电子产业产业产业产业半半半半导导
8、导导体激光器（体激光器（体激光器（体激光器（LDLD）的）的）的）的发发发发展展展展发发发发光二极管（光二极管（光二极管（光二极管（LEDLED）的）的）的）的发发发发展展展展19651965年，年，年，年，GaAsPGaAsP材料制作的红色材料制作的红色材料制作的红色材料制作的红色LEDLED商用化。商用化。商用化。商用化。光电探测器的发展光电探测器的发展光电探测器的发展光电探测器的发展最早出现的光电子器件是光电探测器最早出现的光电子器件是光电探测器。1958年，英国劳森等发明碲镉汞（年，英国劳森等发明碲镉汞（HgCdTe）红外探测器。）红外探测器。1929年，年，L.R.科勒制成银氧铯光电
9、阴极，出现了光电管。科勒制成银氧铯光电阴极，出现了光电管。1939年，前苏联年，前苏联V.K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管。兹沃雷金制成实用的光电倍增管。40年代年代，用用半导体材料半导体材料制成温差电型制成温差电型红外探测器和测辐射热计红外探测器和测辐射热计。50年代中期，年代中期，可见光波段可见光波段的硫化镉、硒化镉光敏电阻和的硫化镉、硒化镉光敏电阻和短波红外短波红外硫化铅光电探测器投入使用。硫化铅光电探测器投入使用。后来，光通讯、信号处理、传感技术的发展，需要高速、高灵敏后来，光通讯、信号处理、传感技术的发展，需要高速、高灵敏度的半导体光电探测器。为此，发展了度的半导体光电探测器。为此，
10、发展了PIN光电探测器光电探测器、雪崩光雪崩光电探测器（电探测器（APD）、谐振腔增强型（谐振腔增强型（RCE）光电探测器）光电探测器、金属金属半导体半导体-金属行波光电探测器金属行波光电探测器，以及，以及分离吸收梯度电荷和信增分离吸收梯度电荷和信增（SAGCM）APD等。等。半导体光电子半导体光电子材料与器件性能材料与器件性能还需不断提高。还需不断提高。半导体光电子学面临半导体光电子学面临进一步研究的课题：进一步研究的课题：低维（特别是一维和零维）量子材料低维（特别是一维和零维）量子材料的进一步完善和利用；的进一步完善和利用；光子集成（光子集成（PICPIC）和和光电子集成（光电子集成（OE
11、ICOEIC）是半导体光电子是半导体光电子学发展的制高点和永恒的研究命题；学发展的制高点和永恒的研究命题；将现有将现有半导体光电子器件的性能半导体光电子器件的性能提高到极限。提高到极限。充分开发充分开发能带工程能带工程的潜力；的潜力；信息领域信息领域(1)(1)(1)(1)全球光通讯网络分布全球光通讯网络分布Global optical communication networks3 3 3 3个个个个0.85m1.31m1.55m光纤通信中光纤通信中光纤通信中光纤通信中光电子器件的发展光电子器件的发展 第一代第一代第一代第一代:GaAlAs LED 和和 LD/Si-PIN 和和 Si-AP
12、D ,短距离短距离,低速低速InGaAsP LED 和和 LD/Ge-APD 和和 InGaAs-PIN InGaAsP single mode LD/InGaAs-PIN,APD 长距离，高速长距离，高速DFB LD（分布反馈式激光器）（分布反馈式激光器）/InGaAs PIN-FET 等等 QW LD（量子激光器）（量子激光器）第二代第二代第二代第二代:第三代第三代第三代第三代:第四代第四代第四代第四代:第五代第五代第五代第五代:LED:LED:(2)(2)(2)(2)超黄纯绿 黄绿超红超蓝 三基色各种彩色各种彩色LED灯灯各种显示模块各种显示模块室内外室内外LED滚动显示条屏滚动显示条屏
13、动感灯箱广告屏动感灯箱广告屏户外大屏幕彩色显示屏户外大屏幕彩色显示屏全国大部分城市已由传统交通灯替换为全国大部分城市已由传统交通灯替换为全国大部分城市已由传统交通灯替换为全国大部分城市已由传统交通灯替换为LEDLED交通灯。交通灯。交通灯。交通灯。LED交通灯交通灯(3)(3)LED:LED:照明与能源领域照明与能源领域(1)(1)(1)(1)照明照明照明照明LED CityLEDLED汽车车灯汽车车灯汽车车灯汽车车灯 主要得益于主要得益于主要得益于主要得益于低功耗低功耗低功耗低功耗、长寿命长寿命长寿命长寿命、响应速度快响应速度快响应速度快响应速度快的优点。的优点。的优点。的优点。矿灯（左）及
14、其照明效果矿灯（左）及其照明效果(2)(2)(2)(2)能源能源能源能源本田两座本田两座梦幻之车梦幻之车梦幻之车梦幻之车：由：由太阳能电池驱动太阳能电池驱动，4天行驶天行驶3010公里。公里。目前全球最大目前全球最大太阳能飞机太阳能飞机“阳光动力阳光动力”2号号机翼上装有机翼上装有1.7万余块太阳能电池万余块太阳能电池为飞机提供动力，为飞机提供动力，白天剩余的能量还可以储存在锂电池组中以供夜间飞行，白天剩余的能量还可以储存在锂电池组中以供夜间飞行，完成完成全程约全程约3.5万公里万公里的环球飞行，的环球飞行，创造了全球创造了全球不耗费任何燃料、完全依靠太阳能作为动力的飞机环球飞行纪录不耗费任何
15、燃料、完全依靠太阳能作为动力的飞机环球飞行纪录 4月22日，世界最大太阳能飞机“太阳动力2号”如大风筝一般，在黑夜里滑翔下降南京机场。4月22日，世界最大太阳能飞机“太阳动力2号”如大风筝一般，在黑夜里滑翔下降南京机场。2015年年4月月22日，日，“太阳动力太阳动力2号号”在黑夜里滑翔下降南京机场。在黑夜里滑翔下降南京机场。驾驶太阳能飞机的是安德烈驾驶太阳能飞机的是安德烈波斯贝格（波斯贝格（Andre Borschberg）。）。军事领域军事领域光学仪器领域光学仪器领域光学仪器领域光学仪器领域激光精密测距激光精密测距激光精密测距激光精密测距光纤传感光纤传感光纤传感光纤传感加工领域加工领域加工
16、领域加工领域激光焊接机激光焊接机激光打标激光打标(雕刻雕刻)机机医疗领域医疗领域医疗领域医疗领域主要分支主要分支主要分支主要分支光电材料与元件光电材料与元件光成像和显示光成像和显示光信息处理光信息处理光通信光通信传感和数据存储传感和数据存储 光学器材产业光学器材产业激光器与激光应用激光器与激光应用 5.光电子产业光电子产业u2005年：光电子产业的产值达到电子产业产值水平；年：光电子产业的产值达到电子产业产值水平；u2010年：以光电子信息技术为主导的信息产业达到年：以光电子信息技术为主导的信息产业达到 5千亿美元的产业规模；千亿美元的产业规模；u2010年至年至2020年：年：光电子产业可能
17、逐步取代传统电子产业，光电子产业可能逐步取代传统电子产业，在在21世纪将成为最大的产业；世纪将成为最大的产业；成为衡量一个国家经济发展水平和成为衡量一个国家经济发展水平和 综合国力综合国力 的重要标志之一。的重要标志之一。国际光电子产业国际光电子产业分析分析光电子产业光电子产业21世纪的主导产业世纪的主导产业u我国光电子产业我国光电子产业2014年年900多亿美元的产值，占到全球多亿美元的产值，占到全球10%左右的市场份额；左右的市场份额；u我国光电子产业近年来的发展迅速，每年以我国光电子产业近年来的发展迅速，每年以20%递增。递增。国内光电子产业分析国内光电子产业分析长春长春北京西安西安重庆
18、重庆武汉武汉广州广州上海上海合合肥肥南昌南昌无锡无锡福州福州浙江浙江我国光电子产业基地分布示意图我国光电子产业基地分布示意图总结总结1.1.理解理解半导体光电子学研究半导体光电子学研究半导体中光子与电子的相互半导体中光子与电子的相互作用、光能与电能的相互转换；作用、光能与电能的相互转换；2.2.了解了解半导体光电子学的发展；半导体光电子学的发展；3.3.理解理解半导体光电器件是半导体光电器件是光电相互转化的半导体器件；光电相互转化的半导体器件；4.4.了解了解半导体光电器件的分类；半导体光电器件的分类；5.5.了解了解半导体光电器件的应用。半导体光电器件的应用。0 dBm=1 mW3 dBm=2 mW5 dBm=3 mW10 dBm=10 mW20 dBm=100 mW-3 dBm=0.5 mW-10 dBm=100 W-30 dBm=1 W-60 dBm=1 nW0 dB=1+0.1 dB=1.023(+2.3%)+3 dB=2+5 dB=3+10 dB=10-3 dB=0.5-10 dB=0.1-20 dB=0.01-30 dB=0.001dB=10 log10(P1/P0)dBm =10 log10(P/1 mW)换算换算基础知识 结束结束