半導(dǎo)體光電子學(xué)緒論

半導(dǎo)體光電子學(xué)緒論第1頁/共55頁

地位作用

課程性質(zhì)

考核性質(zhì)和方式

作業(yè)

成績評定一、課程介紹（非常重要）（專業(yè)基礎(chǔ)課，必修）（閉卷）（平時:考試30:70）第2頁/共55頁教材:

《半導(dǎo)體光電子學(xué)》，黃德修，電子科技大學(xué)出版

社，2013

參考資料:

《光電子學(xué)教程》，張季熊，華南理工大學(xué)出版社，2001

《固體光電子學(xué)》，傅竹西，中國科技大學(xué)出版社，2012

《光電子學(xué)（第二版）》，馬養(yǎng)武王靜環(huán)包成芳鮑超，浙江大學(xué)出版社，2004第3頁/共55頁緒論第1章半導(dǎo)體中光子-電子的互作用第2章半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)和原理第3章半導(dǎo)體激光器的性能第4章半導(dǎo)體中的光吸收和光探測器第5章半導(dǎo)體光放大器課程主要內(nèi)容第4頁/共55頁二、光電子學(xué)及其發(fā)展1.什么是半導(dǎo)體光電子學(xué)？是研究半導(dǎo)體中光子與電子相互作用、光能與電能相互轉(zhuǎn)換的一門科學(xué)；由光學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合而形成的新技術(shù)學(xué)科。涉及量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理等一些基礎(chǔ)物理；關(guān)聯(lián)著半導(dǎo)體光電子材料及其相關(guān)器件；半導(dǎo)體光電子學(xué)的內(nèi)涵遠(yuǎn)超出半導(dǎo)體光學(xué)或半導(dǎo)體中的

光學(xué)性質(zhì)。即不是簡單地研究將光作用到半導(dǎo)體上所產(chǎn)生的物理現(xiàn)

象，也研究半導(dǎo)體中電子對光子的反作用和能動性。

第5頁/共55頁1873年，史密斯（W．Smith）在“不良導(dǎo)體”硒中看到在光作用下電導(dǎo)增加的現(xiàn)象；1887年，赫茲（Hertz）將各種因光而致電的變化

現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應(yīng)；1897年，湯姆遜（Thomson）發(fā)現(xiàn)電子；1905年，愛因斯坦（Einstein）提出光子學(xué)說。2.半導(dǎo)體光電子學(xué)的發(fā)展電子和光子的發(fā)現(xiàn)和提出，為發(fā)展半導(dǎo)體光電子學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

第6頁/共55頁1911年前后，將硒這類“不良導(dǎo)體”稱為半導(dǎo)體；20世紀(jì)前半葉，將電子在半導(dǎo)體中的行為上升到理論高度，并發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)對半導(dǎo)體性能的影響，通過人為摻入雜質(zhì)改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)；在研究微觀粒子運(yùn)動規(guī)律的量子力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理、熱力學(xué)等現(xiàn)代物理的基礎(chǔ)上，形成了半導(dǎo)體物理學(xué)。從而進(jìn)一步奠定了半導(dǎo)體光電子學(xué)的理論基礎(chǔ)。第7頁/共55頁推動了研究者系統(tǒng)地研究半導(dǎo)體中光子與電子相互作用、光能與電能相互轉(zhuǎn)換，使之成為當(dāng)今極具活力和發(fā)展?jié)摿Φ陌雽?dǎo)體光電子學(xué)。半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)；后來，在光纖通信需求的強(qiáng)烈拉動下，半導(dǎo)體光電子材料、半導(dǎo)體光電子器件（激光器、光探測器、光放大器等）快速發(fā)展。光電子學(xué)有時狹義地指光-電轉(zhuǎn)換器件及其應(yīng)用的領(lǐng)域。第8頁/共55頁三、光電子器件及其應(yīng)用1.

什么是半導(dǎo)體光電器件2.半導(dǎo)體光電器件的分類3.半導(dǎo)體光電器件的發(fā)展

半導(dǎo)體光電器件的應(yīng)用光電子產(chǎn)業(yè)第9頁/共55頁第10頁/共55頁第11頁/共55頁第12頁/共55頁第13頁/共55頁第14頁/共55頁半導(dǎo)體激光器（LD）的發(fā)展第15頁/共55頁第16頁/共55頁第17頁/共55頁發(fā)光二極管（LED）的發(fā)展1965年，GaAsP材料制作的紅色LED商用化。第18頁/共55頁光電探測器的發(fā)展最早出現(xiàn)的光電子器件是光電探測器。1958年，英國勞森等發(fā)明碲鎘汞（HgCdTe）紅外探測器。1929年，L.R.科勒制成銀氧銫光電陰極，出現(xiàn)了光電管。1939年，前蘇聯(lián)V.K.茲沃雷金制成實(shí)用的光電倍增管。40年代，用半導(dǎo)體材料制成溫差電型紅外探測器和測輻射熱計(jì)。50年代中期，可見光波段的硫化鎘、硒化鎘光敏電阻和短波紅外硫化鉛光電探測器投入使用。后來，光通訊、信號處理、傳感技術(shù)的發(fā)展，需要高速、高靈敏度的半導(dǎo)體光電探測器。為此，發(fā)展了PIN光電探測器、雪崩光電探測器（APD）、諧振腔增強(qiáng)型（RCE）光電探測器、金屬半導(dǎo)體-金屬行波光電探測器，以及分離吸收梯度電荷和信增（SAGCM）APD等。第19頁/共55頁半導(dǎo)體光電子材料與器件性能還需不斷提高。半導(dǎo)體光電子學(xué)面臨進(jìn)一步研究的課題：低維（特別是一維和零維）量子材料的進(jìn)一步完善和利用；光子集成（PIC）和光電子集成（OEIC）是半導(dǎo)體光電子學(xué)發(fā)展的制高點(diǎn)和永恒的研究命題；將現(xiàn)有半導(dǎo)體光電子器件的性能提高到極限。充分開發(fā)能帶工程的潛力；第20頁/共55頁第21頁/共55頁信息領(lǐng)域(1)第22頁/共55頁全球光通訊網(wǎng)絡(luò)分布Globalopticalcommunicationnetworks第23頁/共55頁第24頁/共55頁3個0.85μm1.31μm1.55μm第25頁/共55頁光纖通信中光電子器件的發(fā)展

第一代:GaAlAsLED和LD/Si-PIN和Si-APD,短距離,低速InGaAsPLED和LD/Ge-APD和InGaAs-PINInGaAsPsinglemodeLD/InGaAs-PIN,APD長距離，高速DFBLD（分布反饋式激光器）/InGaAsPIN-FET等

QWLD（量子激光器）…第二代:第三代:第四代:第五代:第26頁/共55頁LED:(2)第27頁/共55頁超黃純綠黃綠超紅超藍(lán)三基色各種彩色LED燈第28頁/共55頁各種顯示模塊第29頁/共55頁室內(nèi)外LED滾動顯示條屏第30頁/共55頁動感燈箱廣告屏第31頁/共55頁戶外大屏幕彩色顯示屏第32頁/共55頁全國大部分城市已由傳統(tǒng)交通燈替換為LED交通燈。LED交通燈第33頁/共55頁(3)第34頁/共55頁LED:照明與能源領(lǐng)域(1)照明第35頁/共55頁第36頁/共55頁LEDCity第37頁/共55頁LED汽車車燈

主要得益于低功耗、長壽命、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。第38頁/共55頁礦燈（左）及其照明效果第39頁/共55頁(2)能源第40頁/共55頁本田兩座夢幻之車：由太陽能電池驅(qū)動，

4天行駛3010公里。第41頁/共55頁目前全球最大太陽能飛機(jī)“陽光動力”2號機(jī)翼上裝有1.7萬余塊太陽能電池為飛機(jī)提供動力，白天剩余的能量還可以儲存在鋰電池組中以供夜間飛行，完成全程約3.5萬公里的環(huán)球飛行，創(chuàng)造了全球不耗費(fèi)任何燃料、完全依靠太陽能作為動力的飛機(jī)環(huán)球飛行紀(jì)錄

第42頁/共55頁4月22日，世界最大太陽能飛機(jī)“太陽動力2號”如大風(fēng)箏一般，在黑夜里滑翔下降南京機(jī)場。4月22日，世界最大太陽能飛機(jī)“太陽動力2號”如大風(fēng)箏一般，在黑夜里滑翔下降南京機(jī)場。2015年4月22日，“太陽動力2號”在黑夜里滑翔下降南京機(jī)場。駕駛太陽能飛機(jī)的是安德烈?波斯貝格（AndreBorschberg）。第43頁/共55頁軍事領(lǐng)域第44頁/共55頁第45頁/共55頁光學(xué)儀器領(lǐng)域激光精密測距光纖傳感第46頁/共55頁加工領(lǐng)域激光焊接機(jī)激光打標(biāo)(雕刻)機(jī)第47頁/共55頁醫(yī)療領(lǐng)域第48頁/共55頁主要分支光電材料與元件光成像和顯示光信息處理光通信傳感和數(shù)據(jù)存儲光學(xué)器材產(chǎn)業(yè)激光器與激光應(yīng)用

5.光電子產(chǎn)業(yè)第49頁/共55頁2005年：光電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值達(dá)到電子產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值水平；2010年：以光電子信息技術(shù)為主導(dǎo)的信息產(chǎn)業(yè)達(dá)到

5千億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模；2010年至2020年：光電子產(chǎn)業(yè)可能逐步取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)，在21世紀(jì)將成為最大的產(chǎn)業(yè)；成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和綜合國力的重要標(biāo)志之一。國際光電子產(chǎn)業(yè)分析光電子產(chǎn)業(yè)——21世紀(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)第50頁/共55頁我國光電子產(chǎn)業(yè)2014年900多億美元的產(chǎn)值，占到全球10%左右的市場份額；我國光電子產(chǎn)業(yè)近年來的發(fā)展迅速，每年以20%遞增。國內(nèi)光電子產(chǎn)業(yè)分析第51頁/共55頁長春北京西安重慶武漢廣州上海合肥南昌無錫福州浙江我國光電子產(chǎn)業(yè)基地分布示意圖第52頁/共55頁總結(jié)理解半導(dǎo)體光電子學(xué)研究半導(dǎo)體中光子與電子的相互作用、光能與電能的相互轉(zhuǎn)換；了解半導(dǎo)體光電子學(xué)的發(fā)展；理解半導(dǎo)體光電器件是光電相互轉(zhuǎn)化的半導(dǎo)體器件；了解半導(dǎo)體光電器件的分類；了解半導(dǎo)體光電器件的應(yīng)用。第53頁/共55頁0dBm =1mW

3dBm =2mW5dBm =3mW10dBm =10mW20dBm =100mW

-3dBm =0.5mW-10dBm =100W-30dBm =1

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