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。

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。

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