半导体光电子学(绪论)ppt课件.ppt

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1、光 电 子 学Optoelectronics,绪 论,一、课程介绍二、光电子学及其发展三、光电子器件及其应用,地位作用 课程性质 考核性质和方式 作业 成绩评定,一、课程介绍,（非常重要）,（专业基础课，必修）,（闭卷）,（平时:考试 30:70）,教材: 半导体光电子学，黄德修，电子科技大学出版 社，2013,参考资料: 光电子学教程，张季熊，华南理工大学 出版社，2001 固体光电子学，傅竹西，中国科技大学 出版社，2012 光电子学（第二版），马养武 王静环 包成芳 鲍超，浙江大学出版社，2004,绪论第1章 半导体中光子-电子的互作用第2章 半导体激光器的结构和原理 第3章 半导体激光

2、器的性能 第4章 半导体中的光吸收和光探测器第5章 半导体光放大器,课程主要内容,二、光电子学及其发展,1. 什么是半导体光电子学？,是研究半导体中光子与电子相互作用、光能与电能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。,涉及量子力学、固体物理、半导体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；,半导体光电子学的内涵远超出半导体光学或半导体中的 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 象，也研究半导体中电子对光子的反作用和能动性。,1873年，史密斯（WSmith）在“不良导体”硒 中看到在光作用下电导增加的现象； 1887年，赫兹（Her

3、tz）将各种因光而致电的变化 现象统称为光电效应； 1897年，汤姆逊（Thomson）发现电子； 1905年，爱因斯坦（Einstein）提出光子学说。,2. 半导体光电子学的发展,电子和光子的发现和提出，为发展半导体光电子学奠定了基础。,1911年前后，将硒这类“不良导体”称为半导体； 20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 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 等现代物理的基础上，形成了半导体物理学。,从而进一步奠定了半导体光电子学的理论基础。,推动了研究者系统地研究半导体中光子与电子相

4、互作用、光能与电能相互转换，使之成为当今极具活力和发展潜力的半导体光电子学。,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、光放大器等）快速发展。,光电子学有时狭义地指光-电转换器件及其应用的领域。,三、光电子器件及其应用,1. 什么是半导体光电器件2. 半导体光电器件的分类3. 半导体光电器件的发展 半导体光电器件的应用 光电子产业,半导体激光器（LD）的发展,发光二极管（LED）的发展,1965年，GaAsP材料制作的红色LED商用化。,光电探测器的发展,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（Hg

5、CdTe）红外探测器。,1929年，L.R.科勒制成银氧铯光电阴极，出现了光电管。,1939年，前苏联V.K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管。,40年代，用半导体材料制成温差电型红外探测器和测辐射热计。,50年代中期，可见光波段的硫化镉、硒化镉光敏电阻和短波红外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、高灵敏度的半导体光电探测器。为此，发展了PIN光电探测器、雪崩光电探测器（APD）、谐振腔增强型（RCE）光电探测器、金属半导体-金属行波光电探测器，以及分离吸收梯度电荷和信增（SAGCM）APD等。,半导体光电子材料与器件性能还需不断提高。半导体光电子学面临进

6、一步研究的课题：,低维（特别是一维和零维）量子材料的进一步完善和利用；,光子集成（PIC）和光电子集成（OEIC）是半导体光电子学发展的制高点和永恒的研究命题；将现有半导体光电子器件的性能提高到极限。,充分开发能带工程的潜力；,信息领域,(1),全球光通讯网络分布,Global optical communication networks,3个,0.85m,1.31m,1.55m,光纤通信中光电子器件的发展,第一代:,GaAlAs LED 和 LD / Si-PIN 和 Si-APD , 短距离, 低速,InGaAsP LED 和 LD / Ge-APD 和 InGaAs-PIN,InGaAs

7、P single mode LD / InGaAs-PIN , APD 长距离，高速,DFB LD （分布反馈式激光器）/ InGaAs PIN-FET 等,QW LD （量子激光器）,第二代:,第三代:,第四代:,第五代:,LED:,(2),超黄,纯绿,黄绿,超红,超蓝 三基色,各种彩色LED灯,各种显示模块,室内外LED滚动显示条屏,动感灯箱广告屏,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LED交通灯。,LED交通灯,(3),LED:,照明与能源领域,(1) 照明,LED City,LED汽车车灯,主要得益于低功耗、长寿命、响应速度快的优点。,矿灯（左）及其照明效果,(2)

8、 能源,本田两座梦幻之车：由太阳能电池驱动， 4天行驶3010公里。,目前全球最大太阳能飞机“阳光动力”2号机翼上装有1.7万余块太阳能电池为飞机提供动力，白天剩余的能量还可以储存在锂电池组中以供夜间飞行，完成全程约3.5万公里的环球飞行，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,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4月22日，“太阳动力2号”在黑夜里滑翔下降南京机场。,驾驶太阳能飞机的是安德烈波斯贝格（Andre Bo

9、rschberg）。,军事领域,光学仪器领域,激光精密测距,光纤传感,加工领域,激光焊接机,激光打标(雕刻)机,医疗领域,主要分支,光学器材产业,激光器与激光应用,5. 光电子产业,2005年：光电子产业的产值达到电子产业产值水平；2010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；2010年至2020年： 光电子产业可能逐步取代传统电子产业， 在21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 综合国力 的重要标志之一。,国际光电子产业分析,光电子产业21世纪的主导产业,我国光电子产业2014年900多亿美元的产值，占到全球10%左右的市场份额；我国光电子产业近

10、年来的发展迅速，每年以20%递增。,国内光电子产业分析,我国光电子产业基地分布示意图,总结,理解半导体光电子学研究半导体中光子与电子的相互作用、光能与电能的相互转换；了解半导体光电子学的发展；理解半导体光电器件是光电相互转化的半导体器件；了解半导体光电器件的分类；了解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 nW,0 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= 0.001,dB= 10 log10 (P1 / P0),dBm = 10 log10 (P / 1 mW),换算,基础知识,