**章 半導體材料的光學性質與光電現象 1 1.1 光子特性及半導體的光學參數 1 1.1.1 光子特性 1 1.1.2 光子的動量和能量 3 1.1.3 光的傳播速度與折射率 3 1.1.4 光的折射與透射 4 1.2 半導體的光吸收機制 5 1.2.1 光吸收系數 6 1.2.2 本征吸收 7 1.2.3 其他吸收 9 1.3 半導體的光發射機制 11 1.3.1 本征躍遷與非本征躍遷 11 1.3.2 輻射復合 13 1.3.3 非輻射復合 15 1.3.4 發光效率 16 1.4 半導體中光子與電子相互作用的物理過程 16 1.4.1 半導體中光子和電子相互作用的物理過程 16 1.4.2 愛因斯坦關系 18 習題 20 第二章 半導體光電子器件的物理基礎 21 2.1 pn結的物理基礎 21 2.1.1 pn結的形成 21 2.1.2 平衡pn結的空間電荷區與自建電場 22 2.2 非平衡pn結 26 2.2.1 非平衡突變pn結電場分布 26 2.2.2 非平衡突變pn結空間電荷區寬度 27 2.2.3 非平衡線性緩變pn結電場分布 28 2.2.4 線性緩變pn結空間電荷區寬度 28 2.3 非平衡pn結的能帶結構和載流子分布 29 2.3.1 非平衡pn結的能帶結構 29 2.3.2 非平衡pn結的載流子分布 29 2.4 pn結的直流電學特性 31 2.4.1 pn結的電流電壓(IU)方程 31 2.4.2 pn結注入電流比 33 2.4.3 非理想pn結電流電壓(IU)方程 34 2.5 pn結電容 35 2.5.1 pn結勢壘電容 35 2.5.2 pn結擴散電容 37 2.6 pn結擊穿 38 2.6.1 pn結熱擊穿 38 2.6.2 pn結隧道擊穿 39 2.6.3 pn結雪崩擊穿 40 2.7 金半接觸 43 2.7.1 金半接觸的能帶結構 43 2.7.2 肖特基接觸的伏安特性 45 2.7.3 歐姆接觸 46 2.8 MIS結構 48 2.8.1 表面態 49 2.8.2 MIS的能帶結構 49 2.8.3 深耗盡狀態 52 2.9 異質結 53 2.9.1 異質結的能帶結構 54 2.9.2 異質結接觸電勢差與勢壘電容 55 2.9.3 異質結的伏安特性 56 2.9.4 量子阱與超晶格 58 習題 60 第三章 半導體太陽能電池 62 3.1 太陽光譜與大氣光學質量 62 3.1.1 太陽光譜 62 3.1.2 大氣光學質量 64 3.2 半導體太陽能電池的基本結構 67 3.2.1 半導體的光伏效應 67 3.2.2 太陽能電池的基本結構 68 3.3 半導體太陽能電池的基本參數 71 3.3.1 短路電流與開路電壓 71 3.3.2 太陽能電池轉換效率 73 3.4 半導體太陽能電池的等效電路 76 3.5 半導體太陽能電池的光譜響應以及相關特性與效應 78 3.5.1 半導體太陽能電池的光譜響應與吸收特性 78 3.5.2 半導體太陽能電池的溫度特性與輻照效應 82 3.5.3 半導體太陽能電池的光衰減效應 84 3.6 半導體太陽能電池性能提高的措施 86 3.6.1 半導體材料因素影響 87 3.6.2 串聯與并聯電阻影響 88 3.6.3 外部因素影響 89 3.6.4 制造技術因素影響 90 3.6.5 Si太陽能電池存在的問題及應對措施 92 3.7 新型異質結太陽能電池的結構 92 3.7.1 GaAs太陽能電池的結構 93 3.7.2 GaN太陽能電池的結構 97 3.7.3 HIT太陽能電池的結構 99 習題 100 第四章 半導體光電探測器件 101 4.1 光電導效應與器件的基本結構 101 4.1.1 光電導效應 101 4.1.2 光電導器件的基本結構 102 4.1.3 光電流與暗電流 103 4.2 光電探測器的基本參數 105 4.2.1 光電導與光電流靈敏度 105 4.2.2 光電導量子效率與增益 106 4.2.3 光電導弛豫 108 4.2.4 常見的光電導材料 111 4.3 光電探測器的噪聲來源和參數 112 4.3.1 噪聲來源 112 4.3.2 噪聲參數 115 4.4 光電二極管的基本結構與工作機制 116 4.5 光電二極管的等效電路 119 4.5.1 光電二極管的直流等效電路 119 4.5.2 光電二極管的交流等效電路 120 4.5.3 光電二極管的靜態工作點 121 4.6 pin型光電二極管 123 4.6.1 pin型光電二極管的結構 123 4.6.2 pin型光電二極管的電場分布 125 4.6.3 pin型光電二極管的量子效率 126 4.7 異質結與肖特基光電二極管 129 4.7.1 異質結光電二極管 129 4.7.2 肖特基光電二極管 130 4.8 雪崩光電二極管 131 4.8.1 雪崩光電二極管的工作機制 131 4.8.2 雪崩光電二極管的倍增因子(系數) 133 4.8.3 雪崩光電二極管的信噪比 134 4.9 光電晶體管和光敏場效應管 136 4.9.1 光電晶體管 137 4.9.2 光敏場效應管 138 4.9.3 色敏光電二極管 138 習題 140 第五章 半導體光電耦合器件 141 5.1 CCD的基本結構 141 5.2 CCD中電荷的存儲與轉移 142 5.2.1 電荷存儲 142 5.2.2 電荷轉移 143 5.3 CCD中電荷的注入與檢測 145 5.3.1 電荷的光注入 145 5.3.2 電荷的電注入 146 5.3.3 電荷的檢測(輸出) 148 5.4 CCD的性能參數 150 5.4.1 電荷轉移損失率 150 5.4.2 工作頻率 151 5.5 CCD電極的基本結構 152 5.5.1 降低電極間勢壘的結構 153 5.5.2 簡化驅動電路的結構 154 5.6 電荷耦合攝像器件 156 5.6.1 工作原理 156 5.6.2 CCD的基本特性參數 161 5.6.3 CCD在信號處理領域的應用 163 5.7 CMOS圖像傳感器 164 5.7.1 CMOS圖像傳感器的獨特優勢 164 5.7.2 CMOS圖像傳感器像素單元的基本結構 165 5.7.3 CMOS圖像傳感器系統的結構 169 習題 170 第六章 半導體發光器件 171 6.1 半導體發光二極管(LED)的結構 171 6.1.1 LED的優勢 171 6.1.2 LED的結構與原理 172 6.1.3 LED的分類 174 6.1.4 LED的光譜 174 6.2 白光LED 176 6.2.1 GaN基藍光LED 176 6.2.2 幾種常見的藍光LED結構 177 6.2.3 幾種常見的白光LED結構 178 6.2.4 異質結LED結構 180 6.3 LED的性能 181 6.3.1 發光效率 181 6.3.2 伏安特性 183 6.3.3 正向電流與亮度的相關性 184 6.4 LED封裝與應用 184 6.4.1 LED封裝 184 6.4.2 LED的出光效率 186 6.4.3 發光二極管的驅動 187 6.4.4 電壓越限報警 188 6.5 半導體激光器的工作機制 189 6.5.1 二極管激光器的基本結構 190 6.5.2 二極管激光器的工作機制 191 6.6 半導體激光器的工作條件 192 6.6.1 有源區內粒子數的反轉分布 192 6.6.2 有源區光子限定 194 6.6.3 激光振蕩(光諧振) 195 6.7 半導體激光器的主要參數 196 6.7.1 閾值增益 196 6.7.2 閾值電流密度 197 6.7.3 量子效率 201 6.7.4 激光器諧振腔損耗與光波調制 202 6.8 異質結半導體激光器 203 6.8.1 異質結半導體激光器的基本結構 203 6.8.2 量子阱激光器 206 6.8.3 半導體激光器的應用 206 習題 207 參考文獻 209