《半导体光电子学》教学大纲 说明：“开课时间”一栏选填：春季、秋季、春季/狱季，“授课对象”一栏选填：硕士、博 士、硕士博士，红色标记的为需重点阑述内容。 课程编号：0508036003 课程名称：半导体光电子学 学时数：40学分：2 开课时间：秋季 开课学院：光电科学与工程学院 授课对象：硕士 先修课程：量子力学、统计物理、固体物理、半导体物理 一、教学目的 本课程教学，将介绍光和物质相互作用的基本理论、典型的半导体光电子器件的工作原 理、器件结构、器件特性及其基本工艺，研讨主要半导体器件的新发展与应用。使学生了解 光学与光电子学科发展的新技术和方法，重点了解相关物理概念、掌握基本理论的应用实例。 为进一步学习后继课程，创造性地研究、开发和制备各种半导体光电子器件打下专业物理基 础。 二、教学内容与要求（包括总学时、章节内容的学时分配说明，各章节中应了解 或掌握内容的细化描述，难点与重点说明；课程设计或作业安排的内容与次数要 求、工程实验要求等) 第一章：半导体物理基础(4学时) 1本章教学内容：(1)半导体的晶体结构(0.5学时)(2)半导体的能带结构和布里渊区 (0.5学时)(3)有效质量近似(0.5学时)(4)态密度理论(0.5学时)(5)研讨(2学时)。 2本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生理解导带、价带、能量带隙和布里渊 区的概念及形成的原理：掌握晶体的特征、空间点阵、半导体的化合物，有效质量近似基本 关系，能量空间和动量空间态密度表达式。 3本章教学重点：(1)半导体的晶体结构(2)直接带隙材料和间接带隙材料的特点(3) 半导体材料中有效质量的物理意义(4)体半导体材料态密度曲线。 4本章教学难点：(1)晶体结构的数学描述(2)k空间的能带图(3)有效质量计算关 系(4)态密度表达式数学推导。 本章研讨主题：直接带隙和间接带隙材料 第二章：半导体中的结理论(3学时) 1本章教学内容：(1)引言(0.5学时)(2)晶格匹配与晶格失配(0.5学时)(3)异质 结制备工艺(1学时)(4)超晶格与量子阱(1学时)。 2本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生了解LPE、MBE、MO-CVD异质结制 备工艺：掌握PN结、肖特基势垒与欧姆接触、半导体异质结基本结构与特性，晶格匹配与 晶格失配材料特点，超晶格与量子井的概念。 3本章教学重点：(1)半导体异质结基本结构与特性(2)常见半导体化合物的晶格参 数(3)LPE、MBE、MO-CVD各自的优势与应用范围(4)超晶格与量子井在半导体器件中 的应用。 4本章教学难点：(1)异质结的能带图(2)能量带隙的近似计算方法(3)超晶格与量 子井物理机制
《半导体光电子学》教学大纲 说明：“开课时间”一栏选填：春季、秋季、春季/秋季；“授课对象”一栏选填：硕士、博 士、硕士/博士；红色标记的为需重点阐述内容。 课程编号：0508036003 课程名称：半导体光电子学 学时数：40 学分：2 开课时间：秋季 开课学院：光电科学与工程学院 授课对象：硕士 先修课程：量子力学、统计物理、固体物理、半导体物理 一、教学目的 本课程教学，将介绍光和物质相互作用的基本理论、典型的半导体光电子器件的工作原 理、器件结构、器件特性及其基本工艺，研讨主要半导体器件的新发展与应用。使学生了解 光学与光电子学科发展的新技术和方法，重点了解相关物理概念、掌握基本理论的应用实例。 为进一步学习后继课程，创造性地研究、开发和制备各种半导体光电子器件打下专业物理基 础。 二、教学内容与要求（包括总学时、章节内容的学时分配说明，各章节中应了解 或掌握内容的细化描述，难点与重点说明；课程设计或作业安排的内容与次数要 求、工程实验要求等） 第一章：半导体物理基础(4 学时) 1 本章教学内容：(1)半导体的晶体结构（0.5 学时）(2)半导体的能带结构和布里渊区 （0.5 学时）(3)有效质量近似（0.5 学时）(4)态密度理论（0.5 学时）（5）研讨（2 学时）。 2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生理解导带、价带、能量带隙和布里渊 区的概念及形成的原理；掌握晶体的特征、空间点阵、半导体的化合物，有效质量近似基本 关系，能量空间和动量空间态密度表达式。 3 本章教学重点：（1）半导体的晶体结构（2）直接带隙材料和间接带隙材料的特点（3） 半导体材料中有效质量的物理意义（4）体半导体材料态密度曲线。 4 本章教学难点：（1）晶体结构的数学描述（2）k 空间的能带图（3）有效质量计算关 系（4）态密度表达式数学推导。 本章研讨主题：直接带隙和间接带隙材料 第二章：半导体中的结理论（3 学时) 1 本章教学内容：(1) 引言（0.5 学时） (2) 晶格匹配与晶格失配（0.5 学时）(3) 异质 结制备工艺（1 学时）(4) 超晶格与量子阱（1 学时）。 2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生了解 LPE、MBE、MO-CVD 异质结制 备工艺；掌握 P-N 结、肖特基势垒与欧姆接触、半导体异质结基本结构与特性，晶格匹配与 晶格失配材料特点，超晶格与量子井的概念。 3 本章教学重点：（1）半导体异质结基本结构与特性（2）常见半导体化合物的晶格参 数（3）LPE、MBE、MO-CVD 各自的优势与应用范围（4）超晶格与量子井在半导体器件中 的应用。 4 本章教学难点：（1）异质结的能带图（2）能量带隙的近似计算方法（3）超晶格与量 子井物理机制
第三章：半导体中的光现象(6学时) 1本章教学内容：(1)半导体中的光吸收(1学时)(2)Einstein光辐射(1学时)(3)半 导体中的光折射(2学时)(4)研讨(2学时)。 2本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生理解各种光吸收过程主要是电子跃迁 的吸收：掌握自发辐射、受激辐射、受激吸收的物理过程以及准费米能级，Kramers-Kronig关 系。 3本章教学重点：(1)带间直接跃迁的光吸收、带间间接跃迁的光吸收、激子吸收物理 过程(2)自发跃迁与受激跃迁之间的关系，直接带隙材料的增益谱和自发辐射谱(3)各种 参量对折射率的影响，复折射率的实部与虚部的相关性。 4本章教学难点：(1)Einstein的A、B系数的推导(2)折射率随吸收系数变化的数 学表达式。 本章研讨主题：分析折射率、吸收系数、衰减常数在光学元件的设计、光通信系统的设 计、集成光学中介质光波导的设计中的实际应用。 第四章：半导体二极管的物理机制(7学时) 1本章教学内容：(1)半导体中载流子的输运理论(1学时)(2)p结注入特性的理论 基础(2学时)(3)常用二极管结构及特性分析(2学时)(4)研讨(2学时)。 2本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生掌握半导体载流子产生和复合的动力 学过程，各种偏置下p的特性，常用二极管结构。 3本章教学重点：(1)半导体二极管形成的物理机制(2)各种偏置下p用途(3)不 同结构二极管特性及用途 4本章教学难点：(1)连续性方程、传输方程、电中性条件(2)电子亲和势和功函数。 本章研讨主题：半导体二极管在光电子器件中的作用。 第五章：半导体发光二极管(5学时) 1本章教学内容：(1)LEDs辐射复合机制(0.5学时)(2)直接带隙材料和间接带隙材 料(1学时)(0.5)(3)LEDs的工作原理和结构特性(2学时)(4)研讨(2学时)。 2本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生掌握半导体材料的复合机制，直接带 隙材料和间接带隙材料的性质，LEDs的工作原理。 3本章教学重点：(1)LEDs辐射原理(2)直接带隙材料和间接带隙材料的辐射机理 (3)LEDs的效率和结构特性。 4本章教学难点：(1)半导体中载流子复合机理(2)直接带隙材料和间接带隙材料的 辐射理论(3)自发辐射理论。 第六章：半导体激光器(5学时) 1本章教学内容：(1)半导体激光器的工作原理和基本结构(1学时)(2)半导体激光 器的应用(1学时)(3)研讨(2学时)。 2本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生了解各种半导体激光器的应用现状： 掌握各种半导体激光器的工作原理和结构。 3本章教学重点：(1)掌握同质结、单异质结、双异质结、分布反馈、耦合腔、量子阱、 量子点、量子级联、垂直腔面发射等半导体激光器的基本工作原理和结构。(2)各种半导体 激光器在不同场合的应用情况(3)半导体激光器的新发展。 4本章教学难点：结构变化对半导体激光器特性的影响
第三章：半导体中的光现象（6 学时） 1 本章教学内容：(1) 半导体中的光吸收（1 学时）(2) Einstein 光辐射（1 学时）(3) 半 导体中的光折射（2 学时）（4）研讨（2 学时）。 2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生理解各种光吸收过程主要是电子跃迁 的吸收；掌握自发辐射、受激辐射、受激吸收的物理过程以及准费米能级,Kramers-Kronig 关 系。 3 本章教学重点：（1）带间直接跃迁的光吸收、带间间接跃迁的光吸收、激子吸收物理 过程（2）自发跃迁与受激跃迁之间的关系，直接带隙材料的增益谱和自发辐射谱（3）各种 参量对折射率的影响，复折射率的实部与虚部的相关性。 4 本章教学难点：（1）Einstein 的 A、B 系数的推导（2）折射率随吸收系数变化的数 学表达式。 本章研讨主题：分析折射率、吸收系数、衰减常数在光学元件的设计、光通信系统的设 计、集成光学中介质光波导的设计中的实际应用。 第四章：半导体二极管的物理机制（7 学时） 1 本章教学内容：(1) 半导体中载流子的输运理论（1 学时）(2) pn 结注入特性的理论 基础（2 学时） (3) 常用二极管结构及特性分析（2 学时）（4）研讨（2 学时）。 2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生掌握半导体载流子产生和复合的动力 学过程，各种偏置下 pn 的特性，常用二极管结构。 3 本章教学重点：（1）半导体二极管形成的物理机制（2）各种偏置下 pn 用途（3）不 同结构二极管特性及用途 4 本章教学难点：（1）连续性方程、传输方程、电中性条件（2）电子亲和势和功函数。 本章研讨主题：半导体二极管在光电子器件中的作用。 第五章：半导体发光二极管(5 学时) 1 本章教学内容：(1) LEDs 辐射复合机制（0.5 学时） (2) 直接带隙材料和间接带隙材 料（1 学时）(0.5) (3) LEDs 的工作原理和结构特性 （2 学时）（4）研讨（2 学时）。 2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生掌握半导体材料的复合机制，直接带 隙材料和间接带隙材料的性质，LEDs 的工作原理。 3 本章教学重点：（1）LEDs 辐射原理（2）直接带隙材料和间接带隙材料的辐射机理 （3）LEDs 的效率和结构特性。 4 本章教学难点：（1）半导体中载流子复合机理（2）直接带隙材料和间接带隙材料的 辐射理论（3）自发辐射理论。 第六章：半导体激光器 (5 学时) 1 本章教学内容：(1) 半导体激光器的工作原理和基本结构（1 学时） (2) 半导体激光 器的应用（1 学时）(3) 研讨（2 学时）。 2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生了解各种半导体激光器的应用现状； 掌握各种半导体激光器的工作原理和结构。 3 本章教学重点：（1）掌握同质结、单异质结、双异质结、分布反馈、耦合腔、量子阱、 量子点、量子级联、垂直腔面发射等半导体激光器的基本工作原理和结构。（2）各种半导体 激光器在不同场合的应用情况（3）半导体激光器的新发展。 4 本章教学难点：结构变化对半导体激光器特性的影响
本章研讨主题：半导体激光器的新发展。 第七章：半导体光电探测器(5学时) 1本章教学内容：(1)半导体光电探测器基本原理(1学时)(2)结型光电二极管和雪 崩光电二极管的结构与特性(1学时)(3)电荷耦合器件(CCD)(1学时)(4)研讨(2学 时)。 2本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生理解各种半导体光电探测器基本原理： 掌握结型光电二极管和雪崩光电二极管的结构，CCD的工作原理。 3本章教学重点：(1)光电二极管各种参数(2)CCD的广泛应用(3)先进的光探测 技术。 4本章教学难点：噪声和增益带宽的特性。 本章研讨主题：先进的光探测技术。 第八章：半导体光调制器(5学时) 1本章教学内容：(1)半导体电光调制器的机理(2学时)(2)半导体电光调制器的制 备工艺(0.5学时)(3)半导体电光调制器的应用(0.5学时)(4)研讨(2学时)。 2本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生了解各种半导体电光调制器的制备工 艺：掌握半导体电光调制器的种类和工作原理。 3本章教学重点：(1)产生电吸收的机理(2)M-Z型半导体调制器工作原理及特性(3) 半导体电光调制器的新发展。 4本章教学难点：在外加电场的作用下自由载流子的运动规律。 本章研讨主题：半导体电光调制器的新发展。 三、教学方式（尤其是研讨式小班教学与研讨的设计、学业评价方式与依据等） 《半导体光电子学》探究式小班教学的授课团队分为授课组和助教组。授课组包括刘爽、 陆荣国老师，助教组包括学生助教。课程的实施过程如下：1首先构建基础，解决好基本知 识点的传授。这一过程由授课组负责。2在传授完知识点后，就是最关键的部分一一分析讨 论阶段。课程采用分组讨论的方式，将整个班级分为几个小组。教师会在每章课程开始时给 学生一个讨论的主题，要求学生在课下搜集整理分析相关资料并制作PPT,然后由授课组老 师带领学生开展研究讨论。学生是讨论的主体，教师只是在重要方向以及疑难问题上给予指 引和解答，教师可以从学生的讨论过程中检测学生学习相关知识的基础情况、深度以及广度， 并及时给予补充和纠正，学生之间激烈的学生讨论不但营造了良好的教学环境，而且很大程 度上激发了学生的学习兴趣。3由助教组建立课程QQ群，在课余解决学生的疑问，让研讨 在课后得到延续。 学生的学业评价由三大部分组成： 1期末考试(50%) 侧重考核学生对基础知识的掌握程度，评估学生运用所学知识分析解决问题的能力。 2“探究”教学过程考核(50%) 侧重考查学生上课参与与互动“研究”的程度。包括观点陈述比较、问题理解能力、语 言表达能力和精神状态等，采用现场考核，随堂打分记录的方式
本章研讨主题：半导体激光器的新发展。 第七章：半导体光电探测器 (5 学时) 1 本章教学内容：(1) 半导体光电探测器基本原理（1 学时） (2) 结型光电二极管和雪 崩光电二极管的结构与特性（1 学时）(3) 电荷耦合器件（CCD）（1 学时）（4）研讨（2 学 时）。 2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生理解各种半导体光电探测器基本原理； 掌握结型光电二极管和雪崩光电二极管的结构，CCD 的工作原理。 3 本章教学重点：（1）光电二极管各种参数（2）CCD 的广泛应用（3）先进的光探测 技术。 4 本章教学难点：噪声和增益带宽的特性。 本章研讨主题：先进的光探测技术。 第八章：半导体光调制器 (5 学时) 1 本章教学内容：(1) 半导体电光调制器的机理（2 学时） (2) 半导体电光调制器的制 备工艺（0.5 学时） (3) 半导体电光调制器的应用（0.5 学时） （4）研讨（2 学时）。 2 本章教学要求：通过本章课程的学习，要求学生了解各种半导体电光调制器的制备工 艺；掌握半导体电光调制器的种类和工作原理。 3 本章教学重点：（1）产生电吸收的机理（2）M-Z 型半导体调制器工作原理及特性（3） 半导体电光调制器的新发展。 4 本章教学难点：在外加电场的作用下自由载流子的运动规律。 本章研讨主题：半导体电光调制器的新发展。 三、教学方式（尤其是研讨式小班教学与研讨的设计、学业评价方式与依据等） 《半导体光电子学》探究式小班教学的授课团队分为授课组和助教组。授课组包括刘爽、 陆荣国老师，助教组包括学生助教。课程的实施过程如下：1 首先构建基础，解决好基本知 识点的传授。这一过程由授课组负责。2 在传授完知识点后，就是最关键的部分——分析讨 论阶段。课程采用分组讨论的方式，将整个班级分为几个小组。教师会在每章课程开始时给 学生一个讨论的主题，要求学生在课下搜集整理分析相关资料并制作 PPT，然后由授课组老 师带领学生开展研究讨论。学生是讨论的主体，教师只是在重要方向以及疑难问题上给予指 引和解答，教师可以从学生的讨论过程中检测学生学习相关知识的基础情况、深度以及广度， 并及时给予补充和纠正，学生之间激烈的学生讨论不但营造了良好的教学环境，而且很大程 度上激发了学生的学习兴趣。3 由助教组建立课程 QQ 群，在课余解决学生的疑问，让研讨 在课后得到延续。 学生的学业评价由三大部分组成： 1 期末考试（50％） 侧重考核学生对基础知识的掌握程度，评估学生运用所学知识分析解决问题的能力。 2“探究”教学过程考核（50％） 侧重考查学生上课参与与互动“研究”的程度。包括观点陈述比较、问题理解能力、语 言表达能力和精神状态等，采用现场考核，随堂打分记录的方式
四、考核方式与成绩评定（成绩评定指最终考核成绩的构成，说明平时考核成绩 与期末考试成绩各占的比例) 基础知识闭卷考试50%+研讨50%。 五、教材及主要参考书目（请参考参考文献格式，说明作者、书名、出版社及出 版时间) 教材： [1)《半导体光子学》，余金中编著，科学出版社，2015年. 参考教材： [1《固体光电子学》，傅竹西编著，中国科学技术大学出版社，2012年 [2]《Optoelectronics and photonics principles and practices》),S.O.Kasap编著，电子工业 出版社，2003年. [3)《半导体集成光电子学》，W.T.TSANG.编著，电子工业出版社，1993年 [4]《Semiconductor Optoelectronic Devices(Second Edition)》,Pallab Bhattacharya编著， Prentice Hal,1997年. [5]《半导体光电子学（第2版）》，黄德修编著，电子工业出版社，2013年 (大纲撰写人：陆荣国) (大纲审稿人：刘爽)
四、考核方式与成绩评定（成绩评定指最终考核成绩的构成，说明平时考核成绩 与期末考试成绩各占的比例） 基础知识闭卷考试 50%+研讨 50%。 五、教材及主要参考书目（请参考参考文献格式，说明作者、书名、出版社及出 版时间） 教材： [1] 《半导体光子学》，余金中编著，科学出版社，2015 年. 参考教材： [1] 《固体光电子学》，傅竹西编著,中国科学技术大学出版社，2012 年. [2] 《Optoelectronics and photonics principles and practices》，S. O. Kasap 编著，电子工业 出版社，2003 年. [3] 《半导体集成光电子学》，W. T. TSANG. 编著， 电子工业出版社，1993 年. [4] 《Semiconductor Optoelectronic Devices(Second Edition)》,Pallab Bhattacharya 编著, Prentice Hal, 1997 年. [5] 《半导体光电子学（第 2 版）》，黄德修编著，电子工业出版社，2013 年. （大纲撰写人：陆荣国） （大纲审稿人：刘爽）