半導(dǎo)體光電子學(xué)（第3版）-教學(xué)大綱、授課計(jì)劃

《半導(dǎo)體光電子學(xué)》教學(xué)大綱課程信息課程名稱(chēng)：半導(dǎo)體光電子學(xué)課程類(lèi)別：素質(zhì)選修課/專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課課程性質(zhì)：選修/必修計(jì)劃學(xué)時(shí)：64計(jì)劃學(xué)分：4先修課程：無(wú)選用教材：《半導(dǎo)體光電子學(xué)》，黃德修，黃黎蓉，洪偉編著，電子工業(yè)出版社教材，2018.6。適用專(zhuān)業(yè)：本課程可作為大學(xué)理科光學(xué)專(zhuān)業(yè)、工科物理電子學(xué)、光學(xué)工程和光電信息工程等專(zhuān)業(yè)本科生的教學(xué)課程和相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生的參考課程，也可供相關(guān)科技工作者參考。課程負(fù)責(zé)人：二、課程簡(jiǎn)介半導(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(mén)科學(xué)，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，也關(guān)聯(lián)著半導(dǎo)體光電子材料及其相關(guān)器件，在信息和能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體光電子器件的性能改善無(wú)不是通過(guò)不斷優(yōu)化半導(dǎo)體材料和器件結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)電子與光子的相互作用、實(shí)現(xiàn)高效電能與光能相互轉(zhuǎn)換的結(jié)果，其中異質(zhì)結(jié)所形成的電子勢(shì)壘和光波導(dǎo)的雙重效應(yīng)起到了關(guān)鍵作用。本課程分10個(gè)單元，各單元內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)，形成當(dāng)今半導(dǎo)體光電子學(xué)較為完整的、理論和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的體系。三、課程教學(xué)要求序號(hào)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求課程教學(xué)要求關(guān)聯(lián)程度1工程知識(shí)本課程以光信息傳輸中所用光源和探測(cè)、光信息存儲(chǔ)和處理所需的半導(dǎo)體光電子器件為應(yīng)用背景，對(duì)半導(dǎo)體光電子材料中電子與光子相互作用的基本理論、器件結(jié)構(gòu)和性能要求等方面為主要內(nèi)容。L2問(wèn)題分析我國(guó)正走向富強(qiáng)、人民正奔向小康。其間最令人感受深刻的莫過(guò)于我國(guó)一躍進(jìn)入信息社會(huì)，盡情享受由信息帶來(lái)的財(cái)富和高質(zhì)量生活。本課程旨在促進(jìn)我國(guó)半導(dǎo)體光電子材料和器件的發(fā)展以及培養(yǎng)這一領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的需要。H3設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案通過(guò)學(xué)習(xí)光子-電子相互作用原理、異質(zhì)結(jié)的基本概念以及半導(dǎo)體光學(xué)器件的原理和應(yīng)用，學(xué)生將能夠理解光子-電子相互作用在半導(dǎo)體中的作用機(jī)制，并具備設(shè)計(jì)和分析半導(dǎo)體光電子器件的能力。此外，學(xué)生還將了解光波在平板介質(zhì)波導(dǎo)中的傳輸特性以及半導(dǎo)體光放大器和光探測(cè)器的應(yīng)用展望。通過(guò)達(dá)到這些教學(xué)目標(biāo)，學(xué)生將能夠在光電子領(lǐng)域有更深入的理解和創(chuàng)新能力。H4研究L5使用現(xiàn)代工具L6工程與社會(huì)1.了解半導(dǎo)體及光信息傳輸對(duì)社會(huì)的影響和作用，以及相關(guān)的法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。2.學(xué)會(huì)將相應(yīng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)和社會(huì)服務(wù)中，為社會(huì)做出貢獻(xiàn)。L7環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展L8職業(yè)規(guī)范L9個(gè)人和團(tuán)隊(duì)1.學(xué)會(huì)個(gè)人發(fā)展和團(tuán)隊(duì)合作，提高個(gè)人和團(tuán)隊(duì)的綜合素質(zhì)。2.學(xué)會(huì)與他人合作和溝通，建立良好的人際關(guān)系和團(tuán)隊(duì)合作氛圍。H10溝通1.學(xué)會(huì)進(jìn)行有效的溝通和表達(dá)，與客戶(hù)、同事和上級(jí)保持良好的溝通和協(xié)作。2.學(xué)會(huì)進(jìn)行跨文化溝通和合作，提高國(guó)際化視野和跨文化交流能力。M11項(xiàng)目管理1.學(xué)會(huì)進(jìn)行項(xiàng)目管理和組織，包括項(xiàng)目計(jì)劃、進(jìn)度控制、質(zhì)量管理等。2.學(xué)會(huì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理，提高項(xiàng)目成功的概率和效率。L12終身學(xué)習(xí)1.學(xué)會(huì)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和自我提升，不斷提高自身的專(zhuān)業(yè)水平和創(chuàng)新能力。2.學(xué)會(huì)進(jìn)行終身學(xué)習(xí)和職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，不斷拓展職業(yè)領(lǐng)域和發(fā)展空間。H注：“課程教學(xué)要求”欄中內(nèi)容為針對(duì)該課程適用專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求與相關(guān)教學(xué)要求的具體描述。“關(guān)聯(lián)程度”欄中字母表示二者關(guān)聯(lián)程度。關(guān)聯(lián)程度按高關(guān)聯(lián)、中關(guān)聯(lián)、低關(guān)聯(lián)三檔分別表示為“H”“M”或“L”?！罢n程教學(xué)要求”及“關(guān)聯(lián)程度”中的空白欄表示該課程與所對(duì)應(yīng)的專(zhuān)業(yè)畢業(yè)要求條目不相關(guān)。四、課程教學(xué)內(nèi)容章節(jié)名稱(chēng)主要內(nèi)容重難點(diǎn)關(guān)鍵詞學(xué)時(shí)類(lèi)型1半導(dǎo)體中光子-電子的相互作用半導(dǎo)體中量子躍遷的特點(diǎn)直接帶隙與間接帶隙躍遷光子密度分布與能量分布電子態(tài)密度與占據(jù)幾率躍遷速率與愛(ài)因斯坦關(guān)系半導(dǎo)體中的載流子復(fù)合增益系數(shù)與電流密度的關(guān)系了解半導(dǎo)體中光子-電子的相互作用的基本原理和機(jī)制；掌握半導(dǎo)體中光子-電子相互作用的量子躍遷特點(diǎn)。8理論2異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)及其能帶圖異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體光電子學(xué)器件中的作用異質(zhì)結(jié)中的晶格匹配對(duì)注入激光器異質(zhì)結(jié)材料的要求異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制了解異質(zhì)結(jié)的基本概念和能帶圖；掌握異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體光電子學(xué)器件中的作用；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)異質(zhì)結(jié)的理解和應(yīng)用能力。6理論3平板介質(zhì)光波導(dǎo)理論光波的電磁場(chǎng)理論光在平板介質(zhì)波導(dǎo)中的傳輸特性矩形介質(zhì)波導(dǎo)了解光波的電磁場(chǎng)理論；掌握光在平板介質(zhì)波導(dǎo)中的傳輸特性；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)平板介質(zhì)光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)和分析能力。6理論4異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器概述光子在諧振腔內(nèi)的振蕩在同質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展的異質(zhì)結(jié)激光器條形半導(dǎo)體激光器條形激光器中的增益光波導(dǎo)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器概述異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的基本原理和結(jié)構(gòu)；掌握光子在諧振腔內(nèi)的振蕩過(guò)程；了解和分析在同質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展的異質(zhì)結(jié)激光器；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化能力。6理論5半導(dǎo)體激光器的性能半導(dǎo)體激光器的闕值特性半導(dǎo)體激光器的效率半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)特性半導(dǎo)體激光器的模式特性半導(dǎo)體激光器的光譜線(xiàn)寬半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)特性半導(dǎo)體激光器的退化和失效了解半導(dǎo)體激光器的閾值特性和效率；掌握半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)特性和模式特性；了解半導(dǎo)體激光器的光譜線(xiàn)寬和瞬態(tài)特性；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體激光器性能的分析和評(píng)估能力。6理論6低維量子半導(dǎo)體材料概述量子阱的基本理論和特點(diǎn)量子阱半導(dǎo)體激光器量子線(xiàn)與量子點(diǎn)概述低維量子半導(dǎo)體材料的基本概念和特點(diǎn)；了解量子阱的基本理論和特點(diǎn)；掌握量子阱半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)和性能；了解量子線(xiàn)與量子點(diǎn)的特點(diǎn)和應(yīng)用。8理論7半導(dǎo)體光放大器(CSOA)概述半導(dǎo)體光放大器的性能要求半導(dǎo)體光放大器應(yīng)用展望概述半導(dǎo)體光放大器的基本原理和性能要求；了解半導(dǎo)體光放大器的應(yīng)用展望；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體光放大器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用能力。6理論8可見(jiàn)光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件概述紅光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件藍(lán)/綠光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件概述可見(jiàn)光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件的基本原理和應(yīng)用；了解紅光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件；了解藍(lán)/綠光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件的特點(diǎn)和應(yīng)用。6理論9半導(dǎo)體中的光吸收和光探測(cè)器本征吸收半導(dǎo)體中的其他光吸收半導(dǎo)體光電探測(cè)器的材料和性能參數(shù)無(wú)內(nèi)部倍增的半導(dǎo)體光探測(cè)器半導(dǎo)體雪崩光電二極管(APD)量子阱光探測(cè)器了解半導(dǎo)體中的光吸收機(jī)制和本征吸收；了解半導(dǎo)體中的其他光吸收過(guò)程；掌握半導(dǎo)體光電探測(cè)器的材料和性能參數(shù)；了解無(wú)內(nèi)部倍增的半導(dǎo)體光探測(cè)器和量子阱光探測(cè)器的特點(diǎn)和應(yīng)用。6理論10半導(dǎo)體光電子器件集成概述發(fā)展PIC和OEIC的困難與啟示幾種常用的光子集成手段推動(dòng)PIC發(fā)展的可能技術(shù)方案概述半導(dǎo)體光電子器件集成的發(fā)展背景和困難；了解幾種常用的光子集成手段；推動(dòng)光子集成電路發(fā)展的可能技術(shù)方案；培養(yǎng)學(xué)生對(duì)光電子器件集成的理解和創(chuàng)新能力。6理論五、考核要求及成績(jī)?cè)u(píng)定序號(hào)成績(jī)類(lèi)別考核方式考核要求權(quán)重（%）備注1期末成績(jī)期末考試大作業(yè)50百分制，60分為及格2平時(shí)成績(jī)課后作業(yè)10次40優(yōu)、良、中、及格、不及格3平時(shí)表現(xiàn)出勤情況10兩次未參加課程則無(wú)法獲得學(xué)分注：此表中內(nèi)容為該課程的全部考核方式及其相關(guān)信息。六、學(xué)生學(xué)習(xí)建議學(xué)習(xí)方法建議1.依據(jù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合崗位技能職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)案例展開(kāi)學(xué)習(xí)，將每個(gè)項(xiàng)目分成多個(gè)任務(wù)，系統(tǒng)化地學(xué)習(xí)。2.了解行業(yè)企業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，注重學(xué)習(xí)新技術(shù)、新工藝和新方法，根據(jù)教材中穿插設(shè)置的半導(dǎo)體光電子器件應(yīng)用相關(guān)實(shí)例，對(duì)已有技術(shù)持續(xù)進(jìn)行更新。3.通過(guò)開(kāi)展課堂討論、實(shí)踐活動(dòng)，增強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，學(xué)會(huì)如何與他人合作、溝通、協(xié)調(diào)等等。學(xué)生課外閱讀參考資料《半導(dǎo)體光電子學(xué)》，黃德修，黃黎蓉，洪偉編著，電子工業(yè)出版社教材，2018.6。七、課程改革與建設(shè)（1）綜觀半導(dǎo)體光電子學(xué)的發(fā)展，無(wú)不是通過(guò)加強(qiáng)半導(dǎo)體光電子材料中電子與光子的相互作用、增強(qiáng)二者之間能量轉(zhuǎn)換效率，以獲得各種半導(dǎo)體光電子器件所需的性能的。（2）本課程內(nèi)容較多，涉及了最能體現(xiàn)上述特點(diǎn)的半導(dǎo)體光發(fā)射器件。這是因?yàn)橄啾戎鹿馕詹牧虾拖嚓P(guān)器件要單純?cè)S多。例如，用作光發(fā)射器件的半導(dǎo)體材料要求是直接帶隙的，而且根據(jù)發(fā)射波長(zhǎng)，對(duì)半導(dǎo)體材料的組成元素和比例（即組分比）都有嚴(yán)格要求，對(duì)有源層和限制層之間有很高的晶格匹配要求；而作為半導(dǎo)體光探測(cè)器的半導(dǎo)體除了選用量子躍遷效率高的直接帶隙材料外，間接帶隙半導(dǎo)體也能產(chǎn)生較強(qiáng)的光吸收。（3）將以量子阱為代表的低維量子材料置于課程中心位置，體現(xiàn)其核心地位，也體現(xiàn)了半導(dǎo)體光電子材料的發(fā)展和認(rèn)識(shí)規(guī)律，具有承前啟后的作用。只有認(rèn)識(shí)到體材料中具有3個(gè)自由度的電子受限能力不足而不利于其與光子相互作用的增強(qiáng)，才能理解減少電子自由度的重要性，也才有后來(lái)半導(dǎo)體光電子器件性能的提升。平時(shí)對(duì)學(xué)生的考核內(nèi)容包括出勤情況、學(xué)生的學(xué)習(xí)成果、課堂討論等方面，占期末總評(píng)的50%。期末考試成績(jī)占期末總評(píng)的50%。制訂人簽字：教研室主任簽字：院部負(fù)責(zé)人簽字：修訂時(shí)間：年月日教學(xué)日歷（20xx～20xx學(xué)年第x學(xué)期）開(kāi)課學(xué)院開(kāi)課專(zhuān)業(yè)講授學(xué)時(shí)64課程名稱(chēng)半導(dǎo)體光電子學(xué)授課教師實(shí)踐/實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)0授課年級(jí)授課班級(jí)總學(xué)時(shí)64使用教材《半導(dǎo)體光電子學(xué)》參考書(shū)目《半導(dǎo)體光電子學(xué)》校歷周次授課內(nèi)容分章節(jié)題目第1周第一章半導(dǎo)體中光子-電子的相互作用 （4學(xué)時(shí)）1.1半導(dǎo)體中量子躍遷的特點(diǎn)（1學(xué)時(shí)）1.2直接帶隙與間接帶隙躍遷（2學(xué)時(shí)）1.3光子密度分布與能量分布（1學(xué)時(shí)）第2周第一章半導(dǎo)體中光子-電子的相互作用 （4學(xué)時(shí)）1.4電子態(tài)密度與占據(jù)幾率（1學(xué)時(shí)）1.5躍遷速率與愛(ài)因斯坦關(guān)系（1學(xué)時(shí)）1.6半導(dǎo)體中的載流子復(fù)合（1學(xué)時(shí)）1.7增益系數(shù)與電流密度的關(guān)系（1學(xué)時(shí)）第3周第二章異質(zhì)結(jié)（4學(xué)時(shí)）2.1異質(zhì)結(jié)及其能帶圖（2學(xué)時(shí)）2.2異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體光電子學(xué)器件中的作用（1學(xué)時(shí)）2.3異質(zhì)結(jié)中的晶格匹配（1學(xué)時(shí)）第4周第二章異質(zhì)結(jié)（2學(xué)時(shí)）2.4對(duì)注入激光器異質(zhì)結(jié)材料的要求（1學(xué)時(shí)）2.5異質(zhì)結(jié)對(duì)載流子的限制（1學(xué)時(shí)）第三章平板介質(zhì)光波導(dǎo)理論（2學(xué)時(shí)）3.1光波的電磁場(chǎng)理論（2學(xué)時(shí)）第5周第三章平板介質(zhì)光波導(dǎo)理論（4學(xué)時(shí)）3.2光在平板介質(zhì)波導(dǎo)中的傳輸特性（2學(xué)時(shí)）3.3矩形介質(zhì)波導(dǎo)（2學(xué)時(shí)）第6周第四章異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器（4學(xué)時(shí)）4.1概述4.2光子在諧振腔內(nèi)的振蕩（1學(xué)時(shí)）4.3在同質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上發(fā)展的異質(zhì)結(jié)激光器（1學(xué)時(shí)）4.4條形半導(dǎo)體激光器（1學(xué)時(shí)）4.5條形激光器中的增益光波導(dǎo)（1學(xué)時(shí)）第7周第四章異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器（2學(xué)時(shí)）4.6垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)（1學(xué)時(shí)）4.7分布反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器（1學(xué)時(shí)）第五章半導(dǎo)體激光器的性能（2學(xué)時(shí)）5.1半導(dǎo)體激光器的闕值特性5.2半導(dǎo)體激光器的效率（1學(xué)時(shí)）5.3半導(dǎo)體激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)特性（1學(xué)時(shí)）第8周第五章半導(dǎo)體激光器的性能（4學(xué)時(shí)）5.4半導(dǎo)體激光器的模式特性（1學(xué)時(shí)）5.5半導(dǎo)體激光器的光譜線(xiàn)寬（1學(xué)時(shí)）5.6半導(dǎo)體激光器的瞬態(tài)特性（1學(xué)時(shí)）5.7半導(dǎo)體激光器的退化和失效（1學(xué)時(shí)）第9周第六章低維量子半導(dǎo)體材料（4學(xué)時(shí)）6.1概述6.2量子阱的基本理論和特點(diǎn)（2學(xué)時(shí)）6.3量子阱半導(dǎo)體激光器（2學(xué)時(shí)）第10周第六章低維量子半導(dǎo)體材料（4學(xué)時(shí)）6.4量子線(xiàn)與量子點(diǎn)（4學(xué)時(shí)）第11周第七章半導(dǎo)體光放大器(CSOA)（4學(xué)時(shí)）7.1概述7.2半導(dǎo)體光放大器的性能要求（4學(xué)時(shí)）第12周第七章半導(dǎo)體光放大器(CSOA)（2學(xué)時(shí)）7.3半導(dǎo)體光放大器應(yīng)用展望（2學(xué)時(shí)）第八章可見(jiàn)光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件（2學(xué)時(shí)）8.1概述8.2紅光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件（2學(xué)時(shí)）第13周第八章可見(jiàn)光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件（4學(xué)時(shí)）8.2紅光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件（1學(xué)時(shí)）8.3藍(lán)／綠光半導(dǎo)體光發(fā)射材料和器件（3學(xué)時(shí)）第14周第九章半導(dǎo)體中的光吸收和光探測(cè)器（4學(xué)時(shí)）9.1本征