光电集成电路设计与器件建模（英文版） [Optoelectronic Integrated Circuit Design and Device Modeling] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

高建军 著

图书标签:

• 光电集成电路
• 集成电路设计
• 器件建模
• 光电子学
• 半导体
• 模拟电路
• 射频电路
• EDA
• 光学
• 通信

出版社： 高等教育出版社

ISBN：9787040313260

版次：1

商品编码：10554279

包装：平装

外文名称：Optoelectronic Integrated Circuit Design and Device Modeling

开本：16开

出版时间：2011-01-01

用纸：胶版纸

页数：262

内容简介

　　《光电集成电路设计与器件建模（英文版）》主要介绍微波技术在光电子集成电路设计领域的应用，内容涵盖先进的半导体光电子器件建模技术、高速光发射和接收电路设计技术，器件涉及半导体激光器、半导体探测器以及多种高速半导体器件，特别是对于双极晶体管和场效应晶体管在超高速光电子集成电路中的应用进行了详细的讨论。
　　《光电集成电路设计与器件建模（英文版）》在微波器件建模技术和光电子集成电路设计之间架起了一座学科贯通的桥梁，非常适合微波射频领域和光电子领域的高年级本科生、研究生和科研工作人员入门学习。

作者简介

　　高建军，华东师范大学教授，博士生导师，“紫江学者”特聘教授，中国科学院微电子研究所客座教授，中国电子学会高级会员，IEEE高级会员，2005年入选教育部“新世纪人才支持计划”。任多个国际微波学术刊物的编委和审稿人，出版学术专著5部，发表SCI论文40篇，EI论文40篇。

目录

Preface
About the Author
1 Nomenclature
Introduction
1.1 Optical Communication System
1.2 Optoelectronic Integrated Circuit Computer-Aided Design
1.3 Organization of This Book
References
2 Basic Concept of Semiconductor Laser Diodes
2.1 Introduction
2.2 Basic Concept
2.2.1 Atom Energy
2.2.2 Emission and Absorption
2.2.3 Population Inversion
2.3 Structures and Types
2.3.1 Homojunction and Heterojunction
2.3.2 Index Guiding and Gain Guiding
2.3.3 Fabry-Perot Cavity Lasers
2.3.4 Quantum-Well Lasers
2.3.5 Distributed Feedback Lasers
2.3.6 Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers
2.4 Laser Characteristics
2.4.1 Single-Mode Rate Equations
2.4.2 Multimode Rate Equations
2.4.3 Small-Signal Intensity Modulation
2.4.4 Small-Signal Frequency Modulation
2.4.5 Large-Signal Transit Response
2.4.6 Second Harmonic Distortion
2.4.7 Relative Intensity Noise
2.4.8 Measurement Technique
2.5 Summary
References
3 Modeling and Parameter Extraction Techniques of Lasers
3.1 Introduction
3.2 Standard Double Heterojunction Semiconductor Lasers
3.2.1 Large-Signal Model
3.2.2 Small-Signal Model
3.2.3 Noise Model
3.3 Quantum-Well Lasers
3.3.1 One-Level Equivalent Circuit Model
3.3.2 Two-Level Equivalent Circuit Model
3.3.3 Three-Level Equivalent Circuit Model
3.4 Parameter Extraction Methods
3.4.1 Direct-Extraction Method
3.4.2 Semi-Analytical Method
3.5 Summary
References
4 Microwave Modeling Techniques of Photodiodes
4.1 Introduction
4.2 Physical Principles
4.3 Figures of Merit
4.3.1 Responsivity
4.3.2 Quantum Efficiency
4.3.3 Absorption Coefficient
4.3.4 Dark Current
4.3.5 Rise Time and Bandwidth
4.3.6 Noise Currents
4.4 Microwave Modeling Techniques
4.4.1 PIN PD
4.4.2 APD
4.5 Summary
References
5 High-Speed Electronic Semiconductor Devices
5.1 Overview of Microwave Transistors
5.2 FET Modeling Technique
5.2.1 FET Small-Signal Modeling
5.2.2 FET Large-Signal Modeling
5.2.3 FET Noise Modeling
5.3 GaAs/InP HBT Modeling Technique
5.3.1 GaAs/InP HBT Nonlinear Model
5.3.2 GaAs/InP HBT Linear Model
5.3.3 GaAs/InP HBT Noise Model
5.3.4 Parameter Extraction Methods
5.4 SiGe HBT Modeling Technique
5.5 MOSFET Modeling Technique
5.5.1 MOSFET Small-Signal Model
5.5.2 MOSFET Noise Model
5.5.3 Parameter Extraction Methods
5.6 Summary
References
6 Semiconductor Laser and Modulator Driver Circuit Design
6.1 Basic Concepts
6.1.1 NRZ and RZ Data
6.1.2 Optical Modulation
6.1.3 Optical External Modulator
6.2 Optoelectronic Integration Technology
6.2.1 Monofithic Optoelectronic Integrated Circuits
6.2.2 Hybrid Optoelectronic Integrated Circuits
6.3 Laser Driver Circuit Design
6.4 Modulator Driver Circuit Design
6.4.1 FET-Based Driver Circuit
6.4.2 Bipolar Transistor-Based Driver Integrated Circuit
6.4.3 MOSFET-Based Driver Integrated Circuit
6.5 Distributed Driver Circuit Design
6.6 Passive Peaking Techniques
6.6.1 Capacitive Peaking Techniques
6.6.2 Inductive Peaking Techniques
6.7 Summary
References
7 Optical Receiver Front-End, Integrated Circuit Design
7.1 Basic Concepts of the Optical Receiver
7.1.1 Signal-to-Noise Ratio
7.1.2 Bit Error Ratio
7.1.3 Sensitivity
7.1.4 Eye Diagram
7.1.5 Signal Bandwidth
7.1.6 Dynamic Range
7.2 Front-End Circuit Design
7.2.1 Hybrid and Monolithic OEIC
7.2.2 High-Impedance Front-End
7.2.3 Transimpedance Front-End
7.3 Transi-mpedance Gain and Equivalent Input Noise Current
7.3.1 S Parameters of a Two-Port Network
7.3.2 Noise Figure of a Two-Port Network
7.3.3 Transimpedance Gain
7.3.4 Equivalent Input Noise Current
7.3.5 Simulation and Measurement of Transimpedance Gain and Equivalent Input Noise Current
7.4 Transimpedance Amplifier Circuit Design
7.4.1 BJT-Based Circuit Design
7.4.2 HBT-Based Circuit Design
7.4.3 FET-Based Circuit Design
7.4.4 MOSFET-Based Circuit Design
7.4.5 Distributed Circuit Design
7.5 Passive Peaking Techniques
7.5.1 Inductive Peaking Techniques
7.5.2 Capacitive Peaking Techniques
7.6 Matching Techniques
7.7 Summary
References
Index

光电集成电路设计与器件建模 前言 在当今信息技术飞速发展的浪潮中，光电集成电路（OEIC）作为连接光信号与电子信号的关键桥梁，其重要性日益凸显。从高速通信网络到精密传感器，从先进显示技术到前沿医疗设备，OEIC的应用无处不在，深刻地影响着我们的生活和社会进程。本文旨在为读者提供一个全面、深入的光电集成电路设计与器件建模的综合性视角，引导研究者、工程师和学生理解这一复杂而迷人的领域的核心概念、关键技术和未来发展趋势。 本书的内容涵盖了从基础的光学原理、半导体物理，到各种光电器件的特性与建模，再到集成电路的设计方法学和制造工艺。我们力求以一种逻辑清晰、循序渐进的方式，将复杂的理论知识与实际应用紧密结合，帮助读者建立起扎实的理论基础，并掌握解决实际工程问题的能力。 第一章：光电集成电路概述 本章将为读者勾勒出光电集成电路的宏观图景。我们将首先探讨光电集成电路的定义、发展历程及其在现代科技中的关键作用。接着，我们会深入剖析OEIC的核心优势，例如更高的集成度、更低的功耗、更快的速度以及更小的体积，这些优势使其在各个应用领域都展现出强大的生命力。 我们将详细介绍OEIC的主要组成部分，包括但不限于光发射器件（如LED、激光器）、光探测器件（如PIN光电二极管、雪崩光电二极管）、调制器、波导、以及与这些光学元件集成的电子电路（如驱动电路、放大电路、信号处理电路）。理解这些基本单元的功能和相互作用，是掌握OEIC设计的基础。 此外，本章还将对OEIC的主要应用领域进行概览，例如： 光通信： 光纤通信系统中的发射端和接收端模块，包括速率提升、封装小型化等关键技术。 光互连： 在高性能计算和数据中心中，利用光信号取代电信号进行芯片间或板间通信，克服电信号传输瓶颈。 生物医学： 用于医疗成像（如CT、MRI）、生物传感器、光动力疗法等。 消费电子： 触摸屏、图像传感器、光学鼠标、VR/AR设备等。 工业应用： 激光雷达（LiDAR）、机器视觉、光学计量等。 通过本章的学习，读者将对光电集成电路建立起一个整体的认识，并对其重要性和广阔的应用前景有一个清晰的把握。 第二章：光学与半导体基础 光电集成电路的设计离不开对光学和半导体物理基础知识的深刻理解。本章将回顾和梳理这些基础理论，为后续章节的学习奠定坚实基础。 2.1 光学基础 我们将从经典电磁理论出发，介绍光的波动性和粒子性。关键概念包括： 光波的传播： 光的折射、反射、衍射、干涉等现象，以及它们在光波导设计中的应用。 光的基本性质： 光的波长、频率、能量、偏振等。 光与物质的相互作用： 光的吸收、散射、辐射等。 2.2 半导体物理基础 半导体是构成光电器件的核心材料，因此理解其物理特性至关重要。本章将重点介绍： 能带理论： 价带、导带、禁带宽度，以及它们的意义。 载流子： 电子和空穴，它们的产生、复合和迁移。 掺杂与pn结： p型和n型半导体的形成，pn结的形成机理、能带图、内建电场和势垒。 载流子输运： 漂移和扩散，以及它们如何影响器件性能。 少数载流子效应： 在非平衡状态下，少数载流子的注入、扩散和复合。 本章内容的学习将使读者能够理解光电器件的基本工作原理，并为后续器件建模打下理论基础。 第三章：光电器件原理与特性 本章将详细介绍构成光电集成电路的各类关键光电器件，重点阐述其工作原理、关键参数和特性曲线。 3.1 光发射器件 发光二极管 (LED)： 工作原理： pn结注入载流子的辐射复合发光。 材料选择： GaN、GaAs、InP等常用半导体材料及其特性。 关键参数： 发光波长、发光效率、光功率、响应时间、光谱宽度。 结构类型： 表面发光LED、边发射LED。 激光二极管 (LD)： 工作原理： 粒子数反转、受激发射、谐振腔增益。 结构类型： 单量子阱、多量子阱、分布反馈（DFB）激光器、垂直腔面发射激光器（VCSEL）等。 关键参数： 阈值电流、输出功率、光束质量、光谱线宽、稳定性。 3.2 光探测器件 光电二极管 (PD)： 工作原理： 光照下pn结内光生载流子的产生与收集。 材料选择： Si、Ge、InGaAs等。 结构类型： PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）。 关键参数： 响应度、量子效率、暗电流、带宽、噪声等效功率（NEP）。 雪崩光电二极管 (APD)： 工作原理： 载流子倍增效应。 优势： 高灵敏度。 关键参数： 倍增系数、噪声系数。 3.3 光调制器件 电光调制器： 利用电场改变材料折射率，从而调制光的相位或幅度。 材料： LiNbO3、GaAs、InP等。 类型： Mach-Zehnder调制器（MZM）、相移器。 电吸收调制器 (EAM)： 利用电场改变材料吸收系数，从而调制光的强度。 材料： InGaAsP、MQW结构。 优势： 集成度高、功耗低。 3.4 其他关键器件 光波导： 引导光信号在芯片上传输的结构。 材料： SiN、TiO2、聚合物等。 类型： 薄膜波导、脊形波导。 合束器/分束器： 将多路光信号合并或将一路光信号分成多路。 通过对这些器件的深入理解，读者将能够选择和设计适合特定应用的OEIC。 第四章：光电器件建模与仿真 精确的器件模型是进行高效OEIC设计的前提。本章将介绍常用的光电器件建模方法和仿真工具。 4.1 器件物理模型 半导体器件模型： PN结模型： 漂移扩散模型、Gummel-Poon模型等。 光生效应模型： 描述光照如何影响载流子浓度和器件特性。 量子效应模型： 对于量子阱、量子点等微纳结构器件。 光学模型： 波动方程求解： 有限时域差分（FDTD）、有限元法（FEM）等用于模拟光在微纳结构中的传播。 传播模式分析： 求解波导中的传播模式，分析模式耦合和损耗。 4.2 参数提取与模型验证 实验测量： 通过光电测试平台，获取器件的I-V特性、光功率、响应度、光谱等参数。 模型拟合： 利用测量数据，调整模型参数，使其能够准确描述器件行为。 模型验证： 使用独立的数据集或在不同工作条件下验证模型的准确性。 4.3 仿真软件介绍 TCAD（Technology Computer-Aided Design）工具： Sentaurus TCAD, Silvaco等，用于器件的物理仿真。 光学仿真工具： Lumerical MODE Solutions, FDTD Solutions, COMSOL Multiphysics等。 电路仿真工具： SPICE（Spectre, ADS等），用于将器件模型集成到电路仿真中。 本章将强调模型与实际测量结果的一致性，以及仿真在加速设计周期和优化器件性能中的作用。 第五章：光电集成电路设计方法学 将多种光电器件和电子电路集成到同一芯片上，需要一套系统性的设计方法。本章将探讨OEIC设计中的关键步骤和考虑因素。 5.1 系统级设计 需求分析： 明确OEIC的功能、性能指标、功耗、成本等要求。 架构设计： 划分OEIC的各个功能模块，确定模块之间的接口和连接方式。 仿真与验证： 在系统层面进行整体仿真，确保各模块协同工作。 5.2 物理设计 版图设计： 器件布局： 合理安排光电器件和电子电路的相对位置，考虑光路、电隔离、散热等因素。 布线： 优化光波导和电信号的布线，减少损耗和串扰。 工艺设计规则 (DRC)： 遵守制造工艺的限制，确保版图的可制造性。 混合信号设计： OEIC通常包含模拟和数字电路，以及光学组件，需要采用专门的混合信号设计流程。 5.3 设计流程与工具链 EDA（Electronic Design Automation）工具： 版图编辑器： Cadence Virtuoso, Synopsys IC Compiler等。 电路仿真器： Spectre, ADS等。 物理验证工具： DRC, LVS（Layout Versus Schematic）等。 IP核（Intellectual Property Core）： 利用可复用的设计模块，加速设计进程。 流片与测试： 将设计文件提交给晶圆厂制造，并通过测试验证芯片功能。 本章将重点介绍如何在高度集成的环境中，平衡光学和电子性能，以及如何有效地利用EDA工具链完成设计。 第六章：光电器件与集成电路的制造工艺 OEIC的制造过程是实现高性能器件的关键。本章将概述目前主流的OEIC制造技术。 6.1 半导体制造基础 外延生长： MOCVD（金属有机化学气相沉积）、MBE（分子束外延）等技术，用于在衬底上生长高质量的半导体薄膜。 光刻： 将电路图案转移到硅片上的关键步骤。 刻蚀： 去除不需要的材料，形成器件结构。 薄膜沉积： PECVD（等离子体增强化学气相沉积）等。 掺杂： 离子注入、扩散等。 6.2 光电集成制造技术 同质外延与异质集成： 同质集成： 在同一材料衬底上生长不同功能的器件，例如在InP衬底上生长激光器和探测器。 异质集成： 将不同材料衬底上的器件通过键合等技术集成到同一芯片上，例如将Si器件与InP器件集成。 硅光子技术： 利用成熟的CMOS工艺平台制造光学器件，实现低成本、大规模生产。 III-V族化合物半导体制造： InP、GaAs等材料在高速光通信领域具有重要地位。 先进封装技术： Chiplet技术、3D封装等，用于提高集成密度和性能。 6.3 工艺挑战与解决方案 材料兼容性： 不同材料之间的界面问题。 器件隔离： 防止光器件和电器件之间的相互干扰。 热管理： 光电器件工作时会产生热量，需要有效的散热方案。 良率控制： 复杂制造工艺带来的良率挑战。 本章将强调工艺参数对器件性能的影响，以及如何通过优化制造工艺来提高OEIC的性能和可靠性。 第七章：前沿技术与未来发展 光电集成电路领域正处于快速发展之中，本章将展望其未来发展趋势和新兴技术。 7.1 新型光电器件 量子点光电器件： 利用量子点独特的量子限制效应，实现可调谐的光电性能。 二维材料光电器件： 如石墨烯、MoS2等，具有优异的光电特性和柔性。 硅光子学的进步： 更高的集成度、更低的功耗、更宽的波长范围。 等离激元光电器件： 利用金属纳米结构与光的相互作用，实现超衍射极限的光学器件。 7.2 智能光电集成电路 AI与OEIC的结合： 将AI算法集成到OEIC中，实现智能传感、信息处理和决策。 自适应与自校准OEIC： 能够根据环境变化或器件老化自动调整参数。 7.3 新兴应用领域 光子计算： 利用光子进行信息处理，实现比电子计算更快的速度和更高的能效。 量子通信： OEIC在量子密钥分发（QKD）和量子网络中的应用。 神经形态光子学： 模拟人脑神经网络的光学计算。 7.4 可持续发展与绿色制造 低功耗设计： 满足日益增长的能源效率需求。 环保材料与工艺： 减少对环境的影响。 本章旨在激发读者对OEIC未来发展的思考，并鼓励他们在这一充满活力的领域进行探索与创新。 结语 光电集成电路的设计与建模是一个多学科交叉的领域，需要对物理、材料、电子工程、光学等知识有深入的理解。本书的编写旨在为读者提供一个坚实的学习平台，帮助他们掌握OEIC设计与建模的核心技能，并为未来的研究与开发打下坚实的基础。我们希望本书能够激发您对这一迷人领域的热情，并引导您在未来的探索中取得卓越的成就。

评分☆☆☆☆☆

当我拿起《光电集成电路设计与器件建模》这本书时，我并没有预设它会给我带来怎样的惊喜，但它确确实实超出了我的预期。我是一名对电子工程和物理学都有一定涉猎的爱好者，而这本书正好处于这两个领域的交汇点。它并没有回避那些深奥的物理概念，反而以一种系统性的方式，将它们与实际的电路设计紧密联系起来。我尤其喜欢书中关于器件物理特性的讲解，它让我能够理解为什么某些器件会表现出特定的行为，以及如何在设计中利用这些特性。同时，书中对于器件建模的阐述，也让我领略到了科学研究的严谨和精妙。通过模型，我们可以预测器件在不同条件下的表现，从而优化设计，减少不必要的实验。这本书的结构安排得非常合理，从基础理论到实际应用，层层递进，循序渐进。虽然其中有一些数学推导对我来说还有些挑战，但我能感受到作者在力求用最清晰的语言来解释这些复杂的概念。它不仅让我增长了知识，更重要的是，它激发了我对这一交叉学科的浓厚兴趣，让我开始主动去探索更多的相关领域。

评分☆☆☆☆☆

这本书以一种令人惊叹的细腻程度，剖析了光电集成电路的设计哲学以及支撑这一切的器件建模艺术。我是一名对微纳制造工艺有着浓厚兴趣的学习者，而本书恰好满足了我对“隐形”的微观世界运行规律的好奇心。它不仅仅是枯燥的公式和图表，而是通过对每一个环节的细致描绘，让我得以窥见工程师们如何将光子的能量转化为电信号，又如何利用电信号来控制光子的产生和传输。书中关于不同材料特性如何影响器件性能的论述，以及如何通过精确的建模来模拟这些复杂 interactions，都让我受益匪浅。我惊叹于作者能够将如此复杂的概念，以一种既专业又易于理解的方式呈现出来。特别是那些关于光学和电子耦合效应的章节，让我对“集成”这个词有了更深层次的理解，它不仅仅是空间上的叠加，更是功能上的协同与共生。我被书中展示的那些前沿技术和未来发展趋势所吸引，这本书为我理解当前乃至未来光电技术的发展方向，提供了一个清晰的视角。它让我意识到，在这个快速发展的时代，对基础原理的深入理解和对器件行为的精准建模，是实现技术突破的关键。

评分☆☆☆☆☆

阅读《光电集成电路设计与器件建模》这本书，对我而言，是一次充满启发性的智力冒险。我是一名对信息技术和未来科技发展趋势保持高度关注的普通读者，而这本书恰好触及了我最感兴趣的领域之一。它以一种非常系统和深入的方式，揭示了光电集成电路这个复杂而迷人的世界。我被书中对不同光电器件工作原理的细致讲解所吸引，仿佛置身于一个微观的物理世界，看到了光与电如何神奇地相互作用，并被巧妙地集成到微小的芯片上。尤其令我印象深刻的是，书中不仅仅停留在理论层面，而是通过大量的模型构建和设计思路，展示了工程师们如何将科学理论转化为实际可用的产品。这让我对“设计”二字有了更深的理解，它不仅仅是简单的线路连接，更包含了对物理规律的深刻洞察和对性能优化的不懈追求。这本书让我对未来通信、计算乃至更广泛的科技应用有了更清晰的认识，它预示着一个更加高效、更低功耗、更智能的时代正在到来。尽管我不是专业人士，但本书的清晰讲解和丰富的实例，让我能够大致理解其核心内容，并深深地被其所展现的科技魅力所折服。

评分☆☆☆☆☆

在一次偶然的机会下，我翻阅了这本《光电集成电路设计与器件建模》，虽然我对这个领域并非专业出身，但我一直对科技的前沿充满好奇。这本书以一种非常扎实且富有深度的视角，向我展示了一个我从未真正触及过的世界——光电集成电路。它不仅仅是简单的“芯片”，而是将光与电的奇妙互动巧妙地融合在微观世界里，进而实现一系列令人惊叹的功能。我被书中描绘的那些精密的设计过程深深吸引，仿佛置身于一个高度智慧的实验室，亲眼见证着工程师们如何一步步将复杂的理论转化为实际可用的器件。书中关于器件建模的章节，更是让我领略到科学研究的严谨性，它揭示了如何通过数学模型来精确预测和理解器件的行为，这对于后续的优化和创新至关重要。虽然某些技术细节对我而言还有些晦涩，但我能感受到作者在其中倾注的心血，以及他对这个领域深刻的理解和热爱。这本书让我对半导体、光学以及它们交叉领域的未来发展有了全新的认识，它拓展了我对“集成”概念的理解，不再局限于电子元件的堆叠，而是上升到了能量形式的转换与协同。它激发了我探索更多相关知识的兴趣，尤其是书中提到的一些前沿应用，比如在高速通信、生物传感以及量子计算等领域的潜力，都让我感到无比振奋。这本书就像是一扇通往未来科技大门的钥匙，即使我无法完全掌握其中的所有奥秘，但它已成功点燃了我心中对未知领域探索的火焰。

评分☆☆☆☆☆

我是一名从事多年光电子器件研发的工程师，这次有幸拜读了《光电集成电路设计与器件建模》（英文版），深感收获颇丰。本书在光电器件的物理原理和电学特性之间架起了一座坚实的桥梁，尤其是在模型构建的部分，作者的叙述条理清晰，逻辑严谨，为我们提供了非常实用的建模框架。我尤其欣赏书中对几种关键光电器件（如光电二极管、激光器、调制器等）的详细分析，不仅阐述了其基本工作机制，更深入地探讨了影响其性能的各种因素，并给出了相应的理论推导。这些内容对于我们进行器件的优化设计、性能预测以及故障排除具有极高的参考价值。在电路设计方面，本书也给出了不少巧妙的思路和成熟的解决方案，尤其是在解决光电集成过程中常见的噪声、串扰和功耗等问题上，书中提出的方法论和具体电路拓扑都非常值得借鉴。更难能可贵的是，作者在书中并没有停留在理论层面，而是结合了大量的工程实践案例，这使得原本抽象的概念变得更加具体生动，也让我们能够更好地理解理论与实际应用之间的联系。对于我们这些一线研发人员来说，一本能够提供实用工具和深刻见解的书籍，无疑是弥足珍贵的。本书无疑是我的案头必备，也必将成为我日常工作中重要的参考资料。