內容簡介
《光電集成電路設計與器件建模(英文版)》主要介紹微波技術在光電子集成電路設計領域的應用,內容涵蓋先進的半導體光電子器件建模技術、高速光發射和接收電路設計技術,器件涉及半導體激光器、半導體探測器以及多種高速半導體器件,特彆是對於雙極晶體管和場效應晶體管在超高速光電子集成電路中的應用進行瞭詳細的討論。
《光電集成電路設計與器件建模(英文版)》在微波器件建模技術和光電子集成電路設計之間架起瞭一座學科貫通的橋梁,非常適閤微波射頻領域和光電子領域的高年級本科生、研究生和科研工作人員入門學習。
作者簡介
高建軍,華東師範大學教授,博士生導師,“紫江學者”特聘教授,中國科學院微電子研究所客座教授,中國電子學會高級會員,IEEE高級會員,2005年入選教育部“新世紀人纔支持計劃”。任多個國際微波學術刊物的編委和審稿人,齣版學術專著5部,發錶SCI論文40篇,EI論文40篇。
目錄
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
光電集成電路設計與器件建模 前言 在當今信息技術飛速發展的浪潮中,光電集成電路(OEIC)作為連接光信號與電子信號的關鍵橋梁,其重要性日益凸顯。從高速通信網絡到精密傳感器,從先進顯示技術到前沿醫療設備,OEIC的應用無處不在,深刻地影響著我們的生活和社會進程。本文旨在為讀者提供一個全麵、深入的光電集成電路設計與器件建模的綜閤性視角,引導研究者、工程師和學生理解這一復雜而迷人的領域的核心概念、關鍵技術和未來發展趨勢。 本書的內容涵蓋瞭從基礎的光學原理、半導體物理,到各種光電器件的特性與建模,再到集成電路的設計方法學和製造工藝。我們力求以一種邏輯清晰、循序漸進的方式,將復雜的理論知識與實際應用緊密結閤,幫助讀者建立起紮實的理論基礎,並掌握解決實際工程問題的能力。 第一章:光電集成電路概述 本章將為讀者勾勒齣光電集成電路的宏觀圖景。我們將首先探討光電集成電路的定義、發展曆程及其在現代科技中的關鍵作用。接著,我們會深入剖析OEIC的核心優勢,例如更高的集成度、更低的功耗、更快的速度以及更小的體積,這些優勢使其在各個應用領域都展現齣強大的生命力。 我們將詳細介紹OEIC的主要組成部分,包括但不限於光發射器件(如LED、激光器)、光探測器件(如PIN光電二極管、雪崩光電二極管)、調製器、波導、以及與這些光學元件集成的電子電路(如驅動電路、放大電路、信號處理電路)。理解這些基本單元的功能和相互作用,是掌握OEIC設計的基礎。 此外,本章還將對OEIC的主要應用領域進行概覽,例如: 光通信: 光縴通信係統中的發射端和接收端模塊,包括速率提升、封裝小型化等關鍵技術。 光互連: 在高性能計算和數據中心中,利用光信號取代電信號進行芯片間或闆間通信,剋服電信號傳輸瓶頸。 生物醫學: 用於醫療成像(如CT、MRI)、生物傳感器、光動力療法等。 消費電子: 觸摸屏、圖像傳感器、光學鼠標、VR/AR設備等。 工業應用: 激光雷達(LiDAR)、機器視覺、光學計量等。 通過本章的學習,讀者將對光電集成電路建立起一個整體的認識,並對其重要性和廣闊的應用前景有一個清晰的把握。 第二章:光學與半導體基礎 光電集成電路的設計離不開對光學和半導體物理基礎知識的深刻理解。本章將迴顧和梳理這些基礎理論,為後續章節的學習奠定堅實基礎。 2.1 光學基礎 我們將從經典電磁理論齣發,介紹光的波動性和粒子性。關鍵概念包括: 光波的傳播: 光的摺射、反射、衍射、乾涉等現象,以及它們在光波導設計中的應用。 光的基本性質: 光的波長、頻率、能量、偏振等。 光與物質的相互作用: 光的吸收、散射、輻射等。 2.2 半導體物理基礎 半導體是構成光電器件的核心材料,因此理解其物理特性至關重要。本章將重點介紹: 能帶理論: 價帶、導帶、禁帶寬度,以及它們的意義。 載流子: 電子和空穴,它們的産生、復閤和遷移。 摻雜與pn結: p型和n型半導體的形成,pn結的形成機理、能帶圖、內建電場和勢壘。 載流子輸運: 漂移和擴散,以及它們如何影響器件性能。 少數載流子效應: 在非平衡狀態下,少數載流子的注入、擴散和復閤。 本章內容的學習將使讀者能夠理解光電器件的基本工作原理,並為後續器件建模打下理論基礎。 第三章:光電器件原理與特性 本章將詳細介紹構成光電集成電路的各類關鍵光電器件,重點闡述其工作原理、關鍵參數和特性麯綫。 3.1 光發射器件 發光二極管 (LED): 工作原理: pn結注入載流子的輻射復閤發光。 材料選擇: GaN、GaAs、InP等常用半導體材料及其特性。 關鍵參數: 發光波長、發光效率、光功率、響應時間、光譜寬度。 結構類型: 錶麵發光LED、邊發射LED。 激光二極管 (LD): 工作原理: 粒子數反轉、受激發射、諧振腔增益。 結構類型: 單量子阱、多量子阱、分布反饋(DFB)激光器、垂直腔麵發射激光器(VCSEL)等。 關鍵參數: 閾值電流、輸齣功率、光束質量、光譜綫寬、穩定性。 3.2 光探測器件 光電二極管 (PD): 工作原理: 光照下pn結內光生載流子的産生與收集。 材料選擇: Si、Ge、InGaAs等。 結構類型: PIN光電二極管、雪崩光電二極管(APD)。 關鍵參數: 響應度、量子效率、暗電流、帶寬、噪聲等效功率(NEP)。 雪崩光電二極管 (APD): 工作原理: 載流子倍增效應。 優勢: 高靈敏度。 關鍵參數: 倍增係數、噪聲係數。 3.3 光調製器件 電光調製器: 利用電場改變材料摺射率,從而調製光的相位或幅度。 材料: LiNbO3、GaAs、InP等。 類型: Mach-Zehnder調製器(MZM)、相移器。 電吸收調製器 (EAM): 利用電場改變材料吸收係數,從而調製光的強度。 材料: InGaAsP、MQW結構。 優勢: 集成度高、功耗低。 3.4 其他關鍵器件 光波導: 引導光信號在芯片上傳輸的結構。 材料: SiN、TiO2、聚閤物等。 類型: 薄膜波導、脊形波導。 閤束器/分束器: 將多路光信號閤並或將一路光信號分成多路。 通過對這些器件的深入理解,讀者將能夠選擇和設計適閤特定應用的OEIC。 第四章:光電器件建模與仿真 精確的器件模型是進行高效OEIC設計的前提。本章將介紹常用的光電器件建模方法和仿真工具。 4.1 器件物理模型 半導體器件模型: PN結模型: 漂移擴散模型、Gummel-Poon模型等。 光生效應模型: 描述光照如何影響載流子濃度和器件特性。 量子效應模型: 對於量子阱、量子點等微納結構器件。 光學模型: 波動方程求解: 有限時域差分(FDTD)、有限元法(FEM)等用於模擬光在微納結構中的傳播。 傳播模式分析: 求解波導中的傳播模式,分析模式耦閤和損耗。 4.2 參數提取與模型驗證 實驗測量: 通過光電測試平颱,獲取器件的I-V特性、光功率、響應度、光譜等參數。 模型擬閤: 利用測量數據,調整模型參數,使其能夠準確描述器件行為。 模型驗證: 使用獨立的數據集或在不同工作條件下驗證模型的準確性。 4.3 仿真軟件介紹 TCAD(Technology Computer-Aided Design)工具: Sentaurus TCAD, Silvaco等,用於器件的物理仿真。 光學仿真工具: Lumerical MODE Solutions, FDTD Solutions, COMSOL Multiphysics等。 電路仿真工具: SPICE(Spectre, ADS等),用於將器件模型集成到電路仿真中。 本章將強調模型與實際測量結果的一緻性,以及仿真在加速設計周期和優化器件性能中的作用。 第五章:光電集成電路設計方法學 將多種光電器件和電子電路集成到同一芯片上,需要一套係統性的設計方法。本章將探討OEIC設計中的關鍵步驟和考慮因素。 5.1 係統級設計 需求分析: 明確OEIC的功能、性能指標、功耗、成本等要求。 架構設計: 劃分OEIC的各個功能模塊,確定模塊之間的接口和連接方式。 仿真與驗證: 在係統層麵進行整體仿真,確保各模塊協同工作。 5.2 物理設計 版圖設計: 器件布局: 閤理安排光電器件和電子電路的相對位置,考慮光路、電隔離、散熱等因素。 布綫: 優化光波導和電信號的布綫,減少損耗和串擾。 工藝設計規則 (DRC): 遵守製造工藝的限製,確保版圖的可製造性。 混閤信號設計: OEIC通常包含模擬和數字電路,以及光學組件,需要采用專門的混閤信號設計流程。 5.3 設計流程與工具鏈 EDA(Electronic Design Automation)工具: 版圖編輯器: Cadence Virtuoso, Synopsys IC Compiler等。 電路仿真器: Spectre, ADS等。 物理驗證工具: DRC, LVS(Layout Versus Schematic)等。 IP核(Intellectual Property Core): 利用可復用的設計模塊,加速設計進程。 流片與測試: 將設計文件提交給晶圓廠製造,並通過測試驗證芯片功能。 本章將重點介紹如何在高度集成的環境中,平衡光學和電子性能,以及如何有效地利用EDA工具鏈完成設計。 第六章:光電器件與集成電路的製造工藝 OEIC的製造過程是實現高性能器件的關鍵。本章將概述目前主流的OEIC製造技術。 6.1 半導體製造基礎 外延生長: MOCVD(金屬有機化學氣相沉積)、MBE(分子束外延)等技術,用於在襯底上生長高質量的半導體薄膜。 光刻: 將電路圖案轉移到矽片上的關鍵步驟。 刻蝕: 去除不需要的材料,形成器件結構。 薄膜沉積: PECVD(等離子體增強化學氣相沉積)等。 摻雜: 離子注入、擴散等。 6.2 光電集成製造技術 同質外延與異質集成: 同質集成: 在同一材料襯底上生長不同功能的器件,例如在InP襯底上生長激光器和探測器。 異質集成: 將不同材料襯底上的器件通過鍵閤等技術集成到同一芯片上,例如將Si器件與InP器件集成。 矽光子技術: 利用成熟的CMOS工藝平颱製造光學器件,實現低成本、大規模生産。 III-V族化閤物半導體製造: InP、GaAs等材料在高速光通信領域具有重要地位。 先進封裝技術: Chiplet技術、3D封裝等,用於提高集成密度和性能。 6.3 工藝挑戰與解決方案 材料兼容性: 不同材料之間的界麵問題。 器件隔離: 防止光器件和電器件之間的相互乾擾。 熱管理: 光電器件工作時會産生熱量,需要有效的散熱方案。 良率控製: 復雜製造工藝帶來的良率挑戰。 本章將強調工藝參數對器件性能的影響,以及如何通過優化製造工藝來提高OEIC的性能和可靠性。 第七章:前沿技術與未來發展 光電集成電路領域正處於快速發展之中,本章將展望其未來發展趨勢和新興技術。 7.1 新型光電器件 量子點光電器件: 利用量子點獨特的量子限製效應,實現可調諧的光電性能。 二維材料光電器件: 如石墨烯、MoS2等,具有優異的光電特性和柔性。 矽光子學的進步: 更高的集成度、更低的功耗、更寬的波長範圍。 等離激元光電器件: 利用金屬納米結構與光的相互作用,實現超衍射極限的光學器件。 7.2 智能光電集成電路 AI與OEIC的結閤: 將AI算法集成到OEIC中,實現智能傳感、信息處理和決策。 自適應與自校準OEIC: 能夠根據環境變化或器件老化自動調整參數。 7.3 新興應用領域 光子計算: 利用光子進行信息處理,實現比電子計算更快的速度和更高的能效。 量子通信: OEIC在量子密鑰分發(QKD)和量子網絡中的應用。 神經形態光子學: 模擬人腦神經網絡的光學計算。 7.4 可持續發展與綠色製造 低功耗設計: 滿足日益增長的能源效率需求。 環保材料與工藝: 減少對環境的影響。 本章旨在激發讀者對OEIC未來發展的思考,並鼓勵他們在這一充滿活力的領域進行探索與創新。 結語 光電集成電路的設計與建模是一個多學科交叉的領域,需要對物理、材料、電子工程、光學等知識有深入的理解。本書的編寫旨在為讀者提供一個堅實的學習平颱,幫助他們掌握OEIC設計與建模的核心技能,並為未來的研究與開發打下堅實的基礎。我們希望本書能夠激發您對這一迷人領域的熱情,並引導您在未來的探索中取得卓越的成就。