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[加] 李洵著 著，陈四海等译 译

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• 光电子学
• 半导体
• 物理仿真
• COMSOL
• Lumerical
• 光波导
• 纳米光子学

店铺： 科学出版社旗舰店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030414106

商品编码：1477234967

包装：平装

丛书名： 国外信息科学与技术优秀图书系列

出版时间：2015-03-01

页数：332

正文语种：中文

本书以经典电磁理论和量子物理为基础，对光子器件，尤其是半导体光电子器件的物理模型和数值分析方法进行了深入和详细的论述。内容涉及光导波器件物理、半导体体材料和量子结构材料的能带结构和光增益特性、载流子输运和热扩散模型、半导体光电子器件物理以及相关数值分析方法，并给出了上述模型和方法在半导体激光器、半导体光放大器、电吸收调制器、超发射发光二极管和一些半导体集成光电子器件等方面的仿真应用

光电子器件设计、建模与仿真：理论基础与实践指南 本书并非直接介绍“按需印刷”这一出版方式，而是致力于为光电子器件的设计、建模与仿真领域提供一套系统、深入的理论框架与实践指导。光电子器件作为信息技术、通信、传感、显示、能源等诸多前沿领域的核心组成部分，其性能的优化与创新离不开精确的理论分析和高效的仿真工具。本书旨在弥合理论知识与工程实践之间的鸿沟，帮助读者掌握设计、建模与仿真光电子器件的关键技术，从而加速产品研发进程，提升器件性能，并探索新的应用可能性。 第一部分：光电子器件基础理论回顾与拓展 在深入探讨设计、建模与仿真之前，构建扎实的理论基础至关重要。本部分将从光与物质相互作用的基本原理出发，系统回顾光电子器件领域的核心概念。我们将深入剖析半导体物理学的基本定律，包括能带理论、载流子输运、pn结特性、以及掺杂对半导体光学与电学特性的影响。在此基础上，我们将聚焦于光生伏打效应（光电转换）和电致发光效应（电光转换）等关键物理机制，详细阐述其背后的微观机理，并介绍与这些效应相关的半导体材料特性，如带隙能、吸收系数、折射率、载流子寿命等。 除了基础的半导体物理，本书还将重点介绍与光场行为相关的电磁波理论。我们将详细讲解麦克斯韦方程组在光波传播中的应用，包括平面波的传播、反射、折射、衍射、干涉等现象。特别地，我们将深入分析波导理论，理解光在介质中的约束传播方式，这对光波导、光纤等器件的设计至关重要。此外，我们还将介绍光与不同几何形状、材料组成的结构相互作用时产生的复杂光学效应，为后续的器件结构设计奠定理论基础。 为了使读者更好地理解器件的实际工作原理，本部分还将引入一些高级的光电子学概念。例如，我们将探讨载流子的非平衡分布、能量弛豫过程、激子形成与湮灭等，这些都直接影响着器件的发光效率和光探测灵敏度。对于光探测器，我们将详细解析其响应机制，包括光电流的产生、收集效率、噪声源（如散粒噪声、热噪声、暗电流等）及其对器件性能的影响。对于发光器件，我们将深入分析复合机制，包括辐射复合和非辐射复合，以及如何通过材料选择和结构设计来提高辐射复合的比例，从而提升发光效率。 第二部分：光电子器件的建模方法与技术 掌握高效准确的建模方法是实现光电子器件仿真预测的关键。本部分将系统介绍目前主流的光电子器件建模技术，并根据不同类型器件的特点，提供相应的建模策略。 首先，我们将从宏观的电学和光学模型入手。对于许多半导体器件，我们可以采用基于半导体方程组（泊松方程、连续性方程、漂移-扩散方程）的求解来描述载流子的输运和电场分布，并结合麦克斯韦方程组或波动方程来描述光场的行为。我们将详细介绍这些方程组的推导过程、边界条件的处理方法，以及数值求解的常用算法，如有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）、边界元法（BEM）等。 其次，对于特定类型的器件，如激光器、LEDs、光探测器、光调制器等，我们将介绍更具针对性的建模方法。例如，对于半导体激光器，我们不仅需要考虑载流子的注入和复合，还需要考虑光腔的谐振、增益谱的形成、阈值电流的计算以及输出光功率的预测。我们将介绍 Rate Equation Approach（速率方程法）等常用模型，并讨论如何将量子限制效应（如量子阱、量子点）纳入模型中，以理解和设计高性能的量子器件。 对于光探测器，我们将重点关注其光电响应模型的建立，包括光吸收区域的确定、载流子产生率的计算、载流子漂移速度的建模、以及外部量子效率（EQE）和内量子效率（IQE）的分析。我们还将介绍噪声模型的建立，用于预测探测器的信噪比（SNR）和最小探测功率（NEP）。 在微纳结构器件方面，例如周期性结构、超表面等，它们的光学响应往往表现出强烈的衍射和耦合特性。本部分将介绍基于严格耦合波分析（RCWA）的方法，以及基于时域有限差分法（FDTD）和有限元法（FEM）的电磁仿真技术，用于精确求解这些复杂结构的光学行为。 此外，我们还将讨论多物理场耦合建模的重要性。许多光电子器件的工作性能受到电、热、光、力等多种物理场的相互影响。例如，器件的发热会影响载流子的迁移率，从而改变电学特性；而电学激励也会产生电致发光。本书将引导读者理解如何建立多物理场耦合模型，以获得更真实可靠的仿真结果。 第三部分：光电子器件的仿真工具与实践应用 理论与模型最终需要通过仿真工具来实现并验证。本部分将介绍目前业界主流的光电子器件仿真软件，并结合具体案例，展示如何利用这些工具进行器件设计、性能分析与优化。 我们将重点介绍几类常用的仿真软件，包括： 半导体器件仿真软件： 如 Sentaurus TCAD（Synopsys）、ATLAS（Silvaco）等，它们提供了强大的半导体器件物理模型和求解器，能够对 pn 结、MOSFET、BJT 等器件进行精确的电学和光学仿真。我们将展示如何利用这些软件进行载流子分布、电场分布、电流-电压特性、光生电流等仿真。 电磁场仿真软件： 如 Lumerical FDTD Solutions、COMSOL Multiphysics、CST Studio Suite 等，它们专注于解决麦克斯韦方程组，能够精确模拟光在不同结构中的传播、衍射、散射、吸收等光学行为。我们将通过案例演示如何利用这些软件进行波导模式分析、衍射光学元件设计、超材料光学特性模拟等。 商业化集成仿真平台： 一些软件平台提供了集成的建模和仿真环境，允许用户在同一界面内进行电学、光学、热学等多种物理场的仿真，并支持不同模型的导入和导出，极大地提高了仿真效率。 我们将针对不同类型光电子器件，提供详细的仿真实践案例。例如： LED 器件仿真： 如何建立 LED 的电学模型，分析载流子注入、复合效率，并结合光学模型计算其出射光强分布、光谱特性。 光探测器仿真： 如何建立 PIN 光电探测器的模型，分析其响应速度、量子效率、噪声特性，并进行不同材料和结构下的性能比较。 激光器仿真： 如何利用速率方程法建立半导体激光器的模型，分析阈值电流、输出功率、边模抑制比等关键参数。 光波导与耦合器仿真： 如何利用电磁仿真软件分析波导模式、计算耦合效率、优化耦合器结构。 新兴光电子器件仿真： 如二维材料光电器件、有机光电器件、量子点器件等，介绍其特有的物理模型和仿真方法。 在实践应用部分，我们将强调仿真结果与实验数据的对比分析，以及如何根据仿真结果对器件结构进行优化设计，以达到预期的性能指标。我们将引导读者思考仿真中的不确定性因素，如模型参数的选取、网格划分的密度、边界条件的设置等，并提供相应的处理建议，帮助读者培养严谨的仿真科学精神。 第四部分：前沿光电子器件与未来展望 本部分将带领读者了解当前光电子器件领域的研究热点和发展趋势，并探讨未来可能出现的颠覆性技术。我们将重点介绍以下几个方面： 高性能光通信器件： 包括高速光调制器、低功耗光发射器、高灵敏度光接收器等，以及硅光子技术在集成光路和数据中心应用中的进展。 新型光探测器： 如雪崩光电探测器（APDs）、单光子探测器（SPDs）、红外探测器、紫外探测器等，及其在科学研究、生物医学成像、安防监控等领域的应用。 先进发光器件： 如微型LED（Micro-LEDs）、量子点LED（QLEDs）及其在显示技术、照明领域的应用，以及高效率的电致发光材料与器件的研发。 光力学与微机电系统（MEMS）： 探讨光与机械结构的相互作用，以及在微型传感器、执行器等领域的应用。 新兴材料与器件： 如二维材料（石墨烯、TMDs）在光电子器件中的应用，有机半导体材料在柔性光电器件中的潜力，以及量子点、钙钛矿等材料在太阳能电池、LEDs领域的创新。 我们将鼓励读者将所学的理论知识和仿真技能应用于这些前沿领域的研究，并为未来的技术发展提供一些思考方向。本书的最终目标是培养一批能够独立进行光电子器件设计、建模与仿真的高素质人才，推动光电子技术的持续进步，为社会发展贡献力量。 本书内容全面，结构清晰，既有扎实的理论基础，又有丰富的实践指导，力求成为光电子器件设计、建模与仿真领域不可或缺的参考书籍。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就带着一种工业美感，磨砂质感的纸张触感细腻，色彩搭配也相当沉静，让人一眼就能感受到它内在的专业性。翻开书页，那种油墨的清香扑鼻而来，纸张的厚度适中，印刷清晰，阅读起来非常舒服，没有丝毫廉价感。我最看重的是排版，这本《光电子器件设计建模与仿真》在这一点上做得非常出色。章节划分清晰，逻辑流畅，每一个公式、每一个图表都标注得一丝不苟，尺寸比例也恰到好处，即使是复杂的公式推导，在这样的排版下也显得井然有序，不会让人眼花缭乱。我特别喜欢书中那些精心绘制的示意图，它们不仅直观地展示了器件的结构，更重要的是，它们能够帮助我快速理解抽象的物理原理，将文字描述具象化。有时候，一张好的图抵得上千言万语。而且，这本书的索引做得也很细致，遇到不熟悉的术语，可以迅速找到对应的解释，极大地提高了阅读效率。整体而言，从书籍的物理形态到内在的组织结构，都透露出一种匠心独运的品质，让人在翻阅的过程中就充满了学习的期待。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的感觉是，它不仅仅是一本技术书籍，更像是一份“路线图”。它为我规划了一条从基础理论到实际应用的光电子器件设计与仿真之路。我最喜欢的是书中提供的“进阶阅读”建议和“常见问题解答”部分。在每个章节的末尾，作者都会推荐一些相关的经典文献或者更深入的专题，这让我能够根据自己的兴趣和需求，进一步拓展学习的深度和广度。而“常见问题解答”部分，则非常贴心地总结了在光电子器件设计和仿真过程中，初学者常常会遇到的困惑和误区，并给出了详细的解答。我发现，我在实际操作中遇到的很多问题，都能在这里找到答案，这极大地减少了我摸索的时间和走弯路的可能性。这本书还非常有前瞻性，它在讨论现有技术的同时，也对未来光电子器件的发展趋势进行了一些展望，这让我能够更好地理解当前的研究热点和未来的发展方向。总而言之，这本书不仅教会了我“怎么做”，更启发了我“为什么这么做”以及“未来可以做什么”，是一本非常有价值的学习和参考资料。

评分☆☆☆☆☆

不得不说，《光电子器件设计建模与仿真》这本书的语言风格非常独特，它在保持专业性的同时，又尽可能地做到通俗易懂，这一点让我非常欣慰。很多技术书籍常常充斥着晦涩难懂的术语和复杂的数学公式，读起来让人望而生畏。但这本书在这方面做得非常好，作者在引入新的概念时，常常会用生动形象的比喻来帮助读者理解，或者从一个大家都能理解的现象入手，逐步引申到专业知识。比如，在解释光在不同介质中传播时，作者用“水流过不同粗细的管道”来类比，一下子就让抽象的折射率概念变得生动起来。即使是涉及复杂的物理方程，作者也会在前面给出清晰的物理意义和推导背景，而不是直接抛出公式。此外，书中还穿插了一些历史的介绍和科学家的故事，这些内容虽然不是核心的知识点，但却能极大地激发读者的兴趣，让学习过程不再枯燥。阅读体验非常流畅，仿佛在与一位学识渊博但又平易近人的导师进行对话，让人受益匪浅。

评分☆☆☆☆☆

阅读《光电子器件设计建模与仿真》的过程，就像是在攀登一座知识的高峰，每一步都充满挑战，但每一步也都能看到更广阔的风景。这本书的深度是我最看重的部分。它没有回避光电子器件领域的核心问题和技术难点，而是迎难而上，对关键概念进行了深刻的阐释。例如，在讨论半导体材料的能带理论时，它不仅介绍了基础模型，还深入分析了掺杂、应力等因素对能带结构的影响，以及这些影响如何体现在器件的性能上。在仿真部分，它更是对各种数值算法的原理和适用范围进行了详细的讲解，比如有限元法、有限差分法等，并分析了它们各自的优缺点。我特别受益于书中关于“模型验证”的章节。它强调了仿真结果与实验数据进行对比的重要性，并提供了一些实用的方法来评估模型的准确性。这种严谨的治学态度，让我深刻理解到，科学研究不仅需要理论的支撑，更需要严密的逻辑和可靠的验证。这本书让我认识到，光电子器件的设计和仿真是一个系统工程，需要多方面的知识和技能的融合。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本《光电子器件设计建模与仿真》的时候，我最大的感受就是它的“实战导向”。这本书并没有停留在理论的梳理上，而是非常注重如何将理论应用于实际的设计和仿真过程中。我尤其欣赏它在案例分析部分的详尽程度。书中选取了几个典型的光电器件，例如LED、激光器、光电探测器等，对它们的建模过程进行了深入的剖析。每一个步骤都提供了清晰的指导，从物理模型的建立，到参数的设定，再到网格划分、求解器的选择，甚至是后处理的分析，都讲解得非常细致。更难得的是，书中还穿插了大量实际操作的技巧和注意事项，这些都是在学校课堂或者一般理论书籍中很难学到的宝贵经验。比如，在进行模型简化时，如何权衡精度和计算效率；在选择仿真软件时，需要考虑哪些关键因素；在处理边界条件时，容易出现哪些问题以及如何避免。这些“干货”内容，让我感觉自己不再是孤军奋战，而是有一个经验丰富的导师在身边手把手地教导。我尝试着书中介绍的一些方法，发现效果立竿见影，大大缩短了我的学习和研究周期。