Integrated Silicon Optoelectronics

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Integrated Silicon Optoelectronics




http://www.amazon.com/Integrated-Silicon-Optoelectronics-Springer-Sciences/dp/3642015204/ref=sr_1_1?s=books&ie=UTF8&qid=1404308509&sr=1-1&keywords=Integrated+Silicon+Optoelectronics

Contents
List of Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XV
1 Basics of Optical Emission and Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Properties of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Energy Bands of Semiconductor Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Optical Absorption of Semiconductor Materials . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Photogeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 External Quantum Efficiency and Responsivity . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Semiconductor Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Important Models for Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Carrier Drift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 Carrier Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.3 Internal Quantum Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.4 Equivalent Circuit of a Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3 Silicon Technologies and Integrated Photodetectors . . . . . . . . 29
3.1 Bipolar Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Integrated Detectors in Standard Bipolar Technology . . . . . . . . 32
3.2.1 Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 Phototransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Integrated Detectors in Modified Bipolar Technology . . . . . . . . . 35
3.3.1 UV Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.2 PIN Photodiode Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.3 Color Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 CMOS Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.1 One-Well Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.2 Twin-Well Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 CMOS-Integrated Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5.1 Integrated Detectors in Standard CMOS Processes . . . . 42
3.5.2 Spatially-Modulated-Light Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5.3 PIN Photodiode Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5.4 Finger Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.5.5 Avalanche Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5.6 Bipolar Phototransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.5.7 Field-Effect Phototransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.5.8 Photonic Mixer Device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.5.9 Particle Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.5.10 Charge-Coupled-Device Image Sensors . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.5.11 Active-Pixel Sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.5.12 Schottky Photodiodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.5.13 MSM-Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.5.14 Polycrystalline Photodiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.5.15 Amorphous-Silicon Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.6 BiCMOS Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.7 BiCMOS-Integrated Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
4 Optoelectronic Devices in Thin Crystalline Silicon Films . . . 155
4.1 Photodiodes in SOI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.2 Phototransistors in SOI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.3 Optical Modulators in SOI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.4 Silicon on Sapphire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.5 Polyimide Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5 Silicon Power Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.1 Light-Activated Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
5.2 Light-Activated Triac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6 SiGe Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.1 Heteroepitaxial Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.2 Absorption Coefficient of SiGe Alloys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.3 Ge-on-Si Photodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.4 SiGeC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.5 SiGe Waveguide Photodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.6 Long-Wavelength Infrared SiGe Photoconductor . . . . . . . . . . . . . 197
6.7 SiGe/Si PIN Hetero-Bipolar-Transistor Integration . . . . . . . . . . 201
6.8 SiGe Phototransistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
7 Detectors Based on Resonant Cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
7.1 Principle of Resonant Cavity Enhanced Detectors . . . . . . . . . . . 205
7.2 Example of a Resonant Cavity Enhanced Silicon Detector . . . . 208
8 III–V Semiconductor Materials on Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.1 Heteroepitaxial Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
8.2 Flip-chip Hybridization Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
8.3 Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.3.1 Directly Bonded Photodetectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.3.2 Directly Bonded Light Emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.3.3 Indirect Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
9 Silicon Light Emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.1 PN Junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
9.2 Quantum-Size Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
9.3 SiGe and SiGeC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
9.4 Rare-Earth Doped Devices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
9.5 Semiconducting Silicides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
9.6 Organic Polymers on Silicon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
9.7 Liquid Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
10 Integrated Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.1 Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.1.1 Total Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
10.1.2 Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
10.1.3 Waveguides for Visible and Infrared Light . . . . . . . . . . . . 259
10.1.4 Waveguides for Infrared Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
10.2 Waveguide Grating Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
10.3 Photonic Bandgap Filter and Waveguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
10.4 Optical Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
10.5 Examples of Integrated Optical Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
10.5.1 Optical Interconnects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
10.5.2 Optical Transceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
10.5.3 Micro-Spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
10.5.4 Optical Pressure Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
10.5.5 Optical Distance Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
10.5.6 Optical Pickup Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
10.5.7 Microsystem for Fluorescence Analysis . . . . . . . . . . . . . . . 286
10.5.8 Optical Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
11 Design of Integrated Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.1 Circuit Simulators and Transistor Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
11.2 Layout and Verification Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
11.3 Design of OEICs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
11.4 Transimpedance Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
12 Examples of Optoelectronic Integrated Circuits . . . . . . . . . . . . 307
12.1 Digital CMOS Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
12.1.1 Synchronous Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
12.1.2 Asynchronous Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
12.2 Digital BiCMOS Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
12.3 Laser Driver Circuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
12.4 Analog Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.4.1 Bipolar Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
12.4.2 CMOS Imagers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
12.4.3 CMOS Circuits for Optical Storage Systems . . . . . . . . . . 324
12.4.4 BiCMOS Circuits for Optical Storage Systems . . . . . . . . 330
12.4.5 Fiber Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
12.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

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Integrated Silicon Optoelectronics (2ed., Springer, 2009)(ISBN 3642015204).pdf (7.08 MB, 下载次数: 324 )

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uestczhb

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huhuking

GOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOD

eastlau

very good material

eastlau

非常感谢

soul_ls

不过，Si photonics和 III-V比较有什么优缺点呢。。。

spline

兼容CMOS工艺，严格说来，三五族也是不能完全放弃的，至少目前调制、发光都离不开他们。
回复 8# soul_ls

add431256

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謝大大