集成光电子器件及设计
集成电路分析与设计
第一章集成电路的发展1.何谓集成电路(Integrated Circuits)？集成电路:指通过一系列特定的加工工艺, 将晶体管,二极管等有源器件和电阻,电容,电感等无源器件,按照一定的电路互连,”集成”在一块半导体晶片上,封装在一个外壳内,执行特定电路或系统功能的一种器件.2.什么是摩尔定律(Moore’s Law)？它对集成电路的发展有什么作用？集成度：大约每三年翻两番，特征尺寸：每六年缩小近一倍事实上，摩尔定律并不是一个物理定律，而是一种预言，一张时间表。
它鞭策半导体产业界不断进步，并努力去实现它。
从根本上讲，摩尔定律是一种产业自我激励的机制，它让人们无法抗拒，并努力追赶，谁跟不上，谁就可能被残酷地淘汰。
摩尔定律已成为一盏照亮全球半导体产业前进方向的明灯。
3.IC发展水平的指标是什么？随着IC工业的发展，这些指标如何变化？集成规模(Integration scale)和特征尺寸(Feature size) 单个芯片上已经可以制作含有几百万个晶体管的一个完整的数字系统或数模混合的电子系统，集成电路的特征尺寸也已发展到深亚微米水平，0.18μm工艺已经走向规模化生产.4.什么是IDM、Fabless和Foundry？理解他们之间的关系。
IDM:集成电路发展的前三十年中，设计、制造和封装都是集中在半导体生产厂家内进行的，称之为一体化制造(IDM，Integrated Device Manufacturer)的集成电路实现模式。
无生产线（Fabless）集成电路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济提供了条件。
Fabless:1.设计公司拥有设计人才和设计技术，但不拥有生产线2.芯片设计公司不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现(代客户加工，简称代工)3.设计单位与代工单位以信息流和物流的渠道建立联系Foundry:Foundry(代客户加工)第二章PN结的形成1.P型、N型半导体的形成及其能带结构图（EF与掺杂的关系）在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，此时自由电子和空穴浓度远远小于由于掺杂带来的空穴浓度,因此自由电子的导电基本可以忽略,这样的半导体叫做P型半导体。
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
From Intel Museum
三道防线: ✓环境净化（clean room） ✓材料清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
光电所
• 投资4000万元的光电子学研究所实验大楼坐落在深圳大学文山湖畔。这是 一座设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高的现代化实验大楼，总 面积8200平方米，其中有1200平方米的百级和万级净化实验室，有电子级超 纯水制备系统、各种特殊气体的供送系统以及相应的安全保障和环保设施等。 投资6000万元购置的先进科研仪器设备，构建了显微分析、光谱分析、超快 诊断技术、光电子材料、生物光子学、等离子体显示、应用光学、电子学等 10多个测试实验室和真空光电子器件、半导体光电子材料与器件、平板显示 器件、有机电致发光材料、纳米光电子材料等10多个工艺实验室。主要大型 仪器设备有：金属有机化合物气相沉积（MOCVD）系统、微波等离子体增 强化学气相沉积（MPECVD）系统、等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 系统、磁控溅射系统、反应离子刻蚀机、光刻机、高精度丝网印刷机、大型 高精度点胶机、高精度喷砂机、多功能镀膜机、扫描探针显微镜、扫描电子 显微镜、台阶轮廓测试仪、三维视频显微镜、真空紫外单色仪、紫外/可见/近 红外光谱仪、飞秒激光器、皮秒激光器、荧光光谱测试仪、激光拉曼谱仪、 高分辨X射线衍射仪、变磁场霍尔测试仪、多光子激发荧光显微成像系统、高 速示波器、逻辑分析仪和数字电路开发系统等，以及光学设计分析、多物理 场分析等大型软件。这些硬件条件，为建设一流的光电子学研究所奠定了坚 实的基础。
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器
目前最好的电光调制器，声光调制 器
电子技术基础教程第9章光电子器件及其应用优选全文
光敏电阻将光的强弱变化转变为电阻值的差异，从而
可以由流过电流表的不同电流直接显示亮度。其中R1、 R2用于调节表面刻度，RW用于控制表头的灵敏度。
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（2）红外测温仪的前置放大电路
调制光入射光敏电阻后转化为电信号，然后送放大
器进行放大。输出uO的大小即可反映温度的高低。
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光电耦合器件：光电器件与电光器件的组合。
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9.1 发光二极管（LED）
9.1.1 发光二极管的工作原理 1.发光二极管的外形、电路符号和伏安特性
外形图：
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电路符号和伏安特性
•LED的正向工作电压UF一般为1.5～3V； •反向击穿电压一般大于5V；
•正向工作电流IF为几毫安到几十毫安，且亮度随IF的增加而
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9.2.1 光电器件及其应用
箭头与
LED符号
1.光电二极管外形、电路符号及工作原理 的区别
外形
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光导模式
电路符号
光伏模式
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2.光电二极管的应用
（1）光电二极管的简单应用电路
光照射，2CU导 通，有电压输出
光照射2CU, VT导通， KA吸合。
简单光控电路
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光控继电器电路
增大；
•发光二极管正向工作电压的大小取决于制作材料；
•不同的半导体材料及工艺使发光二极管的颜色、波长、亮度、
光功率均不相同。
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2EF系列发光二极管的主要参数
型号
工作 电流
IF/mA
正向 发光 电压 强度
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44
5~6 μm
220nm
30~40μm
Si： n=3.4
500nm
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding
nlow
平板波导
氧化硅、聚合物
2-d 光限制 硅、三五族
core
nlow
nhigh
cladding
光电子器件中的MEMS技术研究与应用
光电子器件中的MEMS技术研究与应用随着科学技术的不断发展，微电子机械系统（MEMS）技术被广泛应用于光电子器件中。
MEMS技术将传感器、执行器、电子学和微机电系统集成在一起，以达到高度集成、小型化、高灵敏度、高可靠性和低能耗等优点。
本文将会探讨MEMS技术在光电子器件中的研究与应用。
一、MEMS技术的特点MEMS技术涉及微加工、材料科学、光学和电子学等多学科领域。
MEMS制作的器件通常尺寸在微米或纳米级别，主要由微机械技术、微加工工艺和微电子技术组成。
MEMS技术的特点在于它可以将复杂的机械结构、电子学部件和光学元件集成在一个小型芯片上。
通过微加工工艺的控制和微机械技术的应用，MEMS技术可以实现微型化、高集成度、快速响应速度、高灵敏度和高精度控制等特点。
二、MEMS技术在光学器件中的应用1. 微振动陀螺仪微振动陀螺仪是一种基于MEMS技术的角速度传感器，其原理基于微振动陀螺的特殊稳定性。
利用MEMS技术可以将传统的陀螺仪集成在一个小型芯片上，具有高精度检测、低功耗和长期稳定性等优势。
它广泛应用于导航、遥感、车载导航和机器人等领域。
2. 微型光学互连器件微型光学互连器件是一种基于MEMS技术的光学器件，它可以将芯片上的光学元件集成在一个小型芯片上，实现微型化、高集成度和高灵敏度的光学互连。
微型光学互连器件主要用于光通信、光存储和光刻等领域。
3. 微型光谱分析器微型光谱分析器是一种基于MEMS技术的光学器件，其主要作用是分析材料的组成。
MEMS技术可以制作出具有高分辨率和高信噪比的微型光谱分析器，实现快速分析和检测。
它广泛应用于环境检测、药品监测、食品检测和化学分析等领域。
三、总结MEMS技术在光电子器件中的应用越来越广泛，其优点在于高度集成、小型化、高灵敏度、高可靠性和低能耗等特点。
尽管MEMS技术在光电子器件中的应用面临着一系列的技术挑战，如制作精度和稳定性等问题，但是相信在不断的研究和发展下，MEMS技术在光电子器件中的应用将会有越来越广泛的发展前景。
PLC及光子集成技术简介
光网络系统是互联网的循环系统，它把从电脑、 光网络系统是互联网的循环系统，它把从电脑、电话 或其它网络装置接收到的电子信号转换成光，然后将这些 或其它网络装置接收到的电子信号转换成光， 光束通过光纤电缆传送到一个城市、 光束通过光纤电缆传送到一个城市、国家甚至是世界的另 一端。 一端。然而光网络系统的发展步伐远比不上诸如个人电脑 或者是移动电话等其它科技产品。 或者是移动电话等其它科技产品。一些处于传统光网络系 统核心的光设备，如激光器、调制器和光电二极管，仍然 统核心的光设备，如激光器、调制器和光电二极管， 是以独立装置的形式来生产、封装和部署的。 是以独立装置的形式来生产、封装和部署的。这使得传统 光系统体积庞大、结构复杂并且费用昂贵。 的光系统体积庞大、结构复杂并且费用昂贵。由于这些光 设备都需要与光纤连接，这令可靠性降低 可靠性降低。 设备都需要与光纤连接，这令可靠性降低。互联网基础设 施成本居高不下的原因之一， 施成本居高不下的原因之一，就是这些光学元件的性能相 对来说比较原始。 对来说比较原始。
平面光波导制作工艺和传统的半导体制作工艺兼容。 平面光波导制作工艺和传统的半导体制作工艺兼容。 PLC技术制作的光模块比传统光学组装工艺更加便宜， 技术制作的光模块比传统光学组装工艺更加便宜， 技术制作的光模块比传统光学组装工艺更加便宜 封装技术也比传统技术更好 平面光波导（PLC）技术帮助光学装配技术朝着迈入 平面光波导（ ） 印制电路板时代”迈出了第一步。 “印制电路板时代”迈出了第一步。
这种芯片（约2cm 宽）采用的是铟磷 化合物半导体
芯片上集成了240个 光学器件
平面光波导的两种基本结构
(a) 矩形光波导
(b) 脊形光波导
集成电路设计和半导体制造工艺的发展
集成电路设计和半导体制造工艺的发展随着信息时代的到来，半导体产业变得愈发重要，而半导体制造工艺和集成电路设计则成为半导体产业的两个重要支柱，为电子产品的制造提供了基础。
在这篇文章中，我们将探讨半导体制造工艺和集成电路设计在过去几十年里的发展历程以及未来的发展趋势。
从简单的晶体管到集成电路半导体制造的基础技术是利用硅材料构建晶体管。
晶体管是一种可以控制电子流动的器件，它的发明使得我们能够控制电子的流动方向和大小，并且将它们用于逻辑计算。
在20世纪60年代，集成电路被发明出来，它能够在一个小巧的芯片上集成多个晶体管和其他电子元件。
随着集成电路的发展，电子产品越来越小巧，功能越来越强大，同时，它们的价值也越来越高。
精细半导体制造工艺的发展半导体的制造工艺一直在不断地发展。
在早期，半导体制造并不需要太高的技术，在几次加热和冷却的过程中，材料里的掺杂元素会扩散分布，从而形成了P型和N型半导体，这个过程也被称作扩散工艺。
尽管这种加工工艺能够制造出工作的晶体管，但是这些晶体管的性能并不是很优秀，还处于实验室和学术阶段。
在60年代，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的发明催生了集成电路设计和精细制造工艺的发展。
MOSFET利用了一些特殊的导电材料，在半导体表面构建起了一个氧化层，然后通过外界电场控制氧化层处电子的流动，从而实现电子的控制。
它是集成电路和精细制造的重要开端。
除此之外，还有一些制造工艺被发明，例如刻蚀、光刻，蒸散等等，为半导体制造提供了更多的手段。
如今，最重要的半导体制造工艺是微影制程，这是一种成本效益极高的制造工艺，也是目前主流的工艺。
微影制程利用光刻技术和干法蚀刻技术，将芯片上的模式通过掩模转移到硅片表面，并形成各种电子元件。
利用这种制造工艺，我们可以生产出含有数亿个晶体管的微型芯片。
集成电路设计的发展集成电路的发明让电子产业进入了一个全新的时代，能够将多个晶体管和其他电子元器件集成到一个小型芯片上，并提供复杂的功能。
光电融合集成的发展
光电融合集成的发展光电融合集成是指将光学和电子器件相结合，使其在同一个芯片上实现功能集成的技术。
随着光电子器件的不断发展和应用需求的增加，光电融合集成在通信、计算、传感等领域都具有广阔的应用前景。
光电融合集成的发展可以追溯到二十世纪六十年代，当时人们开始研究将光学器件和电子器件结合在一起。
随着光纤通信的崛起，对高速、高带宽的需求不断增加，光电融合集成技术逐渐成为一个研究热点。
光电融合集成的关键技术包括光学器件的制备、电子器件的制备和光电连接技术。
光学器件制备主要涉及到光栅、波导、光调制器等器件的制作和优化，以实现高效的光电转换。
电子器件制备则包括晶体管、二极管、电容等电子元件的制作，以支持光电融合集成的电子功能。
光电连接技术则解决了将光学和电子器件有效连接的问题，通过微纳加工和封装技术，实现了高密度的光电器件集成。
光电融合集成的发展带来了许多优势。
首先，光电融合集成可以实现功能的高度集成，减小了器件之间的空间和能耗消耗，提高了整体性能。
其次，光电融合集成具有高速传输的特点，光信号的传输速度远远快于电信号，可以满足日益增长的通信和计算需求。
另外，光电融合集成还具有低损耗和抗干扰等特点，能够提高系统的稳定性和可靠性。
然而，光电融合集成仍面临着一些挑战。
首先，制备高质量光学和电子器件的工艺仍需进一步优化，以提高器件的性能和可靠性。
其次，光电连接技术需要进一步提高密度和可靠性，以满足器件封装的需求。
此外，由于光学器件和电子器件的材料和工艺差异，光电融合集成的设计和制造还需要克服不同材料之间的兼容性问题。
总体而言，光电融合集成是一个具有广阔发展前景的技术领域。
随着光学和电子器件的不断进步和技术的不断成熟，光电融合集成将在通信、计算、传感等领域发挥重要作用，推动技术的创新和应用的拓展。