◆图书简介◆
本书回顾了光电子学和光电集成电路设计的各个主题,介绍了光探测器的光学吸收和器件物理的基本特征，以及它们在现代CMOS和BiCMOS技术中的集成。这对于理解光电集成电路（OEIC）的基本机理提供了基础。
书中详细介绍了集成高带宽PIN光电二极管、线性模式和盖格模式下的雪崩光电二极管，以及OEIC的广泛应用，即从光学传感器、智能传感器、图像传感器、3D传感器和光学存储系统到光纤接收器和光学无线通信接收器及单光子检测。
此外，书中还展示了OEIC在量子极限和电子光子集成的光学接收器方面的研究成果及其最新趋势，并给出了典型的3D集成应用案例，如多节点光开关、光学收发器和高分辨率3D传感器。
本书适合从事光电器件和集成电路相关工作的工程师、科研人员和技术管理人员阅读，也可以作为高等院校光电器件和集成电路相关专业的高年级本科生和研究生的教材和参考书。
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◆ 目录：◆
第1章基础与理论1
1.1光吸收的基本原理1
1.1.1光子及其特性1
1.1.2重要半导体材料的光吸收2
1.1.3光生4
1.2半导体方程5
1.3光电探测器的重要模型7
1.3.1载流子漂移7
1.3.2载流子扩散11
1.3.3量子效率和响应度14
1.3.4光电二极管的等效电路17
参考文献20
第2章集成硅光电探测器22
2.1双极技术中的集成探测器22
2.1.1双极工艺22
2.1.2采用标准双极技术的集成探测器25
2.1.3采用改进的双极技术的集成探测器27
2.2CMOS集成光电探测器30
2.2.1单阱CMOS工艺30
2.2.2双阱CMOS工艺30
2.2.3三阱CMOS工艺32
2.2.4标准CMOS工艺中的集成探测器32
2.2.5空间调制光探测器37
2.2.6PIN光电二极管38
2.2.7电荷耦合器件图像传感器52
2.2.8有源像素传感器56
2.2.9非晶硅探测器60
2.2.10CMOS集成的双极光电晶体管62
2.2.11光子混频器64
2.2.12雪崩光电二极管66
2.2.13单光子雪崩二极管…69
2.3BiCMOS集成探测器70
2.3.1BiCMOS工艺70
2.3.2BiCMOS集成的光电二极管76
参考文献85
第3章晶体硅薄膜中的探测器96
3.1绝缘体上硅中的光电二极管96
3.2蓝宝石上的硅100
3.3聚酰亚胺键合101
参考文献102
第4章SiGe光电探测器104
4.1异质外延生长104
4.2SiGe合金的吸收系数105
4.3SiGe/Si PIN异质结双极晶体管集成106
参考文献107
第5章集成光接收器电路的设计110
5.1电路仿真器和晶体管模型110
5.2布图和验证工具114
5.3OEIC的设计115
5.4跨阻放大器117
5.4.1频率响应118
5.4.2相位和群延迟121
5.4.3稳定性和补偿124
5.4.4晶体管跨阻放大器电路的带宽124
5.4.5集成跨阻放大器的带宽限制127
5.4.6集成跨阻放大器的新π模型129
5.4.7并联-并联反馈137
5.4.8输入和输出电阻140
5.4.9噪声和灵敏度142
5.4.10泊松统计和量子极限148
参考文献149
第6章光电集成电路实例151
6.1数字CMOS电路151
6.1.1同步电路151
6.1.2异步电路156
6.2数字BiCMOS电路158
6.3激光驱动器电路159
6.4模拟电路161
6.4.1双极电路161
6.4.2二维CMOS成像仪…164
6.4.3光学距离测量电路173
6.4.4采用标准CMOS光电二极管的3D传感器176
6.4.5采用PIN光电二极管的3D传感器179
6.4.6带SPAD的3D传感器181
6.4.7智能像素传感器183
6.4.8CMOS光学传感器…195
6.4.9BiCMOS光学传感器208
6.4.10使用单光子探测技术的传感器211
6.4.11用于光存储系统的CMOS电路212
6.4.12用于光存储系统的BiCMOS电路220
6.4.13连续模式光纤接收器240
6.4.14无线红外通信接收器281
6.4.15OWC接收器和可见光实验288
6.4.16混合接收器301
6.4.17速度提升技术302
6.4.18塑料光纤接收器314
6.4.19突发模式光学接收器328
6.4.20深亚μm接收器331
6.4.21瞄准量子极限的接收器333
6.4.22光纤接收器比较347
6.4.23特殊电路353
6.5小结356
参考文献357
第7章电子-光子集成电路369
7.13D集成技术369
7.1.1铜柱连接369
7.1.2氧化层通孔370
7.1.3硅通孔370
7.2光学开关371
7.3光学收发器380
7.4光学扫描断层传感器389
7.53D显微成像传感器390
参考文献391
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◆ 前言：◆
自2004年本书第1版出版以来，在众多出版物中对集成光电器件和电路进行了研究和介绍。因此，施普林格(Springer)出版社和我决定在第1版的基础上补充些内容进行再版。在过去10年中，集成雪崩光电二极管是热门话题，单光子雪崩二极管（SPAD）和SPAD传感器与成像集成电路甚至受到热捧。我只能从中挑选出一些对我来说似乎是关键的内容增加到第2版中。线性模式下的集成雪崩光电二极管改进了光无线通信。此外，首款SPAD光学接收器消除了电子噪声，并试图接近光子统计所设定的量子极限，这些都必须包括在内。使用SPAD接收器进行的OWC实验似乎也值得纳入第2版。
在所谓的硅光子代工方面也取得了相当大的进展。因此，本书增加了一章介绍几种先进的电子光子集成电路。
还有一些创新的PIN光电二极管OEIC，为跨阻和带宽增强引入了新的电路架构。此外，还必须包括真正令人惊叹的高像素图像传感器和三维（3D）集成图像传感器。
我要感谢施普林格出版社的Claus Ascheron博士提出再版这一建议，并感谢他的团队为文本处理提供技术支持。在我目前所在的维也纳工业大学研究小组中，我要特别感谢Michael Hofbauer博士、Bernhard Goll博士、Kerstin Schneider-Hornstein博士、Hiwa Mahmoudi博士、Bernhard Steindl、Dinka Milovancev和Nemanja Vokic，感谢他们的出色工作和强烈的工作动力。同样，我还要感谢前小组成员 Paul Brandl博士、Tomislav Jukic博士、Nicola Zecevic博士、Robert Swoboda博士、Reinhard Enne博士、Wolfgang Gaberl博士、Milos Davidovic博士、Michael Frtsch博士、Mohamed Atef博士、Christoph Seidl博士、Johannes Knorr博士、Stefan Schidl博士、Jürgen Leeb博士和Andreas Polzer博士。与XFAB半导体代工厂的合作时间最长，我要感谢Wolfgang Einbrodt、Konrad Bach博士、Detlev Sommer、Alexander Zimmer博士和Daniel Gbler博士，感谢他们在Si OEIC方面取得的巨大进步。
我还要衷心感谢欧洲项目INSPIRED（慕尼黑Inneon的Gernot Langguth博士和Holger Wille博士；菲拉赫Inneon的Johannes Sturm博士）、HELIOS（格勒诺布尔CEA LETI的Jean-Marc Fedeli博士；普雷斯坦AMS AG的Franz Schrank博士）和IRIS（比萨Ericsson的Francesco Testa博士；特伦托大学的Lorenzo Pavesi教授；比萨Scuola Superore Sant′Anna的Claudio Oton博士；格勒诺布尔CEA LETI的Christoph Kopp博士）的项目合作伙伴。此外，还有来自AIT（Bernhard Schrenk博士、Paul Müllner博士）和AMS AG（Jochen Kraft博士）的PHELICITI项目国家合作伙伴。没有他们，许多高水平的成果就不会产生，也不可能被收录到本书中。
我还要向我的妻子Luise、女儿Lina及儿子Frieder致以最深切的谢意，感谢他们对我的耐心。
Horst Zimmermann
奥地利维也纳
◆ 序言：◆
本书的部分内容源自2001年在维也纳工业大学开设的“光电集成电路”课程，以及1994—1999年我在基尔大学讲授的“光电子学”课程。然而，本书对该主题的探讨更为深入。本书从电路方面对SOEIC的可能性进行了全面描述，并添加了一些新型集成探测器，如创新的空间调制光探测器和光子混合器件（PMD）。书中参考了截至2003年关于硅基光电集成电路的最新出版物。
这里，我要感谢德国基尔大学的 P.Seegebrecht 教授，正是在基尔大学，我开始了对硅基光电集成电路的研发工作，感谢他给予我独立工作的机会，并让我获得了“教授资格”。我还要感谢H.Fll教授，他提供了晶圆探测器用于光电集成电路的特性分析；感谢基尔大学光电集成电路团队成员A.Ghazi、T.Heide、M.Hohenbild、K.Kieschnick 和G.Volkholz 的出色工作；感谢N.Madeja、F.Sievers和U.Willecke 三名学生认真进行的仿真和测量工作；感谢M.Wieseke 和 F.Wlk帮忙绘制了许多图表；特别感谢慕尼黑弗劳恩霍夫固体技术研究所的 R.Buchner及德国埃尔福特的Thesys微电子公司（现为Melexis公司）的H.Pless，他们分别参与了CMOS OEIC和BiCMOS OEIC的制造工作。我非常感谢德国教育、科学、研究和技术部（BMBF）在“光存储” 重点项目中对相关项目的资助。
在维也纳工业大学的电气测量与电路设计研究所（EMST），我要感谢我的同事兼研究所所长Gottfried Magerl给予的大力支持，使研究工作得以迅速开展。我还要感谢我的博士生M.Frtsch、J.Knorr、F.Schlgl、K.Schneider和R.Swoboda，感谢他们精心的设计和特性分析工作。我还要感谢M.Hofer、Ch.Sünder和J.Wissenwasser绘制了许多新的图表。我还要感谢德国慕尼黑英飞凌科技公司的 G.Langguth和H.Wille、奥地利菲拉赫英飞凌科技公司的J.Sturm及奥地利维也纳英飞凌科技公司的A.Martin，感谢他们的支持和富有建设性的合作。我还要感谢欧盟委员会对“INSPIRED”项目的资助。
我衷心感谢施普林格出版社的 Ascheron 博士及其团队的良好合作，以及他们在文字处理方面的技术支持。然而，我最深切的感激之情要献给我的妻子Luise、女儿Lina，以及儿子Frieder，感谢他们的鼓励和耐心，支持我完成了第二本书的项目。
Horst Zimmermann
奥地利维也纳
◆ 作者简介：◆
Horst Zimmermann博士于1984年获得德国拜罗伊特大学物理学学士，并于1991年在德国埃尔朗根Fraunhofer集成电路研究所（IIS-B）获得埃尔朗根-纽伦堡大学工程博士学位。随后，他在美国北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学担任亚历山大·冯·洪堡研究员，研究硅(Si)、砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)中的扩散，直至1992年。1993年，他加入德国基尔大学的半导体电子系，在那里他讲授光电子，并致力于硅技术中的光电子集成。自2000年起，他成为奥地利维也纳工业大学电子电路工程系的全职教授。他的主要兴趣是模拟和纳米CMOS电路及光电集成CMOS和BiCMOS电路的设计和表征。他是施普林格出版社系列书籍Integrated Silicon Optoelectronics和Silicon Optoelectronic Integrated Circuits的作者，也是Highly Sensitive Optical Receivers,Optical Communication Over Plastic Optical Fibers,Analog Filters in Nanometer CMOS,Comparators in Nanometer CMOS Technology和Optoelectronic Circuits in Nanometer CMOS Technology的合著者。2002年，他成为IEEE高级会员。他是2014年11月/12月出版的IEEE量子电子学为主题的Optical Detectors:Technology and Applications的主要客座编辑。
◆ 译者序：◆
光电器件和集成电路广泛应用于通信领域、安防监控领域、工业领域和医疗领域，尤其是在人工智能驱动的数据中心方面的快速发展中发挥着越来越重要的作用。
全球光电器件市场规模庞大。历史上，电信行业一直是光电器件需求的主导。然而，在数据通信领域，尤其是人工智能驱动的数据中心，如今占据了超过60%的市场份额，这种转变正在加速光学技术的发展。而对于作为国家战略发展方向之一的人工智能，光电器件不仅仅赋能人工智能，同时正成为人工智能规模化发展中不可或缺的一部分，在学术界和产业界引起了高度重视。
本书分为7章，第1章简要介绍基本的光电理论和模型；第2章介绍采用双极、CMOS和BiCMOS工艺技术实现光电探测器；第3章讲述了晶体硅薄膜中的探测器，涵盖SOI和SOS薄膜器件及聚酰亚胺键合工艺；第4章简要介绍SiGe光电探测器；第5章对集成光接收器电路的设计进行了介绍和讨论；第6章对光电集成电路实例进行了具体讨论，包括采用的数字和模拟技术及其电路；第7章讨论了3D集成的最新研究及应用实例。本书涵盖光电器件原理、工艺、电路及应用，因而本书的翻译与出版对于国内光电子方面的研究无疑会起到积极的促进作用。对于希望学习和研究光电子方面的广大学生和研究人员来说，本书是一本非常值得阅读的参考书籍。
本书由北方工业大学集成电路学院杨兵老师完成所有的翻译和整理工作。
首先感谢机械工业出版社的编辑江婧婧为原书版权和译著出版等各项事宜所做的大量工作，多年来的合作使我们成为非常好的朋友，合作得非常愉快。
感谢家人多年来的理解和支持，使我能静下心来完成翻译工作。
尽管积累了比较丰富的翻译经验，但书中难免有不妥甚至错误之处，恳请读者不吝赐教。
杨兵
2025年5月
