High-Speed Photodiodes in Standard CMOS Technology pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer US

作者:Sasa Radovanovic

出品人:

页数:167

译者:

出版时间:2009-12-28

价格:USD 145.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781441939449

丛书系列:

图书标签:

• CMOS
• Photodiode
• High-Speed
• Analog Circuit
• Integrated Circuit
• Semiconductor Device
• Optical Communication
• Sensor
• Electronics
• Design

《高性能光电探测器设计与应用》 概述 本书深入探讨了高性能光电探测器（Photodetectors）的设计、制造和应用，旨在为读者提供一个全面而系统的理解。光电探测器作为光电子技术的核心组件，在现代通信、传感、成像、医疗以及科学研究等众多领域扮演着至关重要的角色。从基础的光电转换原理出发，本书逐步深入到各类高性能光电探测器的具体实现技术、关键性能指标的优化策略，以及在不同前沿应用场景下的具体案例分析。本书的重点在于揭示如何通过精妙的器件结构设计、先进的材料选择以及优化的工艺流程，来突破传统光电探测器的性能瓶颈，实现更高的灵敏度、更快的响应速度、更宽的光谱响应范围以及更低的噪声。 内容梗概 第一部分：光电探测器基础理论与工作原理 本部分将为读者奠定坚实的光电探测器基础知识。我们将从光与物质相互作用的基本物理过程讲起，详细阐述半导体材料中的光吸收机制，包括本征吸收和杂质吸收，以及光生载流子的产生、漂移和复合过程。在此基础上，我们将介绍几种最基本的光电探测器结构，如光电导探测器、光电二极管（PN结和PIN结）以及雪崩光电二极管（APD）。对于每种器件，我们将详细分析其工作原理，包括光电流的产生、载流流动的动力学以及信号的输出方式。此外，还会深入讲解影响光电探测器性能的关键参数，如量子效率、响应度、带宽、噪声等效功率（NEP）、比探测率（D）、暗电流以及响应时间，并分析这些参数之间的相互制约关系。 第二部分：高性能光电探测器的关键技术 本部分将聚焦于实现高性能光电探测器所涉及的核心技术。我们将详细探讨不同半导体材料（如硅、锗、砷化镓、铟镓砷化物等）在光电探测器设计中的优劣势，以及如何根据特定应用需求选择最优的材料体系。器件结构设计将是本部分的重点，我们将介绍如何通过优化PN结或PIN结的掺杂浓度、厚度以及结区几何形状来提高量子效率和降低暗电流。对于APD，我们将深入分析其内部增益机制，并探讨如何通过设计碰撞电离区域的材料和结构来提高增益稳定性、降低噪声。 此外，我们还将详细介绍提高光电探测器速度的策略，例如通过减小结电容、缩短载流子传输路径、以及采用更快的半导体材料。对于宽光谱响应的需求，我们将讨论如何利用多层结构、表面处理技术以及宽禁带半导体材料来实现对紫外、可见光、近红外甚至中远红外区域的探测。低噪声是高性能光电探测器的另一个关键指标，我们将详细分析各种噪声源（如散粒噪声、热噪声、闪烁噪声、器件内部噪声等），并介绍抑制这些噪声的有效方法，例如采用冷却技术、优化器件结构、使用低噪声放大器等。 第三部分：先进光电探测器结构与特殊功能器件 本部分将介绍当前光电探测器领域的一些前沿技术和特殊功能器件。我们将深入研究异质结光电探测器（如PIN-i-i-PIN结构、p-i-n-i-p结构等）的优势，以及如何通过优化材料的能带匹配来实现更优异的光电性能。 量子点光电探测器（QD-PDs）： 重点介绍量子点在光电探测器中的应用，包括其可调谐的光谱响应特性、高吸收系数以及尺寸工程带来的性能提升。我们将探讨不同尺寸和组成的量子点如何影响探测器的探测波长和效率。 表面等离激元增强光电探测器（Surface Plasmon Polariton Enhanced Photodetectors）： 讲解表面等离激元（SPPs）如何通过其独特的电磁场增强效应来显著提高光电探测器的吸收效率和响应速度，尤其是在亚波长尺度下的光操纵能力。 单光子雪崩探测器（Single-Photon Avalanche Detectors, SPADs）： 详细阐述SPADs的工作原理，包括其高灵敏度、低噪声特性以及在量子信息、精密测量等领域的应用。我们将分析影响SPADs性能的关键因素，如器件结构、暗计数率、死亡时间以及单光子探测效率。 硅光电导开关（Silicon Photoconductive Switches, Si-PCS）： 介绍Si-PCS的快速开关特性，以及在超快脉冲产生、高压开关等应用中的作用。 分布式反馈式光电探测器（Distributed Feedback Photodetectors, DFB-PDs）： 探讨DFB结构如何实现窄带光谱响应和高功率输出，以及其在相干光通信等领域的应用。 光电导天线（Photoconductive Antennas, PCAs）： 介绍PCAs如何将光信号高效转换为太赫兹（THz）辐射，以及在THz成像、通信和传感中的应用。 第四部分：高性能光电探测器的制造工艺与封装 本部分将关注光电探测器的实际制造过程和封装技术。我们将介绍半导体制造中常用的关键工艺，如薄膜沉积（CVD, PVD）、光刻、刻蚀、离子注入、退火等，并分析这些工艺对器件性能的影响。我们将重点讨论如何通过精密的工艺控制来优化器件的结构和材料特性。 对于先进的异质结和量子点等器件，我们将介绍外延生长技术（如MBE, MOCVD）在实现高质量异质结结构中的作用。此外，还将讨论光电探测器的封装技术，包括如何进行光学耦合、电学连接以及如何保证器件的稳定性和可靠性。封装技术不仅影响器件的光学性能（如耦合效率），还对其长期稳定性、抗环境干扰能力以及集成化程度至关重要。 第五部分：高性能光电探测器的应用与挑战 本部分将展示高性能光电探测器在各个前沿领域的广泛应用，并探讨当前面临的挑战和未来的发展趋势。 高速光通信： 介绍高性能光电探测器在光纤通信系统中作为接收器所发挥的关键作用，包括如何满足高数据速率、低误码率的需求。 光学成像与传感： 探讨光电探测器在医学成像（如CT、MRI）、遥感、工业检测、以及环境监测等领域的应用，强调其高灵敏度和高空间分辨率的重要性。 量子信息技术： 详细介绍SPADs在量子密钥分发（QKD）、量子计算和量子模拟等领域的关键作用，以及对单光子探测器性能的极端要求。 太赫兹（THz）技术： 阐述PCAs和其他THz光电探测器在THz成像、谱学、安检和生物医学等领域的应用前景。 生物医学应用： 介绍光电探测器在生物传感、微流控芯片、光动力疗法以及眼科诊断等方面的应用。 在探讨应用的同时，本书还将深入分析高性能光电探测器领域当前面临的挑战，例如： 进一步提高探测效率和降低噪声： 尤其是在特定波段（如中远红外）的探测性能。 实现更宽的光谱响应范围和更快的响应速度： 满足多功能和高速应用的需求。 降低制造成本和提高集成度： 推动光电探测器的大规模商业化应用。 提高器件的稳定性、可靠性和抗环境适应性： 满足严苛的应用环境要求。 探索新型功能材料和器件结构： 开发具有更优异性能或全新功能的下一代光电探测器。 最后，本书将对高性能光电探测器的未来发展趋势进行展望，包括对新材料（如二维材料、钙钛矿等）的研究、与人工智能的结合、以及在柔性电子和可穿戴设备中的应用潜力。 目标读者 本书适合光电子学、微电子学、物理学、材料科学以及相关工程领域的本科生、研究生、科研人员和工程师阅读。对于希望深入了解光电探测器原理、设计与应用，并致力于相关领域技术创新和产品研发的读者，本书将是一个宝贵的参考资料。

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