光电子器件计算机辅助分析教程 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:陈维友

出品人:

页数:207

译者:

出版时间:2008-10

价格:32.00元

装帧:

isbn号码:9787560139715

丛书系列:

图书标签:

• 光电子器件
• 计算机辅助分析
• 光电子学
• 模拟仿真
• EDA
• 器件建模
• 数值分析
• 高等教育
• 理工科
• 电子工程

探寻光与电的交织：一本关于先进半导体器件与集成光电子学的实用指南 本书旨在为读者构建一个关于现代光电子器件及其计算机辅助分析的坚实基础，重点聚焦于驱动当前通信、计算以及传感技术的关键半导体材料与结构。我们将深入探讨硅基和非硅基光电子器件的物理原理、设计考量以及模拟工具的应用，旨在培养读者独立分析和解决复杂光电子工程问题的能力。 第一部分：光电子器件的物理基础与器件模型 本部分将首先回顾和梳理支撑光电子器件工作的基本物理概念。这包括半导体材料的光学特性（如吸收、发射、折射、反射）和电学特性（如载流子输运、pn结行为、隧穿效应），以及量子力学在纳米尺度器件中的作用，例如量子阱、量子点和超晶格的能带结构及其对光电性能的影响。我们将详细介绍不同类型的光电子器件，从基础的光电二极管、发光二极管（LED）、激光二极管（LD），到更复杂的雪崩光电二极管（APD）、光电晶体管，以及用于光通信的调制器和探测器。 器件模型的建立是实现计算机辅助分析的前提。我们将详细介绍如何将物理原理转化为可用于仿真分析的数学模型。这包括： 一维（1D）和二维（2D）模型： 针对平面结构器件，如简单的pn结光电二极管，我们将介绍基于漂移-扩散方程的稳态和瞬态模型。读者将学习如何求解这些方程，理解载流子浓度、电场分布和电流密度等关键参数如何影响器件性能。 三维（3D）模型： 对于具有复杂几何结构和三维效应的器件，例如微透镜阵列的光电探测器或具有光子晶体结构的激光器，我们将探讨三维有限元或有限差分方法的应用。重点将放在如何构建准确的三维器件几何模型，并如何有效地离散化求解连续介质方程。 电磁波传播模型： 光在器件内部的传播行为是影响其效率和性能的关键因素。我们将介绍麦克斯韦方程组在光电子器件中的应用，包括求解波动方程以获得光的场分布、传播路径以及与材料的相互作用。这对于设计高效的耦合器、波导以及理解光的衍射和干涉效应至关重要。 载流子动力学模型： 除了漂移-扩散，我们还将深入研究载流子的复杂动力学过程，如复合（辐射复合、非辐射复合、俄歇复合）、散射（声子散射、杂质散射）、注入和提取等。这些过程对器件的响应速度、效率和可靠性有着决定性的影响。 热效应模型： 高功率器件运行过程中产生的热量会显著影响其性能和寿命。我们将介绍如何耦合电学、光学和热学模型，分析器件的温度分布、热阻以及热致参数变化。 第二部分：计算机辅助分析工具与流程 本部分将重点介绍当前主流的光电子器件仿真软件及其应用。我们将不仅仅是罗列工具，更重要的是讲解如何选择合适的工具、如何建立有效的仿真流程以及如何解读仿真结果。 主流仿真软件介绍： 我们将触及商业软件（如COMSOL Multiphysics, Lumerical, Sentaurus TCAD, ANSYS HFSS, Silvaco等）和开源软件（如Meep, PyPots等）的特点和适用范围。本书将以某一种或几种具有代表性的软件为例，详细演示其基本操作和高级功能。 建模与网格剖分： 详细讲解如何导入或创建器件几何模型，以及如何进行有效的网格剖分，以平衡仿真精度和计算效率。我们将讨论不同网格类型（如四面体网格、六面体网格）的选择，以及自适应网格剖分技术的应用。 物理接口与耦合： 重点讲解如何在仿真软件中设置不同的物理场接口（如半导体物理、静电、电磁波、热传导）以及如何实现这些物理场之间的耦合。例如，如何将电学仿真结果作为热仿真的输入，或将光学仿真结果用于评估光激发载流子的产生速率。 参数扫描与优化： 介绍如何利用软件内置的参数扫描功能，系统地研究器件性能随设计参数（如材料掺杂浓度、器件尺寸、层厚、波长等）的变化规律。在此基础上，我们将介绍如何结合优化算法，实现器件性能的自动优化，找到最佳设计参数。 仿真结果的后处理与分析： 详细介绍如何提取、可视化和分析仿真结果，如电流-电压（I-V）特性曲线、量子效率、光谱响应、功率增益、噪声特性、响应时间等。我们将教授如何根据仿真结果来诊断器件的性能瓶颈，并提出改进建议。 流程自动化与脚本编程： 为了提高仿真效率，我们将介绍如何利用脚本语言（如Python, MATLAB）来控制仿真软件，实现仿真流程的自动化，例如批量生成模型、执行参数扫描、进行数据后处理和生成报告。 第三部分：典型光电子器件的案例分析与设计实践 在本部分，我们将结合前面两部分介绍的理论知识和工具，对若干典型光电子器件进行深入的案例分析和设计实践。 硅基光电子器件： 重点关注集成光电子学中的明星——硅基光电子器件。我们将分析硅基探测器（如PN结、PIN、APD）、硅基调制器（如马赫-曾德尔调制器、环形谐振器调制器）、以及硅基激光器（尽管挑战巨大，但会探讨其发展趋势）的设计原理和仿真方法。读者将学习如何通过仿真优化提高器件的效率、带宽和功率处理能力。 化合物半导体光电子器件： 深入研究III-V族化合物半导体（如GaAs, InP, GaN）在光电子领域的重要应用。我们将分析基于这些材料的LED、激光二极管（包括量子阱激光器）、高频光电探测器、以及光电混合集成器件的设计与仿真。重点将放在如何利用能带工程和量子结构设计来优化发光和探测效率。 光伏器件（太阳能电池）： 虽然属于能量转换领域，但其核心也是光与半导体的相互作用。我们将分析不同类型太阳能电池（如单晶硅、多晶硅、薄膜太阳能电池、以及新兴的钙钛矿太阳能电池）的光吸收、载流子产生与收集机制，并通过仿真工具来预测其光电转换效率。 光传感器与成像器件： 探讨用于特定应用的光传感器，如CMOS图像传感器、CCD传感器、以及用于红外成像、紫外探测的特种光电探测器。我们将分析这些器件的光电转换原理、像素设计、噪声抑制以及成像性能的仿真。 光电器件的可靠性与失效分析： 除了性能优化，器件的长期可靠性也是工程实践中不可忽视的环节。我们将初步探讨光电器件在工作过程中可能出现的可靠性问题，如光诱导衰退、热退化、电迁移等，以及如何通过仿真工具来预测和评估这些失效机制。 本书的特色与读者获益： 本书最大的特色在于理论与实践的紧密结合。我们不仅深入讲解光电子器件的物理原理，更强调如何将这些原理转化为可执行的计算机辅助设计与分析流程。通过大量的案例分析和设计示例，读者将能够： 深刻理解光电子器件的工作机制： 不仅知其然，更知其所以然。 熟练掌握先进的光电子器件仿真工具： 具备独立进行器件设计与性能评估的能力。 培养解决实际工程问题的能力： 能够利用仿真结果来优化器件性能，解决实际设计中的难题。 为进一步深入研究打下坚实基础： 为读者未来在光电子学、集成光电子学、微电子学等领域的深入研究或职业发展提供关键技能。 本书适合于电子工程、物理学、材料科学、光学工程等相关专业的本科高年级学生、研究生，以及从事光电子器件设计、研发和制造的工程师和科研人员。具备一定的半导体物理和电路理论基础的读者将更容易掌握本书内容。通过本书的学习，您将能够驾驭光与电的奥秘，设计出更高效、更智能的光电子器件，为未来的科技发展贡献力量。

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我对这本书的整体印象是：结构宏大，细节入微，并且极富启发性。它成功地搭建起了一座从半导体物理到实际器件性能评估的坚实桥梁。作者在阐述光电子器件的可靠性与寿命预测方面的内容尤为出色，这通常是理论书籍中被忽视的薄弱环节。书中详细分析了电迁移、光致退化（Photo-bleaching）等失效机制，并引用了Arrhenius方程等统计学模型来预测器件的长期工作寿命，这对于需要进行产品质量认证和长期质保评估的工程师来说，是不可或缺的知识储备。此外，书中对当前主流的III-V族半导体器件（如HEMT和HBT）的异质结界面能带结构进行了详尽的计算和绘图，直观地展示了空间电荷区对载流子输运的影响。阅读过程中，我反复参考了其中关于器件参数提取方法的章节，那些基于I-V、C-V曲线的精细化拟合技巧，极大地帮助我修正了过去在实验室中对器件材料质量的粗略判断。总而言之，这本书的层次感极强，既能让初学者快速入门，又能让资深研究人员从中汲取深化理解和解决工程难题的新视角。

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这本书的内容深度远超一般教材所能企及的范围，它更像是一部由多位领域资深专家合力编纂的“工具箱”。作者在论述光波导的模式耦合与分离效率时，引入了先进的耦合模理论（CMT）并给出了具体的数值求解方案，这一点对于从事微纳光子学集成的研究人员来说至关重要。我特别留意了书中对噪声分析的章节，它详尽地分解了热噪声、散粒噪声以及陷阱相关的随机电荷捕获噪声，并给出了如何通过优化掺杂浓度和结区厚度来降低特定噪声源的量化建议。这种从源头解决问题的思路，比单纯停留在噪声系数的定义上要深刻得多。再者，本书在介绍光电调制器时，对马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的交叉耦合和相位调制效率进行了细致的对比分析，不仅提供了理论公式，还包含了实际芯片制造中易出现的失配误差对性能的影响评估，这充分体现了作者深厚的工程实践背景。可以说，这本书的价值不仅在于它“教了什么”，更在于它“如何教我们去解决实际的、带有工艺限制的复杂问题”。

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翻开这本厚重的书卷，我立即感受到了一种扑面而来的、将理论深度与工程实用性完美结合的匠心。它绝不仅仅是一本停留在教科书层面的理论综述，更像是一本工程师的案头手册。书中对半导体激光器的腔体设计、模式选择以及阈值电流的分析，采用了多尺度建模的方法，从微观的载流子注入到宏观的输出功率曲线，链条衔接得天衣无缝。我尤其欣赏作者在处理非理想因素，例如缺陷散射、自由载流子吸收等对器件性能影响时所采取的量化分析策略，这在很多同类书籍中往往被一带而过。书中对光电二极管的陷波效应和雪崩倍增机制的深度剖析，结合了最新的实验数据和前沿研究成果，使得读者能够站在当前技术制高点上理解器件的极限所在。对我个人而言，最受益匪浅的是其关于光通信系统集成化趋势的讨论，书中前瞻性地探讨了硅光子技术中波导损耗的最小化策略，并给出了具体的工艺参数敏感性分析，这无疑为我们下一步研发方向的确定提供了坚实的理论支撑和数据基础。这本书的价值在于，它教会我们如何“算”出最有可能成功的器件结构，而不是盲目地进行试错。

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这部著作无疑在现代光电领域占据了重要的地位，它深入浅出地阐述了复杂的光电子器件原理，对于初学者来说，简直是一座知识的灯塔。我尤其欣赏作者在讲解理论模型构建时所展现出的严谨性和逻辑性。书中对量子效率、响应速度等关键性能指标的推导过程，清晰得如同庖丁解牛，即便是面对那些看似高深的半导体物理方程，也能通过精心设计的图示和步骤拆解，让读者豁然开朗。特别是书中关于新型异质结结构的热学效应分析部分，提供了非常详尽的有限元模拟实例，这对于我们进行实际的器件优化设计工作具有极强的指导意义。我记得有一次在优化一个InP基光电探测器的带宽时，正是参考了书中的一个等效电路模型，才成功找到了限制因素，大大提升了仿真效率。此外，作者在每一章节末尾设置的“思考与练习”环节也做得非常到位，它们不仅仅是知识点的简单回顾，更多的是引导读者去思考如何将理论知识应用到实际工程问题中去，这种培养系统性思维的教学方式，远比死记硬背公式有效得多。整本书的排版和专业术语的翻译也堪称业界典范，阅读体验非常流畅，极大地降低了专业阅读的门槛。

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阅读体验上，这本书的叙事节奏把握得极好，它不是那种冷冰冰的公式堆砌，而是充满了“对话感”。作者似乎总能预判到读者在学习过程中可能产生的困惑点，并提前用通俗易懂的语言进行解释和铺垫。比如，在讲解光伏电池的界面态势对开路电压的影响时，作者没有直接抛出复杂的薛定谔方程，而是先用一个形象的能级图“水坝模型”，将电势差的形成机制描述得淋漓尽致，大大减轻了初次接触此概念时的认知负担。更值得称赞的是，本书在涉及先进材料体系的章节中，如钙钛矿太阳能电池和新型量子点发光器件，展现了极强的时效性和广阔的视野。它并未固步自封于成熟的砷化镓体系，而是大胆地引入了新兴领域的最新进展，并从物理本质上剖析了这些新材料面临的稳定性挑战。这种与时俱进的编撰态度，使得这本书即使在快速迭代的光电子领域，也依然保持了强大的生命力。它不仅仅是传授知识，更是在培养一种批判性思维，激励我们去质疑现有模型的局限性并探索新的物理边界。

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