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第6章 硅基光电子集成回路
6.1硅基光电子集成回路（OEIC）概述
硅基光电子集成回路是将光发射器、光波导/调制器、光电探测器及驱动电路和接收器电路进行单片集成。所有器件均采用标准集成电路工艺制各，或是仅仅对工艺进行微小的修改，从而实现全光互连与超大规模集成电路的单片集成，易于大规模生产。研究单片硅基光电子集成回路的目的是要实现光通信互连系统或集成电路芯片内的信号传输。因此，硅基单片光电子集成回路是一种电输入、光传输、电输出的互连系统，如图6-1所示。
图6-1 与标准微电子工艺兼容的硅基光电子集成回路示意图
其中，驱动电路将输入的小信号转变为硅基光发射器件工作所需要的信号，为硅基光发射器件提供足够的电压偏置和电流驱动；硅基光发射器件在驱动电路的驱动下，将电信号转变为光信号；光波导/调制器部分的功能是传输光信号，并对信号进行调制，使其加载一定的调制信息；光电探测器接收光信号，并将光信号转变为电信号；由于光电探测器产生的电信号非常弱小，无法满足芯片正常工作的需求，所以光接收电路的主要功能是进行信号放 大，使其达到后面芯片所需要的要求。
以往光电子集成技术研究大多是基于砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）等化合物材料的分立元件的集成芯片的研究，但是，这种利用分立元件混合集成方式实现的电路存在着明显的不足，如电路中纹波大、产量低、可靠性差。因此，低价位、高可靠性的传输系统需要利用单片集成回路来实现。单片集成电路有显著的优点，如所需外部元件少，频率特性的纹波小，环路延迟小，片内连接一般选用直流耦合，优化方式采用EDA软件，方便易用，可靠性高，尺寸小，功耗低等。
硅基光电子集成回路所有器件均采用标准集成电路工艺制备，或是仅仅对工艺进行微小的修改，从而实现全光互连与超大规模集成电路的单片集成，易于实行大规模生产。研究的难点在于如何提高电光/光电转换效率、如何实现器件的耦合和模式匹配，以及如何提高芯片速度。
第３２卷第１１期 ２０１１年１１月 发 光
ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ 学 报
ＯＦ ＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．１１
Ｎｏｖ．，２０１１
Ａｒｔｉｃｌｅ ＩＤ：１０００－７０３２（２０１１）１１－１１８６－０６
Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｉｔｈ Ａ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ
ＬＩ Ｙａｈ—ｔａｏ ， ，ＣＨＥＮ Ｈｏｎｇ ，ＣＨＵ Ｍｉｎｇ．ｈｕｉ ，ＬＩＵ Ｘｉｎｇ—ｙｕａｎ
（１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ａｎｄ Ａｐｐｌｉａｔｉｏｎｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ。Ｐｔｉｃｓ， Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ（ＥＬ）ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ（ＯＬＥＤ）ｗｉｔｈ ａ ＣＯｔ１一 ｐｌｅｄ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ（ＣＭＣ）ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ＣＭＣ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＭＣ ｉｓ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｒｅａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｓｓｉｖｅ ｃａｖｉｔｙ ａｓ ａ ｂｏｔｔｏｍ ｍｉｒｏｒ，ａｎｄ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅ ＥＬ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｄｉａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ＣＭＣ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｂｙ ａ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ３．６ ａｔ ｐｅａｋ ｏｆ ５０２ ｎｍ，５．６ ａｔ ｐｅａｋ ｏｆ ５５０ ｎｍ，ａｎｄ ０．５ ａｔ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｒｅｇｉｏｎ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ＯＬＥＤ ｄｒｉｖｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｎｓｉｔｙ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｌｕｍｉｎａｎｃｅ ｏｆ ７．０ ｃｄ／Ａ ａｎｄ ２２ ６６０ ｃｄ／ｍ ｆ０ｒ ｔｈｅ ＣＭＣ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ４．２ ｃｄ／Ａ ａｎｄ １３ ６００ ｃｄ／ｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｏｎ— ｃａｖｉｔｙ ＯＬＥＤ．
▲理想MOS二极管的工作原理。（说明栅极电压分别为负，零及其正偏电压）。
答：当一理想MOS二极管偏压为负时，半导体表面可能会出现三种情况，P型半导体而言，当一负电压施加于金属平板上时，SiSiO-2界面将产生超量的空穴，接近半导体表面的能带向上弯曲，如图，对理想二极管而言，不论外加电压为多少，器件内部均无电流流动，所以半导体内部的费米能级将维持为一个常数，在半导体内部的载流子密度与能级差成指数关系，即____________________。
半导体表面向上弯曲的能带使得的能级差iFEE变大，进而提升空穴的浓度，而在氧化层与半导体的界面处产生空穴堆积，称为积累现象。其相对应的电荷分布如图所示，当外加更大的正电压时，能带向下弯曲的更严重，使得表面的本征能级iE越过费米能级FE，如图，正栅极电压将在SiSiO-2界面处吸引更多的负载流子（电子），半导体中电子的浓度与能差iFEE成指数关系，即_________________________________。
▲MOS二极管出现反型标志，强反型标志各是什么？出现强反型时，导电沟道厚度特点。
答：①当外加一小量正电压于理想MOS二极管时，靠近半导体表面的能带将向下弯曲，使iFEE形成多数载流子（空穴）耗尽，称为耗尽现象。在半导体中，单位面积的空间电荷SCQ的值为WqNA，其中W为表面耗尽区的宽度。②图略
③随着正偏电压的增大，Ef-Ei>0，在半导体表面上的电子浓度将
于in，而空穴浓度将小于in，即表面载流子呈现反型，称为反型现象。
④起初，因电子浓度较小，表面处于弱反型的状态，当能带持续弯曲，使得导带的边缘接近费米能级，当靠近SiO2~Si由界面的电子浓度等于衬底的掺杂量时，开始产生强反型，在此之后，大部分在半导体中额外的负电荷是由电子在很窄的n型反型层（ixx0）中产生的电荷Qn，如图所示，组成，其中ix为反型层的宽度，ix典型值的范围从1nm~10nm，且通常远远小于表面耗尽的区域。
第21、22学时：
授课题目（教学章节或主题）：
发光与耦合器件——激光器、光电耦合器件
本授课单元教学目标或要求：
掌握激光器、光电耦合器件的结构与原理及其特性参数；了解激光器、光电耦合器件的应用。
本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）：
* 基本内容：
激光器
特点：方向性好、单色性好、相干性好、亮度高。
历史：1954年，第一台微波量子放大器
1958年，A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器原理推广应用到光频范围，并指出了产生激光的方法。
1960年，T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。
1961年，A.贾文等人制成了氦氖激光器。
1962年，R.N.霍尔等人创制了砷化镓半导体激光器。
一、分类
气体激光器
固体激光器
按工作介质分： 半导体激光器
染料激光器
自由电子激光器
自由电子激光器：
工作介质是在周期性磁场中高速运动的电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的波段。
特点是输出功率大、光束质量好、转换效率高、可调范围宽、前景广阔，可为空间站输送能量，以降低空间站对太阳能电池的依赖性，可以生产高纯硅晶体，满足计算机生产需要，还可以应用于军事目的，变为激光武器。也有专家表示，自由电子激光器功率虽然强大，但是由于体积较大，因此只适于安装在地面上，供陆基激光武器使用。
连续式
脉冲式
按工作方式分： 调Q
超短脉冲式
二、激光器的组成及工作原理
1、组成
激励（或抽运）——光、电、化学、核能激励等
具有亚稳态能级的工作介质——使得受激辐射占主导地位
谐振腔——使得运动的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光有良好的定向性和相干性。
