半导体论文篇1

微电子技术已经发展的越来越广泛，已经应用到生活中的各个领域。随着半导体、集成电路技术的发展的越来越快，继续研究半导体基础理论是非常重要的。目前,大多数高校工科学生现在都重视做实验而忽视了理论的发展,而对于微电子学专业的学生来说,是重视电路的设计而忽视了半导体的发展，所以，学生学习半导体物理的积极性并不高,这与教学课程设计有很大的关系，教学中理论联系实际缺乏，教学方法单一等都是造成学生积极性不高的原因。而半导体物理是微电子学专业一门重要的专业基础课，主要内容包括能带的概念、本证光谱和能带结构、杂质电子态、载流子运输、半导体表面和界面、非晶态半导体、非平衡载流子和运动规律等基本概念和理论，这些知识为学生后面进行相关学科的学习奠定了基础。在半导体物理的专业实验课上开展诸如半导体电阻率、非平衡少数载流子寿命、电容电压特性和霍尔迁移率测量等简单的测试性实验。在实验过程中，实验的操作和实验数据的处理过于简单化，而且，实验时长安排不妥，学生往往用不到一半的时间就可以完成全部内容，所以，实际上，学生在实验过程中收获的并不是很多。综上所述，在半导体物理的教学过程中还存在一些不足需要改进，内容如下:（一）基础知识掌握不牢固。半导体物理涉及的内容包括固体物理、量子力学等多门学科。这样学生所学知识点变得更多，头绪不清，不知道什么是重点，对基本概念的理解更是不清不楚，且不能将所学的知识融会贯通。（二）教材上的内容不能随发展而变。也就是说教材的教学内容更新已经跟不上半导体相关科学知识的飞速发展。因为半导体学科领域极速发展,不断涌现新理论和新成果。（三）教学枯燥无味。只靠教师口述教学内容会让学生感觉内容枯燥、缺乏学习兴趣。教学内容抽象化学生被强加灌输知识，导致学习者在学习方面缺乏主动性和创造性。（四）学生自主学习主管能动性差。现在的教学模式显得被动、单一，这样的教学模式只会导致学生学习兴趣不高，自主学习和主动探索的能力差。（五）学生动手能力差。实验课的设置较少，学生动手的机会也就少了，导致学生缺乏创新精神。半导体物理的学习强调理论与实验相结合，但目前开展的实验内容单一、实验环节固化，感觉不到学生对实验的融入，不仅无法引起学生学习理论课的兴趣，也无法达到训练学生创新性的目的。我们探索并实践了将研究性学习思想引入到半导体物理的教学活动中[1]，重视主体性和创造性价值的培养。以此方式来解决目前半导体物理教学中存在的这些问题，具体的改革如下：

一教师教学观念的转变是实施研究性学习的前提

半导体物理的特点是概念多，理论多，物理模型抽象，不易理解，在课本上上学习，学生会感到内容枯燥，缺少直观性和形象性，学习起来比较困难。因此，教师想尽其所能改变传统的教育方式，在教学中进行专题讲座、分组讨论、充分利用PPT，flash等多媒体软件，安排学生针对具体研究问题进行研究实践等教学形式，转变教学观念，改变学习方式和状态，把学生置于学习的主体地位，创设使学生主动参与的教学情景，激发学生学习的主动性[2]。

二加强课程建设，根据专业特点及科技发展的需要

合理的安排教学内容，讲课内容做到丰富、全面，知识点讲解透彻，同时了解行业发展动态半导体物理学教材采用刘恩科主编的《半导体物理学》第七版，结合我校微电子学专业的具体情况，我们对该书的课内精讲教学内容进行了整合。首先把握好整体知识结构,在此基础上突出教学重点。（一）首先做好先修知识的衔接半导体前五章为理论基础的部分，主要讲述了半导体中的电子状态，杂质和能级缺陷，载流子的统计分布，半导体的导电性与非平衡载流子，在此基础上阐述了电子的有效质量，费米能级，迁移率，非平衡载流子寿命等基本概念。第一章和第四章的知识点包括晶体结构、晶面、晶向、晶格振动、能带理论等，讲授新课之前将涉及到的知识点让学生课下进行自主学习。如果有不理解的内容可通过课下答疑的方式进行辅导。（二）重要的知识要精细解读教师在课堂授课的时候要明确本次课程学习的主线，在主线中穿插重要的概念和主要知识点，复杂公式详细的推导过程被弱化，力求想法清楚、定义明确、难点清晰。比如在教师教授第三章的课程时，学习载流子浓度，应该让学生清楚的明白要先计算的是状态密度，然后再计算费米分布函数或者玻尔兹曼函数，最后计算出平衡时的空穴和电子的浓度。（三）最新的知识扩充因为非常迅速发展的现代半导体技术，以及不断拓展的技术研究方向，半导体领域的相关知识更新也很快，因此，与时俱进是教师应该做到的，时刻关注研究热点与科技前沿，更要将教学内容合理安排。对于本书中的第七章、第九章和第十章书本上的知识点不过多讲解，只做基础的介绍即可，主要讲解基本理论和基本概念，比较难的内容只做一般性的了解。教师要合理取舍教学内容，与其他课程的重叠内容要压缩，更要将教材中的陈旧知识删除。（四）实验内容和方式的转变为调动学生实验的积极性，增加难度，我们将工艺实验中得到的产品用到测试实验中，既能够验证工艺实验的成果，也能够分析更多的实验参数，达到将理论课和实验课内容更好结合的目的，还能锻炼学生对实验数据分析和处理的能力。在实验方面也进行了研究性学习的探索，努力引导学生进行研究性实验。

三引入研究性学习思想，培养学生文献调研能力

网络是知识的海洋，让学生利用网络来学习半导体物理相关资料提高自主学习性以及运用所学的知识进行自主创新的能力是非常重要的。把学生被动式学习的模式转化为以学生为主导的教学方式，让学生融入所设问题的情景中，引出科研中遇到的问题，并对某些问题进行讨论。在文献调研的过程中，让学生充分、及时地了解半导体产业发展的相关动态，学会“详读”和“粗读”文献，多多积累文献中涉及到半导体物理的知识，加强对课堂所学内容的理解，激发学生的创新思维。读过文献后要做出相应的总结汇报，可以以PPT的形式给出，方便其他人对文献的理解，学生也可以尝试到作为一名老师的感觉。这样师生互换角色，在教师的引导下使学生成为富有主动性的探究与学习者。四将科研融入到教学中把科研和教学结合起来，让学生明白自己学习的知识可以具体应用到生产生活的哪些方面。我们可以做的有：（1）针对课堂教学中讲到的半导体中的物理现象或者概念应用到某一个器件的制造中，激励学生通过课程设计过程的方式参与到学院老师的项目中，通过具体的研究工作，将研究结果撰写成研究论文。（2）将已取得的科研成果作为新的教学内容，充实到教学中去，使课堂上所讲的知识和我们实际的工业生产、生活联系起来，远离以往单一、抽象、枯燥的教学，使学生带着问题来学习新知识，鼓励学生参与真实科研项目的研究。以这两种方式提高学生了解问题、剖析问题的能力，让学生积极参与其中，把抽象的东西实物化，教学效果非常明显。综上所述，我们将以更新教学内容、改变教学观念、注重实验、实践教学、培养学生的创新精神为目的进行半导体物理的课程改革来解决教学过程中存在的一些问题。

作者:王月 李雪 张经慧 单位:渤海大学

参考文献

[1]喻思红，范湘红，赵小红.研究性学习教学模式在课堂教学中的实践及评价[J].中华护理杂志，2005，40(5):380-382.

半导体论文篇2

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是：

（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。

（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。

（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。

（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。

（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。

GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

（2）硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。

另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。

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半导体材料研究的新进展

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。

II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的高潮。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。

目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。

半导体论文篇3

一、前言

光敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中[3]重要品种之一。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件也具有应用电路极其简单、体积小、输出幅值大、灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强等特点。能提供模拟、开关和脉冲频率三种输出信号供用户选择。用它开发出的三端数字传感器，不需要前置放大器、A/D或V/F变换器，就能与计算机直接通讯。该元件的技术参数符合QJ/HN002-1998的有关规定。

磁敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中[3]第三个重要品种。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件体积小，应用电路极其简单，在磁场的作用下，能输出模拟信号、开关信号和脉冲频率信号，而且输出信号的幅值大、灵敏度高、抗干扰能力强。

光敏、磁敏Z-元件及其三端数字传感器，通过光、磁的作用，可实现对物理参数的测量、控制与报警。

二、光敏Z-元件及其技术参数

图1电路符号与伏安特性

1．光敏Z-元件的结构、电路符号及命名方法

光敏Z-元件是一种经过重掺杂而形成的特种PN结，是一种正、反向伏安特性不对称的两端有源元件。

表1、光敏Z-元件的分档代号与技术参数

名称

符号

单位

阈值电压分档代号

测试条件

T=20°C或25°C

10

20

30

31

阈值电压

Vth

V

<10

10~20

20~30

>30

RL=5kW

阈值电流

Ith

mA

£1

£15

£2

£3

RL=5kW

导通电压

Vf

V

£5

£10

£15

£20

RL=5kW

反向电流

IR

mA

£45

£45

£45

£45

E=25V

允许功耗

PM

mW

100

100

100

100

转换时间

t

ms

20

20

20

20

阈值灵敏度

Sth

mV/100lx

-80

-120

-150

-200

RL=5kW

阈值灵敏度温漂

DTth

%/100lx×°C×FS

>-4

RL=5kW

M1区灵敏度

SM1

mV/100lx

200

250

300

350

RL=Vth/Ith

M1区灵敏度温漂

DTM1

%/100lx×°C×FS

>-3

RL=Vth/Ith

反向灵敏度

SR

mV/100lx

>800

E=25V

反向灵敏度温漂

DTR

%/100lx×°C×FS

>-1

RL=510kW

图1（a）为结构示意图，图1（b）为电路符号。元件引脚有标记的或尺寸较长的为“+”极。

该元件的命名方法分国内与国际两种：

国内命名法：

国际命名法

响应波长代号：

1—0.4~1.2mm

2—0.2~1.2mm。

2．光敏Z-元件的伏安特性曲线

图1（d）为光敏Z-元件的的伏安特性曲线。在第一象限，OP段M1区为高阻区（几十千欧~几百千欧）。pf段M2区为负阻区，fm段M3区为低阻区（几十千欧~几百千欧）。其中Vth叫阈值电压，表示在T(℃)时Z-元件两端电压的最大值。Ith叫阈值电流，是Z-元件与Vth对应的电流。Vf叫导通电压，是M3区电压的最小值。If叫导通电流，是对应Vf的电流，也是M3区电流的最小值。在第三象限为反向特性，反向电流IR是在无光照时反向电压VR为25V时测量的，其值（微安级）很小。

3．光敏Z-元件的分档代号与技术参数

光敏Z-元件的分档代号与技术参数见表1。其分档代号按Vth值的大小排列。型号分二种，按其响应波长分。目前产品波长代号皆为1。

三、光敏Z-元件的光敏特性

1．无光照时光敏Z-元件正、反向伏安特性的测量

用遮光罩把光敏Z-元件罩上，即在无光照的情况下，利用图1(c)特性测量电路测量其正、反向伏安特性，测量电路与方法与温敏Z-元件相同[6]。

2．光敏Z-元件正向光敏特性

把Z-元件接在正向特性测量电路上，Z-元件放置在可变照度的光场中。测量时照度由小到大，每次递增100lx，用数字照度计校准，然后测量Z-元件的正向特性，记录不同照度时的Vth、Ith、Vf。从测试可知，光敏Z-元件的阈值点P(Vth,Ith)随着照度的增加，一直向左偏上方向移动如图2(a)，Vth随光照增加而增大，Vf变化较小。Vth、Ith与照度L的关系参看图3。

光敏Z-元件的正向特性还具有光生伏特现象，Z-元件的“正”极即光生伏特的“+”极。目前，光生伏特饱和电动势为200mV左右，短路电流随光照增强而增大。当照度为100lx~5000lx时短路电流为几微安至几十微安。

3．光敏Z-元件反向光敏特性

把Z-元件连接在反向特性测量电路中，并把Z-元件置于可变光场中。改变光场照度，用数字照度计校准，测量其反向特性，即反向电压VR与反向电流IR的关系。其特性如图2（b）。可以看出其反向电阻随照度增加而减小，反向电流随光照增强而变大。

四、光敏Z-元件的应用电路

光敏Z-元件有与温敏Z-元件相似的正、反向伏安特性，温敏Z-元件的应用电路，在理论上都适用于光敏Z-元件。考虑到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的温漂，因此在光开关电路中，应当有抗温度干扰的余量，在模拟应用电路中，应采用具有抗温漂自动补偿电路。

1．M1M3转换，输出负阶跃开关信号电路［3］，［4］

负阶跃开关信号输出电路示于图4（a），工作过程的图解示于图4（b）。在无光照时，OP1为光敏Z-元件M1区特性，阈值点为P1（Vth1，Ith1），E为电源电压，以负载电阻值RL和电源电压E确定的直线（E，E/RL）交电压轴为E，交电流轴为E/RL。Q1为无光照时的工作点其坐标为Q1（VZ1，IZ1），输出电压VO1＝VZ1＝E-IZ1RL。我们选择合适的电路参数，使在照度为E2时，阈值点P1移至P2，并刚好在直线（E，E/RL）上，这时Q2与P2重合。光敏Z-元件开始进入了负阻M2区，Q2点在几微秒之内即达到了f点［5］，其坐标为f（Vf，If）。此时输出电压为VO2＝VOL＝Vf，输出端输出一个负阶跃开关信号。为了得到一个负阶跃开关信号，在照度为L2时，工作点Q2与阈值点Vth2重合，电路中各参数必须满足的条件可用下述状态方程描述：

E＝Vth2＋Ith2RL（1）

其中，负载电阻值RL一般为1~2kW，选择原则是，当在照度L2时，Z-元件工作在M3区，工作点Q2的电压为VZ2＝Vf，电流为IZ2＝If，电压与电流之积为VfIf＝P，并且P≤PM≤50mW。即在功耗不大于50mW的情况下，选择较小的RL，这个开关信号的振幅为DVO：

DVO＝Vth2-Vf（2）

公式（1）告诉我们为了要得到负阶跃开关信号，E、Vth2、Ith2三者之间的关系。这时还要考虑以下几个问题：

（1）从图3（a）知道照度L越大，Vth越小，Ith越大，IthRL也越大，DVO将下降，以至会发生因振幅过小满足不了要求的情况；另一方面，过大的照度也是不经济的。也就是说，照度选择要适当。

（2）在应用的范围内，在无光照不输出负阶跃开关信号的情况下，工作点Q1选择应尽量偏右，这样有利于减小监控或报警照度。

（3）供电的直流电源应是一个小功率可调电源。在照度L2监控或报警时，其值应与（1）式计算值相等。

2．反向应用输出模拟电压信号

Z-元件反向电流极小，呈现一个高电阻(1~6MW)，这个电阻具有负的光照系数，并在较高电压(30~40V)下，不发生击穿现象。图5为反向应用电路及工作状态解析图。可以看出在无光照时，L1=0，工作点为Q1（VZ1，IZ1），输出电压为VO1，则：

VO1=E-VZ1=E-IZ1RL

当光照为L2时，伏安特性上移，工作点由Q1移至Q2（VZ2，IZ2），输出电压为VO2，则：

VO2=E-VZ2=E-IZ2RL

反向光电压灵敏度用SR(mV/100lx)表示：

(3)

3．M1M3，M3M1相互转换，输出脉冲频率信号

该电路仅需三个元件，用一个小电容器与Z-元件并联，再串联一负载电阻RL，即可构成光频转换器，如图6所示，达到了用光敏Z-元件实现光控脉冲频率的目的。与温敏Z-元件脉冲频率电路相同，在无光照时，电源通过RL对电容器充电，当VC<Vth时，Z-元件工作在M1区，当VC≥Vth时，Z-元件迅速由M1区经M2区工作在M3区。M3区是低阻区，电容器迅速通过Z-元件放电，当放电至VC≤Vf时，Z-元件脱离M3区回到M1的高阻区，电源通过RL重新对电容器充电，如此周而复始重复上述过程，由输出端输出后沿触发的脉冲频率信号。信号频率用f表示：

(4)

t≈RLC

从式(4)可以看出，光照越强，Vth越小，而Vf基本不变，因而频率上升的越高。在弱光和强光下，Vth灵敏度较低，所以频率灵敏度也较低，在300~1000lx有较高频率灵敏度。RL值选择范围是8.2kW~20kW，C选择范围是0.01mF~0.22mF，E应为(1.5~1.8)Vth。数值小的电容器振荡频率较高，也有较高的频率灵敏度，电源电压的范围较窄；数值较大的电容器振荡频率较低，频率灵敏度也较低，但电源电压范围宽。

五、光敏Z-元件特性与应用电路总结

光敏Z-元件的伏安特性与温敏Z-元件的伏安特性是极为相近的，前者的光特性与后者的温度特性也非常相似［6］。

Z-元件的特性及应用电路可以概括为：一个特殊的点，即阈值点P（Vth，Ith），该点的电压灵敏度为负，电流灵敏度为正。有二个稳定的工作区，即高阻M1区，和低阻M3区。在VZ<Vth时，工作在高阻M1区，在VZ≥Vth时，迅速越过负阻M2区，工作在低阻M3区，当VZ≤Vf时，又恢复到高阻M1区。有三个基本应用电路，即开关电路，反向模拟电路和脉冲频率电路。有四个主要参数：即Vth、Ith、Vf、IR。

上述三个基本应用电路参看表2-1、表2-2、表2-3。表2-4是表2-1中RL与Z-元件互换位置后构成的正阶跃开关电路与输出信号波形；表2-5是表2-2中RL与Z-元件互换位置后构成的NTC电路。

光敏Z-元件的电参数中Vf的温度系数稍小，Vth、Ith、IR三个参数的温度系数稍大。在要求较高的场合，应当采用电路补偿或元件补偿，使之满足设计要求。

半导体论文篇4

关于真空电子管的意思是指把电子引导进入真空的环境之中，用加在栅极上的电压去改变发射电子阴极表面附近的电场从而控制阳极电流大小，由此来把信号放大。真空电子管的材料有钨、钼、镍、钡锶钙氧化物等等，再以真空电子学为理论依据，利用电子管制造工艺来完成工作。

1.2固体晶体管

固体电子管具有检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制等多种功能。固体晶体管作为一种可变电流开关，能够基于输入电压控制输出电流。与普通机械开关不同，固体晶体管利用电讯好来控制自身的开合，而且开光速度可以非常快，实验室中的切换速度可达100GHz以上。

2半导体串联与并联以及元件安装的各种选择

半导体的串联与并联必须要有耐高压和抗电流冲击能力强以及反应迅速等特性。

2.1串联

晶体管在串联的时候必须考虑均压的问题，每一个元件的参数不同使得元件受压不同，电压过高很可能导致元件被击穿。

2.2并联

元件在并联的时候的要求要比串联的时候要简单，只要开闭电压降及开闭时间等动态特性一致就好了。为了让负载电流均匀地分配于各个元件上，一般来说采用的是在元件上串联均流电阻（用于小容量系统中）或者串联电杆（用于大容量系统中）等方法。

2.3半导体元件安装各种选择

半导体元件工作的时候产生的热量是不是能够有效的向周围介质中放散，和能不能充分发挥半导体元件的能力关系很大。半导体元件的安装位置应该要尽量的避免周围的热源和可能出现的外来高温影响，防止温度超过设计规定要求，从而致使元件恶化。安装在窗口旁边的装置应该要注意防止阳光直射，避免尘埃。控制柜等结构因考虑电源部分的散热或者柜内良好的热对流，经常选用的是顶部多孔板型式，可是这种结构一点都不防尘，这是需要考虑一下安装环境和防尘措施的，还有要加强日常的检查，经常去清洁外部的环境。对半导体元件的冷却方式的选择是相当重要的。随着应用于电力设备和电气化铁道等的半导体元件的大容量化，逐渐有强迫风冷式发展到注油式冷却方法，最近采用的一种叫氟隆的冷却办法。这种方法的一次冷却可以用重力自然循环方式，二次冷却可以用自然对流热传导放式，所以不需要泵和风机，噪音小了维护也容易了，并且冷却效率还高了，能使设备的整体小形化轻量化。半导体在运输的时候也要注意，因为半导体器件和内嵌的元件等运输都必须要遵循和其他电子元件一样的注意情况。用于运输的容器和夹具必须是不会因运输中的晃动等而带有电或者产生静电，使用导电的容器和铝箔等是最有效的措施。为了防止因为人体衣服所带的静电产生的损坏，在处理的过程中必须要通过高电阻让人体接地，从而更好的释放静电。在移动安装了半导体器件的印刷电路板的时候，必须采取防静电的措施。还有在使用传送带移动印刷电路板时，为了避免传送带的橡胶等带电，也要做防止静电的处理。在运输半导体器件和印刷电路板的时候，要注意减少机械的晃动和冲击。

3防止危害

半导体电子器件在开闭动作中会产生高次谐波的电压电流。高次谐波是会造成电力电容器和电抗器等过负荷和过热，严重的会烧损；还会让继电保护动作失误；会对通信电话和电视等产生干扰。因此有效的防止半导体电子器件在应用时产生高次谐波的危害不能轻视。而作为防止危害发生，建议可以采取的措施有，增加整流回路的相数；设置高次谐波滤除器；避免过大的相位控制；由大容量电源系统供电等等。目前国外正在考虑采用的有源滤波器和高次谐波补偿装置等防止措施。半导体电子设备的防干扰和防静电的能力都是比较差的，因为很容易引起错误，所以说，必须要认真对待。涂抹一些带电的防止剂，混连入带电防止剂，改变高分子聚合物的表面层材质，改为含有导体的复合材质，调整相对的湿度等等。实际上对于防止静电的产生还是很困难的一件事，通过防带电措施来急剧减少产生的电荷的办法，是现在正在实际应用中的。静电的产生是跟随着相对的湿度的下降而增大的，特别是在下降到了百分之四十及以下之后，就会突然变得很容易就产生静电了，所以说在冬天的时候，必要要加强采取相应的措施来加湿。因为剥离或者摩擦而产生的静电，是随着接触面的面积和压力以及分离速度的增大而增大的，所以说要避免高速的摩擦和剥离很有必要。

半导体论文篇5

日本四团体共同制定的《照明用白色LED测光方法通则》为目前唯一针对照明用白光发光二极管(LED)所制定的测量标准，本文将对其内容进行介绍及分析，以供读者及有关产、学、研部门参考。 白光LED标准出炉 随着LED研发技术的突飞猛进，已被许多人视为充满潜力的新世代主要照明光源，然而LED具有与传统照明光源截然不同的空间发光特性，使原本适用于传统光源光学特性测量的方式未必适用于LED，如光通量(Luminous Flux)、光强度(Luminous Intensity)及色度(Chromaticity)测量，否则LED的测量精度及准度都将成问题。因此，全球各大标准协会均修订或是新增LED测量标准，但由于LED封装种类繁多，性能也各不相同，所以也有协会针对不同用途的LED制定新的测量标准以国际照明委员会(Commission Internationale de l'Eclairage；CIE)为例，其在2007年大幅修订原有的LED测量技术文件CIE-127，但因诸多争议，仍有诸多测量问题待解决，而由美国能源部(DOE)所主导，其配合固态照明产品的推广进程，由美国国家标准学会(ANSI)与北美照明学会(IESNA)所组成的标准制定小组，正在进行固态照明灯具相关测试标准的制订，（本报上期B7版文章已经对此进行介绍），其中包括旋光性量测、色度量测以及寿命评估等标准，但这些标准的特点在于其内容是将固态照明灯具视作一整体来评价，也就是说，LED单体无法由这些标准的规范来作测量。 我国近年来也致力于半导体发光器件标准的推动，在政府的支持下，已推出半导体发光器件测试方法，而其它相关标准也正在进行审议中。 然而在照明用白光LED标准的推动方面，进展最快的国家是日本，其中日本照明学会(JIES)、日本照明委员会(JCIE)、日本照明器具工业会(JIL)以及日本电球工业会(JEL)在2011年已订出四团体共同标准《照明用白色LED测光方法通则》，成为目前唯一针对照明用白光LED所订定的测量标准，其在初版时就已率先制订数项未曾规范过的项目，如标准LED之制造、小型模块光强度的测量法以及寿命评估方式等。 有鉴于LED的测量方式有所进展且标准的内容仍有扩充空间，四团体于2006年3月公布此标准的修订版，增加且修订原先的标准内容，在色度学的量测以及光通量的量测方式等作出更详细的规范。然基于谨慎的心态，有许多部分仍然是被放在附属部分而非实际标准的一部分，不过，其在相关规范的说明仍十分详细，就现阶段国际所能查到的LED标准文献，此标准可说是内容最完整的规范。在目前产业界仍然缺乏适当的通用LED测量规范情况下，该标准将会是一个非常重要的参考依据。下面重点介绍此标准的重要规定，以及修订版的增补部分。|中华勵志网|http://www.zhlzw.com| 适用范围限于照明用白光LED 该标准在一开始的标题上，就已宣告适用范围仅限于照明用白光LED，其认为将测量目标限定于照明用白光LED，以限定与标准LED比较的测量方法能有效提升测量精度，且对于标准LED的内容作出很详细的规定。在光强度的测量部分，则依照国际照明委员会所规定的标准条件进行测量；在光通量的测量部分，则一律使用积分球(Integrating Sphere)测量，并在修订版中增加色度、相关色温(Correlated Color Temperature；CCT)、显色性指数(Color Rendering Index；CRI)等的测量方法，且原则上使用积分球作为其入射光学系统。 本标准主要是针对单体LED制定的规范，但其对于小型的LED模块光强度的测量也纳入规范，对于小型LED模块而言，其不一定适用于CIE标准条件所规定的平均LED光强度的测量方法。

半导体论文篇6

2009年，我国芯片产值较2008年增长25%，达到23亿元；LED封装产值为204亿元；半导体照明应用在摆脱金融危机的影响后，逆势增长30%以上，达到600亿元。2009年我国LED产业总规模共计827亿元！ 2009年是我国半导体照明产业内外环境发生变化的一年。从产业环境来看，国内外影响产业环境的大事件不断，半导体照明与当今世界的社会和经济发展联系愈加紧密，机遇和挑战并存；从产业本身来看，国内外技术不断突破，新的应用迅速发展，相关扶持政策逐步出台，产业竞争在技术、市场、产品等层面均出现了新的形态；从产业发展趋势来看，我国半导体照明产业发展机遇明显大于挑战，整体产业环境和产业竞争进一步完善，产业发展前景更加明朗。 2009年也是我国半导体照明产业发展波动较大的一年。第一季度，受到2008年金融危机导致出口下降的持续影响，产业发展缓慢，部分企业经营困难甚至倒闭。从第二季度开始，随着我国“十城万盏”应用示范工程的推进和国内外市场形势的好转，半导体照明产业开始企稳回升，成为最先摆脱金融危机影响的产业之一。下半年，我国半导体照明产业形势继续好转，在节能减排和低碳经济概念的推动下，半导体照明开始成为热点产业。 2009年，受到芯片需求快速增加的影响，我国外延芯片产能增加迅速。据统计，国内从事LED芯片生产的企业超过40家，企业的MOCVD拥有量超过150台，其中已经安装的生产型GaNMOCVD超过135台，生产型四元系MOCVD18台左右，国内科研院所的研究型设备也有所增加。各企业的外延芯片投资计划进一步加快，据初步统计，计划中的设备在100台左右，其发展大大超出2009年初预计。 2009年，我国芯片产值增长25%达到23亿元，与2008年的26%的增速基本持平。2009年国产GaN芯片产能增加非常突出，较2008年增长60%，达到22.4亿只/月，而实际年产量增加40%，达到182亿只，国产率也提升到了46%。国产芯片的性能得到较大提升，在显示屏、信号灯、户外照明、中小尺寸背光等高端应用获得认可，大功率芯片的性能和产量也得到很大提升。2009年，随着金融危机的影响逐步减弱和企业经营状况的迅速好转，国内芯片企业在2009年获得了一个较好的经营环境，预计未来几年，国内芯片产能和企业经营状况仍将处于一个快速的提升过程之中。 2009年，我国LED封装产值达到204亿元，较2008年的185亿元增长10%；产量则由2008年的940亿只增加10%，达到1056亿只，其中高亮LED产值达到186亿元，占LED总销售额的90%。同时从产品和企业结构来看国内也有较大改善，SMD和大功率LED封装增长较快。 2009年，我国半导体照明应用在摆脱金融危机的影响后取得了较快的增长，整体增长30%以上，产值达到600亿元。LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明、消费类电子背光、信号、指示等作为主要应用领域，增长较为平稳。在LED-TV加速应用的背景下，我国LED大尺寸背光应用取得了重要进展，主要电视品牌均推出了LED背光电视，并作为今后几年的重点开发和推广产品。在我国“十城万盏”应用示范工程的带动下，LED路灯等道路照明、LED射灯等室内照明应用发展迅速。LCD背光和照明在2009年的增长明显，正在逐步成为我国半导体照明的主要应用领域。2009年半导体照明应用构成如下表所示。

半导体论文篇7

半导体材料制作的发光二极管--LED，近年来技术上取得了重大突破，白光发光管的发光效率已经达到了荧光灯的水平,08年将达到钠灯的水平。半导体光源节能、长寿命、安全、环保、耐闪烁、色彩多样、调控方便等诸多优点，必将取代传统光源引发照明产业的又一次革命。 由于光效和成本方面的原因，半导体光源目前还不能在大面积白光泛光照明方面和传统高效光源竞争，但是在小功率照明、局部照明、安全照明、闪烁照明、彩色照明等方面具有传统光源难于比拟的优势。 路灯主要是为了照亮路面，属于局部照明。半导体光源之所以适合用于局部照明，是由于LED是个点光源，发光角度便于控制。在生产时也可以制作成各种发光角度的产品，也可以利用反光镜灯方法对光路做进一步的调理。利用特定发广角的光源做局部照明可以使光源发出的光得到更有效的利用，和不便控制发光角度的光源相比，可以用比较小的功率达到满足要求的局部照明效果，因而实现节能。为此，许多企业进行了有益的探索，使半导体路灯逐渐实用化。但是，从近几届照明方面的展会上看，许多企业展出的LED路灯根本没有考虑和利用LED的特点，做出来的路灯仅仅是点亮了而已，根本谈不上照明效果和节能效果。为此本文以90瓦的半导体路灯为例介绍半导体路灯的结构特点和实现方案，以供相关企业研制产品时参考。 做好半导体路灯的基本思路： 做LED路灯首先要考虑照射范围。路灯要求的是路面照明效果，照空中和路边的空地不是路灯的任务。因此，要用多种角度组合的发光管或者用反光镜的方法有效的控制光线的分布范围，使发光管发出的光成为一个长条形光带沿路面方向铺展，实践证明，这样制作的半导体路灯90瓦左右的功率就能超过250瓦纳灯对路面的照明效果，节能效果显著。 要做好半导体路灯首先要合理的选用发光管。一般来说，做半导体路灯既可以选用小功率发光管，也可以选用大功率发光管。但是，实践证明，小功率发光管虽然有发光器件成本低的优势，但是，其光衰却比大功率发光管快，并且用的管数太多，装配麻烦，综合考虑，选用大功率发光管比较合理。从目前大功率发光管的技术水平来看，1瓦管光效比较高，用于照明节能优势明显。和1瓦的发光管相比，3瓦的发光管光效低于1瓦管，同等光通量下价格优势也不明显，目前选用1瓦管做路灯光源更为合理。 半导体光源结构上和光学特性上有自身的特点，因此，半导体路灯应该按照这些特点设计灯具，用传统灯具外壳换个半导体灯的灯芯是做不出好半导体灯的。半导体路灯结构设计上要解决好的问题是灯体外部造型，发光管的安装、照射范围的调整、发光管的散热、灯体的密封。同时，所设计的灯体结构还要有利于大批量工业生产。 用1瓦的发光管做灯发光管的安装比较简单，如果选用的驱动器是隔离结构的，发光管的底座和管芯也是绝缘的，只要把发光管固定在散热器上就可以了。但是，如果使用的是不隔离结构的驱动器，发光管和散热器之间的绝缘处理就比较严格，要能达到一定的安全标准。绝缘和导热常常是矛盾的，良好的绝缘结构往往对散热不利。因此，建议选用隔离型驱动器驱动发光管。 照射范围的调整是做好半导体灯的重要环节。为了有效的利用光线，应该发挥发光管照射方向便于调控的优势，使发光管发出的光形成一条光带铺在路面上，而不要在无效方向上散射。要做到这一点，结构上最简单的办法是用多种角度的发光管组合，或者用反光镜、透镜的方法控制照射角度，分别兼顾不同的照射距离。比如，用发光角60度、30度、15度的三种发光管组合，分别用于照射附近、中、远距离路面的照明，使发光管输出的光均匀的覆盖两盏灯之间的半距离路面，覆盖宽度基本上和路面宽度吻合，这样就可以用比较小的功率有效的照明道路。使之实现最佳照明效果。要达到这样的照明效果，发光管的安装角度必须合理。 发光管的散热是半导体灯要重点解决好的问题。发光管是冷光源，不象白炽灯那样产生灼热的高温，但是，发光管本身耐温能力比较差，所以必须将发光管工作时产生的热量有效的散发到空气中去，保证发光管工作在安全的温度下，这样半导体灯才能真正的体现出长寿命的优势。 发光管的管芯和白光发光管涂覆的荧光粉都是在几百度的高温条件下生产出来的，本身有一定的耐温能力。但是，发光管的管壳和管芯之间存在热阻，这个热阻使发光管在使用时管壳和管芯之间出现温差，管芯的温度会高于外壳温度。目前发光管外部封装的材料主要是有机材料，在高温下容易老化。这会影响发

半导体论文篇8

中图分类号：G424 文献标识码：A

半导体物理是研究半导体原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子过程的学科，是固体物理学的一个重要分支。研究半导体中的原子状态是以晶体结构学和点阵动力学为基础，主要研究半导体的晶体结构、晶体生长，以及晶体中的杂质和各种类型的缺陷。研究半导体中的电子状态是以固体电子论和能带理论为基础，主要研究半导体的电子状态，即能带结构、杂质和缺陷的影响、电子在外电场和外磁场作用下的输运过程、半导体的光电和热电效应、半导体的表面结构和性质、半导体与金属或不同类型半导体接触时界面的性质和所发生的过程、各种半导体器件的作用机理和制造工艺等[1-4]。

从上面的半导体物理研究内容可以看出，半导体物理是一门介于理论与实践之间的课，由于它的理论性，导致老师难教，学生难学。因此怎么教是一个非常值得探讨的问题。文献[5-6]提出了基于研究性学习的教学思想，培养学生的创新意识和科学工作能力，取得了一定的教学效果。文献[7] 提出了采用多媒体、课堂互动、“头脑风暴”和课程实验结合的 “形象化”的教学方法，激发了学生的学习兴趣，促使学生能更深刻地理解半导体物理理论。

本文首先分析半导体物理教学现状，然后提出两种启发式教学思路，并举例说明，最后总结启发式教学效果。

1 教学现状

1.1 教材难度较大

目前大多数院校选用的教材是电子工业出版社出版的刘恩科主编的《半导体物理学》，该书偏重于理论阐述和推导，需要学习者具有良好的数学和物理相关基础知识。但是，由于半导体物理课程比数学课程晚两个学期开课，到半导体物理开课的时候，大部分同学数学都忘得差不多；另外大部分学校微电子专业都取消了量子力学和固体物理课程，学生没有学习物理理论的前导知识，就直接进入半导体物理的学习。因此，加大老师了教学难度，同时也增加了学生的学习压力。

1.2 教学模式单一

目前半导体物理教学基本采用“老师讲学生听”的模式[8]，由于半导体物理阐述的大部分都是微观物理结构、微观物理现象和微观物理理论推导，这些知识抽象枯燥，如果只是采取单纯的“老师讲学生听”模式，缺少老师和学生之间的互动，需要学生有比较好的想象力，因此无形中增加了学生的学习难度。另外一方面，长期采用这种教学方法，不利于带动学生的探索精神，学生获得的知识也仅限于课本知识，不利于学生创新能力的培养。

1.3 学生认识偏差

目前，高校工科学生中大多有重技术轻理论的思想，具体到微电子学专业的学生， 重电路设计轻半导体物理及器件的研究[9]。这使学生学习半导体物理的积极性不高。如果学生的半导体物理及器件的理论知识的基础不扎实，会导致学生的电路设计尤其是模拟集成电路设计能力的停留在初步阶段，难以提高。

2 启发式教学思路

针对目前的教学现状，为了让学生能通过简单的问题启发明白半导体物理知识，因此本文提出以下两种启发式教学思路。第一种思路是从宏观现象中寻找与微观现象相匹配的例子引出问题，宏观现象都是现实生活中能够看到或感觉到的东西，以这样的例子来引出问题，让学生理解微观现象的难度大大降低；第二种思路是从电路的工作角度引出微观现象，电路的工作原理都是工科学生比较感兴趣的东西，如果能从电路的工作角度一环一环引出微观现象，让学生的学习兴趣一下提高不少，也培养了学生的思考精神。下面分别对这种两种教学思路举例说明。

2.1 从宏观现象中寻找与微观现象相匹配的例子引出问题

比如讲授能级分裂的时候，设置如下启发问题：

问题1：50个座位的教室能坐多少人？（提示：必须遵守一人一座的原则）

答：50人。

问题2：如果想在这个教室坐下100人怎么办？

答：只能加50个座位。

问题3：一个原子的一个电子轨道能容纳多少个电子？（提示：必须遵守一电子一轨道的原则――包里不相容原理）

答：一个电子。

问题4：两个原子挨在一起，他们的相同能量的电子轨道相交了，这个时候相当于两个电子在同一能量轨道上，如果还必须遵守一电子一轨道的原则，怎么办呢？

答：增加一条轨道，相当于一条轨道变成两条轨道。

问题5：如果N个原子挨在一起，如果还是按照一个电子一轨道的原则，那他们相同能量的电子轨道怎么办呢？

答：增加N-1条轨道，也就是相当于一条轨道变成N条轨道。

2.2 从电路的工作角度引出微观现象

比如讲授半导体掺杂前，可以设置如下启发问题：

问题1、电子设备是怎么工作的？

答：电流驱动的。

问题2、电流又是怎么形成的？

答：载流子的定向运动形成电路。

问题3、载流子怎么产生的？

答：通过本章节的学习，大家将会找到答案。

3 结束语

半导体物理是一门介于理论与实践之间的课，由于它的理论性，导致老师难教，学生难学。本文提出启发式教学方法，采取不断提问题的方法，问题一环扣一环，直到最后引出上课内容。通过在教学中采用启发式教学的效果看，对于复杂的微观问题，老师容易讲明白了，学生也容易听明白了。因此启发式教学一方面在没有降低知识难度的情况下降低了学习难度，另一方面提高了学生的学习兴趣，增强了学生的思考精神。

基金项目：电子科技大学中山学院质量工程建设项目资助（项目编号：ZLGC2012JY12）

参考文献

[1] 沈伟东，刘旭，朱勇，等.用透过率测试曲线确定半导体薄膜的光学常数和厚度[J].半导体学报，2005（2）：335-340.

[2] 唐莹，孙一翎，李万清.MATLAB在半导体课程教学中的应用[J].长春理工大学学报（高教版），2009（10）：126-127.

[3] 孙连亮，李树深，张荣，等.半导体物理研究新进展[J].半导体学报，2003（10）：1115-1119.

[4] 江锡顺.提高应用型本科院校半导体物理教学质量的方法研究[J].滁州学院学报，2011（5）：110-111.

[5] 王印月，赵猛.改革半导体课程教学 融入研究性学习思想[J].高等理科教育，2003（1）：71-73.

[6] 张铭，王如志，汪浩，等.基于研究性学习的半导体物理课程教学改革[J].科教文汇（上旬刊），2011（7）：47-48.

半导体论文篇9

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2017）02-0058-02

随着半导体技术的发展，微电子技术已渗透到渗透到国民经济的各个领域。《半导体器件物理》是微电子技术的理论基础，是理解半导体器件内部工作原理的课程，是分析器件物理结构、材料参数与器件电学性质之间的联系，其提供了半导体物理与电子电路设计间的物理逻辑与数学联系，是基于CMOS工艺设计集成电路的必备知识。因而，在教学过程中，如何将物理图像、数学模型与电子电路设计间的关系讲解清楚，让学生从物理和集成电路设计的角度深层次理解半导体器件成为授课关键。

一、教学内容与预期

《半导体器件物理》是微电子科学与工程专业的重要专业基础课程，是在半导体物理课程基础上继续开展器件物理的分析、建模和应用，具有物理理论抽象、概念细节多、半导体物理与电路等学科知识相交叉等特点，学生学习较为困难。基于此，本课程授课以施敏先生著的《半导体器件物理》为主要教材，依据教学大纲和学生未来的工作实践，对《半导体器件物理》课程教学内容进行了调整、充实和删减。具体来说《半导体器件物理》教学内容可分为以下几部分：1）介绍半导体材料、PN结、半导体表面的特性等，2）讲解双极型、MOS型晶体管的结构和工作原理，3）分析几种有重要应用的半导体器件，如功率MOSFET、IGBT和光电器件等。[1，2]期望学生接受教学后的预期能力：1）能够深入理解半导体器件关键物理概念和能带理论；2）能够将半导体物理与半导体PN结的行为结合起来理解分析；3）能够以半导体PN结为基础理解几种不同的半导体器件；4）能够理解和提出新型半导体器件设计中的关键物理和电学问题。

二、教学方法及学生能力目标

本课程以课堂授课为主，同时引入小组和班级讨论、课后建模实践等互动教学方法，培养学生构建器件物理图像、建模和与电子电路设计综合联系的能力，独立发现、分析、解决器件问题的能力。同时基于《半导体器件物理》课程的特点，在教学手段上采用板书公式推导与多媒体器件模型演示为主，网络教学资源为辅，同时邀请集成电路产业半导体器件资深专家讲座等形式，提高学生掌握知识和设计实践的能力，提高教学质量。让学生渐进达到如下能力：（1）知道基本概念，（2）从理论上理解和解释，（3）能够根据器件理论做出计算、模拟和实际的器件应用，（4）对器件进行综合、设计、分析；（5）对器件能够从物理和电学的角度做出专业评价。

三、学生学习效果评价方式

为了客观评价每个学生的实际学习效果和激励学习兴趣，改革评价方式是十分必要的。在期末闭卷考试基础上，对成绩评价方式作如下新探索：增加平时成绩比例，每个月进行一次小测试，针对几个集成电路广泛应用的建模理论和半导体器件，要求学生从半导体物理的角度作出独立的分析报告，可以在课后查阅文献资料，并在后续课堂上进行交流讨论，增强学生独立思考与实践动手能力，培养学生深度器件分析能力。

课堂教学改革需要教师不断思考、总结与创新，即要传授知识，又要与学生互动反馈，让学生更深刻迅速的理解专业知识，并能灵活的实践运用。

参考文献：

[1]施敏等，耿莉等译.半导体器件物理[M].西安：西安交通大学出版社，2008.

[2]Donald Neamen著.赵毅强等译.半导体物理与器件[M].北京：电子工业出版社，2013.

半导体论文篇10

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0181-02

半导体物理学是以半导体中原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子运动过程为研究对象的学科，是固体物理的一个重要组成部分，凝聚态物理的一个活跃分支[1]。半导体物理学是一门公认的难教、难学的课程，为了提高半导体物理学的教学质量，相关院校的教师们提出了许多有益的建议和有效的方法，如类比学习法[2]、多媒体教学法、市场导向法[3]等。基于提高课堂效率、改善半导体物理学课程的教学效果的目标，作者在乐山师范学院材料科学工程专业（光伏方向）的半导体物理学的教学中，对传统的课堂教学模式进行改革，在半导体物理学的课堂教学中采用“学案导学”教学模式，该文就“学案导学”教学模式在乐山师范学院材料科学工程专业（光伏方向）的半导体物理学课程教学实践作一简述，供同行参考。

1 半导体物理学课程教学模式改革的必要性和迫切性

传统半导体物理学的主要内容包含半导体的晶格结构、半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、非平衡载流子及载流子的运动规律、p―n结、异质结、金属半导体接触、表面及MIS结构等半导体表面和界面问题以及半导体的光、热、磁、压阻等物理现象[4]。但是近年来半导体物理发展迅猛，新现象、新理论、新的研究领域不断涌现。上世纪50～60年代，属于以固体能带理论、晶格动力学理论、金属―半导体接触理论、p-n结理论和隧道效应理论为主的晶态半导体物理时代；70～80年代则形成半导体超晶格物理、半导体表面物理和非晶态半导体物理三足鼎立的格局；90 年代以后，随着多孔硅、C60以及碳纳米管、纳米团簇、量子线与量子点微结构的兴起，纳米半导体物理的研究开始出现并深化；现在，以GaN为主的第三代半导体、有机聚合物半导体、光子带隙晶体以及自旋电子学的研究，使半导体物理研究进入一个新的里程[5]。

半导体物理学是材料科学工程专业（光伏方向）的核心专业课程，是太阳能电池原理等后续专业课程的基础。它是一门理论性较强同时又和实践密切结合的课程。要透彻学习半导体物理学，既要求有较强的数学功底，熟悉微积分和数理方程；又要求有深厚的物理理论基础，需要原子物理、统计物理、量子力学、固体物理等前置课程作为理论基础。由于材料科学工程（光伏方向）培养目标侧重于培养光伏工程专业技术人才，而不是学术型的研究人才，在课程设置方面有自己的独特要求，学生在学习半导体物理之前，没有系统学习过数学物理方程、量子力学、固体物体、统计物理等专业课程，所以理论基础极其薄弱，这给该门课程的教学带来极大的困难和挑战。而且半导体物理的理论深奥，概念多，公式多，涉及知识范围广，理论推导复杂，沿用“教师讲学生听”的传统课堂教学模式，学生学习兴趣不高，直接的结果就是课程教学质量较低，教学效果不好，学生学习普遍被动。面对发展迅猛的半导体物理和目前教学现状，如果不对“教师讲、学生听”的半导体物理学的课堂教学模式进行改革，难以跟上形势的发展。为此教师要在半导体物理学教学中采用了“学案导学”教学模式。

2 “学案导学”导学教学模式在半导体物理课程教学中的实施过程

“学案导学”教学模式由“学、教、练、评”四个模块构成。“学”，就是学生根据教师出示的教学目标、教学重点、教学难点，通过自学掌握所学内容。“教”，就是教师讲重点、难点、讲思路等。“练”，就是通过课堂训练和课后练习相结合，检验学习效果。“评”，就是通过教师点评方式矫正错误，总结方法，揭示规律。“学案导学”教学模式相对于传统教学模式的改革绝不是一蹴而就的课堂教学形式的简单改变，而是一项复杂的系统工程，包括教学模式的总体目标确定、教学内容的重新构建、导学案的编写、课堂教学过程的实施。

2.1 半导体物理学“学案导学”教学模式总体目标的确定

半导体物理学课堂教学模式创新的总体目标是：以材料科学工程专业（光伏方向）人才培养方案和半导体物理学课程教学大纲依据，以学生为主体，以训练为主线，以培养学生的思维方式、创新精神和实践能力为根本宗旨，倡导自主、合作、探究的新型学习方式，构建自主高效的课堂教学模式；注重学生的主体参与，体现课堂的师生互动和生生互动，关注学生的兴趣、动机、情感和态度，突出学生的思维开发和能力培养；针对学生的不同需求，实行差异化教学，面向全体，分层实施。

2.2 根据人才培养方案构建合理有效的教学内容

半导体物理学的教材种类较多，经典教材包括：黄昆、谢希德主编的《半导体物理》（科学出版社出版）；叶修良主编《半导体物理学》（高等教育出版社出版）；刘恩科、朱秉生主编《半导体物理学》（电子工业出版社出版）。该校教研组经过认真分析，选择刘恩科主编的《半导体物理学》第7版作为教材，该书内容极其丰富，全书共分13章，前五章主要讲解晶体半导体的结构、电子的能带、载流子的统计分布、半导体的导电性、非平衡载流子理论等基础知识，第6章讲PN结理论，第7章讲金属和半导体的接触性能、第8章讲半导体的表面理论、第9章讲半导体的异质结构，第10、11、12章讲解半导体的光学性质、热电性质、磁和压电效应，第13章讲解非晶态半导体的结构和性质；该教材理论性很强，有很多繁杂的数学推导，要真正掌握教材所讲内容，需要深厚的数学功底和物理理论功底。该校材料科学工程专业（光伏方向）立足于培养光伏工程的应用型人才，学生理论功底较为薄弱，故我们对理论推导不做过高的要求，但对推导的结果要形成定性的理解。具体要求学生掌握半导体物理学的基本理论、晶体半导体材料的基本结构、半导体材料基本参数的测定方法。根据人才培养方案的要求，我们确定的主要理论教学内容有：（1）半导体中的电子状态；（2）半导体中的杂质和缺陷能级；（3）半导体中载流子的统计分布；（4）半导体的导电性；（5）非平衡载流子理论；（6）PN节；（7）金属和半导体接触；（8）半导体表面理论。对半导体的光学性质、热电性质、磁和压电效应以及非晶态半导体不做要求。在课程实践方面我们开设四个实验：（1）半导体载流子浓度的测定；（2）少数载流子寿命的测量；（3）多晶硅和单晶硅电阻率的测量；（4）PN节正向特性的研究和应用。

2.3 立足学生实际精心编写导学案

“导学案”是我们指导学生自主学习的纲领性文件，对每个教学内容都精心编写了“导学案”。“导学案”主要包括每章节的主要内容、课程重点、课程难点、基本概念、基本要求、思考题等六个方面的内容。以“半导体中的电子状态”为例，我们编写的导学案如下：

2.3.1 本节主要内容

原子中的电子状态：

（1）玻耳的氢原子理论；（2）玻耳氢原子理论的意义；（3）氢原子能级公式及玻耳氢原子轨道半径；（4）索末菲对玻耳理论的发展；（5）量子力学对半经典理论的修正；（6）原子能级的简并度。

晶体中的电子状态：

（1）电子共有化运动；（2）电子共有化运动使能级分裂为能带。

半导体硅、锗晶体的能带：

（1）硅、锗原子的电子结构；（2）硅、锗晶体能带的形成；（3）半导体（硅、锗）的能带特点

2.3.2 课程重点

（1）氢原子能级公式，氢原子第一玻耳轨道半径，这两个公式还可用于类氢原子。（今后用到）

（2）量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方。电子的状态可用四个量子数表示。

（3）晶体形成能带的原因是由于电子共有化运动。

（4）半导体（硅、锗）能带的特点：

①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带。

②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。

③导带与价带间的能隙（Energy gap）称为禁带（forbidden band），禁带宽度取决于晶体种类、晶体结构及温度。

④当原子数很大时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续。

课程难点：原子能级的简并度为（2l+1），若记入自旋，简并度为2（2l+1）；注意一点，原子是不能简并的。

基本概念：电子共有化运动是指原子组成晶体后，由于原子壳层的交叠，电子不再局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到另一个原子上去。因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。但须注意，因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层中转移。

基本要求：掌握氢原子能级公式和氢原子轨道半径公式；掌握能带形成的原因及电子共有化运动的特点；掌握硅、锗能带的特点。

思考题：（1）原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同，原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。（2）晶体体积的大小对能级和能带有什么影响。

2.4 以学生为主体组织课堂教学

在每次上课的前一周，我们将下周要学习的内容的导学案印发给学生，人手一份，让学生按照导学案的要求先在课余时间提前预习，对一些基本概念要有初步的理解，对该课内容要形成基本的认识。比如，我们在学习“半导体中的电子状态”这一内容时，要求学生通过预习要清楚：孤立原子中的电子所处的状态是怎样的；晶体中的原子状态又是怎样的；半导体硅、锗的能带有何特点。在课堂教学中我们的教学组织程序是一问、二讨论、三讲解、四总结。一问，是指通过提问，抽取个别同学回答问题，了解学生的自主学习情况。二讨论是指让同学们就教师提出的问题开展自主深入的讨论。例如就晶体中电子的状态这一问题，让学生讨论什么是共有化运动；电子的共有化远动是如何产生的；电子的共有化运动有何特征；电子的共有化运动如何使能级分裂为能带。让学生畅所欲言，充分发表自己的意见，教师认真聆听，发现学生的错误认识，为下一步的讲解做好准备。三讲解是指就三个方面的知识进行讲解，其一是就学生讨论过程中的错误认识和错误观点及时的纠正；其二是对学生不具备的理论知识进行补充讲解，例如学生不具备量子力学基础，就要给学生补充讲解量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方，电子的状态可用四个量子数表示；其三是就难点进行讲解，比如原子能级的简并度，学生理解起来较为困难，就需要教师深入细致地讲解；四总结就是归纳本堂课要掌握的重点知识，那些基本概念必须掌握，那些基本公式必须会应用。

3 “学案导学”教学模式在半导体物理课程教学中有效性的评价

在乐山师范学院材料科学工程专业（光伏方向）的2011级、2012级三个班半导体物理学的教学中，采用“学案导学”教学模式，取得了良好的教学效果。这体现在以下三个方面：一，学生养成了在课前自主学习的良好习惯，在课堂上积极参与讨论，活跃了思维，激发了学生的学习热情；二，学生带着问题上课，澄清了很多模糊的认识，极大地提高了学习效率；三，从考试成绩看，优秀率和合格率大幅度提高，表明学生对半导体物理学的基本理论、对半导体材料的基本特性、对半导体材料参数的测试方法均有较好的掌握。这说明学案导学教学模式在半导体物理学的教学中是成功的。

参考文献

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[2] 江锡顺.提高应用型本科院校半导体物理教学质量的方法研究[J].滁州学院学，2011，13（5）.

半导体论文篇11

中图分类号：TM925 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0020-03

半导体冰箱至今未能在更广泛的领域中应用就是因为它较低的能量转化效率，将白白耗费较多的能量。根据我们项目小组的调查，目前市面上的半导体冰箱基本采用强制风冷散热的散热方式，但这种散热效果并不好，一定程度上导致了半导体冰箱制冷效率过低，最低温度过高，箱内温度只能降到低于环境温度10℃～15℃，这并不能真正满足大众的需求。本课题的研究目的就是提高半导体冰箱的制冷效率，研究方案主要是利用冷凝管对半导体冰箱散热方式进行改进，并对其整体结构进行了初步设计、半导体选择和功率计算等，最终实现对半导体冰箱制冷效率的提高。本文将对我们的研究展开论述与分析。

1 散热系统的设计

（1）工质选择：实验测得热管两端温度分别为35℃和30℃，根据公式Tv=（T1+nT2）/（1+n）（其中T1为热源温度，T2为冷源温度）可得工作温度为Tv=（35+4×30）/

5=31（其中n值取4）。通过查表可知氨的适合工作温度为-40℃～60℃，故我们选择氨作为热管工质。

（2）热管内径的确定：

一般情况下，热管的沸腾极限远远大于携带极限，因此，沸腾极限不会成为限制热管传热的控制因素。

综合分析，最终确定每根热管关键参数如表1：

2 理论分析

2.1 保温箱

Pin恒定。忽略降温过程冰箱内部气体压强变化，取：

Pin=1.013×105Pa

考虑到冰箱中摆放的物品在两种散热方式下只改变比热容，故假设冰箱中未放物品，取工作温度t=273K和t=298K下的平均比定压热容。

2.2 半导体制冷片

假设半导体片各处制冷功率相同，并正常工作。

2.3 散热器

近似取300K条件下铝片的导热系数，并假设铝片上各点的温度相同。

由于有风扇作用，假设散热器与外温温度T0的空气直接换热。

2.4 模拟计算

设冰箱内部的温度函数为T（t）。

理论结果分析：由图像可知，两种散热方式下冰箱的最低温分别为0℃和-5℃，由此可计算出正常工作时箱体实际漏热率分别为Q铝片=3.87W和Q热管=4.65W，故冰箱的制冷效率分别为COP铝片=7.74%和COP热管=9.29%，因此理论上冰箱效率提高了?COP=1.55%。

3 实验方案设计

在测定半导体制冷冰箱效率时，我们进行了两个部分的实验测试。

实验一：热管散热与散热片散热性能的定性对比。

实验过程中共使用两个温度传感器：

第一个温度传感器的一端放在半导体制冷片的冷端表面，并加以固定，以测定冷端温度。

第二个传感器放在热管散热器的翅片部分，并加以固定，以测定散热器温度。

首先，我们测定热管的散热性能。先测定室内温度，接好电源及实验设备。接通半导体制冷片。其次，测定普通铝片散热性能。先测定室内温度，接好电源及实验设备。接通半导体制冷片，记录冷热端温度。

综合以上数据，我们用绘图软件做出了热管和铝片条件下的温度变化图像，如图2所示：

实验结论：在相同条件下，热管散热效率高于铝片散热效率。

实际条件下的热管效率对比实验：

我们选用现有的铝片风冷散热半导体冰箱作为对比参照，用无线温度传感器测定在室温条件下铝片风冷散热半导体冰箱内部的温度。

在冰箱的中层放入无线温度传感器，接通冰箱电源，调至制冷档，每隔0.5min记录一次数据，得到120min的温度变化数据。

将相同冰箱的铝片拆下，换成相同大小的热管翅片散热系统，在相同的室温下重复上一步骤实验操作，得出120min热管散热的半导体冰箱制冷温度数据。

对比两组数据，使用制图软件制作出两次条件下的温度曲线如图3所示：

实验结果分析：由图像可知，相同实验条件下，两种散热方式下冰箱的最低温分别为7℃和3℃，由此可计算出正常工作时箱体实际漏热率分别为Q铝片=2.01W和Q热管=

2.63W，故冰箱的制冷效率分别为COP铝片=4.02%和COP热管=

5.26%，因此冰箱效率实际上提高了?COP=1.14%。对比理论结果，铝片和热管两种散热方式下冰箱达到最低温度都应该在50min左右，最低温度分别是0℃和-5℃。虽然实际实验并没有达到这种效果，但是实际提高的效率?COP却很接近，经过误差分析，实验结果在误差允许范围内。造成误差的原因主要有理论分析时做了一些合理假设和环境条件变化，实验材料实际上没有达到理想的性能。不过，这种误差并不影响我们的实验结论。在外界环境近似相同的情况下，采用相同的制冷片、制冷功率，保温设施进行实验，尽可能排除无关变量影响。从图像中可以看出，在将散热方式由铝片散热改为热管散热之后，冰箱的制冷速率和制冷能力均得到明显提升。对图像部分区域进行数据拟合可知，在10min之内，两种散热方式并无明显差距；但在10～20min之间，采用热管制冷可以将制冷效率提高一倍以上；对于稳定温度，热管制冷比普遍采用的铝片制冷在相同条件下低大约3℃，从而从一定程度上改善了半导体冰箱制冷能力方面的缺陷，大大增强半导体制冷冰箱的实

用性。

实验结论：在实际情况下，使用热管制冷的半导体冰箱制冷效率大于使用铝片制冷的半导体冰箱。

4 结语

本文采用了理论计算与实际实验相结合的方式，完成了基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究。其中创新性地采用了用热管散热代替散热片散热，解决了目前市面上车载半导体冰箱的难题。在设计过程中所进行的两种散热方式对比实验以及设计完成后进行的冰箱模型对比试验有说服力地证明了以我们创意方式制造的冰箱的散热和制冷效果将优于市面上的同类冰箱。该种类型产品投放市场后，必将受到大部分车市和消费者的青睐，为企业创造可观经济收益，并很好地符合了国家对于创新产品节能高效的期望，有利于受到政策的正影响。与此同时，这次对于车载冰箱制冷效率提高的研究，有利于打开研究者的眼界思路，对于日后同类研究具有很高的借鉴及参考价值。

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半导体论文篇12

中图分类号：G42 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）07-0123-02

近几年来，随着半导体电子产业和光学专业的快速发展，半导体光电正逐渐成为一门新兴的学科。半导体光电技术是集现代半导体技术、电子学技术和光学信息处理技术等学科于一体的综合性学科，要求学生具有扎实的半导体物理、光电子、数学和计算机等基础知识。该学科作为光、机、电、算、材一体的交叉学科，专科课程较多，涉及知识面较广，有其自身的课程特点：既要讲授半导体相关的专业知识，又要补充光电专业的知识，还要加强数理基础理论教学；既要围绕半导体光电专业核心，又要涉足其他专业领域；既要重视教学方法，提高教学质量，又要加强前沿知识的学习和科研，不断更新知识体系，将最新的行业信息灌输给学生。同时，随着近年来固态半导体LED照明技术、半导体激光、太阳能光伏和半导体探测器等高新行业的蓬勃发展，需要大量的具有创新研究能力的技术人才来从事半导体光电材料、器件以及系统的研究和开发。这就需要高校培养具有动手能力强，基础知识扎实，综合分析能力优秀的研究型人才。但是目前高校半导体光电学科的教学普遍停留在理论层面，缺乏实践性内容的提升。因而作为一门实用性很强的专业，应着重加强理论与实践相结合的全面教学，逐步开展研究性课程的教学探索，打破传统的教学理念，以形成学生在课程学习中主动思考探索并重视创新叉研究的积极教学模式，为半导体光电学科建立一个全新的培养方式。

一、理论教学中创设前沿性课题，引导学生进行探究性学习

在传统的教学模式中，专业课程的讲授主要依靠讲解概念、分析原理、推导公式、得出结论。而学生就是按部就班地记笔记、做习题、应付考试。课堂教学效果完全取决于教师的教学经验，最终学生所接受的知识也仅仅停留在课本的层面，这完全达不到迅猛发展的高新的半导体光电学科的培养要求。这就需要教师打破传统的教学理念，开展研究性的教学方式。研究性教学是以学生的探究性学习为基础，教师提出一些创新性的问题，以及与专业相关的一些前沿性科技专题报道，学生在创新性的问题中，借助课本提供的基础理论和教师提供的相关资料，借鉴科学研究的方法，或独立探索、或协作讨论，通过探究学习、合作学习、自主学习等方式最终找到解决问题的方案，甚至提出更具有创新性的思路。因此，在教学过程中，我们应尝试减少课堂讲授时间、增加课堂讨论时间，有意识地提出一些较深层次的问题：如提高太阳能电池的光电转换效率的方法、新型的半导体材料制作光电器件的优异性等，有针对性地组织专题讨论。考核方式以课程设计或者专题论文的形式进行，以培养学生的思考和创新研究能力。此外，要重视阶段性总结和检查工作，培养学生综合素质和能力。教师在注重教学方式改进的同时，也要重视学生学习效果的阶段性检查和总结。传统的课堂教学是以作业为考察标准，这种考察的弊端是给学生提供了抄袭作业的机会，学习效果不佳。因此应考虑采取多元化的检查方式，增加检查手段。可以让学生将多媒体课件与教材和参考书相结合，根据教师在课堂教学中指出的难点和重点，单独总结出学习笔记，并进行定期检查。

二、建立半导体专业与光电专业协同的教学环境

半导体光电从理论上来讲是研究半导体中光子与电子的相互作用、光能与电能相互转换的一门科学，涉及量子力学、固体物理、半导体物理等一些基础学科；从实践层面来讲，也关联着半导体光电材料、光电探测器、异质结光电器件及其相关系统的研究。因此，在理论上应鼓励教师根据教学情况，编写有针对性的，并且包含基础物理学、半导体电子学、光学和系统设计等具有交叉性理论的教材和讲义，提升学生在半导体光电交叉领域的理论基础。同时需要组织和调动各层次教师，建设教学研究中心。结合老教师的经验和青年教师的创意，共同进行教学改革探索。另外，实现半导体光电学科的教学探索，不仅需要专业教师改进和完善课堂教学措施，提升教学水平和质量，同时也需要专业的半导体光电材料生长、器件制备和检测设备，以及专业设计软件供教学和科研使用。该学科的性质决定了教学的内容不能仅仅局限于理论方面，还需要实验方面的补充和实践，从而可以从软件和硬件双方面实现协同的教学环境。在具体的操作过程中，以光谱分析为例，传统的光谱分析光源采用的是一些气体激光器，我们可以在教学中利用新型的半导体固体激光器来替代传统的气体激光器，将半导体光电器件和光学系统有机结合起来，提供两者协同的新型设备。指导学生在实验中分析新型的光谱系统和传统系统的优劣性，以及如何在现有的基础上改进系统，提高系统的使用性能，在教学中锻炼学生的协同学科的技能性训练。进一步可以引入显微镜成像技术，采用简易的一些光学元器件，在实验室内让学生动手搭建显微成像设备，锻炼学生对光学系统的整体认知能力，并且可以提升传统设备的应用范围。这一系列交叉协同教学实验的建立有利于打破教学和研究的界限，打破学科的界限，突出半导体光电学科的交叉性特点，促进学生知识的全面性掌握，为研究型的教学模式开辟新的途径。

三、建立前沿性半导体光电专业实验教学平台

半导体光电涉及的领域很广泛，单纯的理论教学不能满足学生对于高新的工程应用的直观认识，许多设备和器件只阐述其工作原理，概念比较抽象，学生不易理解。因而需要重视研究型实践教学。在条件允许的情况的，将半导体材料生长和器件制造设备引入课堂，让学生深刻掌握器件的制造流程。同时可以引入先进的光电检测设备，让学生开展一些器件的检测实验，在实验过程中熟悉器件和光电系统的工作原理，可以起到事半功倍的作用。同时还可以让学生在实践中不断思考和探索一些前瞻性的科学研究问题。以半导体LED光电器件为例：由于LED材料和器件制造设备较为精密、价格昂贵、不易获取。在理论课程后，可以引用适当的LED材料生长设备MOCVD的一些生长过程的实物图片和视频，以及半导体器件制备的薄膜沉积、光刻制作和刻蚀工艺的流程图和视频，让学生尽可能地将抽象的理论与具体实践联系起来。此外，购置现成的LED器件和光电检测设备，利用光电测试设备对LED器件开展一些电学和光学性能的检测，在测试过程中让学生对LED光电转换基本原理和不同测试条件对器件光电性能影响的物理机制开展探索性研究。对于阻碍LED发展的一些前沿性难题进行深刻的思考和分析，提出合理的改进和解决方案。基于学科的科研实验条件，我们还可以提出项目教学法，把教学内容通过“实践项目”的形式进行教学，为了能够一个半导体和光电专业相协同的实验平台，可以设置一个系统的实验项目包含多门课程的知识。项目教学是在教师的指导下，将相对独立的教学内容相关的项目交由学生自己处理。信息的收集，方案的设计，项目实施及最终评价报告，都由学生负责完成，学生通过该项目的进行，了解并把握实验制造和检测得整个过程及每一个环节的基本要求，教师在整个过程中主要起引导作用。以此来培养学生的实践性、研究性学习能力，让学生扮演项目研究者的角色，在研究项目情景的刺激下及教师的指导下主动开展探究活动，并在探究过程中掌握知识和学习分析问题、解决问题的方法，从而达到提高分析问题、解决问题能力的目的。这样才具备一门前沿性的学科所应该达到的理想效果。

四、建立专业校企合作基地

半导体光电专业需结合地域经济发展特点，建立专业的校企合作基地。校企合作是高校培养高素质技能型人才的重要模式，是实现高校培养目标的基本途径。以江南大学为例，可以依据无锡当地工业的发展中心，与半导体光电类企业，如无锡尚德太阳能股份有限公司、江苏新广联LED器件制造企业、LED照明企业实益达、万润光子等公司进行深入合作，建立企业实训创新基地及本科生、研究生工作站。定期组织学生去企业进行参观，了解半导体光电类产品的产线制造过程。还可以安排有兴趣的学生在学有余力的同时进入企业进行实习，使学生能够将课堂的理论知识应用到实际的应用生产中，并且可以利用理论知识来解决实际生产中所遇到的一些问题。以实际产线的需求分析为基础，结合理论教学的要求，建立以工作体系为基础的课程内容体系；实施综合化、一体化的课程内容，构建以合作为主题的新型课堂模式，做到教室、实验室和生产车间三者结合的教学场所。最终积累一定的合作经验后，校企可以合作开发教材，聘请行业专家和学校专业教师针对课程的特点，结合课堂基础和生产实践的要求，结合学生在相关企业实训实习的进展，编写出符合高校教学和企业生产需求的新型校企双用教材。

综上所述，要开展研究型半导体光电类课程的教学探索，首先要突破传统的理论教学模式，根据课堂教学需求，改善课堂教学措施，形成有创意、有个性化的课堂特色，旨在培养学生的创新思维能力。