半导体材料设计范文

前言：我们精心挑选了数篇优质半导体材料设计文章，供您阅读参考。期待这些文章能为您带来启发，助您在写作的道路上更上一层楼。

第1篇

关键词：半导体，超晶格，集成电路，电子器件

 

1.半导体材料的概念与特性

当今，以半导体材料为芯片的各种产品普遍进入人们的生活，如电视机，电子计算机，电子表，半导体收音机等都已经成为我们日常所不可缺少的家用电器。半导体材料为什么在今天拥有如此巨大的作用，这需要我们从了解半导体材料的概念和特性开始。

半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质，在某些情形下具有导体的性质。半导体材料广泛的应用源于它们独特的性质。首先，一般的半导体材料的电导率随温度的升高迅速增大，各种热敏电阻的开发就是利用了这个特性；其次，杂质参入对半导体的性质起着决定性的作用，它们可使半导体的特性多样化，使得PN结形成，进而制作出各种二极管和三极管；再次，半导体的电学性质会因光照引起变化，光敏电阻随之诞生；一些半导体具有较强的温差效应，可以利用它制作半导体制冷器等；半导体基片可以实现元器件集中制作在一个芯片上，于是产生了各种规模的集成电路。这种种特性使得半导体获得各种各样的用途，在科技的发展和人们的生活中都起到十分重要的作用。

2.半导体材料的发展历程

半导体材料从发现到发展，从使用到创新，也拥有着一段长久的历史。在20世纪初期，就曾出现过点接触矿石检波器。1930年，氧化亚铜整流器制造成功并得到广泛应用，使半导体材料开始受到重视。1947年锗点接触三极管制成，成为半导体的研究得到重大突破。50年代末，薄膜生长技术的开发和集成电路的发明，使得微电子技术得到进一步发展。60年代，砷化镓材料制成半导体激光器，固溶体半导体材料在红外线方面的研究发展，半导体材料的应用得到扩展。1969年超晶格概念的提出和超晶格量子阱的研究成功，使得半导体器件的设计与制造从“杂志工程”发展到“能带工程”，将半导体材料的研究和应用推向了一个新的领域。90年代以来随着移动通信技术的飞速发展，砷化镓和磷化铟等半导体材料得成为焦点，用于制作高速、高频、大功率及发光电子器件等；近些年，新型半导体材料的研究得到突破，以氮化镓为代表的先进半导体材料开始体现出其超强优越性，被称为IT产业新的发动机。

3.各类半导体材料的介绍与应用

半导体材料多种多样，要对其进一步的学习，我们需要从不同的类别来认识和探究。通常半导体材料分为：元素半导体、化合物半导体、固溶体半导体、非晶半导体、有机半导体、超晶格半导体材料。不同的半导体材料拥有着独自的特点，在它们适用的领域都起到重要的作用。

3.1元素半导体材料

元素半导体材料是指由单一元素构成的具有半导体性质的材料，分布于元素周期表三至五族元素之中，以硅和锗为典型。硅在在地壳中的含量较为丰富，约占25%，仅次于氧气。硅在当前的应用相当广泛，它不仅是半导体集成电路、半导体器件和硅太阳能电池的基础材料，而且用半导体制作的电子器件和产品已经大范围的进入到人们的生活，人们的家用电器中所用到的电子器件80%以上元件都离不开硅材料。锗是稀有元素，地壳中的含量较少，由于锗的特有性质，使得它的应用主要集中于制作各种二极管，三极管等。而以锗制作的其他器件如探测器，也具备着许多的优点，广泛的应用于多个领域。

3.2化合物半导体材料

通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构的半导体性质。化合物半导体材料种类繁多，按元素在元素周期表族来分类，分为三五族（如砷化镓、磷化铟等），二六族（如硒化锌），四四族（如碳化硅）等。如今化合物半导体材料已经在太阳能电池、光电器件、超高速器件、微波等领域占据重要的位置，且不同种类具有不同的性质，也得到不同的应用。。

3.3固溶体半导体材料

固溶体半导体材料是某些元素半导体或者化合物半导体相互溶解而形成的一种具有半导体性质的固态溶液材料，又称为混晶体半导体或者合金半导体。随着每种成分在固溶体中所占百分比（X值）在一定范围内连续地改变，固溶体半导体材料的各种性质（尤其是禁带宽度）将会连续地改变，但这种变化不会引起原来半导体材料的晶格发生变化.利用固溶体半导体这种特性可以得到多种性能的材料。

3.4非晶半导体材料

非晶半导体材料是具有半导体特性的非晶体组成的材料，如α-硅、α-锗、α-砷化镓、α-硫化砷、α-硒等。。这类材料，原子排列短程有序，长程无序，又称无定形半导体，部分称作玻璃半导体。非晶半导体按键合力的性质分为共价键非晶半导体和离子键非晶半导体两类，可用液相快冷方法和真空蒸发或溅射的方法制备。在工业上，非晶半导体材料主要用于制备像传感器、太阳能电池薄膜晶体管等非晶半导体器件。

3.5有机半导体材料

有机半导体是导电能力介于金属和绝缘体之间，具有热激活电导率且电导率在10-10～100S·cm的负一次方范围内的有机物，如萘蒽、聚丙烯和聚二乙烯苯以及碱金属和蒽的络合物等.其中聚丙烯腈等有机高分子半导体又称塑料半导体。有机半导体可分为有机物、聚合物和给体-受体络合物三类。相比于硅电子产品，有机半导体芯片等产品的生产能力较差，但是拥有加工处理更方便、结实耐用、成本低廉的独特优点。目前，有机半导体材料及器件已广泛应用于手机，笔记本电脑，数码相机，有机太阳能电池等方面。

3.6超晶格微结构半导体材料

超晶格微结构半导体材料是指按所需特性设计的能带结构，用分子束外延或金属有机化学气相沉积等超薄层生产技术制造出来的具有各种特异性能的超薄膜多层结构材料。由于载流子在超晶格微结构半导体中的特殊运动，使得其出现许多新的物理特性并以此开发了新一代半导体技术。。当前，对超晶格微结构半导体材料的研究和应用依然在研究之中，它的发展将不断推动许多领域的提高和进步。

4.半导体材料的发展方向

随着信息技术的快速发展和各种电子器件、产品等要求不断的提高，半导体材料在未来的发展中依然起着重要的作用。在经过以Si、GaAs为代表的第一代、第二代半导体材料发展历程后，第三代半导体材料的成为了当前的研究热点。我们应当在兼顾第一代和第二代半导体发展的同时，加速发展第三代半导体材料。目前的半导体材料整体朝着高完整性、高均匀性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向迈进。随着微电子时代向光电子时代逐渐过渡，我们需要进一步提高半导体技术和产业的研究，开创出半导体材料的新领域。相信不久的将来，通过各种半导体材料的不断探究和应用，我们的科技、产品、生活等方面定能得到巨大的提高和发展！

参考文献

[1]沈能珏,孙同年,余声明,张臣.现代电子材料技术.信息装备的基石[M].北京：国防工业出版社,2002.

[2]靳晓宇.半导体材料的应用与发展研究[J].大众商务,2009,(102).

[3]彭杰.浅析几种半导体材料的应用与发展[J].硅谷, 2008,(10).

[4]半导体技术天地.2ic.cn/html/bbs.html.

第2篇

【关键词】半导体材料；发展；现状

半导体材料这一概念第一次被提出是在二十世纪，被维斯和他的伙伴考尼白格首次提及并使用，半导体材料从那时起便不断的进步发展，伴随着现代化的生活方式对一些数字产品的应用需求，社会对半导体材料推出了更高的要求，这使得半导体材料得到了飞跃性的发展【1】。本篇论文就半导体材料的概念性理解，半导体材料的历史性发展，新一代半导体材料的举例以及发展应用现状等方面展开了基本论述，谈论我国在半导体材料这一领域的应用与发展的实际情形。

1.对半导体材料的概念性理解

对半导体材料的理解不能脱离当今二十一世纪这个有着高需求和高速度特点的时代，这个时代同时也是崇尚环保观念，倡导能源节约的时代，因此新的信息时代下半导体的发展要脱离以往传统的发展模式，向新的目标迈进。

首先，我们要了解什么是半导体材料，这将为接下来的论述打下概念性的基础。众所周知，气体，液体，固体等状态都可称之为物质的存在状态，还有一些绝缘体，绝缘体是指导热性或者导电性较差的物质，比如陶瓷和琥珀，通常把F，银，金，铜等导热性和导电性较好的一类物质成为导体，所以顾名思义，半导体既不属于绝缘体，也不属于导体，它是介于导体和绝缘体性质之间的一种物质【2】。半导体没有导体和绝缘体发现的时间早，大约在二十世纪三十年代左右才被发现，这也是由于技术原因，因为鉴定物质的导热性和导电性的技术到了一定的时期才得到发展，而且对半导体材料的鉴定需要利用到提纯技术，因此，当对物质材料的提纯技术得到升级到一定水平之后，半导体的存在才真正意义上在学术界和社会上被认可。

2.半导体材料的历史发展及早期应用

对半导体材料的现代化研究离不开对这一材料领域的历史性探究，只有知道半导体材料是怎样，如何从什么样的情形下发展至今的，才能对当今现代半导体材料形成完整的认识体系。对半导体材料的接触雏形是先认识到了半导体材料的四个特性。论文接下来将会具体介绍，并对半导体材料早期应用做出详细解释。

2.1半导体材料发现之初的特性

半导体材料第一个被发现的特性，在一般的情况之下，金属材料的电阻都是随着温度的升高而增加的，但是巴拉迪，这位英国的科学研究学者发现硫化银这一物质的电阻随着温度的升高出现了降低的情况，这就是对半导体材料特性的首次探索，也是第一个特性。

半导体材料的第二个特性是由贝克莱尔，一位伟大的法国科学技术研究者发现的，他发现电解质和半导体接触之后形成的结会在施加光照条件之下产生一个电压，这是后来人们熟知的光生伏特效应的前身，也是半导体材料最初被发现的第二个特性。

半导体材料的第三个特性是由德国的科学研究学者布劳恩发现的，他发现一些硫化物的电导和所加电场的方向有着紧密的联系，也就是说某些硫化物的导电是有方向性的，如果在两端同时施加正向的电压，就能够互相导通，如果极性倒置就不能实现这一过程，这也就是我们现在知道的整流效应，也是半导体材料的第三个特性。

半导体材料的第四个特性是由英国的史密斯提出的，硒晶体材料在光照环境下电导会增加，这被称作光电导效应，也是半导体材料在早期被发现的第四个特性【3】。

2.2半导体材料在早期的应用情况

半导体材料在早期被应用在一些检测性质的设备上，比如由于半导体材料的整流效应，半导体材料被应用在检波器领域。除此之外，大家熟知的光伏电池也应用了早期的半导体材料，还有一些红外探测仪器，总之，早期被发现的半导体材料的四个重要的特性都被应用在了社会中的各个领域，半导体材料得到初步的发展。

直到晶体管的发明，使得半导体材料在应用领域被提升到一个新的高度，不再仅仅是应用在简单的检测性质的设备中或者是电池上，晶体管的发明引起了电子工业革命，在当今来看，晶体管的发明并不仅仅只是带来了这一电子革命，最大的贡献在于它改变着我们的生活方式，细数我们现在使用的各种电器产品，都是有晶体管参与的。因此晶体管的发明在半导体材料的早期应用发展上有着举足轻重的位置，同时也为今后半导体材料的深入发展做足了准备，具有里程碑式的意义与贡献【4】。

3.现代半导体材料的发展情况

以上论文简单的介绍了半导体材料以及其早期的发现与应用，接下来就要具体探讨第三代半导体材料这一新时代背景下的产物。第三代半导体材料是在第一和第二代半导体材料的发展基础之上衍生出的更加适应时代要求和社会需要的微电子技术产物。本篇论文接下来将介绍我国半导体材料领域的发展情况，并介绍一些新型的半导体材料的应用与发展情况。

3.1我国半导体材料领域的发展情形

半导体材料的发展属于微电子行业，针对我国的国情和社会现状，我国微电子行业的发展不能急于求成，这将会是一个很复杂的过程，也必定是一个长期性的工程。从现在半导体材料发展的情况来看，想要使半导体材料更加满足受众的需求，关键要在技术层面上寻求突破。我国大陆目前拥有的有关半导体材料的技术，比如IC技术还只能达到0.5微米，6英寸的程度，相较于国际上的先进水平还有较大的差距。

虽然我国目前在半导体材料领域的发展水平与国际先进水平存在着较大的差距，但是这也同时意味着我国在半导体材料领域有着更大的发展空间和更好的前景，而且当今不论是国内环境还是国际环境，又或者是政治环境影响下的我国的综合性发展方面而言，对中国微电子行业半导体领域的发展还是十分有利的，相信我国在半导体材料这一领域一定会在未来有长足的发展。

3.2新型半导体材料的发展介绍

前文提到，第三代半导体材料如今已经成为半导体材料领域的主要发展潮流，论文接下来将会选取几种关键的三代半导体材料展开论述。

第一种是碳化硅材料。它属于一种硅基化合物半导体材料，这一类材料的优越性体现在其较其他种类半导体材料有着更强的热导性能。因此被应用在广泛的领域，比如军工领域，，也会被应用在太阳能电池，卫星通信等领域。

第二种是氧化锌材料。氧化锌材料被广泛的应用到了传感器和光学材料领域中，这是因为它具备一些关键性的特性，集成度高，灵敏度高，响应速度快等，这些特征恰恰是传感等应用范围广泛的领域中所看中的关键点，不仅如此，氧化锌半导体材料不仅性能好，而且这类材料的原料丰富，所以价格低廉，还具有较好的环保性能【5】。

4.结语

近年来，半导体照明产业得到了飞跃式的发展，被越来越广泛的应用到人们的日常生活中，而支撑这一产业的核心材料正是以碳化硅等半导体材料为主的某些微电子材料，半导体材料利用下的各项技术已经在全球范围内占领者新的战略高地。我国半导体材料领域虽然起步晚，发展水平较国际水平有差距，但是前景光明，尤其是第三代半导体材料的出现和应用，在人们的生活中有着更加广泛和有建设性的应用，改变着人们的生活方式，不断推动着半导体材料的发展。

参考文献：

[1]甘倩.浅谈LED路灯在城市道路照明中的应用[J].建筑工程技术与设计，2014，（12）：477-477.

[2]黄裕贤.浅谈157nm激光微加工工艺及自动化编程[J].科学与财富，2015，（7）：560-560.

[3]胡凤霞.浅谈半导体材料的性能与应用前景[J].新教育时代电子杂志（教师版），2016，（13）：267.

第3篇

关键词：半导体材料；教学内容；教学方法；实践教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）10-0085-02

材料是人类文明的里程碑，其中半导体材料更是现代高科技的基础材料。近年来，半导体材料在国民经济和前沿科学研究中扮演越来越重要的角色，引起了社会的广泛关注。半导体材料作为材料科学与工程专业的核心专业课，主要是通过研究学习Si、Ge、砷化镓等为代表的半导体材料的性质、功能，内容涉及晶体生长、化学提纯、区熔提纯等半导体材料的生长制备方法及半导体材料的结构、缺陷和性能的分析和控制原理。随着现代科技的飞速发展，该学科也更新换代加快，形成了一些新的理论和概念。为了进一步提高对半导体材料课程的教学质量，我们借鉴国内外大学先进的教学理念，对该课程存在的问题进行了总结，并提出了新的教学改革。

一、课程存在的问题

在半导体材料课程的教学实践过程中，存在诸多的问题，例如该课程教材包含的内容非常宽泛，理论强且概念多而抽象；部分内容与其他课程的重复性相对较高，使得学生缺乏学习兴趣；更主要的是教材内容大多注重理论，而忽视了实践的重要性，缺少对前沿科学知识的相关介绍。此外，目前传统的课堂教学方法主要是简单的教师讲述或者板书课件的展示形式，学生被动地接受知识，部分学生只能通过死记硬背的方式来记住教师所传授的基础理论知识，长此以往，只会加重学生对该课程的厌学情绪。此等只会与因材施教背道而驰，扼杀学生的个性和学习的自主性，不利于培养创造新型科学性专业型人才。

二、课程改革的必要性

《半导体材料》课程以介绍半导体材料领域的基础理论为目的，从常见半导体的性质，揭示不同半导体材料性能和制备工艺之间的关系，全面阐述各半导体材料的共性基础知识与其各自适应用于的领域。在当今信息时代科技的飞速发展中，只有结合理论和实践才能发挥半导体的最大效用，才能更有效地掌握其深度和广度，这些对后续课程的实施也有着一定的影响。作为材料科学与工程专业的重要专业课程之一，除了让学生学习理论知识，更重要的是培养学生的科学实践能力和职业技能，以适应当今社会的发展。针对以上存在的问题，半导体材料的教学改革迫在眉睫。由此才可以改变学生的学习现状，调动和提高学生的学习兴趣，提高教学质量，使得我们所学知识真正为我们所用。

三、教学内容的改革

1.内容的改革。对传统的半导体材料教学内容的改革，从根本上来看最重要的是引入前沿知识，实现内容的创新，并且使得理论联系实际。下图是目前我校的半导体材料的基本内容，如下：

目前我校的半导体材料课程内容主要由以上几个部分组成，其中A、B两部分的内容为重要部分，整个学期都在学习；而C部分相对来说比较次要，在学习过程中大概讲述一至两种半导体材料，剩下的部分属于自学部分，也不在考试范围内；至于专业课的实验，也相对较少且没有代表性。该课程是在大三上学期开设的，对于处于这个阶段的学生来说，面临这考研或就业的选择与准备过程中。所以作为一门专业课，除了注重半导体材料的特性、制备和应用方面的知识外，更重要的是半导体材料的应用领域和研究现状相结合，增加其实用性，不管对考研，还是就业的同学来说，都有一定的帮助。对于改革后的教学内容，除了增加对图1中C部分的重视度，其次，应增加各模块：目前半导体材料的热点应用领域及研究现状。还有图1中的A、B部分可适当地减少，因为在其他的专业课程都有学习过，对于重复的知识巩固即可，没必要再重点重复学习。对于实验课，相对于实验室来说，能够操作的实验往往没有多大的挑战性，有条件的话能够进入相关企业观摩，身临其境的感受有意义得多。

在实际的课程教学过程中，除了学习常见半导体材料的发展历史和研究方法外，介绍一些新型的半导体材料及其应用领域，例如半导体纳米材料、光电材料、热电材料、石墨烯、太阳能电池材料等，使学生能够区分不同半导体各自的优缺点；除了介绍晶体生长、晶体缺陷类型的判定及控制的理论知识外，介绍几种生产和科研中常见的材料检测方法，如X射线衍射、扫描电子显微镜、红外光谱仪、荧光光谱等。此外，还可以介绍当前国内外的半导体行业的现状和科技前沿知识，让学生清楚半导体行业存在的一些问题需要他们去完成，以激发学生的使命感和责任感。在讲授各种外延生长的设备和原理时，应介绍一些相关的科学研究工作，如真空镀膜、磁控溅射等。另外，可以以专题的形式，介绍一些前沿内容，如半导体纳米材料、石墨烯方面的研究进展和应用前景等，拓宽学生的知识面，以激发学生的研究兴趣和培养创新意识。

2.教材参考书的选择。《半导体材料》课程内容较多，不同的教材的侧重点不一样，所以仅仅学习教材上的内容往往不够，所以根据课程的改革要求和《半导体材料》课程自身的特点，需要与本课程密切相关的、配套齐全的参考教程，例如半导体器件物理（第二版）、微电子器件与IC设计基础（第二版）、半导体器件原理等。

四、教学方法的改革

由于传统的教学观念的影响，半导体材料课程的仍是以板书课件为主的传统的教学方法。这种单一枯燥的教学方式忽视了学生的学习兴趣和学习的主观能动性，极大地阻碍了对学生创新能力的培养。此外，该课程的考核方式单一，以期末考试为主，一定程度使学生养成了为考试而学的心态，对所学知识死记硬背，没有做到真正的融会贯通、学以致用的目的。大部分学生以修学分为目的，期末考试后对所学知识所知无几，学一门丢一门的心态，严重影响了教学效果，更重要的对学生今后的研究和工作没有任何的帮助。可见，对这种灌输知识的教学方式和考核机制的改革迫在眉睫。在教学过程中采用小组式讨论，网络教学平台，专题式讲解，实验教学等多种教学方式，将有益于改善教学效果。

1.小组讨论式教学。为了充分发扬学生的个性特点和体现教学的人性化，使得学生真正成为主体，必须提供新颖、易于讨论的课程环境，从而培养学生自主创新的意识和能力。小组讨论式教学模式就很好地体现了这一点，在小组讨论中，可以使学生发表自己所思所想，相互学习，集思广益，取长补短。教师在教学过程中应鼓励学生质疑的精神，使其敢于突破传统，思维独到，鼓励学生在错误中积累宝贵经验；给予学生正能量，引起学生的学习热情和兴趣，营造轻松、积极的课堂环境。

2.网络教学平台。在多媒体盛行的时代，开放式、多媒体式教学方式备受关注，即建设一个融入教师教和学生学为一体的、便于师生互动的网络教学平台。在网络教学平台上可以提供各种学习辅助资料和学习支持服务。例如一对一的视频辅导、课堂直播、网上答疑、学习论坛、名师讲解等形式。学生可根据自身的学习爱好和学习习惯自主选择学习时间。通过这种便利的人机交互学习，为学习者提供了一个针对性强、辅助有利、沟通及时、互动充分、独立自主的学习环境，同时提供了丰富的学习资源。

3.专题式讲解。半导体材料课程包含的内容很广泛，有许多的分支；由于教学内容的增多，往往会给学生造成错乱，理不清思绪。专题式讲解是更系统的学习，使学习过程有条不紊。专题式讲解既可以由教师主讲，也可以由学生自己学习整理，再以PPT的形式将所学所思讲给同学听。既锻炼了学生的自学能力，又锻炼了学生的口语和实践能力。

4.实验教学。实验是一种提高学生感性认识的有效手段，实验教学将有助于学生深入理解所学理论知识，并在实验中应用相关理论，为学生获得新的理论知识打下良好的基础。例如，可以通过实践教学方法来传授半导体材料的生长制备、结构表征、性能测试以及应用等方面的知识。合理安排实验，通过在实验设计过程中制定实验方案、实验操作、实验报告或论文撰写等环节，不仅提高了学生的动手能力，对学生创新能力的培养也起到极大的促进作用。对实验过程中出现的实验偏差、操作失误、环境改变等对实验结果的影响分析，为将来的科研工作打下坚实的基础。此外，建立校企合作新机制，依托企业、行业、地方政府在当地建立多个学生教学实习基地，为加强实践教学提供有力支撑，让学生有实地模拟学习的机会，提高教学效果，增强学习兴趣。

五、结论

《半导体材料》课程是材料科学与工程专业的重要专业课程。半导体材料课程的教学改革，对提高材料专业的人才培养质量具有一定的意义。依据科学技术的发展，及时更新教学内容改革教学方法，因材施教。同时在教学实践中，我们将半导体材料的新理论、新应用和一些科学研究成果引入到教学内容当中，处理好基础性和创新性、先进性、经典和现代的关系，加强理论联系实际的教学环节建设，有利于提高教学质量，加强学生的学习效果，培养出具有扎实理论基础、较强的实践能力的应用技术型人才和一定科研能力的研究型人才。

参考文献：

第4篇

它具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，可实现高压、高温、高频、高抗辐射等能力。

它的应用范围覆盖半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等朝阳领域。

它被视为未来支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料，将引领光电产业的新一轮革命。

它就是以碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）等为代表的第三代半导体材料，如今世界各国争相布局的战略高地。

在世界范围内，第三代半导体材料在各个领域的产业成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍处于实验室研发阶段。尽管我国起步较晚，发展较缓，无论基础研究还是产业化推进都仍有很长的路要走，但这并未影响该领域内科研人员潜心攻关、奋起直追的决心。

哈尔滨工业大学基础与交叉科学研究院宋波教授，就是奋战在我国第三代半导体材料研究最前沿的优秀科研人员之一。

他L期从事第三代宽禁带半导体材料的生长与物性研究，凝练了气相质量输运动态平衡控制及温场调控等关键科学问题，对碳化硅、氮化铝等光电功能晶体生长过程的动力学优化、关键工艺参数控制与物理性质调控等相互关联的科学问题开展了系统研究，成果颇丰。

雏凤新声，结缘宽禁带半导体

一代材料，一代器件，一场革命。材料的重要性，在半导体产业已经得到印证。

以硅（Si）为代表的第一代半导体材料，引发了电子工业大革命；以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料，则拓展了半导体在高频、光电子等方面的应用，使人类进入光纤通信、移动通信的新时代。而如今，正是第三代半导体材料“大展身手”的时代。

第三代半导体材料又叫宽禁带半导体，是指禁带宽度大于2 eV（电子伏特）的一类半导体，以碳化硅、氮化铝、氮化镓、立方氮化硼（C-BN）等为主要代表。它们所表现出的高温下的稳定性、高效的光电转化能力、更低的能量损耗等绝对优势，吸引了业界的普遍关注，有望全面取代传统半导体材料，开启半导体新时代。

宋波进入这一领域是在博士阶段。那是2005年前后，他正就读于中国科学院物理研究所，师从我国著名晶体结构专家陈小龙研究员开展研究。当时国内宽禁带半导体研究起步不久，各项研究都非常薄弱。

2008年，宋波回到家乡哈尔滨，并在哈尔滨工业大学韩杰才院士引荐下加入该校基础与交叉科学研究院。在这里，宋波确立了宽禁带半导体生长与物性研究这一研究方向，立志从基础研究领域着手，改善我国关键性、基础性战略材料依赖进口的局面，促进宽禁带半导体材料和器件产业的发展，提升产业核心竞争力，缩小与西方国家的差距。

在近十年的研究过程中，宋波作为课题负责人承担了包括国家自然科学基金项目、总装“十二五”预先研究重点项目、科技部国际科技合作项目等在内的20多项科研项目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等国际著名SCI学术杂志上100余篇，论文被正面他引1000余次；获得授权发明专利13项。特别是在SiC基稀磁半导体和AIN基晶体生长研究方向，取得了一系列创新性成果，引领了国内外相关研究的进步，在行业内形成了一定的影响力。

层层深入，攻关SiC基稀磁半导体

稀磁半导体是自旋电子学的材料基础，能够同时利用电子的电荷属性和自旋属性，兼具半导体和磁性的性质，新颖而独特，是第三代半导体材料的热点研究之一。

现阶段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半导体的研究已经取得了突破性进展，但仍无法满足人们对自旋器件高温、高频、大功率和抗辐射等性能的要求，SiC基的出现恰逢其时。宋波在这一前沿方向进行了广泛而深入的研究，并取得了系列研究进展。

他提出了非磁性元素Al掺杂制备SiC基稀磁半导体，在200 K观察到了玻璃态的铁磁有序，同时实现了4H-SiC晶型的稳定可控。首次提出了非磁性元素掺杂AlN基稀磁半导体的研究思路，有效地避免磁性杂质的引入，为探讨稀磁半导体的磁性来源提供了理想的实验体系。

论文在2009年发表后，至今已被他引50余次，得到不少业内专业人士的直接认可，认为其启迪了思考。中国科学院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在论文中直言：宋等的工作显示了铁磁性不是来自磁性杂质而是来自于sp3杂化向sp3-sp2混合杂化转变的过程中所导致。

随着研究的不断深入，宋波的研究也渐入佳境――

同样在2009年，他利用在h-BN中的实验结果证实了美国布法罗州立大学Peihong Zhang教授等人的理论预言，即在带隙宽度达5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接诱导的内禀磁性。这一成果获得了包括波兰科学院物理研究院O. Volnianska教授在内的业界专家的正面引用和广泛认可。

2010年，他提出了双元素（Al，TM）复合掺杂SiC基稀磁半导体的研究思路。在Al掺杂稳定4H-SiC晶型的基础之上，同时掺杂磁性过渡金属元素，来获得高Tc、高矫顽力和高剩磁的稀磁半导体。

2011年，他提出了采用缺陷工程调控半导体磁性的新方向。与合作者一起采用中子辐照在碳化硅晶体中诱导出了以硅-碳双空位为主的缺陷，在实验上给出了硅-碳双空位导致铁磁性的证据，并从理论上揭示了双空位产生磁性的物理机制，证实了磁性元素并非半导体磁性的唯一来源，为深入探究宽禁带半导体的磁性起源提供了新的科学认识。在此之后，国内外有超过18个研究小组开展了缺陷诱导半导体磁性的研究工作，并在相关论文中引用了他们的成果，将其列为缺陷导致磁性的典型例子。

把握前沿，初探AIN晶体生长

AlN基的高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等现代化军事和航天装备等领域急需的电子器件。

宋波介绍，与其它的半导体材料相比，AlN基低维材料的形貌较为单一，这导致对其新性质和新应用的探索受到了较大的制约。

因此，深入开展生长动力学研究，探究生长过程中质量输运-温场分布-成核动力学的内在关联，从微观机理上阐述物性变化的原因，探索新奇物理效应，成为制约宽禁带半导体发展的关键科学问题，同时也是一项亟待开展的基础性研究工作。

在这一研究方向，宋波同样取得了不俗的成绩――

（一）在AlN机理生长方面，首次发现本征的六重螺旋生长机制。

他@得了单晶AlN纳米和微米弹簧、AlN螺旋结构、AlN平面六边形环等新颖纳米结构，系统性研究首次发现AlN纳米/微米结构和AlN单晶都遵循六重对称的旋转生长机制。

这一发现极大地丰富了人们对于AlN晶生长机理的认识，对调控AlN生长形貌，获得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶体具有重要参考价值。

（二）在AlN新物理性质探索方面，他首次在AlN微米螺旋结构中发现了时间长达300秒的长余辉效应。

研究中，他分别从理论和实验上对AlN螺旋结构中氮空位和铝间隙耦合效应进行了研究。首次发现氮空位和铝间隙的共同作用会诱导出新的能级，进而导致长余辉效应的显现。这一发现，丰富了人们对于AlN基本物理性质的认识，为设计和制造新型AlN基光电子器件提供理论指导。

在AlN纳米线螺旋结构的力学测试中首次发现了AlN单晶螺旋中存在弹性形变。该发现为制备AlN基纳米器件提供了进一步的认识。

（三）在AlN晶体生长方面，突破了多项关键技术，包括形核温度控制技术、晶粒长大过程控制技术、形核控制技术等。

研究中，宋波掌握了包括电阻率及均匀性控制技术、多型缺陷浓度控制技术以及晶体质量稳定性控制技术等在内的多项关键技术，获得了高质量的晶体材料。

他所获得的直径达35mm的双面抛光片，位错密度小于107个/cm2，申报了国家发明专利7项，研究水平居于国内领先地位。

他重新设计和研制了全钨的晶体生长炉、AlN原料原位补充系统和垂直梯度坩埚。试验结果表明，采用新的生长组合系统大大提高了AlN的晶体质量，其中AlN晶体的主要缺陷密度，特别是O（氧）含量降低了约3个数量级，电阻率提高了约2个数量级，为进一步获得高质量的AlN晶体提供了技术支撑。

多年来，宋波非常在意与国际学者的交流与合作，不仅承担了科技部国际科技合作项目，还在多年的研究中与美国威斯康星大学麦迪逊分校Song Jin教授、西班牙科尔多瓦大学Rafael Luque教授建立了广泛的合作关系。特别值得一提的，是在对俄对乌合作方面，宋波与俄罗斯科学院固体物理研究所国际知名晶体学家Vladimir Kurlov教授、国际SiC晶体生长专家Yuri Makarov教授，以及俄罗斯科学院西伯利亚分院半导体研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作关系，曾多次出访俄罗斯与乌克兰相关科研机构，为推动双方的科技交流合作作出了重要贡献。

因表现突出，宋波获得了2009年黑龙江省自然科学一等奖、2009年黑龙江省高校自然科学一等奖等荣誉；得到了教育部“新世纪优秀人才”计划、哈尔滨工业大学“基础研究杰出人才培育计划（III类）”和“青年拔尖人才选聘计划（教授类）”的支持；并在三年内连续两次获得副教授和教授的破格提升。2016年，宋波被评为哈尔滨工业大学“先进个人”。

第5篇

关键词：电子科学与技术；实验教学体系；微电子人才

作者简介：周远明（1984-），男，湖北仙桃人，湖北工业大学电气与电子工程学院，讲师；梅菲（1980-），女，湖北武汉人，湖北工业大学电气与电子工程学院，副教授。（湖北 武汉 430068）

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）29-0089-02

电子科学与技术是一个理论和应用性都很强的专业，因此人才培养必须坚持“理论联系实际”的原则。专业实验教学是培养学生实践能力和创新能力的重要教学环节，对于学生综合素质的培养具有不可替代的作用，是高等学校培养人才这一系统工程中的一个重要环节。[1，2]

一、学科背景及问题分析

1.学科背景

21世纪被称为信息时代，信息科学的基础是微电子技术，它属于教育部本科专业目录中的一级学科“电子科学与技术”。微电子技术一般是指以集成电路技术为代表，制造和使用微小型电子元器件和电路，实现电子系统功能的新型技术学科，主要涉及研究集成电路的设计、制造、封装相关的技术与工艺。[3]由于实现信息化的网络、计算机和各种电子设备的基础是集成电路，因此微电子技术是电子信息技术的核心技术和战略性技术，是信息社会的基石。此外，从地方发展来看，武汉东湖高新区正在全力推进国家光电子信息产业基地建设，形成了以光通信、移动通信为主导，激光、光电显示、光伏及半导体照明、集成电路等竞相发展的产业格局，电子信息产业在湖北省经济建设中的地位日益突出，而区域经济发展对人才的素质也提出了更高的要求。

湖北工业大学电子科学与技术专业成立于2007年，完全适应国家、地区经济和产业发展过程中对人才的需求，建设专业方向为微电子技术，毕业生可以从事电子元器件、集成电路和光电子器件、系统（激光器、太能电池、发光二极管等）的设计、制造、封装、测试以及相应的新产品、新技术、新工艺的研究与开发等相关工作。电子科学与技术专业自成立以来，始终坚持以微电子产业的人才需求为牵引，遵循微电子科学的内在客观规律和发展脉络，坚持理论教学与实验教学紧密结合，致力于培养基础扎实、知识面广、实践能力强、综合素质高的微电子专门人才，以满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。

2.存在的问题与影响分析

电子科学与技术是一个理论和应用性都很强的专业，因此培养创新型和实用型人才必须坚持“理论联系实际”的原则。要想培养合格的应用型人才，就必须建设配套的实验教学平台。然而目前人才培养有“产学研”脱节的趋势，学生参与实践活动不论是在时间上还是在空间上都较少。建立完善的专业实验教学体系是电子科学与技术专业可持续发展的客观前提。

二、建设思路

电子科学与技术专业实验教学体系包括基础课程实验平台和专业课程实验平台。基础课程实验平台主要包括大学物理实验、电子实验和计算机类实验；专业课程实验平台即微电子实验中心，是本文要重点介绍的部分。在实验教学体系探索过程中重点考虑到以下几个方面的问题：

第一，突出“厚基础、宽口径、重应用、强创新”的微电子人才培养理念。微电子人才既要求具备扎实的理论基础（包括基础物理、固体物理、器件物理、集成电路设计、微电子工艺原理等），又要求具有较宽广的系统知识（包括计算机、通信、信息处理等基础知识），同时还要具备较强的实践创新能力。因此微电子实验教学环节强调基础理论与实践能力的紧密结合，同时兼顾本学科实践能力与创新能力的协同训练，将培养具有创新能力和竞争力的高素质人才作为实验教学改革的目标。

第二，构建科学合理的微电子实验教学体系，将“物理实验”、“计算机类实验”、“专业基础实验”、“微电子工艺”、“光电子器件”、“半导体器件课程设计”、“集成电路课程设计”、“微电子专业实验”、“集成电路专业实验”、“生产实习”和“毕业设计”等实验实践环节紧密结合，相互贯通，有机衔接，搭建以提高实践应用能力和创新能力为主体的“基本实验技能训练实践应用能力训练创新能力训练”实践教学体系。

第三，兼顾半导体工艺与集成电路设计对人才的不同要求。半导体的产业链涉及到设计、材料、工艺、封装、测试等不同领域，各个领域对人才的要求既有共性，也有个性。为了扩展大学生知识和技能的适应范围，实验教学必须涵盖微电子技术的主要方面，特别是目前人才需求最为迫切的集成电路设计和半导体工艺两个领域。

第四，实验教学与科学研究紧密结合，推动实验教学的内容和形式与国内外科技同步发展。倡导教学与科研协调发展，教研相长，鼓励教师将科研成果及时融化到教学内容之中，以此提升实验教学质量。

三、建设内容

微电子是现代电子信息产业的基石，是我国高新技术发展的重中之重，但我国微电子技术人才紧缺，尤其是集成电路相关人才严重不足，培养高质量的微电子技术人才是我国现代化建设的迫切需要。微电子学科实践性强，培养的人才需要具备相关的测试分析技能和半导体器件、集成电路的设计、制造等综合性的实践能力及创新意识。

电子科学与技术专业将利用经费支持建设一个微电子实验教学中心，具体包括四个教学实验室：半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析实验室、微电子器件和集成电路性能参数测试与应用实验室、集成电路设计实验室、科技创新实践实验室。使学生具备半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析、微电子器件、光电器件参数测试与应用、集成电路设计、LED封装测试等方面的实践动手和设计能力，巩固和强化现代微电子技术和集成电路设计相关知识，提升学生在微电子技术领域的竞争力，培养学生具备半导体材料、器件、集成电路等基本物理与电学属性的测试分析能力。同时，本实验平台主要服务的本科专业为“电子科学与技术”，同时可以承担“通信工程”、“电子信息工程”、“计算机科学与技术”、“电子信息科学与技术”、“材料科学与工程”、“光信息科学与技术”等10余个本科专业的部分实践教学任务。

（1）半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析实验室侧重于半导体材料基本属性的测试与分析方法，目的是加深学生对半导体基本理论的理解，掌握相关的测试方法与技能，包括半导体材料层错位错观测、半导体材料电阻率的四探针法测量及其EXCEL数据处理、半导体材料的霍尔效应测试、半导体少数载流子寿命测量、高频MOS C-V特性测试、PN结显示与结深测量、椭偏法测量薄膜厚度、PN结正向压降温度特性实验等实验项目。完成形式包括半导体专业实验课、理论课程的实验课时等。

（2）微电子器件和集成电路性能参数测试与应用实验室侧重于半导体器件与集成电路基本特性、微电子工艺参数等的测试与分析方法，目的是加深学生对半导体基本理论、器件参数与性能、工艺等的理解，掌握相关的技能，包括器件解剖分析、用图示仪测量晶体管的交（直）流参数、MOS场效应管参数的测量、晶体管参数的测量、集成运算放大器参数的测试、晶体管特征频率的测量、半导体器件实验、光伏效应实验、光电导实验、光电探测原理综合实验、光电倍增管综合实验、LD/LED光源特性实验、半导体激光器实验、电光调制实验、声光调制实验等实验项目。完成形式包括半导体专业实验课、理论课程的实验课时、课程设计、创新实践、毕业设计等。

（3）集成电路设计实验室侧重于培养学生初步掌握集成电路设计的硬件描述语言、Cadence等典型的器件与电路及工艺设计软件的使用方法、设计流程等，并通过半导体器件、模拟集成电路、数字集成电路的仿真、验证和版图设计等实践过程具备集成电路设计的能力，目的是培养学生半导体器件、集成电路的设计能力。以美国Cadence公司专业集成电路设计软件为载体，完成集成电路的电路设计、版图设计、工艺设计等训练课程。完成形式包括理论课程的实验课时、集成电路设计类课程和理论课程的上机实践等。

（4）科技创新实践实验室则向学生提供发挥他们才智的空间，为他们提供验证和实现自由命题或进行科研的软硬件条件，充分发挥他们的想象力，目的是培养学生的创新意识与能力，包括LED封装、测试与设计应用实训和光电技术创新实训。要求学生自己动手完成所设计器件或电路的研制并通过测试分析，制造出满足指标要求的器件或电路。目的是对学生进行理论联系实际的系统训练，加深对所需知识的接收与理解，初步掌握半导体器件与集成电路的设计方法和对工艺技术及流程的认知与感知。完成形式包括理论课程的实验课时、创新实践环节、生产实践、毕业设计、参与教师科研课题和国家级、省级和校级的各类科技竞赛及课外科技学术活动等。

四、总结

本实验室以我国微电子科学与技术的人才需求为指引，遵循微电子科学的发展规律，通过实验教学来促进理论联系实际，培养学生的科学思维和创新意识，系统了解与掌握半导体材料、器件、集成电路的测试分析和半导体器件、集成电路的设计、工艺技术等技能，最终实现培养基础扎实、知识面宽、实践能力强、综合素质高、适应范围广的具有较强竞争力的微电子专门人才的目标，以满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。

参考文献：

[1]刘瑞，伍登学.创建培养微电子人才教学实验基地的探索与实践[J].实验室研究与探索，2004，（5）：6-9.

第6篇

由于我校已经有材料与化学工程学院，开设了高分子、化工类材料、金属材料等专业，应用物理、物理学专业的方向就只有往半导体材料及光伏技术方向靠，而半导体材料及光伏技术与物理联系十分紧密。因此，我们物理系开设半导体材料及光伏技术有得天独厚的优势。首先，半导体材料的形成原理、制备、检测手段都与物理有关;其次，光伏技术中的光伏现象本身就是一种物理现象，所以只有懂物理的人，才能将物理知识与这些材料的产生、运行机制完美地联系起来，进而有利于新材料以及新的太阳能电池的研发。从半导体材料与光伏产业的产业链条来看，硅原料的生产、硅棒和硅片生产、太阳能电池制造、组件封装、光伏发电系统的运行等，这些过程都包含物理现象和知识。如果从事这个职业的人懂得这些现象，就能够清晰地把握这些知识，将对行业的发展起到很大的推动作用。综上所述，不仅可以在我校的应用物理学专业开设半导体材料及光伏技术方向，而且应该把它发展为我校应用物理专业的特色方向。

二、专业培养方案的改革与实施

(一)应用物理学专业培养方案改革过程

我校从2004年开始招收应用物理学专业学生，当时只是粗略地分为光电子方向和传感器方向，而课程的设置大都和一般高校应用物理学专业的设置一样，只是增设了一些光电子、传感器以及控制方面的课程，完全没有自己的特色。随着对学科的深入研究，周边高校的互访调研以及自贡和乐山相继成为国家级新材料基地，我们逐步意识到半导体材料及光伏技术应该是一个应用物理学专业的可持续发展的方向。结合我校的实际情况，我们从2008年开始修订专业培养方案，用半导体材料及光伏技术方向取代传感器方向，成为应用物理学专业方向之一。在此基础上不断修改，逐步形成了我校现有的应用物理专业的培养方案。我们的培养目标:学生具有较扎实的物理学基础和相关应用领域的专业知识;并得到相关领域应用研究和技术开发的初步训练;具备较强的知识更新能力和较广泛的科学技术适应能力，使其成为具有能在应用物理学科、交叉学科以及相关科学技术领域从事应用研究、教学、新技术开发及管理工作的能力，具有时代精神及实践能力、创新意识和适应能力的高素质复合型应用人才。为了实现这一培养目标，我们在通识教育平台、学科基础教育平台、专业教育平台都分别设有这方面的课程，另外还在实践教育平台也逐步安排这方面的课程。

(二)专业培养方案的实施

为了实施新的培养方案，我们从几个方面来入手。首先，在师资队伍建设上。一方面，我们引入学过材料或凝聚态物理的博士，他们在半导体材料及光伏技术方面都有自己独到的见解;另一方面，从已有的教师队伍中选出部分教师去高校或相关的工厂、公司进行短期的进修培训，使大家对半导体材料及光伏技术有较深的认识，为这方面的教学打下基础。其次，在教学改革方面。一方面，在课程设置上，我们准备把物理类的课程进行重新整合，将关系紧密的课程合成一门。另一方面，我们将应用物理学专业的两个方向有机地结合起来，在光电子技术方向的专业课程设置中，我们有意识地开设了一些课程，让半导体材料及光伏技术方向的学生能够去选修这些课程，让他们能够对光伏产业的生产、检测、装备有更全面的认识。最后，在实践方面。依据学校资源共享的原则，在材料与化学工程学院开设材料科学实验和材料专业实验课程，使学生对材料的生产、检测手段有比较全面的认识，并开设材料科学课程设计，让学生能够把理论知识与实践联系起来，为以后在工作岗位上更好地工作打下坚实的基础。

三、总结

第7篇

关键词：量子点 发光 量子点尺寸效应

近几年来，宽禁带半导体发光材料引起人们极大的兴趣，是因为这些材料在蓝光及紫外光发光二极管、半导体激光器和紫外光探测器上有重要的应用价值。这些器件在光信息存储、全色显示和紫外光探测上有巨大的市场需求，人们已经制造出III族氮化物和ZnSe等蓝光材料，并用这些材料制成了高效率的蓝光发光二极管和激光器，这使全色显示成为可能。量子点（QuantumDot）凭借自身独特的光电特性越来越受到人们的重视，成为研究的热点。

由于量子点所具有的量子尺寸、量子隧穿、库仑阻塞、量子干涉、多体关联和非线性光学效应非常明显，故在低维量子结构的研究中，对载流子施以尽可能多的空间限制，制备零维量子点结构并开发其应用，受到世界各国科学家和企业家的高度重视。

1、半导体量子点的制备方法

高质量半导体量子点材料的制备是量子器件和电路应用的基础，如何实现对无缺陷量子点的形状、尺寸、面密度、体密度和空间分布有序性等的可控生长，一直是材料科学家追求的目标和关注的热点。

应变自组装量子点结构生长技术是指在半导体外延生长过程中，由于衬底和外延层的晶格失配及表面、界面能不同，导致外延层岛状生长而制得量子点的方法。这种生长模式被称为SK生长模式。外延过程的初期为二维平面生长，平面生长厚度通常只有几个原子层厚，称为浸润层。随浸润层厚度的增加，应变能不断积累，当达到某一临界层厚度时，外延生长则由二维平面生长向三维岛状生长过渡，由此形成直径为几十纳米、高度为几纳米的小岛，这种材料若用禁带较宽的材料包围起来，就形成量子点。用这种方法制备的量子点具有尺寸小、无损伤的优点。用这种方法已经制备出了高质量的GaN量子点激光器。

化学自组装量子点制备方法是一种通过高分子偶联剂将形成量子点的团簇或纳米颗粒联结起来，并沉积在基质材料上来制备量子点低维材料的方法。随着人们对量子线、量子点制备和应用的迫切需求，以上物理制备方法显得费时费力，特别是在批量制备时更是如此，化学自组装为纳米量子点的平面印刷和纳米有机-无机超晶格的制备提供了可能。由于化学自组装量子点的制备具有量子点均匀有序、制备速度快、重复性好等优点，且选用不同的偶联剂可以对不同的量子点前驱颗粒进行不同对称性的组装，从而能制备出不同的量子点。它的出现为批量制备高功率半导体量子器件和激光器提供了一种有效的途径，因此这种方法被认为是制备量子点最有前途的方法之一。

2、 II-VI族半导体量子点的发光原理和发光特性

2.1 发光原理

半导体量子点的发光原理（如图1-1所示），当一束光照射到半导体材料上，半导体材料吸收光子后，其价带上的电子跃迁到导带，导带上的电子还可以再跃迁回价带而发射光子，也可以落入半导体材料的电子陷阱中。当电子落入较深的电子陷阱中的时候，绝大部分电子以非辐射的形式而猝灭了，只有极少数的电子以光子的形式跃迁回价带或吸收一定能量后又跃迁回到导带。因此当半导体材料的电子陷阱较深时，它的发光效率会明显降低。

2.2 发光特性

由于受量子尺寸效应和介电限域效应的影响，半导体量子点显示出独特的发光特性。主要表现为：（1）半导体量子点的发光性质可以通过改变量子点的尺寸来加以调控；（2）半导体量子点具有较大的斯托克斯位移和较窄而且对称的荧光谱峰（半高全宽只有40nm）；（3）半导体量子点具有较高的发光效率。半导体量子点的发光特性，除了量子点的三维量子限制作用之外，还有其他诸多因素需要考虑。不过人们通过大胆尝试与努力探索，已在量子点的发光特性研究方面取得了很大的进展。

3、量子点材料的应用

鉴于量子点的独特理化性质，科学工作者就量子点材料的应用研究开展了大量的工作，研究领域主要集中在纳米电子学、光电子学、生命科学和量子计算等领域，下面介绍一下量子点在这些方面的应用。

3.1量子点激光器

用量子线或量子点设计并制作微结构激光器的新思想是由日本的两名年轻的科学家在1982年提出了，但是由于制备工艺的难度很大而搁浅。随着技术的进步，到90年代初，利用MBE和MOCVD技术，通过 Stranski―Krastanow（S―K）模式生长In（Ga）As/GaAs自组装量子点等零维半导体材料有了突破性的进展，生长出品格较完整，尺寸较均匀，且密度和发射率较高的InAs量子点，并于1994年制备出近红外波段In（Ga）As/GaAs量子点激光器。

3.2量子点红外探测器

半导体材料红外探测器的研究一直吸引人们非常广泛的兴趣。以量子点作为有源区的红外探测器从理论上比量子阱红外探测器具有更大的优势，这些优势包括：（1）量子点探测器可以探测垂直入射的光，无需像量子阱探测器那样要制作复杂的光栅；（2）量子点分立态的间隔大约为50meV-70meV，由于声子瓶颈效应，电子在量子点分立态上的弛豫时间比在量子阱能态上长，这有利于制造工作温度高的器件；（3）三维载流子限制降低了热发射和暗电流；（4）探测器不需冷却，这将会大大减少阵列和成像系统的尺寸及成本。因此，量子点探测器已经成为光探测器研究的前沿，并取得了重大进展。

3.3 单电子器件

电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本原理，通过控制在微小隧道结体系中单个电子的隧穿过程来实现特定功能的器件，是一种新型的纳米电子器件。

3.4 量子计算机

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。1998年，Loss和Di Vincenzo描述了利用耦合单电子量子点上的自旋态来构造量子比特，实现信息传递的方法。

除此之外，量子点在生物化学、分子生物学、细胞生物学、基因组学、蛋白质组学、药物筛选、生物大分子相互作用等研究中有极大的应用前景。

结束语 我们相信量子点技术应用的未来出现很多奇迹，随着对量子点的深入研究，其在各个领域的应用前景还将更加广阔。

参考文献

[1] Hong S， Hanada T， Makino H， Chen Y， Ko H， Yao T， et al. Band alignment at a ZnO/GaN （0001） heterointerface [J]. Appl. Phys. Lett. ， 2001， 78（21）： 3349-3351.

[2] Yarelha D A， Vicet A， Perona A， Glastre G， Fraisse B， Rouillard Y， et al. High efficiency GaInSbAs/GaSb type-II quantum well continuous wave lasers [J]. Semicond. Sci. Technol. ， 2000， 15（4）： 390-394.

第8篇

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

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。

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。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。

（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

第9篇

关键词：微电子半导体制造封装技术

中图分类号：TN405文献标识码：A文章编号：1674-098X（2019）09（c）-0070-02

微电子技术作为当今工业信息社会发展最快、最重要的技术之一，是电子信息产业的“心脏”。而微电子技术的重要标志，正是半导体集成电路技术的飞速进步和发展。多年来，随着我国对微电子技术的重视和积极布局投入，结合社会良好的创新发展氛围，我国的微电子技术得到了迅速的发展和进步。目前我国自主制造的集成芯片在射频通信、雷达电子、数字多媒体处理器中已经得到了广泛应用。但总体来看，我国的核心集成电路基础元器件的研发水平、制造能力等还和发展较早的发达国家存在一定差距，唯有继续积极布局，完善创新体系，才能逐渐与世界先进水平接轨。集成电路技术，主要包括电路设计、制造工艺、封装检测几大技术体系，随着集成电路产业的深入发展，制造和封装技术已经成为微电子产业的重要支柱。本文将对微电子技术的制造和封装技术的发展和应用进行简要说明与研究。

1微电子制造技术

集成电路制造工艺主要可以分为材料工艺和半导体工艺。材料工艺包括各种圆片的制备，包括从单晶拉制到外延的多个工艺，传统Si晶圆制造的主要工艺包括单晶拉制、切片、研磨抛光、外延生长等工序，而GaAs的全离子注入工艺所需要的是抛光好的单晶片（衬底片），不需要外延。半导体工艺总体可以概括为图形制备、图形转移和扩散形成特征区等三大步。图形制备是以光刻工艺为主，目前最具代表性的光刻工艺制程是28nm。图形转移是将光刻形成的图形转移到电路载体，如介质、半导体和金属中，以实现集成电路的电气功能。注入或扩散是通过引入外来杂质，在半导体某些区域实现有效掺杂，形成不同载流子类型或不同浓度分布的结构和功能。

从历史进程来看，硅和锗是最早被应用于集成电路制造的半导体材料。随着半导体材料和微电子制造技术的发展，以GaAs为代表的第二代半导体材料逐渐被广泛应用。直到现在第三代半导体材料GaN和SiC已经凭借其大功率、宽禁带等特性在迅速占据市场。在这三代半导体材料的迭展中，其特征尺寸逐渐由毫米缩小到当前的14纳米、7纳米水平，而在当前微电子制造技术的持续发展中，材料和设备正在成为制造能力提升的决定性因素，包括光刻设备、掩模制造技术设备和光刻胶材料技术等。材料的研发能力、设备制造和应用能力的提升直接决定着当下和未来微电子制造水平的提升。

总之，推动微电子制造技术发展的动力来自于应用设计需求和其自身的发展需要。从长远看，新材料的出现带来的优越特性，是帶动微电子器件及其制造技术的提升的重要表现形式。较为典型的例子是GaN半导体材料及其器件的技术突破直接推动了蓝光和白光LED的诞生，以及高频大功率器件的迅速发展。作为微电子器件服务媒介，信息技术的发展需求依然是微电子制造技术发展的重要动力。信号的生成、存储、传输和处理等在超高速、高频、大容量等技术要求下飞速发展，也会持续推动微电子制造技术在加工技术、制造能力等方面相应提升。微电子制造技术发展的第二个主要表现形式是自身能力的提升，其主要来自于制造设备技术、应用能力的迅速发展和相应配套服务材料技术的同步提升。

2微电子封装技术

微电子封装的技术种类很多，按照封装引脚结构不同可以分为通孔插装式和表面安装式。通常来说集成电路封装技术的发展可以分为三个阶段：第一阶段，20世纪70年代，当时微电子封装技术主要是以引脚插装型封装技术为主。第二阶段，20世纪80年代，SMT技术逐渐走向成熟，表面安装技术由于其可适应更短引脚节距和高密度电路的特点逐渐取代引脚直插技术。第三阶段，20世纪90年代，随着电子技术的不断发展以及集成电路技术的不断进步，对于微电子封装技术的要求越来越高，促使出现了BGA、CSP、MCM等多种封装技术。使引脚间距从过去的1.27mm、0.635mm到目前的0.5mm、0.4mm、0.3mm发展，封装密度也越来越大，CSP的芯片尺寸与封装尺寸之比已经小于1.2。

目前，元器件尺寸已日益逼近极限。由于受制于设备能力、PCB设计和加工能力等限制，元器件尺寸已经很难继续缩小。但是在當今信息时代，依然在持续对电子设备提出更轻薄、高性能的需求。在此动力下，依然推动着微电子封装继续向MCM、SIP、SOC封装继续发展，实现IC封装和板级电路组装这两个封装层次的技术深度融合将是目前发展的重点方向。

芯片级互联技术是电子封装技术的核心和关键。无论是芯片装连还是电子封装技术都是在基板上进行操作，因此这些都能够运用到互联的微技术，微互联技术是封装技术的核心，现在的微互联技术主要包含以下几个：引线键合技术，是把半导体芯片与电子封装的外部框架运用一定的手段连接起来的技术，工艺成熟，易于返工，依然是目前应用最广泛的芯片互连技术；载体自动焊技术，载体自动焊技术可通过带盘连续作业，用聚合物做成相应的引脚，将相应的晶片放入对应的键合区，最后通过热电极把全部的引线有序地键合到位置，载体自动焊技术的主要优点是组装密度高，可互连器件的引脚多，间距小，但设备投资大、生产线长、不易返工等特性限制了该技术的应用。倒装芯片技术是把芯片直接倒置放在相应的基片上，焊区能够放在芯片的任意地方，可大幅提高I/O数量，提高封装密度。但凸点制作技术要求高、不能返工等问题也依然有待继续研究，芯片倒装技术是目前和未来最值得研究和应用的芯片互连技术。

总之，微电子封装技术经历了从通孔插装式封装、表面安装式封装、窄间距表面安装焊球阵列封装、芯片级封装等发展阶段。目前最广泛使用的微电子封装技术是表面安装封装和芯片尺寸封装及其互连技术，随着电子器件体积继续缩小，I/O数量越来越多，引脚间距越来越密，安装难度越来越大，同时，在此基础上，以及高频高密度电路广泛应用于航天及其他军用电子，需要适应的环境越来越苛刻，封装技术的可靠性问题也被摆上了新的高度。

第10篇

关键词：光导光导开关；皮秒；脉冲发生器

中图分类号：TN782 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2012) 11-0000-02

准确可靠的触发是脉冲功率技术研究的重要内容。随着脉冲功率技术的发展，触发源技术也日新月异，新型触发源不仅要求快导通前沿、高重复频率还要有高稳定度。上世纪70年代在线性和非线性两种模式下，它对控制光脉冲有很好的响应，几乎可以实现与光同步，它带领着脉冲功率触发技术走到了另一个时代。

一、光导开光

光导半导体开关（Photoconductive Semiconductor Switch，PCSS）是超快脉冲激光器和光电半导体相结合形成的新型器件，通过触发光对半导体材料电导率的控制实现开关的关断和导通。PCSS具有响应速度快（小于0.6ps），重复率高（GHz量级）、易于精确同步（触发晃动仅ps量级）、不易受电磁干扰（光电隔离）、耐高压、寄生电感电容小、结构简单灵活等优点。随着研究的不断深入，至今已能利用光导开光技术研制太赫兹脉冲发生器，结合fs激光触发，光导开光可以产生高功率皮秒脉冲和脉宽在ps量级的电磁辐射，拥有从接近直流到THz级的超宽频带，为超宽带雷达的实现提供了可能。

GaAs光电导开关是由脉冲激光器与半绝缘GaAs相结合形成的器件，如图1所示，基于内光电效应工作原理。

（一）光导开光结构

常见的光导开关结构有横向结构、平面结构和相对电极结构。根据光电导开关的偏置电场和触发光脉冲的入射方向关系可将开关分为横向开关和纵向开关两种基本结构，如图2所示。当触发光脉冲入射方向与开关偏置电场方向相互垂直时，为横向结构的光电导开关。当触发光脉冲入射方向与开关偏置电场方向相互平行时，为纵向结构的光电导开关。

横向光电导开关光作用区域面积大。无论光的吸收深度是几微米还是几百微米，所有光都被激活区吸收。在线性模式均匀光照条件下，开关的峰值电流、上升时间和脉宽仅仅依赖于触发光脉冲的幅值、脉宽、载流子复合时间和开关所处电路结构。横向光电导开关的缺点是在工作时，由于偏置电场穿通开关整个表面，从而使得开关的表面击穿场强远小于材料的本征击穿强度。开关常常会出现表面闪络或沿面放电等现象，从而大大限制了开关的耐压能力和功率容量。

纵向结构开关可以减少开关表面电场，从而提高开关的击穿电压。但这种开关的主要缺点是开关至少需要一个透明电极，而这种透明电极的制作工艺非常复杂。此外开关芯片的吸收深度对开关的瞬态特性有较大影响。

横向开关和纵向开关各有优缺点，具体选用哪一种结构的开关，要根据开关的具体应有来决定。由于横向光电导开关制作简单，有较大光照面积和电导通道，可以用较宽波长范围的光来触发，因而在制作大功率光电导开关时主要采用横向结构的开关。

（二）光导开关半导体材料

光导开关的发展与半导体材料技术的发展密切相关。在半导体材料的发展过程中，一般将以硅（Si）为代表的半导体材料称为第一代半导体材料；将以砷化镓（GaAs）为代表的化合物半导体称为第二代半导体材料：将以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带化合物半导体称为第三代半导体材料。与之相对应，相继出现了Si光导开关、GaAs光导开关和SiC光导开关。

Si光导开关，由于Si禁带宽度窄，载流子迁移率低等特点不适合制作超快大功率光导开关；GaAs光导开关，虽然GaAs的大暗态电阻率和宽禁带有利于制作大功率器件，但由于GaAs热导率低、抗高辐射性能较差，运行过程中容易出现热奔和锁定效应，限制了GaAs光导开关窄高温、高重复速率、高功率和高辐射环境中的使用；SiC光导开关可以将触发光的能力大大降低，但其在高电压下容易击穿，在高重复频率下容易出现热击穿，且只能工作在线性模式下。

二、皮秒脉冲源

项目主要任务就是研制一个高稳定度快脉冲源装置，该装置的主要功能是：接到系统给出的触发指令后，打开电光开关，输出脉宽约为2ns的光脉冲，驱动光导开关输出高压脉冲信号。要求输出的高压脉冲信号前沿小于200ps，幅度为3～5kV，系统晃动时间不大于250ps。

本方案的基本工作原理如图3所示：利用高压电源对储能电容充电，充电完成后，激光器在接到触发脉冲指令时，发出脉宽为2ns的光脉冲信号驱动光导开关，储能电容内存储的能量通过光导开关释放到取样电阻上，输出高压脉冲信号。

本项目技术关键点主要在于两个方面：a.主脉冲波形的质量，包括主脉冲的峰值、脉宽、前后沿以及稳定性；b.触发脉冲至主脉冲1的时间间隔T1的稳定性。为了获得满足技术指标要求的主脉冲信号，主放电回路拟采用光导开关对贮能元件进行放电。由于光导开关具有高速导通和关断、高稳定性的特点，只要选择合适的基本回路参数可以确保获得高质量的满足指标要求的主脉冲信号。电路基本参数仿真机波形如图4、5、6所示。

三、结论

光导开关在2ns激光脉冲控制下，输出高压脉冲与控制光脉冲响应良好，上升时间169ps，脉宽2ns。利用光导开关设计的皮秒脉冲发生器可以在重复频率下工作，图7为75kHz下高压脉冲输出波形。

参考文献：

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第11篇

微电子技术是随着超大规模集成电路而发展起来的一门新兴技术，包括了半导体集成电路设计、芯片制造、材料的制备及测试、封装等方面，是现代大学微电子学专业需要掌握的综合工艺技术。《现代半导体材料的制备与表征技术》是我校微电子专业研究生的专业课程之一，针对新型半导体器件方向的学生开设，用于介绍半导体的制备和测试表征技术，对提高物联网学院微电子专业研究生的创新和实践能力具有重要意义。针对电子技术日新月异的发展，本文结合微电子专业研究生学习此门课程的问题以及现有教学经验，探讨关于该课的教学改革，从而培养学生的创新能力和综合素质。

1课程特点及教学过程中存在的问题

《现代半导体材料的制备与表征技术》是江南大学微电子专业的一门专业基础课，涉及材料、化学、物理、光学和微电子学等多种学科，具有综合性、科学性和应用性等特点。课程内容主要通过仪器分析现代半导体材料的微观结构。通过本课程的学习，学生应掌握各种材料的制备方法，学会测试仪器的基本原理、制样方式和仪器主要的应用领域，知晓相关制备和测试技术，从而懂得如何在研究生课题中加以应用。学生学习结束后能够从本课程中选择合适和正确的制备方法及测试表征手段进行研究，为新型半導体器件的构筑课题积累基本的理论知识，成为未来社会所需要的人才。

教学过程中存在的问题有以下四个方面：（1）微电子专业研究生教育背景差异导致对课程的接受能力参差不齐。（2）教材涉及的制备和分析方法种类多，内容跨度较大，多学科交叉综合性内容较抽象，学生难以理解，致使教学效果不佳；（3）授课选用的经典教材存在和部分本科生专业课程内容相同，教授过程中过于偏重仪器的工作原理和构成部件的功能，而且内容更新速度较慢，已经远远落后于技术发展现状；（4）课程缺少实践教学，教材中的大型仪器价值昂贵，仪器测试和维护费用高，限制了动手操作仪器掌握其重要功能的途径，学生的实践能力得不到提高，学习的积极主动性较差，师生的课堂互动气氛不活跃。

2教学改革与实践

2.1结合微电子专业特点，调整教材内容

对于教学内容，除了基础性和完整性外，还需兼顾先进性和新颖性，但现有教材的更新较慢而且制备和测试方法落后。因此，针对微电子专业特点，应自编教材使教学内容具有学科前沿性，比如现有教材中涉及热分析、光谱分析、X射线衍射分析等，对于微电子专业学生热分析和红外分析技术使用频率不高，而常用XRD、紫外分析、拉曼和电镜分析等测试方法，所以教授内容上专注以上常用设备的操作及分析方法有利于研究生开展课题研究。

2.2教授方式多样化

《现代半导体材料的制备和表征技术》是多学科交叉并与时俱进的一门课程，为了取得良好的教学效果，在授课方式上应多样化，吸引学生的注意力，提高学生的主动性。首先，采用多媒体技术、动画资料等新方式和重要内容板书显示相结合的方法解决此课程教学内容多而课时较少的问题。其次，运用翻转课堂、讨论式和启发式等多种教授方法。教师选择当前热门的前沿课题和教学重点为讨论内容，如二维过渡金属材料的制备与表征、氧化锌复合材料的制备及光探测器器件的组装、氮化镓高功率器件的有效性分析等。

2.3教学与科研结合，培养学生创新能力

教学和科研结合，对于研究生日常进行的科研项目，如半导体材料的制备、表征测试、数据分析、器件组装、集成应用和仿真模拟等，都可以将实验过程中出现的问题、大型仪器的操作和维护、如何获取清晰的图片影像以及图谱中峰形位置的变化对结构的影响等等，带入到教学中，为学生答疑解惑从而验证课堂所讲基本理论，达到教学辅助科研，科研促进教学的目的，进而提高学生主动性和积极性，同时有利于课程的高效开展。

2.4鼓励研究生参与大型仪器管理

《现代半导体材料的制备和表征技术》课程中讲到的大型仪器，价格昂贵，维护成本较高。为保证大型仪器的正常运转，均有责任教师管理。为了提高微电子专业研究生的实际操作和科研创新能力，同时提高仪器利用率，鼓励研究生参与仪器管理工作，对巩固课程所讲内容具有非常重要的应用价值，也助于提高学生的科研能力。

第12篇

关键词 LED芯片；光学模拟；Tacacepro

中图分类号TU7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）113-0126-02

0引言

目前科学技术日益进步，人民的生活水平不断的提高。人们对家具生活得舒适程度也要求越来越高。现在国内外一些发展快速的城市的住宅用的灯具、景观灯已经大马路上面用的照明路灯已经大部分都开始采用新型的LED节能灯了。但是由于LED灯的制作成本较高，导致LED在市场占领方面略显迟缓。目前国内外著名学者和一些研究机构以及一些大型的企业正在夜以继日的不断探索，希望可以研究出一些新型的LED材料，减小LED制作的成本，使得LED灯的普及率更加高些。

1 LED灯的发光原理和LED的光学参数

1.1 LED灯的发光原理

Light emitting diode的英文缩写就是LED。LED的基础结构是在一小片的发光半导体材料上面，放置一个电极的引线架子，接着在架子的周围用环氧树脂固定并密封。这样子可以起到保护电机芯线和半导体的作用，这样子制作出来的LED抗震性非常好，且具有一定的防水作用。

LED发光二极管的主要部分是有由两片N型的半导体和P型半导体背对背制作而成的芯片。因为P型半导体材料和P型半导体材料上面都带了载流子，这两种不同的半导体的交界面之间会形成一个空间电荷存储区间。也就是我们常说的PN结。在给半导体材料的正负极之间加上电压的情况下，PN结之间就会形成电场，PN结中的空子和电子就会在电子的作用下发生运动，并结合在一起。在空子和电子的结合过程中，会产生多余的能量，则这些能量会以发光的方式释放出来。最终实现电能向光能的转换。LED的发光原理图图1所示。给LED加上正向电压，也就在半导体的P极接上正极，在半导体的N极接上负极。在LED的两极之间就会形成电流，电流从正极流向负极，这样子在空穴跟电子的结合过程之间就会发出不同颜色的光。LED间通的电流大小决定了Led的发光亮度。而LED的发光颜色主要是由半导体材料里面参杂的荧光粉的材料来控制的。

1.2 LED的光学参数

为了鉴别一个LED的好坏，经常会有一些参数来描述LED。常用的LED的光学参数有光通量、发光强度、亮度、色温、显色性以及光效等参数。

光通量是指在正常情况下人眼可以感觉到的光的辐射功率。它等于在单位时间里面一束光的辐射的能量与该束光所对应的相对视率的成绩。由于人眼对不同的光的灵敏度不一样，所以当光的辐射功率相等的时候，并不能代表光通量也是相同的。发光强度又叫光强，它是指发光体在一个固定的立体单元里面传输的光通量与该立体单元的面积的商，这个商就代表了单位体积的光通量。亮度是指光源在给定的一个方向里面单位体积上面的光束的发光强度。而光效而是指光源的发光效率。也就是光源的总光通量与该发光体所消耗的能量的商。发光体的发光效率越高，代表了该照明设备将电能转化成光能的能力越强。也代表了在同能的能量的情况下，该设备的照明性能越强，也就是该设备所能达到的亮度越大。显色性是指光源对物体颜色的分辨程度。也就是对颜色的逼真效果。发光设备的显色性能越高，则该设备对颜色的在线能力越强，而我们看到的颜色也就越接近于其本来的颜色。而显色性能较差的设备，则对颜色的能力在线能力越差，我们所看到颜色也与越来的颜色相差越大。

尽管LED灯功率小，占用空间小，易于调色，颜色可操作性强。但是LED光源也存在一些缺陷。主要缺陷表现在以下几个方面：LED发光功率小、LED的成本价格太高、制作工艺要求高。

2 LED芯片的测试

由于LED技术发展迅速，LED市场也发展快速。目前不少企业正逐渐把大量的资金都投入到LED行业当中，并成立的相应的企业。然而当中却存在一些唯利是图的商人，他们利用人们对LED技术的缺乏的弱点，都宣称自己企业的生产的LED灯的寿命可以达到60000小时以上，有的商家甚至说明自己的产品可以达到110000小时以上。为此如何才能正确的区分出那些产品是合格产品，那些产品的质量真的就像商人所描述的那样子，现在已经逐渐成为一个困扰使用者的巨大问题。为此，本文提供一个简单的测试办法：测试方案的电路图如下图2.首先，我们采用积分球来记录相应LED二极管在正向导通的情况下的导通压降。接着根据这个导通压降和电路的电流，确定和相对应二极管电路回路电阻值的大小。以确保二极管不被烧坏。接着在测试之前，对二极管进行校准，确保二极管寿命测试的准确性。然后测量每个二极管在不同的工作电流下的发光量是多大以及正向导通压降是多大，并通过光谱分析仪器来确定每个二极管的最初光谱是什么。为了保证测量的精度，对每个二极管都测试5次以上，并取平均值。最后记录该数据。最后在每个月的固定时间段对每一颗的LED都进行测试，测试其的光通量，并给LED同上三种不同的电流，并记录此时的LED的光通量，根据不同电流下的LED的光通量值绘制出相应二极管的光通量变化曲线。根据绘制的二极管的光通量变化曲线就可以大致的计算出二极管的实际工作时间。通过二极管的频谱分析仪可以知道二极管的色度漂移情况。

3 LED芯片及LED灯具的光学模拟

传统的LED灯的照明设计都是通过大量实验得到的，尽管所测得的结果比较准确，但是这个测试结果只有在灯具的外观已经制作完成以后才可以进行大量实验。要是测试的结果不能和原先设计的一样，就需要重新设计LED的外观，浪费大量的人力和财力。本文以Tacacepro光学模拟软件为核心，对LED灯具的外观不断修改，对LED灯的数量和阵列方式不断的改进，通过模拟的方式，并进行了大量的仿真，终于得出了LED灯排列方式对LED灯总体发光效率以及空间照明的影响规律。并最终设计出了一种发光效率高，节约能源的LED灯具。LED的模拟过程如下;首先运用Tacacepro对LED灯具进行建模，所建的模型如图3。并通过软件设置LED芯片的光源属性等参数。接着定义LED灯具的各种材料特性。并定义光源的波长以及光源的阀值等不同的参数。最后运用软件对LED的光学设计模型模拟。

参考文献

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[2]安连生，王自强.照明光学系统计算机辅助设计中光源的数学模型.灯与照明，1999，23(6)：29-31.

第13篇

自上世纪中期投入应用以来，半导体已经深入到人们的生活、学习和工作的方方面面，给电子工业带来革命性的影响。但是这个时刻陪伴身边的半导体究竟是什么？

中国科学院王占国院士同半导体打了一辈子交道，他这样回答：半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料。它有四个特点：热敏性，与金属不同，半导体的电阻与温度变化是相反的，电阻越小温度越高；光敏性，光一照，它的电导就发生变化；光伏效应，光照产生光电压；整流效应，从A端到B端是通的，从B端到A端就不通了。

半导体的特性为我们带来了无穷益处：“如发射一吨重的卫星，假如用晶体管代替电子管重量可减轻100千克，就可以节省9吨的燃料。它不仅广泛应用在航空航天、人造卫星等高科技领域，而且是我们生活中不可或缺的：医学上的核磁共振仪，日常用的收音机、电视机、洗衣机、微波炉、电冰箱、电子表、手机……里面核心控制的设备都是半导体。半导体应该说是无孔不入、无处不在。”

硅作为半导体材料的代表，现在已经成为微电子技术的基础材料，我们用的电子元器件和电路的90%都是硅材料。使用硅材料做集成电路，产值已达到每年约3000亿美元，由硅材料做成的器件和电路可以拉动几万亿美元的电子产业，半导体硅材料可以说是信息时代的基础。

追随一生的半导体

王占国1938年12月29日生于河南镇平。1962年毕业于南开大学物理系，同年到中科院半导体所工作。从那时起，他的人生脚步，就没有离开过半导体这个领域。

参加工作以后，王占国致力于半导体材料光电性质和硅太阳电池辐照效应研究。其中，硅太阳电池电子辐照效应研究成果为我国人造卫星用硅太阳电池定型（由PN改为NP）投产起了关键作用。

1971～1980年，他负责设计、建成了低温电学测量和光致发光实验系统，并对GaAs和其它III-V族化合物半导体材料的电学、光学性质进行了研究。其中，体GaAs热学和强场性质的实验结果以及与林兰英先生一起提出的“GaAs质量的杂质控制观点”，对我国70年代末纯度GaAs材料研制方向的战略转移和GaAs外延材料质量在80年代初达国际先进水平贡献了力量。

1980～1983年，经黄昆和林兰英两位所长推荐，他赴国际著名的深能级研究中心瑞典隆德大学固体物理系，从事半导体深能级物理和光谱物理研究。在该领域权威H.G.Grimmeiss教授等的支持和合作下，做出了多项有国际影响的工作：提出了识别两个深能级共存系统两者是否是同一缺陷不同能态新方法，解决了国际上对GaAs中A、B能级和硅中金受主及金施主能级本质的长期争论；提出了混晶半导体中深能级展宽和光谱谱线分裂的物理新模型，解释了它们的物理实质；澄清和识别了一些长期被错误指派的GaAs中与铜等相关的发光中心等。

1984～1993年，在半导体材料生长及性质研究中，提出了GaAs电学补偿五能级模型和电学补偿新判据，为提高GaAs质量、器件与电路的成品率提供了依据。与人合作，提出了直拉硅中新施主微观结构新模型，摒弃了新施主微观结构直接与氧相关的传统观点，成功地解释了现有的实验事实，预示了它的新行为；与龚秀英等同事合作，在国内率先开展了超长波长锑化物材料生长和性质研究，并首先在国内研制成功InGaAsSb，AlGaAsSb材料及红外探测器和激光器原型器件。

他协助林兰英先生，开拓了我国微重力半导体材料科学研究新领域，首次在太空从熔体中生长出GaAs单晶并对其光、电性质作了系统研究，受到国内外同行的高度评价。

他于1986年任半导体所研究员，材料室主任；1990年任博士生导师，1991～1995年担任副所长；1995年当选为中国科学院院士。1991～2001年任国家高技术新材料领域专家委员会委员、常委、功能材料专家组组长，因对863计划做出突出贡献，2001年863计划实施十五周年时，被科技部授予先进个人称号；1996～2000年任国家S-863计划纲要建议软课题研究新材料技术领域专家组组长；2003年任国家材料中长期科技发展战略研究新材料专家组组长；1997～2002年和2006～2009年任国家自然科学基金信息学部半导体学科评审专家组组长等。此外，还有多种学术兼职。

任863专家委员会委员期间，他积极推动了我国全固态激光器的研发和半导体照明事业的发展。如今，我国的半导体白光照明已经处于国际先进水平，极大地促进了节能环保事业的发展。

从上世纪90年代起，他工作的重点已集中在半导体低维结构和量子器件这一国际前沿研究方面，先后主持和参与负责十多个国家863、973，国家重点科技攻关，国家自然科学基金重大、重点和面上项目以及中科院重点、重大等研究项目。

他和MBE组的同事一起，在成功地研制了国内领先、国际先进水平的电子迁移率（4.8K）高达百万的2DEG材料和高质量、器件级HEMT和P-HEMT结构材料的基础上，又发展了应变自组装In（Ga）As/GaAs，InAlAs/AlGaAs/GaAs， InAs/InAlAs/InP和InAs/InGaAs/InP等量子点、量子线和量子点（线）超晶格材料生长技术，并初步在纳米尺度上实现了对量子点（线）尺寸、形状和密度的可控生长；首次发现InP基InAs量子线空间斜对准的新现象；成功地制备了从可见光到近红外的量子点（线）材料，并研制成功室温连续工作输出光功率达4瓦（双面之和）的大功率量子点激光器，为当时国际上报道的最好结果之一；红光量子点激光器和 InGaAs/InAlAs、GaAs/AlGaAs量子级联激光器与探测器材料及其器件的研究水平也处在国际的前列；2001年，他作为国家重点基础研究发展计划973项目“信息功能材料相关基础问题”的首席科学家，又提出了柔性衬底的概念，为大失配异质结构材料体系研制开辟了一个可能的新方向。

上述研究成果曾获国家自然科学二等奖和国家科技进步三等奖，中国科学院自然科学一等奖和中国科学院科技进步一、二和三等奖，何梁何利科学与技术进步奖，国家重点科技攻关奖以及优秀研究生导师奖等十多项；从1983年以来，先后在国外著名学术刊物180多篇，培养博士、硕士和博士后百余名。

新科技革命的起点

硅集成电路的器件尺度不可能无限减小，摩尔定律在硅器件尺寸减小到一定程度的时候，会遇到量子效应、功耗问题、隧穿问题等等，这就限制了现有模式的继续发展。国际上预计，2022年硅集成电路器件的最小尺寸将达到10纳米左右。

第14篇

关键词：卟啉酞菁类化合物 自组装纳米结构 有机半导体特性

中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0095-02

自组装是一种较为复杂的分子之间的协同作用，该技术的主要内容为，在非共价键的相互之间的作用之下，分子会自发的形成一种结构，该种结构具有一定的有序性，分子在进行自组装的过程中，影响最终的组装效果既有分子自身性质等内在因素，也存在一定的外在因素的影响，如分子所处的环境中化学因素及物理因素的影响，不同结构的纳米结构能够应用于不同的领域。卟啉酞菁是一种共轭的大环体系，其结构非常的稳定，其稳定性远远高出了其他的有机半导体材料，这种半导体材料的应用前景越来越广泛，越来越多的研究人员开始投入到卟啉酞菁化合物的设计合成的研究中来，该文就将针对卟啉酞菁化合物的设计合成、自组装纳米结构及有机半导体特性进行简单的分析研究。

1 卟啉酞菁类化合物的自组装纳米结构的研究现状

在化学的研究中有一个重要的分支为超分子化学，其主要的研究内容是分子之间的化学键的研究及分子组装的研究，其最重要的几个特性表现为：自复制、自组织、自组装，当颗粒的尺寸处于一千纳米之内时，超分子的性质会发生非常显著的改变，这种性质在磁学性能、电学性能、光学性能、力学性能等领域具有非常鲜明的体现，由此而诞生了纳米化学，纳米技术是目前的研究中非常流行、应用广泛的技术，但是在纳米级尺寸的器件的制备过程中，其合成方法是较大的难题，分子的自组装技术逐渐引起人们的关注。

通过超分子的自组装技术，能够合成出各种结构复杂的纳米材料，根据其性能的不同，具有各种不同的用途，卟啉、酞菁类的化合物具有非常典型的大环共轭结构，广泛的应用于分子存储材料、分子磁体、有机场效应管、传感器、电子学等领域，根据各种卟啉酞菁类化合物的取代基的不同，可以采用不同的自组装方法得到各种不同的组装体，近年来，有很多研究，通过一定的纳米自组装技术将卟啉酞菁类化合物制备成各种不同的、有序的纳米结构，然后根据用途的不同将其制成各种纳米器件，这已经演变成为超分子化学研究过程中的一个重要的分支，为实际应用中的超分子聚集体的研究提供了更多的有力依据。

2 不对称的八取代酞菁自组装纳米结构的研究

2.1 酞菁分子的设计及合成

酞菁分子的结构时非常典型的共轭电子结构，分子之间主要存在的相互作用力是π-π作用力，想要调节这类化合物的分子之间的相互作用力，只需要在酞菁分子的引入适当的官能团，就能很好的解决这一问题，本次研究中，在酞菁分子的β位置引入二甲基氨基乙氧基，通过醋酸锌.2H2O及自由酞菁在DMF中进行回流反应能够得到锌酞菁Zn{Pc（OC4H9）7[OC2H4N（CH3）2]}，标记为化合物1，，根据相关的文献能够制备得到自由酞菁H2{Pc（OC4H9）7[OC2H4N（CH3）2]}，标记为化合物2，实验过程中通过柱层析进行反复的分离，能够得到元素的核磁、质谱、分析等结果。

2.2 酞菁自组装纳米结构的电子吸收光谱

通过实验发现，以上制备的两种化合物在氯仿中并没有发生聚集反应，自由酞菁存在着一个非常强的吸收带，表示为Q带，并且具有很好的C2h分子的对称性，锌酞菁的分子对称性与自由酞菁分子的对称性相比有一定程度的增加，变为D4h，两种化合物分散于氯仿中及甲醇中的吸收能力有一定的区别，由于分子之间强烈的相互作用，在组装体中形成了非常明显的宽锋，两种化合物分散与甲醇中形成的主要的吸收峰与分散于氯仿中的吸收峰相比，出现了蓝移现象，这主要是因为化合物分子之间所存在的强烈的π-π的相互作用，使化合物中形成了H型的面对面的聚集模式。

2.3 傅立叶变换的红外光谱表征

在自由酞菁的红外光谱中，自由酞菁中的吡咯环中的N-H键的收缩振动，表现为自由酞菁的吸收峰，在自由酞菁化合物的组装体中，侧链的二甲氨基乙氧基中的氮原子会与相邻的酞菁分子的中心的氢原子结合形成一个氢键，这会使伸缩振动峰在组装体中的作用变宽、变弱，使得其与水峰的重叠区域无法区分开来。在锌酞菁化合物中，其纳米结构的红外光谱中，其振动峰裂分为肩峰与主峰，这种现象表明，在其聚集体中存在着Zn-N的配位作用。

2.4 聚集体的形貌表征

为了得到酞菁化合物的聚集体的形成机理，在实验中，对不同聚集时间下的自由酞菁化合物的形貌进行了测试，将自由酞菁化合物注入到甲醇中，静置一个小时的时间，能够观察到大量的空心球状的聚集体，也含有少量的带状的聚集体，将其静置两个小时的时间，能够观察到大量的空心纳米管及螺旋状的纳米带，并且他们的螺旋角及螺距是不同的，在聚集刚刚开始时，聚集发生的最主要的驱动力为酞菁分子对甲醇疏溶剂的作用，所以会形成大量的空心球，而当N-H配位键形成之后，会形成平直的纳米带，纳米带的继续生长会产生倾斜的形变，纳米带会产生弯曲，这就形成了螺旋结构。将锌酞菁化合物置于甲醇中，经过分子的自组装作用，会形成多根一维的纳米线所组成的纳米束，通过分析得知，这些纳米束是由酞菁二聚体沿着纳米线的长轴的方向面对面的堆积而成的。

3 卟啉自组装微米管及其半导体特性的研究

随着第一根碳纳米管的制造，人们逐渐认识到其巨大的潜在价值，随后各种各样的微米管及纳米管被研究出来，制备纳米管的材料也开始变得多种多样，聚合物、无机物等材料都开始应用于纳米管的制造中，制造纳米管的方法也是多种多样的，在本次研究中，将自由卟啉采用自组装技术将其制备成微米级的树枝状的微米管及叶片状的聚集体，下面予以简单的分析。

3.1 电子光谱的吸收

通过实验发现，将自由卟啉放置于氯仿中，并没有发生聚集，这一特征是自由卟啉的典型特征，将其置于正己烷中，由于其分子的紧密排列，出现了明显的宽锋，而在氯仿中只出现了一个变宽的S带，在正己烷及氯仿的气氛中形成的聚集体表现出了一个变宽、裂分的S带，出现这种情况主要是因为相邻的卟啉之间有一定的激子耦合作用，在氯仿中形成的聚集体及在正己烷中形成的聚集体都出现了一定的红移现象，但是二者出现红移的程度是有一定的区别的，这说明在自由卟啉化合物的自组装过程中，形成聚集体的主要的推动作用是卟啉分子与溶剂之间的相互的作用。

3.2 聚集体的形貌表征

对化合物自组装所形成的聚集体的形貌进行观察时，采用扫描电竞来进行观察，将自由卟啉化合物分别置于正己烷气氛中、氯仿气氛中，所形成的的自组装聚集体具有不同的形貌，在氯仿气氛中主要形成方向一致的纳米管，这说明自由卟啉化合物的分子间的排列是有序的，这一特性非常适合应用于场效应晶体管及光电晶体管中，在正己烷气氛中，主要形成叶片状的纳米结构。

4 两亲性三层卟啉酞菁化合物的设计合成及其有机半导体特性的研究

自从第一次在有机场效应管中应用有机的半导体，已经在这方面取得了很大的进步，相比于无机的半导体材料，有机的光电设备具有柔软性好、成本低、轻便等诸多的优点，卟啉酞菁类化合物自身具有很好的电学性质及化学性质，很早就将其应用于有机的场效应晶体管材料的制造中，本次研究中主要阐述Eu2[Pc（15C5）4]2[T（C10H21）4P]标记为化合物1与Eu2[Pc（15C5）4]2[TPOPP]标记为化合物2，两种典型的两亲性的三层分子卟啉化合物的有机半导体特性。

通过实验得到两种化合物的红外光谱图，二者都出现吸收峰，可以认为是其侧链上的甲基上C-H对称弯曲所形成的的吸收峰，同时其C-O-C键的对称、不对称收缩都会形成相应的吸收峰。

本次实验中，以烷链作为疏水层，生成的两亲性三层三明治型的卟啉酞菁化合物，这是一种新型的有机半导体材料，用其LB膜所制成的场效应晶体管器件具有很好的迁移率，为设计、制造场效应晶体管器件的分子材料，提供了很好的依据。

5 结语

随着超分子化学、纳米科技的发展，越来越的研究将有机半导体分子的自组装特性应用于纳米材料、器件的制造中，该文中例举了几种典型的酞菁类化合物、卟啉类化合物、酞菁卟啉类化合物，对其基本的性能进行了简单的介绍，对于纳米材料及器件的研发、制造，有一定的参照作用。

参考文献

[1] 高颖宁.卟啉酞菁类化合物的设计合成及性质与自组装纳米结构[D].山东大学：无机化学，2010.

第15篇

中文摘要----------------------------------------------------------2

英文摘要----------------------------------------------------------2

第1章 前言----------------------------------------------------3 第3章 单元电路设计--------------------------------------------7 第4章 制作与调试---------------------------------------------14 4.1 制作----------------------------------------------14 4.2 调试----------------------------------------------15

第5章 结论与前景---------------------------------------------16第6章 结束语-------------------------------------------------17

汽车冷热两用恒温箱

半导体制冷/制热电路主要用到半导体温差制冷组件。半导体温差制冷制热组件一般由若干个温差电偶器件组成，它们在电气上是串联的,电流依次通过各个温差电偶器件。这些温差电偶在热交换上是并联的,通过改变流经温差电偶的电流来实现加热和降温，正是半导体温差制冷/制热组件具有逆运用功能，可以方便地实现制冷与制热的转换。

[关键词] 恒温箱；测温电路；温控电路；珀尔帖效应；热敏电阻

The Cold Hot Dual Thermostat The semiconductorrefrigeration or system hot electric circuit mainly uses thesemiconductor temperature difference to refrigerate the module. The semiconductor temperature difference refrigeration system hotmodule generally is composed by certain thermo couple component, theyon the electricity are series connected, the electric current passeseach thermo couple component in turn. These thermos couple in the heatchange are parallel, through changes the variable current to realizeafter the thermo couple electric current heats up with the temperaturedecrease, is precisely the semiconductor temperature differencerefrigeration/system hot module has counter uses the function, mayconveniently realize the refrigeration and the system hottransformation.

[KeyWords] The thermostat;measured the warm electric circuit;warm controls heelectric;circuit,pearl's card effect;the thermistor

第 1 章 前 言

在当今高速发展的社会，汽车已经成为人们的必备的交通工具，而又在这竞争激烈的社会，想在汽车这个市场上独占鳌头，就必需在汽车的整体质量和服务方面下功夫。汽车的内部性能指标这需要进行长期的研究，但服务方面我们可以比较容易着手，现在很多家庭都自己开车去旅游,想在旅途中享受冷饮(夏天)或是保温食物(冬天),大多数人很容易想到在车里装个小型冰箱和微波炉。但大家想想这样占了很大的空间而又不经济实惠。现在就让我们来解决这问题吧。这个课题正是冷热两用恒温箱的设计,一举两得,当然还经济实惠。 恒温箱的应用越来越广, 生产、科研对它的要求也越来越高。要求它的性能价格比更高, 使用寿命更长, 使用费用更少(省电) , 响应速度更快。汽车冷热两用恒温箱采用半导体制冷技术,既可制冷,又可以制热,箱内温度可以在0~50℃范围内调节,并具有自动恒温控制功能，无污染，无噪声，绿色环保。半导体制冷技术用途非常广泛,并且发展空间很大,在这领域今后必将飞速发展,对社会的发展起重要的作用。

第2章 系统设计

2.2系统设计方案

2.2.1设计思路

汽车冷热两用恒温箱的电路一般由测温电路,温控电路,制冷制热电路三大部分组成。各部分分别独立设计完成，然后再系统连接起来就达到了恒温的作用。其中温控电路部分采用了集成块电路,温控电路和制冷制热组件之间也用了反馈电路。

2.2.2系统组成框图及原理图

温度反馈

图2.1 系统原理框图

图2.2 系统原理图

2.2.3系统工作原理

系统工作原理：汽车冷热两用恒温箱电路由测温电路,控制电路,半导体制冷/制热组件等部分构成，来实现箱内的自动恒温的作用。半导体制冷/制热组件是利用半导体的珀尔帖效应实现电制冷的一种器件, 由半导体温差电偶器件，导流片，导热板等组成。一对P，N型半导体材料即构成一个温差电偶器件，当电流从P型半导体流向N型半导体时，P-N接头处会吸收热量；当电流从N型半导体流向P型半导体时，N-P接头处会释放热量, 半导体温差电制冷制热组件一般由若干个温差电偶器件组成，它们在电气上是串联的,电流依次通过各个温差电偶器件。而这些温差电偶器件在热交换上是并联的,正是通过改变流经温差电偶器件的电流流向,从而使半导体温差电制冷组件具有逆运用功能,可以方便地实现制冷与制热的转换。

先由测温电路把温度的变化转变为相应的阻值的变化，也就是把温度的比较转化为了三极管NPN前面的a和b号脚的电位高低的比较，当a号脚处为高电平时，即此时箱内温度高于所需要要的温度，由温控电路而使A1组件处于制冷工作状态，而制冷到一定时候，使得a号脚为低电平时，A1组件就停止制冷，不工作。当b号脚处为高电平时，即此时箱内温度低于所需要要的温度，由控温电路而使A1组件处于制热工作状态，而制热到一定时候，使得b号脚为低电平时，A1组件就停止制热，不工作。这样使得设计能达到自动恒温的作用，可以实现制冷与制热的转换，即达到了本设计的目的。

第3章 单元电路设计

3.1测温电路（circuit of temperature survey）设计

测温电路有很多,包括二阶式电桥电路,集成式半导体传感器电路,基于单片机的温度控制器等等方案。

二阶式电桥电路法这种温度推测器精度可达0.1℃以上, 传统的不平衡电桥作为电阻温度变送器的测量电路，在温度测量和控制中起着极其重要的作用。这种电路也经常作为单片机的一种前向通道接口使用，进而构成智能化测量控制仪表，但是，不平衡电桥中存在的非线性特性一直是人们需要彻底解决的问题。除此之外，在设计中，还要考虑自热温升、引线电阻、零点迁移等因素。所以此设计不采用。

综合上述设计中存在的优缺点,本设计采用铂电阻测温电路方案。 热电阻和热电偶是工业生产过程自动化最常用的两种温度传感器。热电阻由于在测量的灵敏度、线性度等诸多方面均优于热电偶，因此，在中低温区得到了更广泛的应用。

图3.1测温电路

铂电阻测温电路原理:通过三个集成运算放大器LM2902和一个三极管等组成控制电路,PT1000铂电阻测温范围0～50℃,RT为正温度系数热敏电阻,TW1为可调电阻,为设定温度调节电位器,通过来调节电阻从而达到调节所需要的温度。电路的a和b输出需要高低电平来表示此时对应箱内温度与所调节所需温度的比较。当a为高电平时表示箱内温度高于调节所需要的温度；当b为高电平时表示箱内温度低于调节所需要的温度。

当S置于"制冷"挡时,电路为制冷工作状态。当RT的温度高于设定的温度,即RT的电阻大于TW1+R3,也就是3号脚电位高于4号脚, 6号输出高电平。这样直接使三极管NPN导通，组件A1通电制冷。当箱内温度下降到设定温度以下时,RT的电阻小于TW1+R3，即3号脚电位低于4号脚，6号输出低电平。三极管NPN截止。组件A1停止制冷。调节TW1可以改变制冷设定温度。 3.2 温控电路（control circuit of temperature）设计

温控电路也有很多实现的方案,分析之后,采用了如下方案,电路原理图为

图3.2 温控电路

本温度控制电路这里采用电平的高低来控制三极管的导通与截止，最后来调节电流的流向，从而使半导体电偶组件处于不同的工作状态。 当S置于“制冷”档时，电路为制冷工作状态，电压比较器的输出端不经D3的反相就直接控制三极管的导通与截止。当箱内温度高于设定的温度时，RT阻值变小，电压比D3较器输出为高电平，三极管导通，电偶组件A1处于制冷状态，双色发光二极管发绿光；当箱内温度低于设定的温度时，RT阻值变大，电压比较器输出为低电平，三极管截止，组件A1停止制冷，绿灯熄灭。调节TW1可以改变制冷的设定温度。

3.3 制冷/制热电路( circuit of refrigeration and heating )设计

热电制冷又称半导体制冷或温差电制冷。具有热电能量转换特性的材料,在通过直流电时有制冷功能,因此而得名热电制冷。由于半导体材料具有最佳的热电能量转换特性,它的应用才真正使热电制冷实用化,为此人们又把热电制冷称为半导体制冷。至于温差电制冷名称的由来,是由于人们发现了材料的温差电动势之后再发现其反效应,即具有制冷功能的珀尔帖效应,与温差发电对应,把后者称为温差电制冷。

本世纪50年代以后,半导体材料在各个技术领域得到了广泛应用,发展非常迅速。热电性能较好的半导体材料使热电效应的效率大大提高,从而使热电发电和热电制冷进入工程实践领域。早期出现的半导体热电制冷器大多是各种小型低温器件和恒温器,应用在电子医疗器械,真空冷阱,显微镜物台,电子器件冷却,热电制冷仪器和小型冰箱等方面。以后又在核潜艇上研制了热电空调系统和热电冷库。目前,热电制冷器已在国防,工业,农业,医疗,商业,日常生活等领域中获得了广泛应用。

珀尔帖效应就是把载流子从一种材料到另一种材料的迁移当作电流来看,则每种材料载流子的势能不同,因此,为满足能量守恒的要求,载流子通过结点时,必然与其周围环境进行能量交换。能级的改变是现象的本质,这使构成制冷系统成为可能。举个例子,来更清楚的认识珀尔帖效应。看图3.3:

图3.3 两种不同的热电材料片之间的冷热结点

N型材料有多余的电子,有负温差电势。P型材料电子不足,有正温差电势。当电子从P型穿过结点到N型时,其能量必然增加,而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。这一点可用温度降低来证明。相反,当电子从N型流到P型材料时,结点的温度就升高。

金属热电偶的珀尔帖效应，可以用接触电位差现象定性的说明。由于接触电位差的存在，使通过接头的电子经历电位突变，当接触电位差与外电场同向时，电场力做功使电子能量增加。同时，电子与晶体点阵碰撞将此能量变为晶体内能的增量。结果使接头的温度升高，并释放出热量。当接触电位差与外电场反向时，电子反抗电场力做功，其能量来自接头处的晶体点阵。结果使接头的温度下降，并从周围环境吸收热量。

本设计热电制冷采用半导体制冷/制热组件。它是利用半导体的珀尔帖效应实现电制冷的一种器件,其原理结构如图3.4所示,

图3.4 半导体制冷制热组件

由半导体温差电偶器件，导流片，导热板等组成。一对P，N型半导体材料即构成一个温差电偶器件，当电流从P型半导体流向N型半导体时，P-N接头处会吸收热量；当电流从N型半导体流向P型半导体时，N-P接头处会释放热量，如图所示。

图3.5 吸热放热图

半导体温差电制冷制热组件一般由若干个温差电偶器件(图 3.4中所示为4个)组成，它们在电气上是串联的,电流依次通过各个温差电偶器件。 3.4 元器件的选择

热电制冷器是一种不用制冷剂、没有运动件的电器。它的热电堆起着普通制冷压缩机的作用,冷端及其热交换器相当于普通制冷装置的蒸发器,而热端及其热交换器则相当于冷凝器。通电时,自由电子和空穴在外电场的作用下,离开热电堆的冷端运动,相当于制冷剂在制冷压缩机中的压缩过程。在热电堆的冷端,通过交换器吸热,同时产生电子-空穴对,这相当于制冷剂在蒸发器中的吸热和蒸发。在热电堆的热端,发生电子-空穴对的复合,同时通过热交换器散热,相当于制冷剂在冷凝器的放热和凝结。

在本设计中A1半导体制冷/制热组件是能否达到恒温的关键部分。先来比较下两种不同的制冷系统。机械压缩式制冷与热电制冷系统间存在着一些类似的地方，各对应部位见图3.6。

机械压缩式制冷系统 1——冷剂流

2——密闭管路

3——压缩机

4——冷凝器

5——蒸发器

6——节流阀

热电制冷系统 1——电子流

2——电路

3——电流

4——热端

5——冷端

6——能级

图3.6 两种制冷系统的比较

每个系统中，最重要的是热边和冷边内能改变的方法。对于蒸发压缩循环，节流阀是使能量变化的设备。当制冷剂离开冷凝器时，它是处在高压和中等温度下的饱和液体，当制冷剂通过节流阀时，它绝热等焓膨胀。因此，制冷剂是作为低压、低温、低质量的蒸气而离开节流阀，而且处于最低的能级状态。这使制冷剂在蒸发过程中能吸收大量的热。没有节流阀，压力就不变，制冷剂的焓就不变，也就不会出现“抽热”。在热电制冷系统中的类似部分是P型和N型半导体材料中电子能量的差，假若整个系统电子能级相同，也就不会出现“抽热”。通过对比，热电制冷系统优于机械压缩式制冷系统。所以本方案采用热电制冷系统。 第4章 制作与调试

4.1 制作整个箱内结构如图4.1所示，所有元器件都安装在恒温箱的箱盖中。

图4.1 恒温箱

图 4.2 恒温箱外形

4.2调试

半导体制冷的热面温度不应超过60℃，否则就有损坏的可能。若在额定的工作电压（12V）下，一般的散热风扇根本无法为制冷片提供足够的散热能力，容易造成制冷片过热损坏。同时千万不要在无散热器的情况下为致冷器长时间通电，否则会造成致冷器内部过热而烧毁。

为了使温度调节的误差减小，我们需要多测试几次。测试比较简单，所有元器件安装在保温瓶盖中，正式测试时，将插头插入汽车点烟器插座（12V），把一个气温计（－10～60℃）放入恒温箱中测量箱内温度，多调节几次旋钮，即多测几次温度，记录下来。再关掉电源，让恒温箱完全达到室温（大约二十分钟），再接上电源，继续测温。这样反复测三四次，求出平均值。然后在调温旋钮旁相应地标上温度数值。这样就实现了汽车冷热恒温箱设计的目的。

第5章 结论和前景

到这里汽车冷热两用恒温箱的设计就基本完成了，此恒温箱的优点就是既可制冷,又可以制热,箱内温度可以在0~50℃范围内调节,并具有自动恒温控制功能，无污染，无噪声，绿色环保。操作起来更方便，只要调节所需要温度就行。但恒温箱的制冷系数不高，由于散热的问题，使得恒温箱工作时间不能过长，还有虽放在汽车内占空间不大，但有些小汽车空间有限，放了之后有点拥挤。建议把恒温箱放在前排座位中间后点的位置，也就是汽车档位控制后点的位置。当然恒温箱在家庭房屋中一样适用的。

在当今高速发展的社会,人们的精神生活要求也越来越高,普通的冰箱和微波炉达不到人们的要求,恒温箱刚好解决了问题,即可制冷,又可制热，还经济实惠，不占很多空间，必定是将来发展的趋势，在这个领域将有很广的发展空间。很可能就像电视一样，以后就是每家每户都捅用。当然现在设计存在的一些问题要大家去研究解决，这样才能真正的发挥恒温箱的优势。

这里制冷运用的是半导体珀尔帖效应制冷技术, 在各个技术领域得到了广泛应用,发展非常迅速。热电性能较好的半导体材料使热电效应的效率大大提高,从而使热电发电和热电制冷进入工程实践领域。早期出现的半导体热电制冷器大多是各种小型低温器件和恒温器,应用在电子医疗器械,真空冷阱,显微镜物台,电子器件冷却,热电制冷仪器和小型冰箱等方面。以后又在核潜艇上研制了热电空调系统和热电冷库。目前,热电制冷器已在国防,工业,农业,医疗,商业,日常生活等领域中获得了广泛应用。

第6章 结束语

在这里，我要感谢我的老师和同学们，顺利的完成此毕业设计和他们的指导和帮助是离不开的。通过完成毕业设计，使自己以前学到的理论知识运用于实践，更加巩固了课本上的知识，锻炼了自己动手能力，掌握了一些以前没有接触到的知识领域。汽车冷热两用恒温箱在今后应用会更广泛，在家庭房屋中也是实用的，因为它能自动恒温，无污染、无噪声、绿色环保，还经济实惠。这里设计的恒温箱是利用半导体制冷技术来完成的,目前，半导体制冷技术已在国防,工业,农业,医疗,商业,日常生活等领域中获得了广泛应用。

[ [2]杨荫彪，穆云书主编《特种半导体器件及基本应用》，北京，电子工业出版社，1991。

[3]华中工学院电子学教研室编，康华光主编, 《电子技术基础》,模拟部分, 修订3版, 高等教育出版社,1988。

[4]西南交通大学电子教研室编，袁光明主编《新型电子器件应用手册》，西南交通大学出版社，1993。

[5]杨帮文主编《新型集成器件实用电路》，北京，电子工业出版社，2002。

[6]华中科技大学谢自美主编,<<电子线路设计>>,(第二版)华中科技大学出版社,2000年5月。