半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)精選(九篇)

前言：一篇好文章的誕生，需要你不斷地搜集資料、整理思路，本站小編為你收集了豐富的半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)主題范文，僅供參考，歡迎閱讀并收藏。

第1篇：半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)范文

【關(guān)鍵詞】電子化工材料 半導(dǎo)體材料 晶體生長技術(shù)

半導(dǎo)體材料的發(fā)展，是在器件需要的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但從另一個(gè)角度來看，隨著半導(dǎo)體新材料的出現(xiàn)，也推動(dòng)了半導(dǎo)體新器件的發(fā)展。近幾年，電子器件發(fā)展的多朝向體積小、頻率高、功率大、速度快等幾個(gè)方面[1]。除了這些之外，還要求新材料能夠耐輻射、耐高溫。想要滿足這些條件，就要對(duì)材料的物理性能加大要求，同時(shí)，也與材料的制備，也就是晶體生長技術(shù)有關(guān)。因此，在半導(dǎo)體材料的發(fā)展過程中，不僅要發(fā)展擁有特殊優(yōu)越性能的品種，還要對(duì)晶體發(fā)展的新技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。

1 半導(dǎo)體電子器件需要的材料1.1 固體組件所需材料

目前，半導(dǎo)體電子所需要的材料依然是以鍺、硅為主要的材料，但是所用材料的制備方法卻不一樣，有的器件需要使用拉制的材料，還有的器件需要外延的材料，采用外延硅單晶薄膜制造的固體組件，有對(duì)制造微電路有著十分重要的作用。

1.2 快速器件所需材料

利用硅外延單晶薄膜或者外延鍺的同質(zhì)結(jié)，可以制造快速開關(guān)管。外延薄膜單晶少數(shù)載流子只能存活幾個(gè)微秒[2]，在制造快速開關(guān)管的時(shí)候，采用外延單晶薄膜來制造，就可以解決基區(qū)薄的問題。

1.3 超高頻和大功率晶體管的材料

超高頻晶體管對(duì)材料的載流子有一定的要求，材料載流子的遷移率要大，在當(dāng)前看來，鍺就是一種不錯(cuò)的材料，砷化鎵也是一種較好的材料，不過要先將晶體管的設(shè)計(jì)以及制造工藝進(jìn)行改變。大功率的晶體管就對(duì)材料的禁帶寬度有了一定的要求，硅的禁帶寬度就要大于鍺的禁帶寬度，碳化硅、磷化鎵、砷化鎵等材料，也都具有一定的發(fā)展前途。如果想要制造超高頻的大功率晶體管，就會(huì)對(duì)材料的禁帶寬度以及載流子遷移率都有一定的要求。但是，目前所常用的化合物半導(dǎo)體以及元素半導(dǎo)體，都不能完全滿足要求，只有固溶體有一定的希望。例如，砷化鎵-磷化鎵固溶體中，磷化鎵的含量為5%，最高可以抵抗500℃以上的高溫，禁帶寬度為1.7eV，當(dāng)載流子的濃度到達(dá)大約1017/cm3的時(shí)候，載流子的遷移率可以達(dá)到5000cm3/ v.s[3]，能夠滿足超高頻大功率晶體的需要。

1.4 耐熱的半導(dǎo)體材料

目前比較常見的材料主要有：氧化物、Ⅱ-Ⅵ族化合物、碳化硅和磷化鎵等。但是只有碳化硅的整流器、碳化硅的二極管以及磷化鎵的二極管能夠真正做出器件。因?yàn)椴牧媳旧淼闹委熅捅容^差，所以做出的器件性能也不盡人意。所以，需要對(duì)耐高溫半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，滿足器件的要求。

1.5 耐輻射的半導(dǎo)體材料

在原子能方面以及星際航行方面所使用的半導(dǎo)體電子器件，要有很強(qiáng)的耐輻照性。想要使半導(dǎo)體電子器件具有耐輻照的性能，就要求半導(dǎo)體所用的材料是耐輻照的。近幾年來，有許多國家都對(duì)半導(dǎo)體材料與輻照之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，研究的材料通常都是硅和鍺，但是硅和鍺的耐輻射性能并不理想。據(jù)研究表明，碳化硅具有較好的耐輻照性，不過材料的摻雜元素不同，晶體生長的方式也就不一樣，耐輻照的性能也就不盡相同[4]，這個(gè)問題還需要進(jìn)一步研究。

2 晶體生長技術(shù)

2.1 外延單晶薄膜生長的技術(shù)

近年來，固體組件發(fā)展非常迅速，材料外延的雜質(zhì)控制是非常嚴(yán)格的，由于器件制造用光刻技術(shù)之后，對(duì)外延片的平整度要求也較高，在技術(shù)上還存在著許多不足。除了硅和鍺的外延之外，單晶薄膜也逐漸開展起來。使用外延單晶制造的激光器，可以在室內(nèi)的溫度下相干，這對(duì)軍用激光器的制造有著重要的意義。

2.2 片狀晶體的制備

在1964年的國際半導(dǎo)體會(huì)議中，展出了鍺的薄片單晶，這個(gè)單晶長為2米，寬為8至9毫米，厚為0.3至0.5毫米，每一米長內(nèi)厚度的波動(dòng)在100微米以內(nèi)，單晶的表面非常光滑并且平整，位錯(cuò)的密度為零[5]。如果在制造晶體管的時(shí)候，使用這種單晶薄片，就可以免去切割、拋光等步驟，不僅能夠減少材料的浪費(fèi)，還可以提升晶體表面的完整程度，從而提高晶體管的性能，增加單晶的利用率。對(duì)費(fèi)用的控制有重要的意義。

3 半導(dǎo)體材料的展望

3.1 元素半導(dǎo)體

到目前為止，硅、鍺單晶制備都得到了很大程度的發(fā)展，晶體的均勻性和完整性也都達(dá)到了比較高的水平，在今后的發(fā)展過程中，要注意以下幾點(diǎn)：①對(duì)晶體生長條件的控制要更加嚴(yán)格；②注重晶體生長的新形式；③對(duì)摻雜元素的種類進(jìn)行擴(kuò)展。晶體非常重要的一方面就是其完整性，晶體的完整性對(duì)器件有著較大的影響，切割、研磨等步驟會(huì)破壞晶體的完整度，經(jīng)過腐蝕之后，平整度也會(huì)受到影響。片狀單晶的完整度和平整度都要優(yōu)于晶體，能夠避免晶體的缺陷。使用片狀單晶制造擴(kuò)散器件，不僅能夠改善器件的電學(xué)性能，還可以降低器件表面的漏電率，所以，要對(duì)片狀單晶制備的研究進(jìn)行加強(qiáng)。

3.2 化合物半導(dǎo)體

化合物半導(dǎo)體主要有砷化鎵單晶和碳化硅單晶。通過幾年的研究發(fā)展，砷化鎵單晶在各個(gè)方面都得到了顯著的提高，但是仍然與硅、鍺有很大的差距，因此，在今后要將砷化鎵質(zhì)量的提升作為研究中重要的一點(diǎn)，主要的工作內(nèi)容有：①改進(jìn)單晶制備的技術(shù)，提高單晶的完整度和均勻度；②提高砷化鎵的純度；③提高晶體制備容器的純度；④通過多種渠道對(duì)晶體生長和引入的缺陷進(jìn)行研究；⑤分析雜質(zhì)在砷化鎵中的行為，對(duì)高阻砷化鎵的來源進(jìn)行研究[6]。對(duì)碳化硅單晶的研制則主要是在完整性、均勻性以及純度等三個(gè)方面進(jìn)行。

4 結(jié)論

半導(dǎo)體器件的性能直接受半導(dǎo)體材料的質(zhì)量的影響，半導(dǎo)體材料也對(duì)半導(dǎo)體的研究工作有著重要的意義。想要提高半導(dǎo)體材料的質(zhì)量，就要將工作的質(zhì)量提高，提高超微量分析的水平，有利于元素純度的提高，得到超純的元素。要提高單晶制備所使用容器的純度。還要對(duì)材料的性能以及制備方法加大研究，促進(jìn)新材料的發(fā)展。半導(dǎo)體材料的發(fā)展也與材料的制備，也就是晶體生長技術(shù)有關(guān)。因此，在半導(dǎo)體材料的發(fā)展過程中，不僅要發(fā)展擁有特殊優(yōu)越性能的品種，也要對(duì)晶體發(fā)展的新技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李忠杰.中國化工新材料產(chǎn)業(yè)存在的問題分析與對(duì)策[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品. 2011（02）：15-16

[2] 張方，趙立群.“石油和化學(xué)工業(yè)‘十二五’規(guī)劃思路報(bào)告會(huì)”特別報(bào)導(dǎo)（三） 我國化工新材料發(fā)展形勢分析[J].化學(xué)工業(yè).2011（07）：55-57

[3] 原磊，羅仲偉.中國化工新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策[J].中國經(jīng)貿(mào)導(dǎo)刊.2010（03）：32-33

[4] 孫倩.面向“十二五”專家談新材料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展方向――第三屆國際化工新材料（成都）峰會(huì)引業(yè)內(nèi)熱議[J].新材料產(chǎn)業(yè).2010（06）：19-20

第2篇：半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞:化合物半導(dǎo)體材料;GaAs;GaN;SiC

中圖分類號(hào):TP331文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2010)05-1238-02

On The Compound Semiconductor Materials

HAO Bin, WEN Kai

(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160,China)

Abstract: Compound semiconductor integrated circuits with ultra-high speed, low power, multi-functional, anti-radiation properties is widely used, GaAs, GaN, SiC as the main application of compound semiconductor materials. This article describes the advantages of compound semiconductor materials, and from GaAs, GaN, SiC formed part of the device.

Key words: semiconductor materials; GaAs;GaN; SiC

目前,半導(dǎo)體器件已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。但是隨著科技的發(fā)展,由于硅的電子移動(dòng)速度使得硅電路傳輸速度慢并且難以改善。因此新型半導(dǎo)體材料由此產(chǎn)生,以GaAs、GaN、SiC為代表的的化合物半導(dǎo)體是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快。

1 化合物半導(dǎo)體材料優(yōu)勢

化合物半導(dǎo)體集成電路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗輻射。以GaAs為例,通過比較可得:1化合物半導(dǎo)體材料具有很高的電子遷移率和電子漂移速度,因此,可以做到更高的工作頻率和更快的工作速度。2肖特基勢壘特性優(yōu)越,容易實(shí)現(xiàn)良好的柵控特性的MES結(jié)構(gòu)。3本征電阻率高,為半絕緣襯底。電路工藝中便于實(shí)現(xiàn)自隔離,工藝簡化,適合于微波電路和毫米波集成電路。4禁帶寬度大,可以在Si器件難以工作的高溫領(lǐng)域工?，F(xiàn)在化合物半導(dǎo)體材料已廣泛應(yīng)用:在軍事方面可用于智能化武器、航天航空雷達(dá)等方面,另外還可用于手機(jī)、光纖通信、照明、大型工作站、直播通信衛(wèi)星等商用民用領(lǐng)域。

2 化合物半導(dǎo)體器件

GaAs、GaN、SiC為主要應(yīng)用的化合物半導(dǎo)體材料。以下介紹由這三種材料構(gòu)成的部分器件。

2.1 GaAs材料

高電子遷移率晶體管(HEMT)器件實(shí)在能形成2DEG的異質(zhì)結(jié)上用類似MESFET的工藝制成的場效應(yīng)晶體管。源漏之間主要由2DEG的導(dǎo)電溝道提供,由勢壘層上的肖特基柵施加偏壓來改變耗盡區(qū)的厚度,從而控制溝道2DEG的濃度及器件的工作狀態(tài)(如圖1)。對(duì)這類器件若VGS=0時(shí)溝道中已有電子存在,則器件是耗盡型的;若溝道被耗盡則器件是增強(qiáng)型的。I-V特性為強(qiáng)電場下工作的耗盡型HEMT和增強(qiáng)型HEMT都呈現(xiàn)出平方規(guī)律的飽和特性。

AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序:在半絕緣GaAs襯底上生長GaAs緩沖層 高純GaAs層 n型AlGaAs層 n型GaAs層臺(tái)面腐蝕隔離有源區(qū)制作Au/Ge合金的源、漏歐姆接觸電極干法選擇腐蝕去除柵極位置n型GaAs層淀積Ti/Pt/Au柵電極。(如圖2)

圖1 GaAs HEMT中2-DEG圖2 GaAs HEMT基本結(jié)構(gòu)圖3 PHEMT的基本結(jié)構(gòu)

隨后發(fā)現(xiàn)由于n-AlGaAs層存在一種所謂DX中心的陷阱,它能俘獲和放出電子,使得2-DEG濃度隨溫度而改變,導(dǎo)致閾值電壓不穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問題,采用非摻雜的InGaAs代替非摻雜的GaAs作為2-DEG的溝道材料制成了贗高電子遷移率晶體管。InGaAs層厚度約為20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之間的晶格失配(約為1%)而產(chǎn)生的應(yīng)力,在此應(yīng)力作用下,InGaAs的晶格將被壓縮,使其晶格常數(shù)大致與GaAs與AlGaAs的相匹配,成為贗晶層。因?yàn)镮nGaAs薄層是一層贗晶層且在HEMT中起著 i CGaAs層的作用,所以成為“贗”層,這種HEMT也就相應(yīng)地成為贗HEMT。

2.2 GaN材料

2.2.1 GaN基HEMT

目前GaN基HEMT器件的主要結(jié)構(gòu)是基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的HEMT器件。由于極化效應(yīng),AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)很容易出現(xiàn)2DEG,因此有常見工藝生長的絕大部分HEMT器件是屬于耗盡型的。在盡量提高溝道2DEG濃度且保持其遷移率和速度,同時(shí)又不引起勢壘應(yīng)變弛豫的原則下,應(yīng)用于HEMT器件的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化到一個(gè)范圍(勢壘層的Al含量為0.2~0.3,厚度為20~30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件還有以下特性:1) 緩沖層漏電小即緩沖層呈高阻態(tài)且缺陷密度小形成高的輸出阻抗;2) 高的擊穿電壓,對(duì)提高器件的輸出功率和功率開關(guān)的電壓承受能力非常重要;3) 跨導(dǎo)高且和柵壓保持良好的線性關(guān)系,這與器件的頻率特性和開關(guān)速度相關(guān);4) 好的夾斷特性; 5) 較高的截止頻率;6) 良好的散熱能力。GaN基HEMT的主要工藝為臺(tái)面刻蝕、肖特基接觸和歐姆接觸。

2.2.2 GaN基HBT

異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管器件具有寬帶隙發(fā)射區(qū),大大提高了發(fā)射結(jié)的載流子注入效率;基區(qū)可以高摻雜(可高達(dá)1020cm-3),基區(qū)電阻rb可以顯著降低,從而增加 fmax ;同時(shí)基區(qū)不容易穿通,從而厚度可以做到很薄,即不限制器件尺寸縮小;發(fā)射結(jié)濃度可以很低(約1017cm-3),從而發(fā)射結(jié)耗盡層電容大大減小,器件的 fT 增大。GaN基HBT可研發(fā)為微波功率放大器件或高壓開關(guān)器件,其目標(biāo)特性為高射極注入系數(shù)、長的少子壽命、短的基區(qū)渡越時(shí)間、高擊穿電壓。

2.3 SiC材料

SiC基結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)和肖特基柵場效應(yīng)晶體管(MESFET)

SiC基MESFET和JFET的溝道載流子的等效遷移率比較高,因此SiC基MESFET主要被開發(fā)為微波功率器件,而JFET則是高壓功率開關(guān)器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波頻段,其性能優(yōu)勢為線性化程度比較理想,輸出阻抗高,從而大大降低對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)的要求,降低了制作和設(shè)計(jì)成本。SiC基JFET具有超低RSP,也能在較高和較低溫度以及較高頻率下工作。

3 結(jié)束語

化合物半導(dǎo)體集成電路和普通半導(dǎo)體集成電路相比具有明顯的優(yōu)勢,適合于高頻高速電路的要求。并且化合物半導(dǎo)體可以發(fā)光,可以實(shí)現(xiàn)光電集成。因此化合物半導(dǎo)體有更廣泛的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn):

[1] 何杰,夏建白.半導(dǎo)體科學(xué)與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[2] 李效白.砷化鎵微波場效應(yīng)管及其集成電路[M].北京:科學(xué)出版社,2005.

第3篇：半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)范文

本文重點(diǎn)對(duì)半導(dǎo)體硅材料，GaAs和InP單晶材料，半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料，一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料，寬帶隙半導(dǎo)體材料，光子晶體材料，量子比特構(gòu)建與材料等目前達(dá)到的水平和器件應(yīng)用概況及其發(fā)展趨勢作了概述。最后，提出了發(fā)展我國半導(dǎo)體材料的建議。

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體 材料 量子線 量子點(diǎn) 材料 光子晶體

1半導(dǎo)體材料的戰(zhàn)略地位

上世紀(jì)中葉，單晶硅和半導(dǎo)體晶體管的發(fā)明及其硅集成電路的研制成功，導(dǎo)致了電子工業(yè)革命；上世紀(jì)70年代初石英光導(dǎo)纖維材料和GaAs激光器的發(fā)明，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)迅速發(fā)展并逐步形成了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，使人類進(jìn)入了信息時(shí)代。超晶格概念的提出及其半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設(shè)計(jì)思想，使半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)與制造從“雜質(zhì)工程”發(fā)展到“能帶工程”。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強(qiáng)大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經(jīng)濟(jì)格局和軍事對(duì)抗的形式，徹底改變?nèi)藗兊纳罘绞健?/p>

2幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

2.1硅材料

從提高硅集成電路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）單晶的直徑和減小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si發(fā)展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術(shù)正處在由實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產(chǎn)線已經(jīng)投入生產(chǎn)，300mm，0.13μm工藝生產(chǎn)線也將在2003年完成評(píng)估。18英寸重達(dá)414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實(shí)驗(yàn)室研制成功，直徑27英寸硅單晶研制也正在積極籌劃中。

從進(jìn)一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制適合于硅深亞微米乃至納米工藝所需的大直徑硅外延片會(huì)成為硅材料發(fā)展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smart cut）和SIMOX材料等也發(fā)展很快。目前，直徑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開發(fā)中。

理論分析指出30nm左右將是硅MOS集成電路線寬的“極限”尺寸。這不僅是指量子尺寸效應(yīng)對(duì)現(xiàn)有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術(shù)的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質(zhì)的限制。盡管人們正在積極尋找高K介電絕緣材料（如用Si3N4等來替代SiO2），低K介電互連材料，用Cu代替Al引線以及采用系統(tǒng)集成芯片技術(shù)等來提高ULSI的集成度、運(yùn)算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對(duì)更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計(jì)算和DNA生物計(jì)算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導(dǎo)體材料，特別是二維超晶格、量子阱，一維量子線與零維量子點(diǎn)材料和可與硅平面工藝兼容GeSi合金材料等，這也是目前半導(dǎo)體材料研發(fā)的重點(diǎn)。

2.2 GaAs和InP單晶材料

GaAs和InP與硅不同，它們都是直接帶隙材料，具有電子飽和漂移速度高，耐高溫，抗輻照等特點(diǎn)；在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過200噸，其中以低位錯(cuò)密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動(dòng)通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發(fā)展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產(chǎn)線。InP具有比GaAs更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，價(jià)格居高不下。

GaAs和InP單晶的發(fā)展趨勢是：

（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產(chǎn)，預(yù)計(jì)本世紀(jì)初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業(yè)應(yīng)用。

（2）。提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性。

（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)。

（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術(shù)發(fā)展很快，很有可能成為主流技術(shù)。

2.3半導(dǎo)體超晶格、量子阱材料

半導(dǎo)體超薄層微結(jié)構(gòu)材料是基于先進(jìn)生長技術(shù)（MBE，MOCVD）的新一代人工構(gòu)造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設(shè)計(jì)思想，出現(xiàn)了“電學(xué)和光學(xué)特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態(tài)量子器件的基礎(chǔ)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基晶格匹配和應(yīng)變補(bǔ)償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功地用來制造超高速，超高頻微電子器件和單片集成電路。高電子遷移率晶體管（HEMT），贗配高電子遷移率晶體管（P－HEMT）器件最好水平已達(dá)fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達(dá)500GHz，HEMT邏輯電路研制也發(fā)展很快?；谏鲜霾牧象w系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測器，紅、黃、橙光發(fā)光二極管和紅光激光器以及大功率半導(dǎo)體量子阱激光器已商品化；表面光發(fā)射器件和光雙穩(wěn)器件等也已達(dá)到或接近達(dá)到實(shí)用化水平。目前，研制高質(zhì)量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調(diào)制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅(qū)動(dòng)電路所需的低維結(jié)構(gòu)材料是解決光纖通信瓶頸問題的關(guān)鍵，在實(shí)驗(yàn)室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實(shí)驗(yàn)。另外，用于制造準(zhǔn)連續(xù)兆瓦級(jí)大功率激光陣列的高質(zhì)量量子阱材料也受到人們的重視。

雖然常規(guī)量子阱結(jié)構(gòu)端面發(fā)射激光器是目前光電子領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的有源器件，但由于其有源區(qū)極薄（～0.01μm）端面光電災(zāi)變損傷，大電流電熱燒毀和光束質(zhì)量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區(qū)量子級(jí)聯(lián)耦合是解決此難題的有效途徑之一。我國早在1999年，就研制成功980nm InGaAs帶間量子級(jí)聯(lián)激光器，輸出功率達(dá)5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報(bào)道了單個(gè)激光器準(zhǔn)連續(xù)輸出功率超過10瓦好結(jié)果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區(qū)縱向光耦合垂直腔面發(fā)射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質(zhì)量的新型激光器，在未來光通信、光互聯(lián)與光電信息處理方面有著良好的應(yīng)用前景。

為克服PN結(jié)半導(dǎo)體激光器的能隙對(duì)激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了基于量子阱內(nèi)子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級(jí)聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對(duì)波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級(jí)聯(lián)激光器（QCLs）發(fā)明以來，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過去的7年多的時(shí)間里，QCLs在向大功率、高溫和單膜工作等研究方面取得了顯著的進(jìn)展。2001年瑞士Neuchatel大學(xué)的科學(xué)家采用雙聲子共振和三量子阱有源區(qū)結(jié)構(gòu)使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達(dá)312K，連續(xù)輸出功率3mW.量子級(jí)聯(lián)激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠(yuǎn)紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調(diào)制器和無線光學(xué)連接等方面顯示出重要的應(yīng)用前景。中科院上海微系統(tǒng)和信息技術(shù)研究所于1999年研制成功120K 5μm和250K 8μm的量子級(jí)聯(lián)激光器；中科院半導(dǎo)體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準(zhǔn)連續(xù)應(yīng)變補(bǔ)償量子級(jí)聯(lián)激光器，使我國成為能研制這類高質(zhì)量激光器材料為數(shù)不多的幾個(gè)國家之一。

目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產(chǎn)型的MBE和M0CVD設(shè)備已研制成功并投入使用，每臺(tái)年生產(chǎn)能力可高達(dá)3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英國卡迪夫的MOCVD中心，法國的Picogiga MBE基地，美國的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有這種外延材料出售。生產(chǎn)型MBE和MOCVD設(shè)備的成熟與應(yīng)用，必然促進(jìn)襯底材料設(shè)備和材料評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。

（2）硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標(biāo)。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發(fā)光效率就成為一個(gè)亟待解決的問題。雖經(jīng)多年研究，但進(jìn)展緩慢。人們目前正致力于探索硅基納米材料（納米Si／SiO2），硅基SiGeC體系的Si1－yCy/Si1－xGex低維結(jié)構(gòu)，Ge／Si量子點(diǎn)和量子點(diǎn)超晶格材料，Si／SiC量子點(diǎn)材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發(fā)光器件和有關(guān)納米硅的受激放大現(xiàn)象的報(bào)道，使人們看到了一線希望。

另一方面，GeSi／Si應(yīng)變層超晶格材料，因其在新一代移動(dòng)通信上的重要應(yīng)用前景，而成為目前硅基材料研究的主流。Si/GeSi MODFET和MOSFET的最高截止頻率已達(dá)200GHz，HBT最高振蕩頻率為160GHz，噪音在10GHz下為0.9db，其性能可與GaAs器件相媲美。

盡管GaAs／Si和InP／Si是實(shí)現(xiàn)光電子集成理想的材料體系，但由于晶格失配和熱膨脹系數(shù)等不同造成的高密度失配位錯(cuò)而導(dǎo)致器件性能退化和失效，防礙著它的使用化。最近，Motolora等公司宣稱，他們在12英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長了器件級(jí)的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進(jìn)展。

2.4一維量子線、零維量子點(diǎn)半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料

基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)和庫侖阻效應(yīng)以及非線性光學(xué)效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過能帶工程實(shí)施）的新型半導(dǎo)體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎(chǔ)。它的發(fā)展與應(yīng)用，極有可能觸發(fā)新的技術(shù)革命。

目前低維半導(dǎo)體材料生長與制備主要集中在幾個(gè)比較成熟的材料體系上，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，并在納米微電子和光電子研制方面取得了重大進(jìn)展。俄羅斯約飛技術(shù)物理所MBE小組，柏林的俄德聯(lián)合研制小組和中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點(diǎn)激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3.6～4W.特別應(yīng)當(dāng)指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點(diǎn)激光器的有源區(qū)材料結(jié)構(gòu)中引入應(yīng)力緩解層，抑制了缺陷和位錯(cuò)的產(chǎn)生，提高了量子點(diǎn)激光器的工作壽命，室溫下連續(xù)輸出功率為1W時(shí)工作壽命超過5000小時(shí)，這是大功率激光器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，至今未見國外報(bào)道。

在單電子晶體管和單電子存貯器及其電路的研制方面也獲得了重大進(jìn)展，1994年日本NTT就研制成功溝道長度為30nm納米單電子晶體管，并在150K觀察到柵控源－漏電流振蕩；1997年美國又報(bào)道了可在室溫工作的單電子開關(guān)器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)了128Mb的單電子存貯器原型樣機(jī)的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。目前，基于量子點(diǎn)的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，單光子源和應(yīng)用于量子計(jì)算的量子比特的構(gòu)建等方面的研究也正在進(jìn)行中。

與半導(dǎo)體超晶格和量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的生長制備相比，高度有序的半導(dǎo)體量子線的制備技術(shù)難度較大。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的MBE小組，在繼利用MBE技術(shù)和SK生長模式，成功地制備了高空間有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子線和量子線超晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對(duì)準(zhǔn)（垂直或斜對(duì)準(zhǔn)）的物理起因和生長控制進(jìn)行了研究，取得了較大進(jìn)展。

王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的喬治亞理工大學(xué)的材料科學(xué)與工程系和化學(xué)與生物化學(xué)系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發(fā)技術(shù)，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導(dǎo)體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對(duì)稱截面的中空納米管或納米線不同，這些原生的納米帶呈現(xiàn)出高純、結(jié)構(gòu)均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯(cuò)；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達(dá)數(shù)毫米。這種半導(dǎo)體氧化物納米帶是一個(gè)理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運(yùn)現(xiàn)象和基于它的功能器件制造。香港城市大學(xué)李述湯教授和瑞典隆德大學(xué)固體物理系納米中心的Lars Samuelson教授領(lǐng)導(dǎo)的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導(dǎo)體量子線超晶格結(jié)構(gòu)的生長制各方面也取得了重要進(jìn)展。

低維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制備的方法很多，主要有：微結(jié)構(gòu)材料生長和精細(xì)加工工藝相結(jié)合的方法，應(yīng)變自組裝量子線、量子點(diǎn)材料生長技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術(shù)，單原子操縱和加工技術(shù)，納米結(jié)構(gòu)的輻照制備技術(shù)，及其在沸石的籠子中、納米碳管和溶液中等通過物理或化學(xué)方法制備量子點(diǎn)和量子線的技術(shù)等。目前發(fā)展的主要趨勢是尋找原子級(jí)無損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結(jié)構(gòu)。

2.5寬帶隙半導(dǎo)體材料

寬帶隙半導(dǎo)體材主要指的是金剛石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶體等，特別是SiC、GaN和金剛石薄膜等材料，因具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點(diǎn)，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導(dǎo)體微電子器件和電路的理想材料；在通信、汽車、航空、航天、石油開采以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍(lán)、綠光發(fā)光二極管（LED）和紫、藍(lán)、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應(yīng)用方面也顯示了廣泛的應(yīng)用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍(lán)綠光發(fā)光材料的研究熱點(diǎn)。目前，GaN基藍(lán)綠光發(fā)光二極管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大輸出功率為0.5W.在微電子器件研制方面，GaN基FET的最高工作頻率（fmax）已達(dá)140GHz，fT=67 GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發(fā)展很快。此外，256×256 GaN基紫外光電焦平面陣列探測器也已研制成功。特別值得提出的是，日本Sumitomo電子工業(yè)有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學(xué)方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動(dòng)藍(lán)光激光器和GaN基電子器件的發(fā)展。另外，近年來具有反常帶隙彎曲的窄禁帶InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重視，這是因?yàn)樗鼈冊陂L波長光通信用高T0光源和太陽能電池等方面顯示了重要應(yīng)用前景。

以Cree公司為代表的體SiC單晶的研制已取得突破性進(jìn)展，2英寸的4H和6H SiC單晶與外延片，以及3英寸的4H SiC單晶己有商品出售；以SiC為GaN基材料襯低的藍(lán)綠光LED業(yè)已上市，并參于與以藍(lán)寶石為襯低的GaN基發(fā)光器件的竟?fàn)?。其他SiC相關(guān)高溫器件的研制也取得了長足的進(jìn)步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價(jià)格昂貴。

II－VI族蘭綠光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美國3M公司成功地解決了II－VI族的P型摻雜難點(diǎn)而得到迅速發(fā)展。1991年3M公司利用MBE技術(shù)率先宣布了電注入（Zn，Cd）Se／ZnSe蘭光激光器在77K（495nm）脈沖輸出功率100mW的消息，開始了II－VI族蘭綠光半導(dǎo)體激光（材料）器件研制的。經(jīng)過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時(shí)，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發(fā)展和應(yīng)用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區(qū)材料的完整性，特別是要降低由非化學(xué)配比導(dǎo)致的點(diǎn)缺陷密度和進(jìn)一步降低失配位錯(cuò)和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問題。

寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料往往也是典型的大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，所謂大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料是指晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)或晶體的對(duì)稱性等物理參數(shù)有較大差異的材料體系，如GaN／藍(lán)寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發(fā)界面處大量位錯(cuò)和缺陷的產(chǎn)生，極大地影響著微結(jié)構(gòu)材料的光電性能及其器件應(yīng)用。如何避免和消除這一負(fù)面影響，是目前材料制備中的一個(gè)迫切要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。這個(gè)問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍(lán)光LED材料和器件已有商品出售外，大多數(shù)高溫半導(dǎo)體材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，不少影響這類材料發(fā)展的關(guān)鍵問題，如GaN襯底，ZnO單晶簿膜制備，P型摻雜和歐姆電極接觸，單晶金剛石薄膜生長與N型摻雜，II－VI族材料的退化機(jī)理等仍是制約這些材料實(shí)用化的關(guān)鍵問題，國內(nèi)外雖已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。

3光子晶體

光子晶體是一種人工微結(jié)構(gòu)材料，介電常數(shù)周期的被調(diào)制在與工作波長相比擬的尺度，來自結(jié)構(gòu)單元的散射波的多重干涉形成一個(gè)光子帶隙，與半導(dǎo)體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態(tài)晶體中的能帶論來描述三維周期介電結(jié)構(gòu)中光波的傳播，相應(yīng)光子晶體光帶隙（禁帶）能量的光波模式在其中的傳播是被禁止的。如果光子晶體的周期性被破壞，那么在禁帶中也會(huì)引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態(tài)密度隨光子晶體維度降低而量子化。如三維受限的“受主”摻雜的光子晶體有希望制成非常高Q值的單模微腔，從而為研制高質(zhì)量微腔激光器開辟新的途徑。光子晶體的制備方法主要有：聚焦離子束（FIB）結(jié)合脈沖激光蒸發(fā)方法，即先用脈沖激光蒸發(fā)制備如Ag/MnO多層膜，再用FIB注入隔離形成一維或二維平面陣列光子晶體；基于功能粒子（磁性納米顆粒Fe2O3，發(fā)光納米顆粒CdS和介電納米顆粒TiO2）和共軛高分子的自組裝方法，可形成適用于可光范圍的三維納米顆粒光子晶體；二維多空硅也可制作成一個(gè)理想的3－5μm和1.5μm光子帶隙材料等。目前，二維光子晶體制造已取得很大進(jìn)展，但三維光子晶體的研究，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題。最近，Campbell等人提出了全息光柵光刻的方法來制造三維光子晶體，取得了進(jìn)展。

4量子比特構(gòu)建與材料

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越?。╪m尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術(shù)限制，而無法滿足人類對(duì)更大信息量的需求。為此，發(fā)展基于全新原理和結(jié)構(gòu)的功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是21世紀(jì)人類面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。1994年Shor基于量子態(tài)疊加性提出的量子并行算法并證明可輕而易舉地破譯目前廣泛使用的公開密鑰Rivest，Shamir和Adlman（RSA）體系，引起了人們的廣泛重視。

所謂量子計(jì)算機(jī)是應(yīng)用量子力學(xué)原理進(jìn)行計(jì)的裝置，理論上講它比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)有更快的運(yùn)算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計(jì)算機(jī)理想極限。實(shí)現(xiàn)量子比特構(gòu)造和量子計(jì)算機(jī)的設(shè)想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進(jìn)行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計(jì)算機(jī)要工作在mK的低溫下。

這種量子計(jì)算機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術(shù)的發(fā)展。除此之外，為了避免雜質(zhì)對(duì)磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質(zhì)）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅單晶；減小SiO2絕緣層的無序漲落以及如何在硅里摻入規(guī)則的磷原子陣列等是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的關(guān)鍵。量子態(tài)在傳輸，處理和存儲(chǔ)過程中可能因環(huán)境的耦合（干擾），而從量子疊加態(tài)演化成經(jīng)典的混合態(tài)，即所謂失去相干，特別是在大規(guī)模計(jì)算中能否始終保持量子態(tài)間的相干是量子計(jì)算機(jī)走向?qū)嵱没八匦杩朔碾y題。

5發(fā)展我國半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議

鑒于我國目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國力和半導(dǎo)體材料的發(fā)展水平，提出以下發(fā)展建議供參考。

5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術(shù)的主導(dǎo)地位

至少到本世紀(jì)中葉都不會(huì)改變，至今國內(nèi)各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進(jìn)口。目前國內(nèi)雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產(chǎn)6英寸的硅外延片，然而都未形成穩(wěn)定的批量生產(chǎn)能力，更談不上規(guī)模生產(chǎn)。建議國家集中人力和財(cái)力，首先開展8英寸硅單晶實(shí)用化和6英寸硅外延片研究開發(fā)，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國產(chǎn)化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應(yīng)有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規(guī)模生產(chǎn)能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應(yīng)及時(shí)布點(diǎn)研制。另外，硅多晶材料生產(chǎn)基地及其相配套的高純石英、氣體和化學(xué)試劑等也必需同時(shí)給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國家之林。

5.2 GaAs及其有關(guān)化合物半導(dǎo)體單晶材料發(fā)展建議

GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現(xiàn)在拉晶和晶片加工設(shè)備落后，沒有形成生產(chǎn)能力。相信在國家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭取企業(yè)介入，建立我國自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長，分工協(xié)作，到2010年趕上世界先進(jìn)水平是可能的。要達(dá)到上述目的，到“十五”末應(yīng)形成以4英寸單晶為主2－3噸／年的SI－GaAs和3－5噸／年摻雜GaAs、InP單晶和開盒就用晶片的生產(chǎn)能力，以滿足我國不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需術(shù)。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。

5.3發(fā)展超晶格、量子阱和一維、零維半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的建議

（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎(chǔ)出發(fā)，應(yīng)以三基色（超高亮度紅、綠和藍(lán)光）材料和光通信材料為主攻方向，并兼顧新一代微電子器件和電路的需求，加強(qiáng)MBE和MOCVD兩個(gè)基地的建設(shè)，引進(jìn)必要的適合批量生產(chǎn)的工業(yè)型MBE和MOCVD設(shè)備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP， GaN基藍(lán)綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實(shí)用化研究是當(dāng)務(wù)之急，爭取在“十五”末，能滿足國內(nèi)2、3和4英寸GaAs生產(chǎn)線所需要的異質(zhì)結(jié)材料。到2010年，每年能具備至少100萬平方英寸MBE和MOCVD微電子和光電子微結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)能力。達(dá)到本世紀(jì)初的國際水平。

寬帶隙高溫半導(dǎo)體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應(yīng)擇優(yōu)布點(diǎn)，分別做好研究與開發(fā)工作。

（2）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想?；诘途S半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)納米量子器件，目前雖然仍處在預(yù)研階段，但極其重要，極有可能觸發(fā)微電子、光電子技術(shù)新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結(jié)構(gòu)材料生長和納米加工技術(shù)的進(jìn)步，而納米結(jié)構(gòu)材料的質(zhì)量又很大程度上取決于生長和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國自己的納米科學(xué)與技術(shù)研究發(fā)展中心就成為了成敗的關(guān)鍵。具體目標(biāo)是，“十五”末，在半導(dǎo)體量子線、量子點(diǎn)材料制備，量子器件研制和系統(tǒng)集成等若干個(gè)重要研究方向接近當(dāng)時(shí)的國際先進(jìn)水平；2010年在有實(shí)用化前景的量子點(diǎn)激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發(fā)方面，達(dá)到國際先進(jìn)水平，并在國際該領(lǐng)域占有一席之地?？梢灶A(yù)料，它的實(shí)施必將極大地增強(qiáng)我國的經(jīng)濟(jì)和國防實(shí)力。

本文限于篇幅，只討論了幾種最重要的半導(dǎo)體材料，II－VI族寬禁帶與II－VI族窄禁帶紅外半導(dǎo)體材料，高效太陽電池材料Cu（In，Ga）Se2，CuIn（Se，S）等以及發(fā)展迅速的有機(jī)半導(dǎo)體材料等沒有涉及。

第4篇：半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī)；半導(dǎo)體制冷；太陽能；溫度傳感器外模塊

1 概述

當(dāng)前科技化、自動(dòng)化和生態(tài)化是全世界未來發(fā)展的趨勢，由市場調(diào)查的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說明，隨著人們生活節(jié)奏的加快，越來越多的人會(huì)選擇快遞（外賣）這種方式，而傳統(tǒng)的運(yùn)送快遞（外賣）選擇的保溫箱在運(yùn)送途中可能導(dǎo)致重要物品或食品的變質(zhì)或損壞，并不具備中長時(shí)間恒溫保存的功能。當(dāng)今，隨著常規(guī)能源等消耗量的大規(guī)模增加，日益惡化的生態(tài)環(huán)境迫使人們積極尋找一條新的可持續(xù)發(fā)展的能源之路。由于太陽能電池技術(shù)的發(fā)展和成熟，太陽能電池作為可再生能源是目前應(yīng)用最為廣泛的發(fā)電裝置。市場保溫箱品種性能單一，不具備創(chuàng)新性和環(huán)保性。針對(duì)以上問題我們設(shè)計(jì)了基于控制冬夏季溫度變化的新型太陽能保鮮箱。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心控制模塊，分別與溫度傳感器、半導(dǎo)體制冷片、半導(dǎo)體散熱套件來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保持箱內(nèi)溫度的功能；利用太陽能電池板，光伏充電控制器和蓄電池裝置對(duì)其進(jìn)行供電，環(huán)保無污染；利用路繼電器模塊帶光耦隔離、TTL RS232模塊、可調(diào)降壓穩(wěn)壓模塊控制并穩(wěn)定元件的輸出及耗損，通過電流的持續(xù)輸出達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的控溫狀態(tài)。

3 功能及原理介紹

3.1 通過半導(dǎo)體制冷片控溫并穩(wěn)定的原理

該種保鮮箱的低溫環(huán)境試驗(yàn)與一般的恒溫空調(diào)不同，它要求對(duì)制冷量和加熱量進(jìn)行比較頻繁的調(diào)節(jié)，因此，其控制要求較高。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高。半導(dǎo)體材料制冷片的工作原理是：當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，當(dāng)電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端； 當(dāng)電流由P 型元件流向N 型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P極的元件對(duì)數(shù)來決定。當(dāng)制冷片內(nèi)部由上百對(duì)電偶聯(lián)成一熱電堆同時(shí)工作時(shí)，就能達(dá)到我們所需要的制冷或制熱效果。[1]

3.2 太陽能電池板連接蓄電池對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電

采用12V太陽能電池和12V蓄電池連接，用一個(gè)光伏充電控制器，控制太陽能電池的輸出電壓，可以保護(hù)電池不被過充， 同時(shí)，也確保晚上太陽能電池不發(fā)電時(shí)，防止蓄電池的電倒流。連接方式如下：太陽能電池――光伏控制器――蓄電池――直流負(fù)載。在太陽能給蓄電池充電的同時(shí)，蓄電池向外供電完全可行，在這樣的情況下，負(fù)載使用的電力會(huì)優(yōu)先直接使用太陽能電池的電，剩余的充到電池里；相反，若此太陽能電池的電量不夠，會(huì)同時(shí)從蓄電池內(nèi)取電。[2]

3.3 AT89S52單片機(jī)控制的溫度傳感器對(duì)溫度系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

基于AT89S52單片機(jī)的數(shù)字溫度計(jì)設(shè)計(jì)，即對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，使用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)。測量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，采用智能溫度傳感器以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)字化，既能以數(shù)字形式直接輸出被測溫度值，具有測量誤差小分辨力高，抗干擾能力強(qiáng)，能夠遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，帶串行總線接口等優(yōu)點(diǎn)。

4 新型太陽能保鮮箱推廣應(yīng)用實(shí)踐策略

當(dāng)然要想充分發(fā)揮新型太陽能保鮮箱的效能，展現(xiàn)其環(huán)保性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，還需要注重新型太陽能保鮮箱的推廣應(yīng)用工作的開展。具體來講，需要積極做好以下幾個(gè)方面的工作：

4.1 鼓勵(lì)太陽能保鮮箱的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

無論是AT89S52單片機(jī)芯片與溫度傳感器模塊，還是路繼電器模塊帶光耦隔離和TTL RS232模塊，或者是可調(diào)降壓穩(wěn)壓模塊和半導(dǎo)體制冷片，乃至是半導(dǎo)體散熱套件及太陽能電池板，都是當(dāng)前高新技術(shù)發(fā)展的代表。也就是說在開展新型太陽能保鮮箱設(shè)計(jì)的時(shí)候，要樹立創(chuàng)新意識(shí)，結(jié)合當(dāng)前市場客戶的需求，研發(fā)出適銷對(duì)路的產(chǎn)品。當(dāng)然鼓勵(lì)太陽能保鮮箱的創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要對(duì)應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制：其一，高度重視關(guān)于太陽能保鮮箱相關(guān)理論的研究，鼓勵(lì)學(xué)者和專家緊跟當(dāng)前國際保鮮技術(shù)理論潮流，深入研究，形成健全的太陽能保鮮箱設(shè)計(jì)理論體系；其二，高度重視自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)工作，為太陽能保鮮創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作者創(chuàng)造良好的政策環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)自身創(chuàng)新能力的提升。

4.2 健全新型太陽能保鮮箱推廣體系

此款新型太陽能保鮮箱有著經(jīng)濟(jì)效益好，運(yùn)行穩(wěn)定，環(huán)保低碳的特點(diǎn)，這與當(dāng)前建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)來講，是很值得在市場上進(jìn)行推廣的產(chǎn)品。為此，建立健全新型太陽能保鮮箱推廣體系，顯得尤為必要。為此，其主要需要做好以下幾個(gè)方面的工作：其一，培養(yǎng)專業(yè)化的太陽能保鮮箱推廣團(tuán)隊(duì)，要求各個(gè)成員全面了解新型太陽能保鮮箱的優(yōu)勢，明確其消費(fèi)群體的特點(diǎn)，以便高效的去開展?fàn)I銷活動(dòng)；其二，國家應(yīng)該針對(duì)于這種環(huán)保型的太陽能保鮮箱制定對(duì)應(yīng)的補(bǔ)貼政策，刺激新型太陽能保鮮箱的消費(fèi)需求，使得其更加快的融入到市場中去。

5 結(jié)束語

目前，隨著社會(huì)節(jié)奏的加快，快遞或物品的運(yùn)輸業(yè)也十分發(fā)達(dá)，從而貴重或不易保存的物品的儲(chǔ)存運(yùn)輸方法就顯得尤為重要。而傳統(tǒng)的運(yùn)輸保存方式，一是因保存不周可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生變化，二是可能因過高的運(yùn)輸保存成本導(dǎo)致人們難以承受，針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)的基于控制冬夏季溫度變化的新型太陽能保鮮箱通過成本較低的AT89S52單片機(jī)控制的半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)及常用的溫度傳感器外模塊即可達(dá)到上述幾點(diǎn)要求。并且此套設(shè)計(jì)系統(tǒng)以太陽能電池板和蓄電池裝置供電，替代常規(guī)能源，綠色環(huán)保無污染，符合可持續(xù)發(fā)展要求。其經(jīng)濟(jì)實(shí)用，簡易創(chuàng)新，綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)定會(huì)被人們接受，可以廣泛推廣，從而創(chuàng)造良好的市場前景。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭弘.一種基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的冷暖控制器主機(jī)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2009，7.

第5篇：半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體器件；物理；教學(xué)改革

半導(dǎo)體器件物理是微電子學(xué)、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是應(yīng)用型本科院校培養(yǎng)新興光電產(chǎn)業(yè)所需的應(yīng)用技術(shù)人才必備的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)課程。該課程是連接半導(dǎo)體材料性質(zhì)和器件應(yīng)用的橋梁學(xué)科，在新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)人才的知識(shí)結(jié)構(gòu)中具有重要的基礎(chǔ)地位。因此，探討教學(xué)中存在的問題，改革教學(xué)的方式方法具有重要意義。

一、課堂教學(xué)中產(chǎn)生的問題及原因分析

1.學(xué)生聽課效率低，學(xué)習(xí)興趣淡薄，考試成績低

以某大學(xué)光電行業(yè)方向工科專業(yè)近三年半導(dǎo)體器件物理考試成績分布情況為例，表1中近三年學(xué)生成績均顯示出60分左右的人數(shù)最多，以60分為原點(diǎn)，其高分和低分兩側(cè)的人數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的正態(tài)分布。從表1中還可以看出，成績低分人數(shù)逐年增多，成績偏離理想狀況較多。

2.針對(duì)問題分析原因

導(dǎo)致表1結(jié)果的原因有以下三方面：

（1）學(xué)生的物理基礎(chǔ)參差不齊，知識(shí)結(jié)構(gòu)存在斷層

近年來，由于高考制度的改革，部分學(xué)生參加高考時(shí)未選報(bào)物理，物理僅作為會(huì)考科目使得相當(dāng)一部分高中學(xué)生輕視物理的學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入大學(xué)，有些專業(yè)大學(xué)物理成為必修課，由于學(xué)生高中物理基礎(chǔ)差別很大，因此，同一班級(jí)的學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力就表現(xiàn)得參差不齊。

對(duì)于一般工科專業(yè)的學(xué)生（包括面向新興光電產(chǎn)業(yè)的工科專業(yè)）來說，他們大二或大三開始學(xué)習(xí)半導(dǎo)體器件物理課程（或半導(dǎo)體物理課程）時(shí)，他們的物理基礎(chǔ)只有在高中學(xué)過的普通物理和大學(xué)學(xué)過大學(xué)物理，其內(nèi)容也僅涉及經(jīng)典物理學(xué)中的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)的基本規(guī)律，而近代物理中的實(shí)物粒子的波粒二象性、原子中電子分布和原子躍遷的基本規(guī)律、微觀粒子的薛定諤方程和固體物理的基本理論均未涉及。半導(dǎo)體器件物理課程的接受對(duì)象，不僅在物理基礎(chǔ)上參差不齊，而且在物理知識(shí)結(jié)構(gòu)上還存在斷層，這給該課程的教和學(xué)增加了難度。

另外，即使增加學(xué)習(xí)該門課程所必需的近代物理、量子物理初步知識(shí)和固體物理的基礎(chǔ)內(nèi)容，但由于課程課時(shí)的限制，也決定了該課程在學(xué)習(xí)時(shí)存在較大的知識(shí)跨度，很多學(xué)生難以跟上進(jìn)度。

（2）課程理論性強(qiáng)，較難理解的知識(shí)點(diǎn)集中

半導(dǎo)體器件物理課程以半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)和應(yīng)用為基本內(nèi)容，內(nèi)容編排上從理想本征半導(dǎo)體的性質(zhì)和半導(dǎo)體的摻雜改性，到P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合形成半導(dǎo)體器件的核心單元，再到各種PN結(jié)的設(shè)計(jì)和控制，采取層層推進(jìn)的方式，邏輯嚴(yán)密，理論性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生的要求也高，每一部分的核心內(nèi)容都要扎實(shí)掌握才能跟上學(xué)習(xí)的進(jìn)度。同時(shí)，在各章內(nèi)容講解過程中幾乎都有若干較難的知識(shí)點(diǎn)，如本征半導(dǎo)體性質(zhì)部分的有效質(zhì)量、空穴的概念、能帶的形成、導(dǎo)帶和價(jià)帶的概念等；半導(dǎo)體摻雜改性部分的施主、受主、施主能級(jí)、受主能級(jí)、半導(dǎo)體中的載流子分布規(guī)律、平衡載流子和非平衡載流子以及載流子的漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；簡單PN結(jié)部分的平衡PN結(jié)、非平衡PN結(jié)、PN結(jié)的能帶和工作原理；不同專業(yè)在PN結(jié)的設(shè)計(jì)和控制這部分會(huì)根據(jù)所設(shè)專業(yè)選取不同的章節(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)，面向光電行業(yè)的本科專業(yè)則通常選取半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和發(fā)光這部分來講授，該部分包含半導(dǎo)體的躍遷類型，以及半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)和發(fā)光二極管等的工作原理。這些知識(shí)點(diǎn)分布集中，環(huán)環(huán)相套，步步遞進(jìn)，因此理解難度較大。

（3）學(xué)習(xí)態(tài)度不端正的現(xiàn)象普遍存在

近幾年，在社會(huì)大環(huán)境的影響下，學(xué)習(xí)態(tài)度不端正現(xiàn)象在本科各專業(yè)學(xué)生中普遍存在。無故遲到曠課情況經(jīng)常發(fā)生，作業(yè)抄襲現(xiàn)象嚴(yán)重，學(xué)生獨(dú)立思考積極性差。電子產(chǎn)品的普及也嚴(yán)重影響到了學(xué)生上課的積極性，很多學(xué)生成了手機(jī)控，即使坐在課堂上也頻頻看手機(jī)、上網(wǎng)。有些學(xué)生上課連課本都不帶，更談不上用記錄本記錄重點(diǎn)、難點(diǎn)。特別是半導(dǎo)體器件物理這門課程涉及的知識(shí)點(diǎn)密集，重點(diǎn)、難點(diǎn)較多，知識(shí)連貫性要求高，如果一些知識(shí)點(diǎn)漏掉了，前后可能就連貫不起來，容易使疑難問題堆積起來，對(duì)于不認(rèn)真聽講的部分學(xué)生來說，很快就跟不上進(jìn)度了。另外，學(xué)生畏難情緒較嚴(yán)重，課下也不注意復(fù)習(xí)答疑，迎難而上的精神十分少見。俗話說，“師傅領(lǐng)進(jìn)門，修行在個(gè)人?！痹谡n時(shí)緊張、學(xué)生積極性差、課程理論性強(qiáng)等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學(xué)效率。

二、改進(jìn)方法的探討

針對(duì)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，本文從教學(xué)方法和教學(xué)手段兩個(gè)方面入手來探討該課程教學(xué)的改進(jìn)。

1.教學(xué)方法的改革

半導(dǎo)體器件物理課程教學(xué)改革以建設(shè)完整的半導(dǎo)體理論體系和實(shí)踐應(yīng)用體系為目標(biāo)，一方面，著重在教學(xué)觀念、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教師隊(duì)伍、教學(xué)管理和教材方面進(jìn)行建設(shè)和改革，形成適合應(yīng)用型本科專業(yè)學(xué)生的課程體系。另一方面，我國本科院校正處于教育的轉(zhuǎn)型發(fā)展時(shí)期，圍繞應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，按照“專業(yè)設(shè)置與產(chǎn)業(yè)需求相對(duì)接、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)接、教學(xué)過程與生產(chǎn)過程相對(duì)接”的原則，半導(dǎo)體器件物理課程改革重視基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能教學(xué)，力爭構(gòu)建以能力為本的課程體系，做到與時(shí)俱進(jìn)。本課程改革具體體現(xiàn)在以下六個(gè)方面：

（1）轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念

改變傳統(tǒng)向?qū)W生灌輸理論知識(shí)的教學(xué)觀念，以學(xué)習(xí)與新興行業(yè)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)為導(dǎo)向，確定該課程在整個(gè)專業(yè)課程體系中承上啟下的基礎(chǔ)性地位，在教學(xué)觀念上采取不求深，但求透的理念。

（2）組織教學(xué)內(nèi)容

為構(gòu)建以能力為本的課程體系，本課程改革在重視基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的教學(xué)、合理構(gòu)建應(yīng)用型人才的知識(shí)體系的同時(shí)，力爭使學(xué)生了解半導(dǎo)體器件制作和應(yīng)用的職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及其發(fā)展的熱點(diǎn)問題，并積極實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”一體化的教學(xué)模式，故此本課程改革分幾個(gè)層次組織教學(xué)內(nèi)容。

第一層次為基礎(chǔ)知識(shí)鋪墊。為解決學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)不完整的問題，在講授半導(dǎo)體器件物理之前要進(jìn)行固體物理學(xué)課程知識(shí)的鋪墊，還要增加近論物理學(xué)知識(shí)，如原子物理和量子力學(xué)的知識(shí)，為學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)框架，降低認(rèn)知落差。

第二層次為半導(dǎo)體物理基本理論，也是本課程的主體部分。包括單一半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)、半導(dǎo)體PN結(jié)的工作原理、常見半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工作原理和半導(dǎo)體的光電及發(fā)光現(xiàn)象和應(yīng)用。

第三層次為課內(nèi)開放性實(shí)驗(yàn)。在理工科學(xué)生必修的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（如“電阻應(yīng)變傳感器”、“太陽電池伏安特性測量”、“光電傳感器基本特性測量”、“霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用”等）的基礎(chǔ)上，結(jié)合專業(yè)方向設(shè)置若干實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生了解半導(dǎo)體電子和光電器件的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理及制作的工藝流程以及職業(yè)要求和標(biāo)準(zhǔn)，還有行業(yè)熱點(diǎn)問題，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，提高動(dòng)手能力和實(shí)踐能力。

第四層次為開展課題式實(shí)踐教育，實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)學(xué)研”一體化。為解決傳統(tǒng)教學(xué)理論和實(shí)踐脫節(jié)問題，以基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和針對(duì)各專業(yè)方向設(shè)置的與半導(dǎo)體器件應(yīng)用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為實(shí)踐基礎(chǔ)，開展大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生利用課余時(shí)間進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室和工廠企業(yè)，利用已學(xué)理論對(duì)行業(yè)熱點(diǎn)問題進(jìn)行思考和探究，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)。

（3）調(diào)整教學(xué)方法

一方面，要正確處理物理模型和數(shù)學(xué)分析的關(guān)系，不追求公式推導(dǎo)的嚴(yán)密性，強(qiáng)調(diào)對(duì)物理結(jié)論的正確理解和應(yīng)用。另一方面，充分利用現(xiàn)代化的教學(xué)設(shè)施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動(dòng)，采用討論式、啟發(fā)式和探究式教學(xué)，調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性和主動(dòng)性。

（4）建設(shè)教學(xué)隊(duì)伍

對(duì)國內(nèi)知名院校的相關(guān)專業(yè)進(jìn)行考察和調(diào)研，學(xué)習(xí)先進(jìn)教學(xué)理念和教學(xué)方法，邀請國內(nèi)外相關(guān)專業(yè)的專家進(jìn)行講座，邀請企業(yè)高級(jí)技術(shù)人才和管理人才作為兼職教授來為學(xué)生講授當(dāng)前最前沿、最先進(jìn)的技術(shù)及產(chǎn)品，并參與教學(xué)大綱及教學(xué)內(nèi)容的修訂。另外，鼓勵(lì)教師團(tuán)隊(duì)充分利用產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)的機(jī)會(huì)深入企業(yè)，提高教師隊(duì)伍的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和綜合素質(zhì)，為培養(yǎng)雙師型教師打下基礎(chǔ)。

（5）完善教材體系

教材是保證教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是提高專業(yè)教學(xué)水平的有效方法。針對(duì)理工科專業(yè)特色方向及學(xué)生培養(yǎng)的目標(biāo)，除選用經(jīng)典的國家級(jí)規(guī)劃教材――《半導(dǎo)體物理學(xué)》以外，還組織精干力量編寫專業(yè)特色方向的相關(guān)教材，以形成完善的半導(dǎo)體理論和實(shí)踐相結(jié)合的教材體系，在教材中融入學(xué)校及專業(yè)特色，注重理論和實(shí)踐相結(jié)合，增加案例分析，體現(xiàn)學(xué)以致用。

（6）加強(qiáng)教學(xué)管理

良好的教學(xué)管理是提高教學(xué)質(zhì)量的必要手段。首先根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)以及本課程的教學(xué)目標(biāo)合理制訂教學(xué)大綱及教學(xué)計(jì)劃。在授課過程中充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，積極與學(xué)生交流，了解學(xué)生現(xiàn)狀，建立學(xué)生評(píng)價(jià)體系，改進(jìn)教學(xué)方法、教學(xué)手段及教學(xué)內(nèi)容等，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.教學(xué)手段改革

（1）采用類比的教學(xué)方法

課堂上將深?yuàn)W理論知識(shí)與現(xiàn)實(shí)中可比事物進(jìn)行類比，讓學(xué)生易于理解基本理論。例如，在講半導(dǎo)體能帶中電子濃度計(jì)算時(shí)，將教室中一排排桌椅類比為能帶中的能級(jí)，將不規(guī)則就座的學(xué)生類比為占據(jù)能級(jí)的電子，計(jì)算導(dǎo)帶中電子的濃度類比為計(jì)算教室中各排上學(xué)生數(shù)量總和再除以教室體積。讓學(xué)生從現(xiàn)實(shí)生活中找出例子與抽象的半導(dǎo)體理論進(jìn)行形象化類比，幫助學(xué)生理解半導(dǎo)體的基本概念和理論。

（2）采用理論實(shí)踐相結(jié)合的方法

在教學(xué)中時(shí)刻注意理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)方法，例如，根據(jù)學(xué)生專業(yè)方向，在講述寬帶隙半導(dǎo)體材料的發(fā)光性能時(shí)，給學(xué)生總結(jié)介紹了LED芯片材料的類型和對(duì)應(yīng)的發(fā)光波長，讓學(xué)生體會(huì)到材料性質(zhì)是器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。

（3）構(gòu)建網(wǎng)上學(xué)習(xí)系統(tǒng)

建立紙質(zhì)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的一體化體系，及時(shí)更新、充實(shí)課程資源與信息，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)課程的網(wǎng)絡(luò)輔助教學(xué)和優(yōu)秀資源共享。這些資源包括與本課程相關(guān)的教學(xué)大綱、教材、多媒體課件、教學(xué)示范、習(xí)題、習(xí)題答案、參考文獻(xiàn)、學(xué)生作業(yè)及半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展前沿技術(shù)講座等。

（4）開展綜合創(chuàng)新的實(shí)踐

充分利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，為學(xué)生提供實(shí)踐條件。同時(shí)積極開拓校外實(shí)踐基地，加強(qiáng)校企合作，為學(xué)生實(shí)習(xí)、實(shí)踐提供良好的平臺(tái)，使課程教學(xué)和實(shí)踐緊密結(jié)合。鼓勵(lì)學(xué)生根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，與教師科研結(jié)合，申請大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，以提高學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力及應(yīng)用能力。

（5）改革考核體制

改變傳統(tǒng)以閉卷考試為主的考核方式，在考核體制上采取閉卷、討論、答辯和小論文等多種評(píng)價(jià)方式，多角度衡量、綜合評(píng)定教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉秋香，王銀海，趙韋人，等.“半導(dǎo)體物理學(xué)”課程教學(xué)實(shí)踐與探索[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2010（10）：87-88，94.

[2]徐煒煒，黃靜.從半導(dǎo)體物理課程教學(xué)談高素質(zhì)人才培養(yǎng)[J].南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，8（4）：97-99.

[3]王印月，趙猛.改革半導(dǎo)體課程教學(xué)融入研究性學(xué)習(xí)思想[J].高等理科教育，2003，47（1）：69-71.

第6篇：半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：太陽能電池；半導(dǎo)體 ；非晶硅薄膜材料；

【分類號(hào)】：TK519；TK121

一、太陽能電池半導(dǎo)體工作原理

制作太陽能電池主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，其工作原理是利用光電材料吸收光能后發(fā)生光電于轉(zhuǎn)換反應(yīng)，根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池材料可分為：1、硅太陽能電池材料；2、以無機(jī)鹽如砷化鎵 III-V 化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；3、功能高分子材料制備的大陽能電池；4、納米晶材料太陽能電池等。

二、太陽能電池材料的嚴(yán)格要求

不論以何種材料來制作電池，對(duì)太陽能電池材料一般的要求有：1、半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；2、要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；3、材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；4、材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。基于以上 幾個(gè)方面考慮，硅是最理想的太陽能電池材料，這也是太陽能電池以硅材料為主 的主要原因。但隨著新材料的不斷開發(fā)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以其它村料為基礎(chǔ)的 太陽能電池也愈來愈顯示出誘人的前景。

三、太陽能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

太陽能電池是將太陽光能直接轉(zhuǎn)換成電能的光電池 。以太陽電池組成的地面發(fā)電系統(tǒng)， 管理簡單、使用可靠、易于實(shí)現(xiàn)無人值守。 由于組件框架式結(jié)構(gòu) ，質(zhì)量輕 ，運(yùn)輸 、安裝 、拆卸都很方便。安裝時(shí)對(duì)場地基礎(chǔ)要求不高，建設(shè)工期短，運(yùn)行時(shí)無噪聲、無振動(dòng) 。作為一種特殊的供電裝置，受到廣大無電地區(qū)的用戶歡迎。近年來全球太陽能電池產(chǎn)量增長迅速，1994 年產(chǎn)量為 72.7M w ，1995 年產(chǎn)量為 90M w 。國內(nèi)市場也 出現(xiàn)需求旺盛 ，產(chǎn)量同步增長的情況。

四、薄膜太陽能電池材料的發(fā)展?fàn)顩r

為了節(jié)省高質(zhì)量材料，尋找單晶硅電池材料的替代產(chǎn)品，現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽能電池材料，其中多晶硅薄膜太陽能電池材料和非晶硅薄膜太陽能電池材料就是典型代表。

1、多晶硅薄膜材料電池

通常的晶體硅太陽能電池是在厚度 350～450μm 的高質(zhì)量硅片上制成的， 這種硅片從提拉或澆鑄的硅錠上鋸割而成。因此實(shí)際消耗的硅材料更多。為了節(jié)省 材料，人們從 70 年代中期就開始在廉價(jià)襯底上沉積多晶硅薄膜，但由于生長的 硅膜晶粒大小，未能制成有價(jià)值的太陽能電池。研究發(fā)現(xiàn)，在非硅襯底上很難形成較大的晶粒，并且容易在晶粒間形成空隙。 解決這一問題辦法是先用 LPCVD 在襯底上沉熾一層較薄的非晶硅層，再將這層非晶硅層退火，得到較大的晶粒，然后再在這層籽晶上沉積厚 的多晶硅薄膜，因此，再結(jié)晶技術(shù)無疑是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，目前采用的技術(shù)主 要有固相結(jié)晶法和中區(qū)熔再結(jié)晶法。

2、非晶硅薄膜太陽能電池

開發(fā)太陽能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本。由于非晶硅薄膜材料太陽能電池的成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得到 迅速發(fā)展，其實(shí)早在 70 年代初，Carlson 等就已經(jīng)開始了對(duì)非晶硅材料電池的研 制工作，近幾年它的研制工作得到了迅速發(fā)展，目前世界上己有許多家公司在此種 材料的基礎(chǔ)上生產(chǎn)該種電池產(chǎn)品。 非晶硅作為太陽能材料盡管是一種很好的電池材料，但由于其光學(xué)帶隙為 1.7eV， 使得材料本身對(duì)太陽輻射光譜的長波區(qū)域不敏感，這樣一來就限制了非晶 硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。此外，其光電效率會(huì)隨著光照時(shí)間的延續(xù)而衰減，即 所謂的光致衰退 S 一 W 效應(yīng)，使得電池性能不穩(wěn)定。解決這些問題的這徑就是制備疊層太陽能電池，疊層太陽能電池是由在制備的 p、i、n 層單結(jié)太陽能電池 上再沉積一個(gè)或多個(gè) P-i-n 子電池制得的。疊層太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率、解決單結(jié)電池不穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題在于：①它把不同禁帶寬度的材科組臺(tái)在一起，提高了光譜的響應(yīng)范圍；②頂電池的 i 層較薄，光照產(chǎn)生的電場強(qiáng)度變化不大，保 證 i 層中的光生載流子抽出；③底電池產(chǎn)生的載流子約為單電池的一半，光致衰 退效應(yīng)減?。虎墀B層太陽能電池各子電池是串聯(lián)在一起的。 非晶硅薄膜材料太陽能電池的制備方法有很多，其中包括反應(yīng)濺射法、 PECVD 法、LPCVD 法等，反應(yīng)原料氣體為 H2 稀釋的 SiH4，襯底主要為玻璃及 不銹鋼片， 制成的非晶硅薄膜經(jīng)過不同的電池工藝過程可分別制得單結(jié)電池和疊層太陽能電池。

3、化合物薄膜太陽能電池

3.1 碲化鎘太陽能電池

碲化鎘（ Cd Te）材料成本低、效率高.且光譜響應(yīng)與太陽光譜分吻合。薄膜的 生長工藝主要有絲網(wǎng)印刷燒結(jié)法、近空間升華法、真空蒸發(fā)法等。碲化鎘半導(dǎo)體 光伏材料理論轉(zhuǎn)換效為 30 % o。Cd Te 電池實(shí)驗(yàn)室效率 16. 4%大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè) 化電池平均效率 8%一 10%。四川大學(xué)制備出的電池率達(dá) 11.6 %。以 cd Te 吸收 層，CdS 作窗口層的結(jié)構(gòu)為：減反射膜/玻璃/ SnOz ： F/ CdS/ P-CdTe/背電極，這種 電池轉(zhuǎn)換效率達(dá) 16 %。

3.2砷化鎵太陽能電池

1954 年.首次發(fā)現(xiàn)砷化鎵材料具有光生伏特效應(yīng)，1974 年砷化鎵電池效率的 理論值達(dá) 22 %～25 %。實(shí)驗(yàn)室條件下在 CaA s 單結(jié)電池效率已超過 25 %。目前 研究的砷化鎵系列太陽能電池有單品砷化鎵、多品砷化鎵 ， 鎵鋁砷一砷化鎵異 質(zhì)結(jié)、金屬一半導(dǎo)體砷化鎵、金屬一絕緣體半導(dǎo)體砷化鎵等。材料的制備類似于 硅半導(dǎo)體的制備，有晶體生長法、直.接拉制法、氣相生長法、液相外延法等。 另外 III-V 族三、四元化合物（ CaInP ，Al CaInP ， CaInA s 等）半導(dǎo)體材料的技術(shù)日 益成熟，可通過設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)來提高效率和降低成本。雙結(jié)電池的效率最高為 30%，三結(jié)電池為 38%，四結(jié)電池為 41 %。

4、聚合物薄膜太陽能電池

以聚合物為材料的太陽能電池是近些年開始的研究方 向.具有分子結(jié)構(gòu)自行設(shè)計(jì)合成、易加工、毒性小、成本低等特點(diǎn)。目前制作聚合物半導(dǎo)體層主要是：真空技術(shù)，主要包括真空鍍膜濺射和分子束外延生長技術(shù)； 溶液處理成膜技術(shù).主要有電化學(xué)沉積技術(shù)、鑄膜技術(shù)、分子組裝技術(shù)、印刷技 術(shù)等；單品技術(shù).主要有電化學(xué)法、擴(kuò)散法和氣相法。 Heeger 等發(fā)現(xiàn).聚乙炔用 Iz ，AsFs 摻雜后電導(dǎo)率明顯增高?？谇?P3 H T/ PCB M 體系最高的光電轉(zhuǎn)化效率為 4% 。使帶雙嚓嗯乙烯撐邊鏈的二維共 扼聚嚓吩與 PCB M 共混時(shí).能量轉(zhuǎn)換效率達(dá) 3. 18%。雖然聚合物電池有著眾多優(yōu)點(diǎn)，但性能無法與傳統(tǒng)太陽能電池相比。

參考文獻(xiàn)： [1]梁宗存.沈輝.李戮洪.太 GR 能電池及材料}J（ufJ l.

[2]耿新華.張建軍.硅基薄膜太陽電池新進(jìn)展[[J].

第7篇：半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞碳化硅；半導(dǎo)體；材料；技術(shù)；工藝；發(fā)展；

中圖分類號(hào)：TQ163+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，宇脫國防,是有勘探等領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體電子器件提出了極為嚴(yán)格的要求，開發(fā)研制高溫、高頻、高功率、高耐壓及抗輻射等新型半導(dǎo)體器件成為日益緊迫的問題.目前，半導(dǎo)體行業(yè)中常用的Si材料由于本身?xiàng)l件的限制，對(duì)上述要求難以勝任;而作為N-N族二元半導(dǎo)體材料的SiC具有較大的熱導(dǎo)率、高臨界擊穿電場、寬禁帶、高載流子遷移率等特點(diǎn)，越來越引起人們的重視.國外現(xiàn)已研制出多種SiC器件.特別是在高沮功率器件方面，所制備的SiC MC3SFET等器件的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出同類Si器件.目前已有SiC藍(lán)色發(fā)光器件作為商品出售.隨著SiC單晶生長技術(shù)和薄膜生長技術(shù)的突破，SiC材料在研制高溫、高頻、大功率、抗輻射半導(dǎo)體器件方面受到極大關(guān)注，并加速了該領(lǐng)域的發(fā)展步伐.近兩年來，國際上已掀起了對(duì)SiC材料及器件研究的熱潮。

一、半導(dǎo)體材料的特征

半導(dǎo)體材料在自然界及人工合成的材料中是一個(gè)大的部類。顧名思義，半導(dǎo)體在其電的傳導(dǎo)性方面，其電導(dǎo)率低于導(dǎo)體，而高于絕緣體。它具有如下的主要特征。（1）在室溫下，它的電導(dǎo)率在103—10-9S/cm之間,S為西門子，電導(dǎo)單位，S=1/r(W. cm) ；一般金屬為107—104S/cm,而絕緣體則

二、晶體生長

SiC具有同質(zhì)異型體的特點(diǎn)，其每一種晶體結(jié)構(gòu)都有著自己獨(dú)特的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì).表1給出了常見的幾種具有不同晶體結(jié)構(gòu)的SiC的電學(xué)特性與硅及砷化稼的比較.在許多器件應(yīng)用中，SiC的高擊穿電場(比硅的5倍還大、寬的禁帶寬度吸大于硅的2倍、高載流子飽和漂移速度(是硅的2倍)以及大熱導(dǎo)率(大于硅的3倍)將充分發(fā)揮器件的應(yīng)用潛力。

盡管許多年以前人們就已經(jīng)知道了SiC的一些潛在的優(yōu)良電學(xué)特性，但由于材料生長的原因，直到現(xiàn)在還不能將這些特性充分應(yīng)用到器件或集成電路中去.目前通過改進(jìn)型Lely升華的方法得到了大面積重復(fù)性好的&H-SiC單晶,1989年2. 54 cm的6H-SiC單晶片首先商業(yè)化，此后SiC半導(dǎo)體器件技術(shù)得到迅猛發(fā)展。

在眾多的SiC晶休結(jié)構(gòu)中，4H-sic和6H-S〔由于其單晶生長工藝的成熟性以及較好的重復(fù)性，使它們在電子器件中應(yīng)用比較廣泛.市場上可得到的4H或8H SiC晶片的直徑已經(jīng)達(dá)到4.445 cm，具體價(jià)格根據(jù)其規(guī)格的不同從800 -2 000美元/片不等，這些產(chǎn)品主要來自于美國的Cree公司.如果晶片的價(jià)格有所下降，將會(huì)更加促進(jìn)SiC技術(shù)的發(fā)展.另外，Westinghouse公司在SiG材料方面也取得了一些可喜的成果:他們成功地制備了半絕緣SiC晶片，其室溫下的電阻率大于10Ωcm，并首次得到7. 82 cm的SFC晶片。

4H-S iC的載流子遷移率較8H-SiC.的要高，這使其成為大多數(shù)SiC器件的首選材料. 8H-SiG本身固有的遷移率各向異性使之在平行于G軸方向?qū)视兴陆?，?dǎo)致縱向MOSFET功率器件多選用4H-SiC.為減小縱向MOSFET功率器件中襯底寄生電阻，目前4H-SiC電阻率可達(dá)到0.0028dΩcm.4H-SIG的高遷移率掩蓋了利用8H-SiG為襯底進(jìn)行同質(zhì)外延而生成3G-SiG薄膜所帶來的優(yōu)點(diǎn)。

目前影響SiG電子器件實(shí)現(xiàn)的首要因素之一就是控制生長高質(zhì)量的SiC外延薄膜.在SiC電子器件的實(shí)現(xiàn)過程中，控制生長高質(zhì)量的外延層是關(guān)鍵的一步、目前，化學(xué)氣相淀積技術(shù)可滿足制備重復(fù)性好的外延層及批t生產(chǎn)這兩方面的需求.為了減少由于晶格失配、熱膨脹系數(shù)不同所帶來的缺陷等間題，生長時(shí)選用SiC基片.首先要拋光SiC基片使其表面偏離(0001)基面3 ^4度，這將使外延層中原子堆垛順序與SiC襯底內(nèi)的原子堆垛順序相同.同時(shí)，為得到N 型外延層，可在反應(yīng)氣體中加人氮?dú)?N2);而P型則加入三甲基鋁或三乙基鋁.如果在今后的工作中能夠很好地解決在大面權(quán)Si上異質(zhì)外延生長低塊陷的3GSiC薄膜的問題。那么3C-SiC必將在以后的SiG器件和集成電路中發(fā)揮越來越重要的作用。

隨著從SiC器件向著SiC集成電路的發(fā)展，SiC外延層的均勻性和外延層表面形態(tài)的好壞也越來越重要.目前，商業(yè)上SiC外延層厚度的容差為士25%，而研究人員報(bào)道了修雜均勻性為士20%厚度均勻性容差為士7%的大于5. 08 cm的SiC基片.對(duì)于所有的SiC同質(zhì)外延層，目前均為觀察到具有十分理想的表面形貌、據(jù)預(yù)側(cè)，借助于精密的CVD反應(yīng)裝置、日益成熟的反應(yīng)條件，在不遠(yuǎn)的將來這些問題都會(huì)迎刃而解、

三、分立器件

近幾年來，在一些文獻(xiàn)中相繼報(bào)道了許多SiC器件模型，其中的一些已經(jīng)進(jìn)人商品市場.藍(lán)色發(fā)光二極管是首次進(jìn)人商業(yè)領(lǐng)域的SiC器件，而小信號(hào)二極管、結(jié)型場效應(yīng)晶體管(工作溫度大于350℃)以及紫外光敏管也正逐步商品化。到目前為止，對(duì)于像金屬化、離子注人、表面鈍化、氧化及刻蝕等這些基本的器件工藝技術(shù)只進(jìn)行了有限的研究工作(因此SiC器件均未采用優(yōu)化的器件設(shè)計(jì)和工藝流程).

第8篇：半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷；帕爾帖效應(yīng)；制冷效率；熱電堆

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.252

0 引言

上個(gè)世紀(jì)初，人們做了很多電磁的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了金屬材料的熱電效應(yīng)，但是由于這些金屬材料的熱電性能比較差，所以效率是非常低的。直到本世紀(jì)50年代之后，半導(dǎo)體材料發(fā)展迅速，所以致使熱電效率也大幅的增加，從而使熱電制冷也開始發(fā)展。由于半導(dǎo)體材料具有非常好的熱電能量轉(zhuǎn)換性質(zhì)，將它的這一性質(zhì)在熱電制冷中得到了應(yīng)用，所以把熱電制冷叫做半導(dǎo)體制冷；同時(shí)又由于帕爾帖效應(yīng)與溫差發(fā)電對(duì)應(yīng)，所以又叫做溫差電制冷。這種比較新型的制冷技術(shù)與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)不同，沒有制冷劑和一些制冷設(shè)備，從而在一些特殊的領(lǐng)域中將得到十分廣闊的前景。

熱電效應(yīng)是由塞貝克、珀?duì)柼?、湯姆遜、焦耳和富里葉五種不同的效應(yīng)組成的，其中前三種效應(yīng)電和熱能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的，另外兩種效應(yīng)的熱是不可逆效應(yīng)。

1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)

1.1 半導(dǎo)體制冷的原理

熱電制冷裝置是由熱電制冷效率較好的，熱電效應(yīng)比較明顯的半導(dǎo)體熱電偶構(gòu)成的。如圖1-1所示，把一只N型半導(dǎo)體元件和一個(gè)P型半導(dǎo)體元件組合成的熱電偶，通電之后，就會(huì)在接頭處產(chǎn)生熱量的轉(zhuǎn)移和溫度差。對(duì)于N型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是自由電子，與金屬的價(jià)電子相類似；對(duì)于P型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是空穴，與自由電子的區(qū)別是電荷數(shù)相等而符號(hào)相反。所以，上面的接頭處是冷端，吸熱且溫度下降，電流的方向是N到P；下面的接頭處是熱端，放熱且溫度上升，電流的方向是P到N。其次借助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去不斷的吸熱降溫，這就是熱電制冷器的工作原理。

Z代表了熱點(diǎn)材料的一種特性。同時(shí)可以決定制冷元件所能達(dá)到的最大溫差。由上式可以得到，為了提高優(yōu)值系數(shù)Z，就要提高溫差電動(dòng)勢α，降低電阻率R和導(dǎo)熱系數(shù)K。上式公式也說明熱電材料性能的提高還要有待于半導(dǎo)體材料的發(fā)展，因?yàn)榻饘俚臒犭妱莺艿?，而半?dǎo)體靠空穴和電子可以呈現(xiàn)出非常大的溫差電動(dòng)勢。

其次電偶在熱端放出的熱量：QH=Q0+Q1，其中Q1為一對(duì)電偶的消耗功率，故放熱系數(shù)ε1 = QH/Q1 = 1+ε?？梢钥闯隼脽犭娫碜鰺岜檬呛苡欣?。

1.2 多級(jí)半導(dǎo)體制冷

一個(gè)P型和N型半導(dǎo)體制冷元件與連接片串聯(lián)起來，組成的制冷單元稱為單級(jí)熱電堆。但是由于單個(gè)制冷電偶的制冷效率比較低，如果把電偶進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)起來組成多級(jí)熱電堆，這樣就會(huì)增大制冷溫差，所以制冷效率將會(huì)大大提高。

如下圖所示，圖1-2是常見的二級(jí)堆串聯(lián)電路，圖1-3是常見的二級(jí)堆并聯(lián)電路，圖1-4是常見的串并聯(lián)混合電路。

串聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是各級(jí)的電流都相同。級(jí)與級(jí)之間需要一層電絕緣導(dǎo)熱層，（一般用陽級(jí)氧化鋁、氧化鈹?shù)萚1]），同時(shí)為了使每一級(jí)都處于最佳工作電流，上一級(jí)元件的長度比下一級(jí)元件的長度要略長一點(diǎn)，來防止上一級(jí)元件電導(dǎo)率增加引起的電流的偏離。對(duì)于串聯(lián)型多級(jí)熱電堆在同一溫差和承受同一負(fù)載時(shí)要比并聯(lián)型消耗較大的功率。

并聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)是工作電流較大，級(jí)與級(jí)之間無需電絕緣導(dǎo)熱層，因此級(jí)間無有害溫差。同時(shí)各級(jí)的電偶數(shù)與級(jí)數(shù)應(yīng)對(duì)應(yīng)相等，每一級(jí)的兩邊的兩個(gè)元件的截面積應(yīng)比中間的大一些。其次把并聯(lián)型多級(jí)堆各級(jí)的中間部位斷開，在級(jí)與級(jí)之間加上絕緣層之后，用導(dǎo)線連接起來可以成為串聯(lián)多級(jí)電堆。

串并聯(lián)多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)結(jié)合串聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)和并聯(lián)型多級(jí)熱電堆的特點(diǎn)。

如前所述，熱端的散熱量比冷端產(chǎn)冷量要大很多倍，由QH = Q0 + Q1可知，為了得到較大溫差，第一級(jí)元件對(duì)數(shù)比第二級(jí)元件對(duì)數(shù)大許多倍。由于這個(gè)因素以及溫度越低熱電性能越差，所以級(jí)數(shù)不宜過多，一般2到3級(jí)為宜。

1.3 半導(dǎo)體制冷技術(shù)與機(jī)械壓縮制冷技術(shù)的異同

半導(dǎo)體制冷與機(jī)械壓縮制冷相比，在正常工作通入電流時(shí)，自由電子和空穴在電場的作用下，離開熱電堆的冷端向熱端運(yùn)動(dòng)，這一過程相當(dāng)于制冷機(jī)中的壓縮過程，其中熱電堆起壓縮機(jī)的作用。在熱電堆的冷端，通過熱交換器吸熱，同時(shí)產(chǎn)生空穴―電子對(duì)，這一過程相當(dāng)于在蒸發(fā)器中的吸熱和蒸發(fā)過程，其中冷端及其熱交換器起著蒸發(fā)器的作用。在熱電堆的熱端，發(fā)生空穴―電子對(duì)的復(fù)合，同時(shí)通過熱交換器散熱，相當(dāng)于制冷劑在冷凝器的放熱和凝結(jié)，其中熱端及其熱交換器起著冷凝器的作用。

半導(dǎo)體制冷與機(jī)械壓縮制冷的區(qū)別在于：不使用制冷劑，有很好的環(huán)境友好型，消除了制冷劑泄漏對(duì)環(huán)境的危害，所以對(duì)一些特定的場合比較適用；沒有制冷裝置的運(yùn)動(dòng)部件，所以無噪音，無振動(dòng)，工作可靠，維護(hù)比較方便；半導(dǎo)體制冷的尺寸比較小型化，在一些場合可以提現(xiàn)出它的優(yōu)勢；半導(dǎo)體制冷可以通過調(diào)節(jié)工作電壓來改變它的制冷量；半導(dǎo)體制冷一般使用直流電工作，所以對(duì)工作電壓的脈動(dòng)范圍有一定的要求。

基于以上半導(dǎo)體制冷所表現(xiàn)出來的特點(diǎn)，在一些特殊的，不能使用制冷劑的情況中，以及一些小容量等一些制冷條件中，半導(dǎo)體制冷表現(xiàn)出了它的優(yōu)越性，同時(shí)也成為了現(xiàn)代制冷技術(shù)中的一個(gè)重要的組成部分。

2 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展前景

2.1 半導(dǎo)體制冷在工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用

半導(dǎo)體制冷在工業(yè)上的應(yīng)用也是非常廣泛的，一些產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品的性能的測試都離不開半導(dǎo)體制冷；一些變電站的除濕問題也需要通過半導(dǎo)體制冷解決；油等一些液體的恒溫控制，通過半導(dǎo)體制冷都能很方便的解決。其次半導(dǎo)體制冷在真空技術(shù)中也有非常重要的應(yīng)用。所以，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展對(duì)工業(yè)技術(shù)具有非常大的意義。

2.2 半導(dǎo)體制冷在電子技術(shù)的應(yīng)用

半導(dǎo)體制冷在電子技術(shù)的發(fā)展中是一項(xiàng)不可缺少的先進(jìn)技術(shù)，在一些大規(guī)模的集成電路，功率元件和一些設(shè)備冷卻方面，半導(dǎo)體都提現(xiàn)了它獨(dú)一無二的功能。同時(shí)，隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)各類電子元器件的溫度性能要求越來越高，而利用熱電制冷器的正反向工作特性，就能早就一個(gè)合適的高低溫條件，而且工作容積非常小，使用方便，應(yīng)用范圍也非常廣泛。

2.3 半導(dǎo)體制冷在測溫技術(shù)的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代制冷技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體制冷技術(shù)在測溫技術(shù)方面也表現(xiàn)出了它極大的優(yōu)勢。例如半導(dǎo)體制冷零點(diǎn)儀的出現(xiàn)，改變了一般習(xí)慣上使用冰作為電熱偶測溫零度基準(zhǔn)點(diǎn)的傳統(tǒng)，并且操作簡單，零點(diǎn)準(zhǔn)確，在測溫技術(shù)中是一個(gè)重大的創(chuàng)新。由此可見半導(dǎo)體制冷在測溫技術(shù)中的應(yīng)用是其他制冷技術(shù)所不能代替的。

3 結(jié)論

（1）半導(dǎo)體制冷技術(shù)雖然在制冷過程中表現(xiàn)出了它獨(dú)特的優(yōu)勢，但是其制冷效率還是比較低的，所以現(xiàn)在提高半導(dǎo)體的優(yōu)值系數(shù)Z顯得尤為重要。

（2）相比與單級(jí)制冷熱電堆，多級(jí)制冷熱電堆可以獲得更大的溫差和更低的溫度，所以大大提高了制冷效率，同時(shí)也更加實(shí)用。

（3）半導(dǎo)體制冷在一些特殊行業(yè)和環(huán)境中的應(yīng)用以及考慮節(jié)能等因素，表現(xiàn)出了它的重要性，對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的深入研究是非常必要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐德勝.半導(dǎo)體制冷與應(yīng)用技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1992.

[2]謝玲，湯廣發(fā).半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)，2008（01）：68-71

[3]方貴銀，張曼，吳雙茂等.分離式熱管蓄冷空調(diào)系統(tǒng)充冷性能實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2009，30（04）：46-50.

[4]劉輝.半導(dǎo)體多級(jí)制冷器的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

[5]金新，徐小農(nóng)，芮瑛.熱電制冷循環(huán)物理機(jī)理討論[J].低溫工程，1993（04）：1-6.

[6]楊玉順，王國慶.熱電制冷循環(huán)最佳特性分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1990（04）：50-59.

[7]簡棄非，梁榮光，張勇等.半導(dǎo)體制冷效率及空間冷量傳遞特性試驗(yàn)研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，29（05）：72-75.

[8]宜向春，王維揚(yáng).一種空間復(fù)合制冷系統(tǒng)的可行性分析―半導(dǎo)體制冷器/熱管/輻射制冷器[J].低溫工程，1999（06）：40-44.

[9]王宏杰，陳金燦.耦合半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)性能特性的優(yōu)化分析[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2001，22（7）：938-943.

第9篇：半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)范文

關(guān)鍵詞：磁控濺射 TiO2 薄膜 橢偏技術(shù) 光學(xué)性能

薄膜材料是一種物質(zhì)形態(tài)，其膜材十分廣泛，單質(zhì)元素、化合物或復(fù)合物、無機(jī)材料或有機(jī)材料均可制作成薄膜。薄膜材料與塊狀物質(zhì)一樣，可以是非晶態(tài)、多晶態(tài)或單晶態(tài)。從薄膜的厚度看，已有厚度僅為幾納米到一微米的超薄膜制品。 納米薄膜在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用歸功于其特異于普通薄膜的光學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)。 自 70 年代以來，薄膜技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，無論在學(xué)術(shù)上還是在實(shí)際應(yīng) 用中都取得了豐碩的成果。薄膜技術(shù)和薄膜材料的發(fā)展涉及到幾乎所有的前沿學(xué) 科，它的應(yīng)用與推廣又反滲透到各個(gè)學(xué)科以及應(yīng)用技術(shù)中，如電子、計(jì)算機(jī)、磁 記錄[1]、信息、傳感器[2]、能源、機(jī)械[3]、光學(xué)[4]、航空航天、核工業(yè)、化工、 生物[5]、醫(yī)學(xué)等，現(xiàn)己成為當(dāng)代真空技術(shù)和材料科學(xué)中最活躍的研究領(lǐng)域，所制 備的各種類型的新材料，新結(jié)構(gòu)、新功能的薄膜，對(duì)材料的研究和使用都起到了巨大的推動(dòng)作用。

納米 Ti02 薄膜是一種常見的功能薄膜，具有如下特殊的性質(zhì)：

（1）光學(xué)特性

氧化鈦（Ti02）薄膜具有優(yōu)良的透光性、高折射率和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，并且折射率可隨制備工藝變化，是非常重要的光學(xué)膜，已被廣泛地應(yīng)用于抗反射涂層、干涉濾波片、電致變色窗和薄膜光波導(dǎo)等。而且因?yàn)榘雽?dǎo)體納米粒子的尺寸與物理的特征量相差不多，如納米粒子的粒徑與波爾半徑或德布羅意波長相當(dāng)時(shí)，納米粒子的量子尺寸效應(yīng)就十分顯著。另外，納米粒子擁有很大的比表面積，又相當(dāng)一部分的原子處于顆粒表面，處于表面態(tài)的原子、電子與處于內(nèi)部的原子、電子有很大的區(qū)別。量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)對(duì)納米半導(dǎo)體粒子的光學(xué)特性有很大的影響，并使之產(chǎn)生一些新的光學(xué)性質(zhì)，如寬頻帶吸收。納米 Ti02 對(duì)紫外光有 強(qiáng)吸收作用，而微米級(jí)的 Ti02 對(duì)紫外光幾乎不吸收，這主要是因?yàn)榧{米二氧化鈦的半導(dǎo)體性質(zhì)，即在紫外光的照射下，電子被激發(fā)，由價(jià)帶向?qū)кS遷引起的。

（2）光催化特性

Ueda 等人較早對(duì)半導(dǎo)體的微多相光催化進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。研究表明，Ti02 納米半導(dǎo)體復(fù)合粒子的量子尺寸效應(yīng)強(qiáng)烈地影響其光催化甲醇脫氫活性。此外， 納米 Ti02 半導(dǎo)體粒子能夠催化體相半導(dǎo)體所不能進(jìn)行的反應(yīng)。

（3）光電轉(zhuǎn)換特性

近年來，由納米半導(dǎo)體粒子構(gòu)成的多孔大比表面積太陽能電池具有優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)換特性而備受矚目。Gratzei 等人在 1991 年報(bào)道了經(jīng)三雙吡啶合釕染料敏 化的納米太陽能電池的卓越性能，在模擬太陽光源的照射下，其光電轉(zhuǎn)換性能可 達(dá) 12%。由于納米 Ti02 多孔電極表面吸附的染料分子數(shù)是普通電極的 50倍，而且?guī)缀趺總€(gè)染料分子都與 Ti02 分子直接作用，光生載流子的界面電子轉(zhuǎn)移速度 快，因而具有優(yōu)異的光吸收和光電轉(zhuǎn)換特性[9]。

（4）電學(xué)特性

介電和壓電是材料的基本特征之一。納米半導(dǎo)體的介電行為和壓電性能與常

規(guī)的半導(dǎo)體材料有很大不同，歸納起來是:介電常數(shù)隨測量頻率的減少呈明顯的 上升趨勢;在低頻范圍內(nèi)，納米半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)呈現(xiàn)尺寸效應(yīng);納米半導(dǎo)體 可以產(chǎn)生強(qiáng)的壓電效應(yīng)。

二氧化鈦薄膜的應(yīng)用：二氧化鈦是一種重要的氧化物陶瓷，也是一種重要的 寬帶隙半導(dǎo)體氧化物材料，它有著獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)等物理性能及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn) 定性。在可見光和近紅外波段透光性好等許多優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，具有高介電常數(shù)、 高折射率及良好的電光學(xué)效果，還具有優(yōu)良的介電、壓電、氣敏、光催化性能， 并能夠抵抗介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕。該材料價(jià)廉無毒和性能穩(wěn)定，在超薄電容器、紅 外窗口材料、光電轉(zhuǎn)換、光催化、非線形光學(xué)、光通訊、氣（濕）敏傳感等微電子 工業(yè)、光學(xué)器件、傳感器、太陽能利用、催化工業(yè)和環(huán)境保護(hù)等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域里 得到了廣泛的研究和應(yīng)用，吸引了中外廣大科技工作者的關(guān)注。Ti02 薄膜己成為 一種重要的無機(jī)功能材料，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中正發(fā)揮著越來越大的作用。

（1）TiO2 薄膜在光電領(lǐng)域的應(yīng)用有:

作為用于太陽能電池的減反膜，可使光學(xué)反射降低 50%左右，相應(yīng)地使 太陽能電池的輸出提高 10%，還用在電致變色顯示器、電致變色開關(guān)、大型天文 望遠(yuǎn)鏡等;作為紫外線過濾層;可作為高反射膜的膜層使光纖端面的反射性能大大

提高；用于波分復(fù)用濾波膜[12]等;在光纖尖上鍍 Ti02 膜以提高光纖尖的工作壽命，實(shí)驗(yàn)表明這種方法能夠有效的提高光纖尖的抗污染能力。

（2）光催化

1972 年，日本的 Fujishima 等人首次發(fā)現(xiàn) Ti02 具有光催化性能，從那時(shí)起半 導(dǎo)體光催化受到廣泛重視?，F(xiàn)在普遍采用懸浮相 Ti02 作光催化劑，這種催化劑存 在易失活、易團(tuán)聚、難回收等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了光催化的應(yīng)用發(fā)展。制備負(fù)載型 光催化劑是解決這一問題的有效辦法。納米 Ti02 光催化劑的應(yīng)用主要是基于納米 氧化鈦在紫外光的激發(fā)下具有氧化一還原性的基本原理。納米氧化鈦的這一活潑 的性質(zhì)越來越廣泛地應(yīng)用于人們的日常生活。

（3）太陽能電池與水分解

單晶硅太陽能光電池自 20 世紀(jì) 40 年明以來，人們?yōu)樵诠怆娹D(zhuǎn)換中得到 大量的電能而付出了巨大的努力。1991 年，Gratzel 等報(bào)道了染料敏化 Ti02 納米 薄膜太陽能光電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá) 10%以上。由于這種光電池使用了液相電解 質(zhì)，使得制造極不方便，而且整個(gè)裝置的穩(wěn)定性也不好，因而轉(zhuǎn)向固相電解質(zhì)光 電池的研究。將 Ti02 用于光催化分解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣，可提供無污染的、高效的、無害的清潔能源。

參考文獻(xiàn)：