導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫好一篇半導(dǎo)體材料應(yīng)用，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞半導(dǎo)體；材料；芯片；發(fā)展；應(yīng)用；技術(shù)；

中圖分類號(hào)：O471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

引言

自然界中的物質(zhì)，根據(jù)其導(dǎo)電性能的差異可劃分為導(dǎo)電性能良好的導(dǎo)體（如銀、銅、鐵等）、幾乎不能導(dǎo)電的絕緣體（如橡膠、陶瓷、塑料等）和半導(dǎo)體（如鍺、硅、砷化鎵等）。半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一種物質(zhì)。它的導(dǎo)電能力會(huì)隨溫度、光照及摻入雜質(zhì)的不同而顯著變化，特別是摻雜可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力和導(dǎo)電類型，這是其廣泛應(yīng)用于制造各種電子元器件和集成電路的基本依據(jù)。

一、半導(dǎo)體材料的概念與特性

當(dāng)今，以半導(dǎo)體材料為芯片的各種產(chǎn)品普遍進(jìn)入人們的生活，如電視機(jī)，電子計(jì)算機(jī)，電子表，半導(dǎo)體收音機(jī)等都已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｋ豢扇鄙俚募矣秒娖鳌?半導(dǎo)體材料為什么在今天擁有如此巨大的作用， 這需要我們從了解半導(dǎo)體材料的概念和特性開始。

半導(dǎo)體是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類物質(zhì)，在某些情形下具有導(dǎo)體的性質(zhì)。 半導(dǎo)體材料廣泛的應(yīng)用源于它們獨(dú)特的性質(zhì)。 首先，一般的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率隨溫度的升高迅速增大，各種熱敏電阻的開發(fā)就是利用了這個(gè)特性；其次，雜質(zhì)參入對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的作用，它們可使半導(dǎo)體的特性多樣化，使得 PN 結(jié)形成，進(jìn)而制作出各種二極管和三極管；再次，半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)會(huì)因光照引起變化，光敏電阻隨之誕生；一些半導(dǎo)體具有較強(qiáng)的溫差效應(yīng)，可以利用它制作半導(dǎo)體制冷器等； 半導(dǎo)體基片可以實(shí)現(xiàn)元器件集中制作在一個(gè)芯片上，于是產(chǎn)生了各種規(guī)模的集成電路。 這種種特性使得半導(dǎo)體獲得各種各樣的用途， 在科技的發(fā)展和人們的生活中都起到十分重要的作用。

二、幾種主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

（一）硅材料

硅材料是半導(dǎo)體中應(yīng)用廣泛的一類材料，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。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。

（二）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(shì)。

（三）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(zhǎng)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。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Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。我國(guó)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(guó)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(guò)10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)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(lái)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。

（四）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(kù)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)lμ蘭左右，單管室溫連續(xù)輸出功率高達(dá)3．6～4W。1.5 寬帶隙半導(dǎo)體材料寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石，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(guó)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(cè)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)。

三、半導(dǎo)體材料發(fā)展的幾點(diǎn)建議

GaAs、InP等單晶材料同國(guó)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(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，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(guó)不斷發(fā)展的微電子和光電子工業(yè)的需求。到2010年，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)4英寸GaAs生產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)化，并具有滿足6英寸線的供片能力。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。

（一）超晶格、量子阱材料

從目前我國(guó)國(guó)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(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)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(wàn)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(guó)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。

（二）一維和零維半導(dǎo)體材料的發(fā)展設(shè)想

基于低維半導(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(zhǎng)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(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)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(guó)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(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)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(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。

結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和各種電子器件、 產(chǎn)品等要求不斷的提高， 半導(dǎo)體材料在未來(lái)的發(fā)展中依然起著重要的作用。 在經(jīng)過(guò)以 Si、GaAs 為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程后，第三代半導(dǎo)體材料的成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。 我們應(yīng)當(dāng)在兼顧第一代和第二代半導(dǎo)體發(fā)展的同時(shí)， 加速發(fā)展第三代半導(dǎo)體材料。 目前的半導(dǎo)體材料整體朝著高完整性、高均勻性、大尺寸、薄膜化、集成化、多功能化方向邁進(jìn)。 隨著微電子時(shí)代向光電子時(shí)代逐漸過(guò)渡， 我們需要進(jìn)一步提高半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的研究，開創(chuàng)出半導(dǎo)體材料的新領(lǐng)域。 相信不久的將來(lái)，通過(guò)各種半導(dǎo)體材料的不斷探究和應(yīng)用，我們的科技、產(chǎn)品、生活等方面定能得到巨大的提高和發(fā)展！

參考文獻(xiàn)

［1］沈能玨,孫同年,余聲明,張臣.現(xiàn)代電子材料技術(shù).信息裝備的基石［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

［2］靳曉宇.半導(dǎo)體材料的應(yīng)用與發(fā)展研究［J］.大眾商務(wù),2009,(102).

［3］彭杰.淺析幾種半導(dǎo)體材料的應(yīng)用與發(fā)展［J］.硅谷, 2008,(10).

篇2

【關(guān)鍵詞】寬帶半導(dǎo)體材料 電子機(jī)構(gòu) 性質(zhì)

Ⅱ-Ⅲ2-Ⅳ4型三元化合物，為具有缺陷黃銅礦結(jié)構(gòu)的寬帶半導(dǎo)體材料，材料電子機(jī)構(gòu)優(yōu)化性強(qiáng)，彈性以及光學(xué)性質(zhì)好，用于光學(xué)設(shè)備乃至電光器件等的制造中，在提高設(shè)備性能方面，價(jià)值顯著。本文以密度泛函理論為基礎(chǔ)，對(duì)缺陷黃銅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體CdAl2S4的電子機(jī)構(gòu)、彈性及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析：

1 寬帶半導(dǎo)體材料模擬計(jì)算方法

以密度泛函理論為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬計(jì)算。將CdAl2S4拆分開來(lái)，分為Cd、Al以及S三個(gè)部分，三者的價(jià)電子組態(tài)存在一定差異，Cd電子組態(tài)為4d105s2、Al電子組態(tài)為3s23p2、S電子組態(tài)為3s23p4。電子與電子之間存在的交換關(guān)聯(lián)勢(shì)，以PBE泛函作為基礎(chǔ)進(jìn)行描述。參數(shù)設(shè)計(jì)情況如表1。

從表1中可以看出，半導(dǎo)體材料參數(shù)如下：

（1）動(dòng)能截?cái)嘀担?00eV。

（2）布里淵區(qū)k點(diǎn)網(wǎng)格8×8×4。

（3）原子作用收斂標(biāo)準(zhǔn)：10-3eV/A。

（4）自洽精度：10-6eV/atom。

2 寬帶半導(dǎo)體材料的電子機(jī)構(gòu)與性質(zhì)

2.1 寬帶半導(dǎo)體材料的電子機(jī)構(gòu)

從晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)方面，對(duì)寬帶半體材料CdAl2S4的電子機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究：

2.1.1 晶格結(jié)構(gòu)

寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的原子中，不同原子的空間占位不同，具體如表2。

考慮不同原子在空間占位方面存在的差異，應(yīng)首先采用晶格優(yōu)化的方法，提高材料結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性，CdAl2S4的晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)以及鍵長(zhǎng)如下：Cd-S鍵長(zhǎng)2.577、Al1-S鍵長(zhǎng)2.279、Al2-S鍵長(zhǎng)2.272。a實(shí)驗(yàn)值2.553，計(jì)算值5.648。

2.1.2 能帶結(jié)構(gòu)

寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的能帶結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1顯示，寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的價(jià)帶主要由三部分所構(gòu)成，分別為低價(jià)帶、高價(jià)帶與最高價(jià)帶：

（1）低價(jià)帶：低價(jià)帶即能量最低的價(jià)帶，包括S的s態(tài)以及Al的s態(tài)等部分，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料CdAl2S4的低價(jià)帶的觀察可以發(fā)現(xiàn)，S與Al兩者中所包含的原則，具有較高的結(jié)合性質(zhì)。

（2）高價(jià)帶：與低價(jià)帶相比，高價(jià)帶的能量相對(duì)較高，判斷與Cd原子有關(guān)。觀察圖1可以看出，半導(dǎo)體材料CdAl2S4高價(jià)帶Cd-d態(tài)的局域性較強(qiáng)。

（3）最高價(jià)帶：最高價(jià)帶的能量最高，一般在-5.4-0eV之間，該價(jià)帶包括上下兩部分，兩部分所包含的能態(tài)各不相同。以導(dǎo)帶部分為例，其能態(tài)一般在3.395eV-6.5eV之間。

2.2 寬帶半導(dǎo)體材料的性質(zhì)

從彈性性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)兩方面，對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的性質(zhì)進(jìn)行了分析：

2.2.1 彈性性質(zhì)

晶體相鄰原子的成鍵性質(zhì)等，與彈性性質(zhì)存在聯(lián)系。從寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的各向異性因子，該材料的彈性性質(zhì)呈現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)。

寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的延展性與脆性，與彈性同樣存在聯(lián)系，簡(jiǎn)單的講，材料的延展性與彈性呈正相關(guān)，材料脆性與彈性，則呈負(fù)相關(guān)。通常情況下，材料的延展性與脆性如何，可以采用體模量與剪切模量之間的比值來(lái)確定，當(dāng)兩者之間的比值在1.75以下時(shí)，說(shuō)明材料的延展性較差，脆性較強(qiáng)，彈性性質(zhì)較差。相反，當(dāng)兩者之間的比值在1.75以上時(shí)，則說(shuō)明材料的延展性較強(qiáng)，脆性較弱，彈性性質(zhì)較強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4體模量與剪切模量之間的比值的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，比值為1.876，較1.75大，可以認(rèn)為，該材料的延展性較強(qiáng)，脆性較弱，彈性性質(zhì)較強(qiáng)。

2.2.2 光學(xué)性質(zhì)

半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)，屬于其物理性質(zhì)中極其重要的一方面，在光學(xué)儀器等的研制過(guò)程中，對(duì)半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)十分重視。寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的本質(zhì)來(lái)看，該材料晶體為四方晶系單光軸晶體，各向異性顯著。

將光譜能量確定為0-20eV，對(duì)材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料CdAl2S4的光子能量在3.5eV以下以及12.5eV以上的區(qū)域，而不存在在兩者之間，可以認(rèn)為，該材料晶體的光學(xué)性質(zhì)具有各向異性。另外，研究顯示，該材料的反射系數(shù)可達(dá)到0.85，強(qiáng)放射峰在紫外區(qū)域，可以認(rèn)為，寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4具有紫外探測(cè)以及紫外屏蔽的光學(xué)性質(zhì)。

3 討論

寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4電子機(jī)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，延展性較強(qiáng)，脆性較弱，彈性性質(zhì)較強(qiáng)，具有紫外探測(cè)以及紫外屏蔽的光學(xué)性質(zhì)。未來(lái)，應(yīng)對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料的性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以開發(fā)出該材料的更多功能，確保其價(jià)值能夠得到更好的發(fā)揮。

4 結(jié)論

鑒于寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4在電子機(jī)構(gòu)以及彈性性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)方面存在的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，可以將其應(yīng)用到紫外探測(cè)以及紫外屏蔽等材料的研制過(guò)程中，使之優(yōu)勢(shì)能夠得到充分的發(fā)揮，為社會(huì)各領(lǐng)域的發(fā)展發(fā)揮價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]張麗麗，馬淑紅，焦照勇.寬帶隙半導(dǎo)體CdAl_2S_4電子結(jié)構(gòu)、彈性和光學(xué)性質(zhì)的研究[J].原子與分子物理學(xué)報(bào)，2016（02）：357-361.

[2]陳芳，魏志鵬，劉國(guó)軍，唐吉龍，房丹，方鉉，高嫻，趙海峰，王雙鵬.掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)在半導(dǎo)體材料表征領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014（23）：28-33.

[3]馮琳琳，顧鵬程，姚奕帆，董煥麗，胡文平.高遷移率聚合物半導(dǎo)體材料[J].科學(xué)通報(bào)，2015（23）：2169-2189.

篇3

瞬態(tài)光伏技術(shù)（TPV）能夠有效探索半導(dǎo)體功能材料中光生電荷的輸運(yùn)性質(zhì)，是一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。簡(jiǎn)述了利用瞬態(tài)光伏技術(shù)探索半導(dǎo)體功能材料的光電性質(zhì)，包括分析功能材料的類型、載流子的傳輸方向、載流子的壽命、分離效率等信息，這對(duì)我們理解半導(dǎo)體功能材料的各種光物理過(guò)程是非常有益的。

關(guān)鍵詞：

瞬態(tài)光伏技術(shù)；光生電荷；光生電子-空穴對(duì)；光生載流子

瞬態(tài)光伏技術(shù)是微區(qū)掃描技術(shù)中表面光電壓的一種。表面光電壓就是半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，當(dāng)半導(dǎo)體的表面被大于其帶隙能的光照射時(shí)，半導(dǎo)體價(jià)帶（VB）中的電子由于吸收了光子的能量，躍遷到半導(dǎo)體導(dǎo)帶（CB），價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，這種光生電荷的空間分離產(chǎn)生的電勢(shì)差為光伏效應(yīng)，W.G.Adams在1876年最先觀察到這一現(xiàn)象。1948年以后，半導(dǎo)體領(lǐng)域的開拓使得光伏效應(yīng)成為一種檢測(cè)手段，并應(yīng)用于半導(dǎo)體材料特征參數(shù)的表征上。不同于穩(wěn)態(tài)表面光電壓（SPS）檢測(cè)在連續(xù)波長(zhǎng)的光激發(fā)下的光生載流子（電子或空穴）的分離結(jié)果，瞬態(tài)光伏技術(shù)檢測(cè)的是在極短的光（納秒ns或飛秒fs級(jí)別）激發(fā)后的光生載流子的產(chǎn)生、分離、復(fù)合等一系列動(dòng)力學(xué)行為。

1瞬態(tài)光伏技術(shù)的發(fā)展

瞬態(tài)光伏的說(shuō)法源于英文Transientphotovoltage。這種檢測(cè)方法也有許多其他的表達(dá)方式，如時(shí)間分辨光伏等。最早利用瞬態(tài)光伏技術(shù)的是E.O.Johanson［1］，1957年Johnson通過(guò)此技術(shù)探索了多種半導(dǎo)體中少數(shù)載流子的壽命。瞬態(tài)光伏技術(shù)的發(fā)展依賴檢測(cè)儀器中光源的使用，Johnson采用的光源為電火花隙（Sparkgap），它的時(shí)間分辨率在微秒范圍內(nèi)。J.Hlavka和R.Svehla［2］使用發(fā)光二極管作為光源，將測(cè)試裝置從等效電路上進(jìn)行分析，得到的時(shí)間分辨率為100ns。這一技術(shù)的改進(jìn)對(duì)未來(lái)瞬態(tài)光伏技術(shù)的迅速發(fā)展起到了至關(guān)重要的推動(dòng)作用。隨著具有超快時(shí)間分辨率的脈沖激光器作為光源，瞬態(tài)光伏的時(shí)間分辨率也逐漸提高，在各類型的半導(dǎo)體材料中都有應(yīng)用，探索這些半導(dǎo)體材料的光電性質(zhì)，獲得了很多優(yōu)異的成果。例如2004年，B.Mahrov等人研究了空穴導(dǎo)體CuSCN等和電子導(dǎo)體TiO2等的瞬態(tài)光伏，分析得知不同的半導(dǎo)體類型（空穴或電子導(dǎo)體）導(dǎo)致了電荷注入方式不同［3］。

在利用瞬態(tài)光伏技術(shù)作為研究手段的工作中，德國(guó)Th.Dittrich研究小組獲得了令人矚目的成績(jī)。他們不僅檢測(cè)到時(shí)間分辨率為納秒級(jí)的光伏結(jié)果，同時(shí)研究了不同類型半導(dǎo)體材料的瞬態(tài)光伏性質(zhì)，建立了多種模型［4］。V.Duzhko博士在低電導(dǎo)材料方面也做了大量的工作，從單一的Si器件到現(xiàn)在的復(fù)雜器件，如染料敏化的TiO2器件、量子點(diǎn)電池器件等［5］。此外，瑞士的AndersHagfeldt小組［6］，英國(guó)的BrianC.O'Regan小組［7］和日本的KunioAwaga小組［8］也對(duì)半導(dǎo)體材料的瞬態(tài)光伏性質(zhì)有卓越的研究。在國(guó)內(nèi)復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的侯曉遠(yuǎn)教授課題組和吉林大學(xué)光化學(xué)與光物理實(shí)驗(yàn)室的王德軍教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組對(duì)瞬態(tài)光伏技術(shù)的研究都取得非常好的研究成果。侯曉遠(yuǎn)教授課題組從有機(jī)薄膜半導(dǎo)體等瞬態(tài)光伏結(jié)果發(fā)現(xiàn)了極快激子解離過(guò)程［9］。王德軍教授課題組在研究功能半導(dǎo)體材料，如TiO2、ZnO、Fe3O4、BiVO4等新興的半導(dǎo)體材料的瞬態(tài)光電性質(zhì)有重要發(fā)現(xiàn)［10-13］。

2瞬態(tài)光伏技術(shù)的裝置及獲得的信息

理想的光伏測(cè)試技術(shù)可以調(diào)節(jié)不同的參數(shù)對(duì)半導(dǎo)體功能材料進(jìn)行測(cè)試，例如，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的溫度、壓力、氣氛等一系列參數(shù)，也可以選擇不同的光源（連續(xù)光源或者脈沖激光源）進(jìn)行瞬態(tài)光伏（時(shí)間分辨的光電壓）的測(cè)量，如圖1a中所示。作為一種無(wú)損檢測(cè)設(shè)備，瞬態(tài)光伏系統(tǒng)的搭建通常是按照?qǐng)D1b中的簡(jiǎn)圖自組裝搭建。光源為脈沖激光器，測(cè)試過(guò)程中經(jīng)過(guò)衰減的激光可以通過(guò)漸變圓形中性濾光片進(jìn)行調(diào)節(jié)，衰減后的激光通過(guò)反光鏡直接照射到樣品池中。樣品池的被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器，由數(shù)字示波器進(jìn)行檢測(cè)記錄。光生電荷的產(chǎn)生是一個(gè)極其快速的過(guò)程，相比之下，光生電荷載流子的分離、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)移和復(fù)合則較慢，一般時(shí)間分辨率在納秒、微秒甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，光生載流子在不同時(shí)間分辨率內(nèi)的傳輸動(dòng)力學(xué)行為對(duì)半導(dǎo)體功能材料的活性有著重要的影響。例如，半導(dǎo)體的光電轉(zhuǎn)換效率就受到半導(dǎo)體光生電子空穴對(duì)的分離程度影響；光生載流子的傳輸方向影響功能材料的性質(zhì)及其應(yīng)用；同時(shí)光生載流子的壽命及其具有的能量可以決定體系的氧化還原性等。因此，通過(guò)瞬態(tài)光伏技術(shù)可以獲得半導(dǎo)體功能材料光生電荷的分離效率、獲得光生載流子（電子或空穴）的擴(kuò)散方向、光生載流子的擴(kuò)散壽命等微觀動(dòng)力學(xué)信息。通過(guò)這些信息，我們可以分析半導(dǎo)體功能材料的物理化學(xué)性質(zhì)，以及這些性質(zhì)與材料活性之間的關(guān)系，這對(duì)進(jìn)一步提高和優(yōu)化功能材料的性能是非常重要的。

3瞬態(tài)光伏獲得材料類型和載流子傳輸方向

利用瞬態(tài)光伏技術(shù)可以判斷功能材料的類型。例如圖2所示，2a中為n型Si的瞬態(tài)光伏譜圖。它顯示當(dāng)材料的表面受到光照以后，n型半導(dǎo)體的瞬態(tài)光伏信號(hào)為正，光生電子向材料的體相遷移，光生空穴向表面遷移，并在表面大量聚集，因此表現(xiàn)為正信號(hào)。2b中p型Si的瞬態(tài)光伏信號(hào)為負(fù)。當(dāng)p型材料受到光激發(fā)以后，光生電子向材料的表面移動(dòng)，光生空穴向體相移動(dòng)，因此信號(hào)為負(fù)［14］。

4瞬態(tài)光伏技術(shù)比較材料的分離效率及壽命

利用瞬態(tài)光伏技術(shù)可以分析半導(dǎo)體功能材料的光生電荷分離效率和光生載流子的擴(kuò)散壽命。在光催化應(yīng)用中，光生載流子的分離效率及壽命影響著催化劑的活性。光生電子-空穴對(duì)的分離效率越高，載流子的壽命越長(zhǎng)，說(shuō)明在光催化降解過(guò)程中參與氧化還原反應(yīng)的載流子越多，催化活性越高。如在C摻雜的TiO2材料（C-TiO2）中［10］，不同的煅燒溫度獲得的樣品，由于光電性質(zhì)的不同，催化活性具有明顯差異。如圖3a所示，瞬態(tài)光伏信號(hào)在最大值處（P2峰）歸因于光生電荷載流子的擴(kuò)散，與P25的瞬態(tài)光電壓曲線相比，在130℃、150℃、180℃煅燒溫度制備下C摻雜TiO2樣品P2峰位的響應(yīng)時(shí)間分別是19ms、32ms、30ms，C的摻雜使得樣品的擴(kuò)散光伏壽命明顯延長(zhǎng)，說(shuō)明C-TiO2的光生載流子的分離效率更高，光生載流子的復(fù)合更慢，因此有更多的載流子參與光催化的氧化還原反應(yīng)，催化活性更高，如圖3b。

5瞬態(tài)光伏技術(shù)的未來(lái)及展望

篇4

關(guān)鍵詞：量子點(diǎn) 發(fā)光 量子點(diǎn)尺寸效應(yīng)

近幾年來(lái)，寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)光材料引起人們極大的興趣，是因?yàn)檫@些材料在藍(lán)光及紫外光發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和紫外光探測(cè)器上有重要的應(yīng)用價(jià)值。這些器件在光信息存儲(chǔ)、全色顯示和紫外光探測(cè)上有巨大的市場(chǎng)需求，人們已經(jīng)制造出III族氮化物和ZnSe等藍(lán)光材料，并用這些材料制成了高效率的藍(lán)光發(fā)光二極管和激光器，這使全色顯示成為可能。量子點(diǎn)（QuantumDot）憑借自身獨(dú)特的光電特性越來(lái)越受到人們的重視，成為研究的熱點(diǎn)。

由于量子點(diǎn)所具有的量子尺寸、量子隧穿、庫(kù)侖阻塞、量子干涉、多體關(guān)聯(lián)和非線性光學(xué)效應(yīng)非常明顯，故在低維量子結(jié)構(gòu)的研究中，對(duì)載流子施以盡可能多的空間限制，制備零維量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)并開發(fā)其應(yīng)用，受到世界各國(guó)科學(xué)家和企業(yè)家的高度重視。

1、半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備方法

高質(zhì)量半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備是量子器件和電路應(yīng)用的基礎(chǔ)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)缺陷量子點(diǎn)的形狀、尺寸、面密度、體密度和空間分布有序性等的可控生長(zhǎng)，一直是材料科學(xué)家追求的目標(biāo)和關(guān)注的熱點(diǎn)。

應(yīng)變自組裝量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)技術(shù)是指在半導(dǎo)體外延生長(zhǎng)過(guò)程中，由于襯底和外延層的晶格失配及表面、界面能不同，導(dǎo)致外延層島狀生長(zhǎng)而制得量子點(diǎn)的方法。這種生長(zhǎng)模式被稱為SK生長(zhǎng)模式。外延過(guò)程的初期為二維平面生長(zhǎng)，平面生長(zhǎng)厚度通常只有幾個(gè)原子層厚，稱為浸潤(rùn)層。隨浸潤(rùn)層厚度的增加，應(yīng)變能不斷積累，當(dāng)達(dá)到某一臨界層厚度時(shí)，外延生長(zhǎng)則由二維平面生長(zhǎng)向三維島狀生長(zhǎng)過(guò)渡，由此形成直徑為幾十納米、高度為幾納米的小島，這種材料若用禁帶較寬的材料包圍起來(lái)，就形成量子點(diǎn)。用這種方法制備的量子點(diǎn)具有尺寸小、無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)。用這種方法已經(jīng)制備出了高質(zhì)量的GaN量子點(diǎn)激光器。

化學(xué)自組裝量子點(diǎn)制備方法是一種通過(guò)高分子偶聯(lián)劑將形成量子點(diǎn)的團(tuán)簇或納米顆粒聯(lián)結(jié)起來(lái)，并沉積在基質(zhì)材料上來(lái)制備量子點(diǎn)低維材料的方法。隨著人們對(duì)量子線、量子點(diǎn)制備和應(yīng)用的迫切需求，以上物理制備方法顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力，特別是在批量制備時(shí)更是如此，化學(xué)自組裝為納米量子點(diǎn)的平面印刷和納米有機(jī)-無(wú)機(jī)超晶格的制備提供了可能。由于化學(xué)自組裝量子點(diǎn)的制備具有量子點(diǎn)均勻有序、制備速度快、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，且選用不同的偶聯(lián)劑可以對(duì)不同的量子點(diǎn)前驅(qū)顆粒進(jìn)行不同對(duì)稱性的組裝，從而能制備出不同的量子點(diǎn)。它的出現(xiàn)為批量制備高功率半導(dǎo)體量子器件和激光器提供了一種有效的途徑，因此這種方法被認(rèn)為是制備量子點(diǎn)最有前途的方法之一。

2、 II-VI族半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光原理和發(fā)光特性

2.1 發(fā)光原理

半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光原理（如圖1-1所示），當(dāng)一束光照射到半導(dǎo)體材料上，半導(dǎo)體材料吸收光子后，其價(jià)帶上的電子躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)帶上的電子還可以再躍遷回價(jià)帶而發(fā)射光子，也可以落入半導(dǎo)體材料的電子陷阱中。當(dāng)電子落入較深的電子陷阱中的時(shí)候，絕大部分電子以非輻射的形式而猝滅了，只有極少數(shù)的電子以光子的形式躍遷回價(jià)帶或吸收一定能量后又躍遷回到導(dǎo)帶。因此當(dāng)半導(dǎo)體材料的電子陷阱較深時(shí)，它的發(fā)光效率會(huì)明顯降低。

2.2 發(fā)光特性

由于受量子尺寸效應(yīng)和介電限域效應(yīng)的影響，半導(dǎo)體量子點(diǎn)顯示出獨(dú)特的發(fā)光特性。主要表現(xiàn)為：（1）半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)可以通過(guò)改變量子點(diǎn)的尺寸來(lái)加以調(diào)控；（2）半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有較大的斯托克斯位移和較窄而且對(duì)稱的熒光譜峰（半高全寬只有40nm）；（3）半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有較高的發(fā)光效率。半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光特性，除了量子點(diǎn)的三維量子限制作用之外，還有其他諸多因素需要考慮。不過(guò)人們通過(guò)大膽嘗試與努力探索，已在量子點(diǎn)的發(fā)光特性研究方面取得了很大的進(jìn)展。

3、量子點(diǎn)材料的應(yīng)用

鑒于量子點(diǎn)的獨(dú)特理化性質(zhì)，科學(xué)工作者就量子點(diǎn)材料的應(yīng)用研究開展了大量的工作，研究領(lǐng)域主要集中在納米電子學(xué)、光電子學(xué)、生命科學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域，下面介紹一下量子點(diǎn)在這些方面的應(yīng)用。

3.1量子點(diǎn)激光器

用量子線或量子點(diǎn)設(shè)計(jì)并制作微結(jié)構(gòu)激光器的新思想是由日本的兩名年輕的科學(xué)家在1982年提出了，但是由于制備工藝的難度很大而擱淺。隨著技術(shù)的進(jìn)步，到90年代初，利用MBE和MOCVD技術(shù)，通過(guò) Stranski―Krastanow（S―K）模式生長(zhǎng)In（Ga）As/GaAs自組裝量子點(diǎn)等零維半導(dǎo)體材料有了突破性的進(jìn)展，生長(zhǎng)出品格較完整，尺寸較均勻，且密度和發(fā)射率較高的InAs量子點(diǎn)，并于1994年制備出近紅外波段In（Ga）As/GaAs量子點(diǎn)激光器。

3.2量子點(diǎn)紅外探測(cè)器

半導(dǎo)體材料紅外探測(cè)器的研究一直吸引人們非常廣泛的興趣。以量子點(diǎn)作為有源區(qū)的紅外探測(cè)器從理論上比量子阱紅外探測(cè)器具有更大的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)包括：（1）量子點(diǎn)探測(cè)器可以探測(cè)垂直入射的光，無(wú)需像量子阱探測(cè)器那樣要制作復(fù)雜的光柵；（2）量子點(diǎn)分立態(tài)的間隔大約為50meV-70meV，由于聲子瓶頸效應(yīng)，電子在量子點(diǎn)分立態(tài)上的弛豫時(shí)間比在量子阱能態(tài)上長(zhǎng)，這有利于制造工作溫度高的器件；（3）三維載流子限制降低了熱發(fā)射和暗電流；（4）探測(cè)器不需冷卻，這將會(huì)大大減少陣列和成像系統(tǒng)的尺寸及成本。因此，量子點(diǎn)探測(cè)器已經(jīng)成為光探測(cè)器研究的前沿，并取得了重大進(jìn)展。

3.3 單電子器件

電子器件是基于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)和單電子隧道效應(yīng)的基本原理，通過(guò)控制在微小隧道結(jié)體系中單個(gè)電子的隧穿過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)特定功能的器件，是一種新型的納米電子器件。

3.4 量子計(jì)算機(jī)

量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。1998年，Loss和Di Vincenzo描述了利用耦合單電子量子點(diǎn)上的自旋態(tài)來(lái)構(gòu)造量子比特，實(shí)現(xiàn)信息傳遞的方法。

除此之外，量子點(diǎn)在生物化學(xué)、分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、藥物篩選、生物大分子相互作用等研究中有極大的應(yīng)用前景。

結(jié)束語(yǔ) 我們相信量子點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用的未來(lái)出現(xiàn)很多奇跡，隨著對(duì)量子點(diǎn)的深入研究，其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景還將更加廣闊。

參考文獻(xiàn)

[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.

篇5

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(shì)

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(shì)。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（Smartcut）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(lái)的物理限制和光刻技術(shù)的限制問(wèn)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(lái)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(lái)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)。

2.2GaAs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(shì)。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)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(zhǎng)的2－3英寸的導(dǎo)電GaAs襯底材料為主；近年來(lái)，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(guó)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(shì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)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。基于上述材料體系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探測(cè)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(wèn)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?。ā?.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(guó)早在1999年，就研制成功980nmInGaAs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(guó)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(guò)10瓦好結(jié)果。最近，我國(guó)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(lái)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(zhǎng)范圍的限制，1994年美國(guó)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(zhǎng)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(lái)，Bell實(shí)驗(yàn)室等的科學(xué)家，在過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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120K5μm和250K8μm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(guó)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(guó)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(guò)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(guó)卡迪夫的MOCVD中心，法國(guó)的PicogigaMBE基地，美國(guó)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(wèn)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/GeSiMODFET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?cè)?2英寸的硅襯底上，用鈦酸鍶作協(xié)變層（柔性層），成功的生長(zhǎng)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(kù)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guó)上述的MBE小組，2001年通過(guò)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(guò)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(guó)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(zhǎng)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)催化劑、控制生長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)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(lái)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LarsSamuelson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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)技術(shù)，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長(zhǎng)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(guò)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(shì)是尋找原子級(jí)無(wú)損傷加工方法和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變自組裝可控生長(zhǎng)技術(shù)，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無(wú)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(guó)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(cè)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=67GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問(wèn)世，發(fā)展很快。此外，256×256GaN基紫外光電焦平面陣列探測(cè)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(lái)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(cè)陂L(zhǎng)波長(zhǎng)光通信用高T0光源和太陽(yáng)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6HSiC單晶與外延片，以及3英寸的4HSiC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(zhǎng)足的進(jìn)步。目前存在的主要問(wèn)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(guó)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(guò)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(guò)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(wèn)題，仍是該材料體系走向?qū)嵱没氨仨氁鉀Q的問(wèn)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(wèn)題。這個(gè)問(wèn)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(wèn)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(zhǎng)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(wèn)題，國(guó)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(zhǎng)相比擬的尺度，來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(wú)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(guò)外加電場(chǎng)控制核自旋間相互作用實(shí)現(xiàn)其邏輯運(yùn)算，自旋測(cè)量是由自旋極化電子電流來(lái)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(wú)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(wú)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(guò)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(guó)半導(dǎo)體材料的幾點(diǎn)建議

鑒于我國(guó)目前的工業(yè)基礎(chǔ)，國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(zhēng)取做到8英寸集成電路生產(chǎn)線用硅單晶材料的國(guó)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(guó)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(guó)微電子技術(shù)的落后局面，進(jìn)入世界發(fā)達(dá)國(guó)家之林。

5.2GaAs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(guó)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(guó)家各部委的統(tǒng)一組織、領(lǐng)導(dǎo)下，并爭(zhēng)取企業(yè)介入，建立我國(guó)自己的研究、開發(fā)和生產(chǎn)聯(lián)合體，取各家之長(zhǎng)，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(guó)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(guó)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(guó)國(guó)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(zhēng)取在“十五”末，能滿足國(guó)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(wàn)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(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)和制備技術(shù)的水平。因而，集中人力、物力建設(shè)我國(guó)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(guó)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(guó)際先進(jìn)水平，并在國(guó)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(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)防實(shí)力。

篇6

關(guān)鍵詞：光照；電阻率；半導(dǎo)體；光子能量

中圖分類號(hào)：O611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）26-0060-02

1 概述

電阻率是半導(dǎo)體材料的重要特性參數(shù)之一。微區(qū)薄層電阻的均勻性和電學(xué)特性受到越來(lái)越多的關(guān)注，因此這對(duì)材料電阻率測(cè)量的精度就有了更高的要求。我們通常使用四探針測(cè)試儀測(cè)量半導(dǎo)體材料的電阻率。造成測(cè)試儀測(cè)量產(chǎn)生誤差的原因有很多方面，如測(cè)試環(huán)境的影響、探針的問(wèn)題、測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)以及被測(cè)對(duì)象自身的影響等。本文主要分析光照對(duì)測(cè)量精度的影響。

2 光的吸收

半導(dǎo)體材料通常能強(qiáng)烈地吸收光能，具有數(shù)量級(jí)約為105cm-1的吸收系數(shù)。吸收系數(shù)的大小可以反映半導(dǎo)體材料吸收光能的能力，通常用α來(lái)表示。材料吸收光的能力常常與入射光子能量有關(guān)。若外界有穩(wěn)定的一定波長(zhǎng)的光照作用在被測(cè)硅片表面，半導(dǎo)體材料吸收光輻射能量，從而導(dǎo)致價(jià)帶中的電子獲得足夠能量從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，這樣在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程也被稱為本征吸收。要使半導(dǎo)體材料發(fā)生本征吸收，入射光子的能量需要滿足hν≥Eg的條件，否則電子的躍遷則不能發(fā)生。被測(cè)硅片樣品對(duì)不同能量的光子的吸收能力是不同的。圖1所示的是硅材料的吸收系數(shù)α和入射光子能量hν之間的關(guān)系。

3 測(cè)試條件

測(cè)試所用樣品的外延層和襯底之間要有pn結(jié)隔離，或者外延層的電阻率要比襯底的電阻率小得多。測(cè)試儀探針的導(dǎo)電性能要好，與被測(cè)材料的接觸電勢(shì)差要小，同時(shí)，探針的位置要固定，防止探針游移。

在測(cè)量過(guò)程中，電流源提供的電流的相對(duì)變化不能超過(guò)0.05%。工作電流的選擇主要取決于被測(cè)樣品的電阻率大小。如果選取的工作電流過(guò)小，則測(cè)量電壓的難度將提升；選取較大的工作電流可以測(cè)得較高的電壓值，這可以提高測(cè)量的精確性，但是工作電流過(guò)大會(huì)使得被測(cè)樣品發(fā)熱，樣品的電阻率隨之發(fā)生變化，這又降低了測(cè)量的精度。所以為了選取合適的工作電流，需要先獲得被測(cè)樣品的I-V特性關(guān)系，根據(jù)I-V關(guān)系將工作電流控制在線性較好的范圍內(nèi)，這樣被測(cè)樣品的電阻率就不會(huì)隨著電流的變化有過(guò)大變化，測(cè)量的精度可以得到保證。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于具有較大電阻率的樣品，工作電流要選得小一些，而電阻率較小的樣品則工作電流可以選得大一些。而在確保電流和電壓有足夠測(cè)量精度的前提下，工作電流應(yīng)當(dāng)盡可能選得小一些。

5 光照對(duì)測(cè)試結(jié)果影響的分析

6 結(jié)語(yǔ)

總體而言，隨著入射光子能量的增加，硅樣品的吸收系數(shù)逐漸增大，即表示材料對(duì)光子能量較大或頻率較大的光吸收能力較強(qiáng)。當(dāng)入射的光子能量較大，被測(cè)硅樣品越能吸收入射光的能量，這樣則能產(chǎn)生越多的光生載流子，從而使被測(cè)樣品的電導(dǎo)率升高，電阻率和方塊電阻減小，這樣就使得電阻率實(shí)際的測(cè)量值越偏離標(biāo)稱值。當(dāng)入射光子能量較小或頻率較小時(shí)，情況則正好相反。另外當(dāng)入射光頻率一定，光強(qiáng)越強(qiáng)產(chǎn)生的光生載流子也越多，也可以使被測(cè)樣品的實(shí)測(cè)電阻值小于標(biāo)稱值。正因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量時(shí)，半導(dǎo)體樣品不可避免地會(huì)處在一定光照條件下，測(cè)量過(guò)程中光照條件不一樣就會(huì)使測(cè)量電阻率出現(xiàn)的測(cè)量誤差有所差異。

參考文獻(xiàn)

[1] 宗祥福，李川.電子材料實(shí)驗(yàn)[M].上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2004.

[2] 劉恩科，朱秉升，羅晉生，等.半導(dǎo)體物理學(xué)（第四版）[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1994.

[3] Donald A.Neamen，趙毅強(qiáng)，等.半導(dǎo)體物理與器件（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

篇7

關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn);教學(xué)改革;專業(yè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為高校教學(xué)環(huán)節(jié)中的一個(gè)重要組成部分，不僅因?yàn)槠涫钦n堂教學(xué)的延伸，更由于通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，拓展學(xué)生的創(chuàng)造思維［1，2］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)分為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和專業(yè)實(shí)驗(yàn)兩部分［3，4］:基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)面向全校學(xué)生，如大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)、普通化學(xué)實(shí)驗(yàn)等，其主要任務(wù)是鞏固學(xué)生對(duì)所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和規(guī)律的理解，旨在提高學(xué)生的觀察、分析及解決問(wèn)題的能力，提供知識(shí)儲(chǔ)備［5，6］;與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)不同，專業(yè)實(shí)驗(yàn)僅面向某一專業(yè)，是針對(duì)專業(yè)理論課程的具體學(xué)習(xí)要求設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，對(duì)于學(xué)生專業(yè)方向能力的提高具有極強(qiáng)的促進(jìn)作用［7～8］。通過(guò)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使學(xué)生能夠更好的理解、掌握和應(yīng)用基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，提高分析問(wèn)題的能力并解決生活中涉及專業(yè)的實(shí)際問(wèn)題，為學(xué)生開展專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［9～11］。

1半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程存在的問(wèn)題與困難

半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)專業(yè)電子材料與器件工程方向必修的一門專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體材料和器件的制備及測(cè)試方法的實(shí)踐操作能力，其教學(xué)效果直接影響著后續(xù)研究生階段的學(xué)習(xí)和畢業(yè)工作實(shí)踐。通過(guò)對(duì)前幾年本專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)情況分析，發(fā)現(xiàn)該專業(yè)畢業(yè)生缺乏對(duì)領(lǐng)域內(nèi)前沿技術(shù)的理解和掌握。由于沒有經(jīng)過(guò)相關(guān)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，不少畢業(yè)生就業(yè)后再學(xué)習(xí)過(guò)程較長(zhǎng)，融入企事業(yè)單位較慢，因此提升空間受到限制。1．1教學(xué)內(nèi)容簡(jiǎn)單陳舊。目前，國(guó)內(nèi)高校在半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上大同小異，基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)居多，對(duì)于新能源、新型電子器件等領(lǐng)域的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容完全沒有或涉及較少。某些高校還利用虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其實(shí)驗(yàn)效果遠(yuǎn)不如學(xué)生實(shí)際動(dòng)手操作。我校的半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)原有教學(xué)內(nèi)容主要參照上個(gè)世紀(jì)七、八十年代國(guó)家對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)的要求所設(shè)置，受技術(shù)、條件所限，主要以傳統(tǒng)半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊。但是在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中添加新能源、新型電子器件等領(lǐng)域的技術(shù)方法，對(duì)于增加學(xué)生對(duì)所學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最新前沿技術(shù)的了解，掌握現(xiàn)代技術(shù)中半導(dǎo)體材料特性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)手段和測(cè)試技術(shù)是極為重要的。1．2儀器設(shè)備嚴(yán)重匱乏。半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生熟練掌握半導(dǎo)體材料和器件的制備、基本物理參數(shù)以及物理性質(zhì)的測(cè)試原理和表征方法，為半導(dǎo)體材料與器件的開發(fā)設(shè)計(jì)與研制奠定基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，專業(yè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)隨著專業(yè)知識(shí)的更新及行業(yè)的發(fā)展及時(shí)調(diào)整，從而能更好的完成課程教學(xué)目標(biāo)的要求，培養(yǎng)新時(shí)代的人才。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整和更新需要有新型的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備做保障，但我校原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備絕大部分生產(chǎn)于上個(gè)世紀(jì)六七十年代，在長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，不少儀器因無(wú)法修復(fù)的故障而處于待報(bào)廢狀態(tài)。由于儀器設(shè)備不能及時(shí)更新，致使個(gè)別實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無(wú)法正常進(jìn)行，可運(yùn)行的儀器設(shè)備也因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)誤差大、重復(fù)性低，有時(shí)甚至?xí)玫藉e(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，只能作學(xué)生“按部就班”的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的調(diào)整，將新技術(shù)新方法應(yīng)用于教學(xué)中。因此，在改革之前半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)為主，設(shè)計(jì)性、應(yīng)用性、綜合性等提高類實(shí)驗(yàn)較少，且無(wú)法開展創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)。缺少自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新、協(xié)作等實(shí)踐能力的訓(xùn)練，不僅極大地降低學(xué)生對(duì)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的興趣，且不利于學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的培養(yǎng)，半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程的改革勢(shì)在必行。

2半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程改革的內(nèi)容與舉措

半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)開設(shè)時(shí)間為本科大四秋季學(xué)期，該實(shí)驗(yàn)課與專業(yè)理論課半導(dǎo)體物理學(xué)、半導(dǎo)體器件、薄膜物理學(xué)在同一學(xué)期進(jìn)行。隨著半導(dǎo)體技術(shù)日新月異發(fā)展的今天，對(duì)半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容也提出了新的要求，因此，要求這門實(shí)驗(yàn)課程不僅能夠通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料某些重要參數(shù)和特性的觀測(cè)，使學(xué)生掌握半導(dǎo)體材料和器件的制備及基本物理參數(shù)與物理性質(zhì)的測(cè)試方法，而且可以在鋪墊必備基礎(chǔ)和實(shí)際操作技能的同時(shí)，拓展學(xué)生在電子材料與器件工程領(lǐng)域的科學(xué)前沿知識(shí)，為將來(lái)獨(dú)立開展產(chǎn)品的研制和科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2．1實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。2013年年底，基于我校本科教學(xué)項(xiàng)目的資金支持，半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外高?，F(xiàn)行半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料，結(jié)合我校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的自身特點(diǎn)，按照創(chuàng)新教育的要求重新設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并根據(jù)所開設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容合理配置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，新配置儀器設(shè)備具有一定的前瞻性，品質(zhì)優(yōu)良，數(shù)量合理，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。由于作為一門專業(yè)實(shí)驗(yàn)課，每學(xué)年只有一個(gè)學(xué)期承擔(dān)教學(xué)任務(wù)，為了提高儀器設(shè)備的利用率，做到實(shí)驗(yàn)設(shè)備資源的不浪費(fèi)，計(jì)劃成立一間半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)專屬的實(shí)驗(yàn)室，用于陳放新購(gòu)置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在沒有教學(xué)任務(wù)的學(xué)期，該實(shí)驗(yàn)室做為科研實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室使用。通過(guò)近三年的建設(shè)，半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)專屬實(shí)驗(yàn)室———新能源材料與電子器件工程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建成并投入使用，該實(shí)驗(yàn)室為電子材料與器件工程方向的本科生畢業(yè)論文設(shè)計(jì)以及全院本科生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了基本保障，更為重要的是該實(shí)驗(yàn)室的建成極大地改善了半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)的原有教學(xué)條件，解決了實(shí)際困難，使得半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果顯著提升。不僅加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)專業(yè)核心知識(shí)理解和掌握，而且啟發(fā)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)創(chuàng)造性地解決實(shí)際問(wèn)題，有效提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。2．2實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的更新。半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)是一門72學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課，在專屬實(shí)驗(yàn)室建成后，按照重視基礎(chǔ)、突出綜合、強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新、提升能力的要求，逐步培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素質(zhì)和創(chuàng)新能力，構(gòu)建了“九—八—五”新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，包括如下三個(gè)層次(表1)。第一層次為“九”個(gè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)，涵蓋對(duì)半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)(結(jié)構(gòu)、電學(xué)、光學(xué))的測(cè)定，通過(guò)對(duì)物理量的測(cè)量驗(yàn)證物理規(guī)律，訓(xùn)練學(xué)生觀察、分析和研究半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力，掌握常用基本半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)儀器的原理、性能和測(cè)量方法等。第二層次為“八”個(gè)提高型實(shí)驗(yàn)(綜合、應(yīng)用性實(shí)驗(yàn))，學(xué)生通過(guò)第一層次的實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，已掌握了基本的實(shí)驗(yàn)方法和技能，在此基礎(chǔ)上，開展綜合性實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)以及分析和解決問(wèn)題的能力。通過(guò)應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生將來(lái)利用設(shè)備原理從事生產(chǎn)或者技術(shù)服務(wù)的能力。第三層次為“五”個(gè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，學(xué)生需運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)、綜合多學(xué)科內(nèi)容，結(jié)合教師的科研項(xiàng)目進(jìn)行創(chuàng)新研究，通過(guò)設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)可以鍛煉學(xué)生組織和自主實(shí)驗(yàn)的能力，著力培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力和基本的科研素質(zhì)。每個(gè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)，提高型實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)，創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)12學(xué)時(shí)，規(guī)定基礎(chǔ)型為必修實(shí)驗(yàn)，提高型、創(chuàng)新型為選作實(shí)驗(yàn)。九個(gè)基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)全部完成后，學(xué)生可根據(jù)興趣和畢業(yè)設(shè)計(jì)要求在提高型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)中各分別選做一定數(shù)量的實(shí)驗(yàn)，在開課學(xué)期結(jié)束時(shí)完成至少72個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)并獲得成績(jī)方為合格。2．3實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的優(yōu)化。在教學(xué)方式上，建立以學(xué)生為中心、學(xué)生自我訓(xùn)練為主的教學(xué)模式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。將之前老師實(shí)驗(yàn)前的講解轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生代表講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后老師提問(wèn)并補(bǔ)充完善，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)安排過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由淺入深、由簡(jiǎn)單到綜合、逐步過(guò)渡至設(shè)計(jì)和研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容形成連貫的實(shí)驗(yàn)梯度教學(xué)體系，在充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自發(fā)解決問(wèn)題的能力。2．4實(shí)驗(yàn)考核機(jī)制的改革。目前大部分實(shí)驗(yàn)課的成績(jī)由每次實(shí)驗(yàn)后的“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”的平均成績(jī)決定，然而單獨(dú)一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告并不能夠完整反應(yīng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力和對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的熟悉程度。因此，本課程將此改革為總成績(jī)由每次“實(shí)驗(yàn)”的平均成績(jī)決定。每次實(shí)驗(yàn)成績(jī)包括實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)報(bào)告三部分，實(shí)驗(yàn)開始前通過(guò)問(wèn)答以及學(xué)生講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)給出實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)成績(jī);實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)是個(gè)團(tuán)隊(duì)成績(jī)反映每組實(shí)驗(yàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的動(dòng)手能力以及組員之間的相互協(xié)助情況;針對(duì)提高型和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，特別是創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，要求以科技論文的形式來(lái)撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，以此來(lái)鍛煉本科生的科技論文寫作能力。通過(guò)三部分綜合來(lái)給出的實(shí)驗(yàn)成績(jī)更注重對(duì)知識(shí)的掌握、能力的提高和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)等方面的考核。

3半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)課程改革后的成效

半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)在我校本科教學(xué)項(xiàng)目的支持下，購(gòu)置并更新了實(shí)驗(yàn)設(shè)備建立了專屬實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建了“九—八—五”新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，并采用新的教學(xué)方式和考核機(jī)制，教師和學(xué)生普遍感覺到新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的目的性、整體性和層次性都得到了極大的提高。教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式的調(diào)整，使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力得到增強(qiáng)，提高了學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)中學(xué)生實(shí)際動(dòng)手的機(jī)會(huì)增多，對(duì)知識(shí)的渴求程度明顯加強(qiáng)，為了更好地完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，部分本科生還會(huì)主動(dòng)去查閱研中英文科技文獻(xiàn)，真正做到了自主自覺的學(xué)習(xí)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，學(xué)生掌握了科技論文的基本格式，數(shù)據(jù)處理的圖表制作，了解了科學(xué)研究的過(guò)程，具備了基本的科研能力，也為學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，利用新購(gòu)置的實(shí)驗(yàn)設(shè)備建立的實(shí)驗(yàn)室，在做為科研實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室使用時(shí)，也取得了優(yōu)異的成績(jī)。依托本實(shí)驗(yàn)室，2015年“國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”立項(xiàng)3項(xiàng)，2016年“國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”立項(xiàng)4項(xiàng)。

4結(jié)語(yǔ)

篇8

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(wèn)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(wèn)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(jī)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(jī)分布情況為例，表1中近三年學(xué)生成績(jī)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(jī)低分人數(shù)逐年增多，成績(jī)偏離理想狀況較多。

2.針對(duì)問(wèn)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(lái)，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(lái)說(shuō)，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(guò)的普通物理和大學(xué)學(xué)過(guò)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(guò)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(jiǎn)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(lái)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(wú)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(lái)，容易使疑難問(wèn)題堆積起來(lái)，對(duì)于不認(rèn)真聽講的部分學(xué)生來(lái)說(shuō)，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(shuō)，“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(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，本文從教學(xué)方法和教學(xué)手段兩個(gè)方面入手來(lái)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(guó)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(guò)程與生產(chǎn)過(guò)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(zhēng)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(zhēng)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(wèn)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(wèn)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(yáng)電池伏安特性測(cè)量”、“光電傳感器基本特性測(cè)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guó)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(qǐng)國(guó)內(nèi)外相關(guān)專業(yè)的專家進(jìn)行講座，邀請(qǐng)企業(yè)高級(jí)技術(shù)人才和管理人才作為兼職教授來(lái)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(guó)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(guò)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(zhǎng)，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(guò)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(qǐng)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.

篇9

關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī)；半導(dǎo)體制冷；太陽(yáng)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(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，由市場(chǎng)調(diào)查的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)明，隨著人們生活節(jié)奏的加快，越來(lái)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(zhǎng)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(yáng)能電池技術(shù)的發(fā)展和成熟，太陽(yáng)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(chǎng)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(wèn)題我們?cè)O(shè)計(jì)了基于控制冬夏季溫度變化的新型太陽(yáng)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(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保持箱內(nèi)溫度的功能；利用太陽(yáng)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(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P極的元件對(duì)數(shù)來(lái)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(yáng)能電池板連接蓄電池對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電

采用12V太陽(yáng)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(yáng)能電池的輸出電壓，可以保護(hù)電池不被過(guò)充， 同時(shí)，也確保晚上太陽(yáng)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(yáng)能電池――光伏控制器――蓄電池――直流負(fù)載。在太陽(yáng)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(yáng)能電池的電，剩余的充到電池里；相反，若此太陽(yáng)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(cè)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(cè)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(cè)溫度值，具有測(cè)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能保鮮箱的推廣應(yīng)用工作的開展。具體來(lái)講，需要積極做好以下幾個(gè)方面的工作：

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

無(wú)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(yáng)能電池板，都是當(dāng)前高新技術(shù)發(fā)展的代表。也就是說(shuō)在開展新型太陽(yáng)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(chǎng)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(yáng)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(yáng)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(guó)際保鮮技術(shù)理論潮流，深入研究，形成健全的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能保鮮箱推廣體系

此款新型太陽(yáng)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(lái)講，是很值得在市場(chǎng)上進(jìn)行推廣的產(chǎn)品。為此，建立健全新型太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能保鮮箱的優(yōu)勢(shì)，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(guó)家應(yīng)該針對(duì)于這種環(huán)保型的太陽(yáng)能保鮮箱制定對(duì)應(yīng)的補(bǔ)貼政策，刺激新型太陽(yáng)能保鮮箱的消費(fèi)需求，使得其更加快的融入到市場(chǎng)中去。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(guò)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(yáng)能保鮮箱通過(guò)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(yáng)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(wú)污染，符合可持續(xù)發(fā)展要求。其經(jīng)濟(jì)實(shí)用，簡(jiǎn)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(chǎng)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.

篇10

太陽(yáng)能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，也是清潔能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染。在太陽(yáng)能的有效利用當(dāng)中，大陽(yáng)能光電利用是近些年來(lái)發(fā)展最快，最具活力的研究領(lǐng)域，制作太陽(yáng)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)生光電子轉(zhuǎn)換反應(yīng)，根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池可分為：硅太陽(yáng)能電池；以無(wú)機(jī)鹽如砷化鎵IIIV化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池；功能高分子材料制備的太陽(yáng)能電池；納米晶太陽(yáng)能電池等。對(duì)太陽(yáng)能電池材料的要求有：半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)且材料性能穩(wěn)定。隨著新材料的不斷開發(fā)和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，除了傳統(tǒng)硅材料，新型材料的太陽(yáng)能電池也愈來(lái)愈顯示出誘人的前景。本書描述了制作太陽(yáng)能電池的技術(shù)和材料，包括傳統(tǒng)的光伏材料、新型無(wú)機(jī)材料，以及有機(jī)材料、納米材料。本書涵蓋了新型太陽(yáng)能電池的材料及其研究現(xiàn)狀，并討論了太陽(yáng)能電池的發(fā)展及趨勢(shì)。

在本書中，讀者可了解到先進(jìn)光伏技術(shù)進(jìn)展以及多種太陽(yáng)能電池材料，主要介紹了如下幾類太陽(yáng)能電池材料：（1）單晶硅材料及單晶硅太陽(yáng)能電池：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率最高，但由于單晶硅材料成本高，價(jià)格居高不下，電池工藝繁瑣，因而單晶硅太陽(yáng)能電池沒有得到很大的發(fā)展；（2）多晶硅薄膜電池：多晶硅薄膜電池使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，能量轉(zhuǎn)換效率高于非晶硅薄膜電池、無(wú)效率衰退問(wèn)題，因此多晶硅薄膜電池有望在太陽(yáng)能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位；（3）非晶硅太陽(yáng)能電池：非晶硅太陽(yáng)能電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率和較低的成本，重量輕等特點(diǎn)，但其穩(wěn)定性不高影響了其實(shí)際應(yīng)用；（4）多元化合物薄膜電池：多元化合物薄膜作為太陽(yáng)能電池的半導(dǎo)體材料，具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向；（5）有機(jī)太陽(yáng)能電池：有機(jī)太陽(yáng)能電池具有柔性好、制作容易、材料來(lái)源廣泛、成本低等優(yōu)勢(shì)，對(duì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能、提供廉價(jià)電能具有重要意義；（6）第三代太陽(yáng)能電池：第三代太陽(yáng)能電池技術(shù)隨著科技的不斷進(jìn)步正在迅速發(fā)展，具有巨大的應(yīng)用潛力。

本書主要內(nèi)容如下：1.引言；2.基本物理原理對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的限制；3.對(duì)光伏材料的物理表征；4.晶體硅太陽(yáng)能電池的發(fā)展；5.非晶硅和微晶硅太陽(yáng)能電池；6.III-V族太陽(yáng)能電池；7.硫族薄膜太陽(yáng)能電池；8.印刷有機(jī)太陽(yáng)能電池；9第三代太陽(yáng)能電池。

本書適合于光伏行業(yè)的科研工作者以及相關(guān)專業(yè)的研究生閱讀。

楊盈瑩，助理研究員