半導體材料論文
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半導體材料論文范文第1篇
關鍵詞半導體材料量子線量子點材料光子晶體
1半導體材料的戰略地位
上世紀中葉，單晶硅和半導體晶體管的發明及其硅集成電路的研制成功，導致了電子工業革命；上世紀70年代初石英光導纖維材料和GaAs激光器的發明，促進了光纖通信技術迅速發展并逐步形成了高新技術產業，使人類進入了信息時代。超晶格概念的提出及其半導體超晶格、量子阱材料的研制成功，徹底改變了光電器件的設計思想，使半導體器件的設計與制造從“雜質工程”發展到“能帶工程”。納米科學技術的發展和應用，將使人類能從原子、分子或納米尺度水平上控制、操縱和制造功能強大的新型器件與電路，必將深刻地影響著世界的政治、經濟格局和軍事對抗的形式，徹底改變人們的生活方式。
2幾種主要半導體材料的發展現狀與趨勢
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發展的總趨勢。目前直徑為8英寸（200mm）的Si單晶已實現大規模工業生產，基于直徑為12英寸（300mm）硅片的集成電路（IC‘s）技術正處在由實驗室向工業生產轉變中。目前300mm，0.18μm工藝的硅ULSI生產線已經投入生產，300mm，0.13μm工藝生產線也將在2003年完成評估。18英寸重達414公斤的硅單晶和18英寸的硅園片已在實驗室研制成功，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成為硅材料發展的主流。另外，SOI材料，包括智能剝離（Smartcut）和SIMOX材料等也發展很快。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對現有器件特性影響所帶來的物理限制和光刻技術的限制問題，更重要的是將受硅、SiO2自身性質的限制。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引線以及采用系統集成芯片技術等來提高ULSI的集成度、運算速度和功能，但硅將最終難以滿足人類不斷的對更大信息量需求。為此，人們除尋求基于全新原理的量子計算和DNA生物計算等之外，還把目光放在以GaAs、InP為基的化合物半導體材料，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，這也是目前半導體材料研發的重點。
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；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特的優勢。
目前，世界GaAs單晶的總年產量已超過200噸，其中以低位錯密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生長的2－3英寸的導電GaAs襯底材料為主；近年來，為滿足高速移動通信的迫切需求，大直徑（4，6和8英寸）的SI－GaAs發展很快。美國莫托羅拉公司正在籌建6英寸的SI－GaAs集成電路生產線。InP具有比GaAs更優越的高頻性能，發展的速度更快，但研制直徑3英寸以上大直徑的InP單晶的關鍵技術尚未完全突破，價格居高不下。
GaAs和InP單晶的發展趨勢是：
（1）。增大晶體直徑，目前4英寸的SI－GaAs已用于生產，預計本世紀初的頭幾年直徑為6英寸的SI－GaAs也將投入工業應用。
（2）。提高材料的電學和光學微區均勻性。
（3）。降低單晶的缺陷密度，特別是位錯。
（4）。GaAs和InP單晶的VGF生長技術發展很快，很有可能成為主流技術。
2.3半導體超晶格、量子阱材料
半導體超薄層微結構材料是基于先進生長技術（MBE，MOCVD）的新一代人工構造材料。它以全新的概念改變著光電子和微電子器件的設計思想，出現了“電學和光學特性可剪裁”為特征的新范疇，是新一代固態量子器件的基礎材料。
（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基晶格匹配和應變補償材料體系已發展得相當成熟，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fmax=600GHz，輸出功率58mW，功率增益6.4db；雙異質結雙極晶體管（HBT）的最高頻率fmax也已高達500GHz，HEMT邏輯電路研制也發展很快。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器，紅、黃、橙光發光二極管和紅光激光器以及大功率半導體量子阱激光器已商品化；表面光發射器件和光雙穩器件等也已達到或接近達到實用化水平。目前，研制高質量的1.5μm分布反饋（DFB）激光器和電吸收（EA）調制器單片集成InP基多量子阱材料和超高速驅動電路所需的低維結構材料是解決光纖通信瓶頸問題的關鍵，在實驗室西門子公司已完成了80×40Gbps傳輸40km的實驗。另外，用于制造準連續兆瓦級大功率激光陣列的高質量量子阱材料也受到人們的重視。
雖然常規量子阱結構端面發射激光器是目前光電子領域占統治地位的有源器件，但由于其有源區極薄（～0.01μm）端面光電災變損傷，大電流電熱燒毀和光束質量差一直是此類激光器的性能改善和功率提高的難題。采用多有源區量子級聯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980nmInGaAs帶間量子級聯激光器，輸出功率達5W以上；2000年初，法國湯姆遜公司又報道了單個激光器準連續輸出功率超過10瓦好結果。最近，我國的科研工作者又提出并開展了多有源區縱向光耦合垂直腔面發射激光器研究，這是一種具有高增益、極低閾值、高功率和高光束質量的新型激光器，在未來光通信、光互聯與光電信息處理方面有著良好的應用前景。
為克服PN結半導體激光器的能隙對激光器波長范圍的限制，1994年美國貝爾實驗室發明了基于量子阱內子帶躍遷和阱間共振隧穿的量子級聯激光器，突破了半導體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯激光器（QCLs）發明以來，Bell實驗室等的科學家，在過去的7年多的時間里，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展。2001年瑞士Neuchatel大學的科學家采用雙聲子共振和三量子阱有源區結構使波長為9.1μm的QCLs的工作溫度高達312K，連續輸出功率3mW.量子級聯激光器的工作波長已覆蓋近紅外到遠紅外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光譜、超高靈敏氣體傳感器、高速調制器和無線光學連接等方面顯示出重要的應用前景。中科院上海微系統和信息技術研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子級聯激光器；中科院半導體研究所于2000年又研制成功3.7μm室溫準連續應變補償量子級聯激光器，使我國成為能研制這類高質量激光器材料為數不多的幾個國家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作為超薄層微結構材料發展的主流方向，正從直徑3英寸向4英寸過渡；生產型的MBE和M0CVD設備已研制成功并投入使用，每臺年生產能力可高達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PicogigaMBE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。生產型MBE和MOCVD設備的成熟與應用，必然促進襯底材料設備和材料評價技術的發展。
（2）硅基應變異質結構材料。
硅基光、電器件集成一直是人們所追求的目標。但由于硅是間接帶隙，如何提高硅基材料發光效率就成為一個亟待解決的問題。雖經多年研究，但進展緩慢。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低維結構，Ge／Si量子點和量子點超晶格材料，Si／SiC量子點材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED發光器件和有關納米硅的受激放大現象的報道，使人們看到了一線希望。
另一方面，GeSi／Si應變層超晶格材料，因其在新一代移動通信上的重要應用前景，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是實現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等不同造成的高密度失配位錯而導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，用鈦酸鍶作協變層（柔性層），成功的生長了器件級的GaAs外延薄膜，取得了突破性的進展。
2.4一維量子線、零維量子點半導體微結構材料
基于量子尺寸效應、量子干涉效應，量子隧穿效應和庫侖阻效應以及非線性光學效應等的低維半導體材料是一種人工構造（通過能帶工程實施）的新型半導體材料，是新一代微電子、光電子器件和電路的基礎。它的發展與應用，極有可能觸發新的技術革命。
目前低維半導體材料生長與制備主要集中在幾個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展。俄羅斯約飛技術物理所MBE小組，柏林的俄德聯合研制小組和中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子點激光器，工作波長lμm左右，單管室溫連續輸出功率高達3.6～4W.特別應當指出的是我國上述的MBE小組，2001年通過在高功率量子點激光器的有源區材料結構中引入應力緩解層，抑制了缺陷和位錯的產生，提高了量子點激光器的工作壽命，室溫下連續輸出功率為1W時工作壽命超過5000小時，這是大功率激光器的一個關鍵參數，至今未見國外報道。
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年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工藝技術實現了128Mb的單電子存貯器原型樣機的制造，這是在單電子器件在高密度存貯電路的應用方面邁出的關鍵一步。目前，基于量子點的自適應網絡計算機，單光子源和應用于量子計算的量子比特的構建等方面的研究也正在進行中。
與半導體超晶格和量子點結構的生長制備相比，高度有序的半導體量子線的制備技術難度較大。中科院半導體所半導體材料科學重點實驗室的MBE小組，在繼利用MBE技術和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構的基礎上，對InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準（垂直或斜對準）的物理起因和生長控制進行了研究，取得了較大進展。
王中林教授領導的喬治亞理工大學的材料科學與工程系和化學與生物化學系的研究小組，基于無催化劑、控制生長條件的氧化物粉末的熱蒸發技術，成功地合成了諸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半導體氧化物納米帶，它們與具有圓柱對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出高純、結構均勻和單晶體，幾乎無缺陷和位錯；納米線呈矩形截面，典型的寬度為20－300nm，寬厚比為5－10，長度可達數毫米。這種半導體氧化物納米帶是一個理想的材料體系，可以用來研究載流子維度受限的輸運現象和基于它的功能器件制造。香港城市大學李述湯教授和瑞典隆德大學固體物理系納米中心的LarsSamuelson教授領導的小組，分別在SiO2／Si和InAs／InP半導體量子線超晶格結構的生長制各方面也取得了重要進展。
低維半導體結構制備的方法很多，主要有：微結構材料生長和精細加工工藝相結合的方法，應變自組裝量子線、量子點材料生長技術，圖形化襯底和不同取向晶面選擇生長技術，單原子操縱和加工技術，納米結構的輻照制備技術，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方法制備量子點和量子線的技術等。目前發展的主要趨勢是尋找原子級無損傷加工方法和納米結構的應變自組裝可控生長技術，以求獲得大小、形狀均勻、密度可控的無缺陷納米結構。
2.5寬帶隙半導體材料
寬帶隙半導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，因具有高熱導率、高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研制高頻大功率、耐高溫、抗輻照半導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用前景。另外，III族氮化物也是很好的光電子材料，在藍、綠光發光二極管（LED）和紫、藍、綠光激光器（LD）以及紫外探測器等應用方面也顯示了廣泛的應用前景。隨著1993年GaN材料的P型摻雜突破，GaN基材料成為藍綠光發光材料的研究熱點。目前，GaN基藍綠光發光二極管己商品化，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140GHz，fT=67GHz，跨導為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發展很快。此外，256×256GaN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電子工業有限公司2000年宣稱，他們采用熱力學方法已研制成功2英寸GaN單晶材料，這將有力的推動藍光激光器和GaN基電子器件的發展。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，這是因為它們在長波長光通信用高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基材料襯低的藍綠光LED業已上市，并參于與以藍寶石為襯低的GaN基發光器件的竟爭。其他SiC相關高溫器件的研制也取得了長足的進步。目前存在的主要問題是材料中的缺陷密度高，且價格昂貴。
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型摻雜難點而得到迅速發展。1991年3M公司利用MBE技術率先宣布了電注入（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族蘭綠光半導體激光（材料）器件研制的。經過多年的努力，目前ZnSe基II－VI族蘭綠光激光器的壽命雖已超過1000小時，但離使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速發展和應用，使II－VI族蘭綠光材料研制步伐有所變緩。提高有源區材料的完整性，特別是要降低由非化學配比導致的點缺陷密度和進一步降低失配位錯和解決歐姆接觸等問題，仍是該材料體系走向實用化前必須要解決的問題。
寬帶隙半導體異質結構材料往往也是典型的大失配異質結構材料，所謂大失配異質結構材料是指晶格常數、熱膨脹系數或晶體的對稱性等物理參數有較大差異的材料體系，如GaN／藍寶石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引發界面處大量位錯和缺陷的產生，極大地影響著微結構材料的光電性能及其器件應用。如何避免和消除這一負面影響，是目前材料制備中的一個迫切要解決的關鍵科學問題。這個問題的解泱，必將大大地拓寬材料的可選擇余地，開辟新的應用領域。
目前，除SiC單晶襯低材料，GaN基藍光LED材料和器件已有商品出售外，大多數高溫半導體材料仍處在實驗室研制階段，不少影響這類材料發展的關鍵問題，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族材料的退化機理等仍是制約這些材料實用化的關鍵問題，國內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構材料，介電常數周期的被調制在與工作波長相比擬的尺度，來自結構單元的散射波的多重干涉形成一個光子帶隙，與半導體材料的電子能隙相似，并可用類似于固態晶體中的能帶論來描述三維周期介電結構中光波的傳播，相應光子晶體光帶隙（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，那么在禁帶中也會引入所謂的“施主”和“受主”模，光子態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）結合脈沖激光蒸發方法，即先用脈沖激光蒸發制備如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展，但三維光子晶體的研究，仍是一個具有挑戰性的課題。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，取得了進展。
4量子比特構建與材料
隨著微電子技術的發展，計算機芯片集成度不斷增高，器件尺寸越來越小（nm尺度）并最終將受到器件工作原理和工藝技術限制，而無法滿足人類對更大信息量的需求。為此，發展基于全新原理和結構的功能強大的計算機是21世紀人類面臨的巨大挑戰之一。1994年Shor基于量子態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。
所謂量子計算機是應用量子力學原理進行計的裝置，理論上講它比傳統計算機有更快的運算速度，更大信息傳遞量和更高信息安全保障，有可能超越目前計算機理想極限。實現量子比特構造和量子計算機的設想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一個實現大規模量子計算的方案。其核心是利用硅納米電子器件中磷施主核自旋進行信息編碼，通過外加電場控制核自旋間相互作用實現其邏輯運算，自旋測量是由自旋極化電子電流來完成，計算機要工作在mK的低溫下。
這種量子計算機的最終實現依賴于與硅平面工藝兼容的硅納米電子技術的發展。除此之外，為了避免雜質對磷核自旋的干擾，必需使用高純（無雜質）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則的磷原子陣列等是實現量子計算的關鍵。量子態在傳輸，處理和存儲過程中可能因環境的耦合（干擾），而從量子疊加態演化成經典的混合態，即所謂失去相干，特別是在大規模計算中能否始終保持量子態間的相干是量子計算機走向實用化前所必需克服的難題。
5發展我國半導體材料的幾點建議
鑒于我國目前的工業基礎，國力和半導體材料的發展水平，提出以下發展建議供參考。
5.1硅單晶和外延材料硅材料作為微電子技術的主導地位
至少到本世紀中葉都不會改變，至今國內各大集成電路制造廠家所需的硅片基本上是依賴進口。目前國內雖已可拉制8英寸的硅單晶和小批量生產6英寸的硅外延片，然而都未形成穩定的批量生產能力，更談不上規模生產。建議國家集中人力和財力，首先開展8英寸硅單晶實用化和6英寸硅外延片研究開發，在“十五”的后期，爭取做到8英寸集成電路生產線用硅單晶材料的國產化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我國應有8～12英寸硅單晶、片材和8英寸硅外延片的規模生產能力；更大直徑的硅單晶、片材和外延片也應及時布點研制。另外，硅多晶材料生產基地及其相配套的高純石英、氣體和化學試劑等也必需同時給以重視，只有這樣，才能逐步改觀我國微電子技術的落后局面，進入世界發達國家之林。
5.2GaAs及其有關化合物半導體單晶材料發展建議
GaAs、InP等單晶材料同國外的差距主要表現在拉晶和晶片加工設備落后，沒有形成生產能力。相信在國家各部委的統一組織、領導下，并爭取企業介入，建立我國自己的研究、開發和生產聯合體，取各家之長，分工協作，到2010年趕上世界先進水平是可能的。要達到上述目的，到“十五”末應形成以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能力，以滿足我國不斷發展的微電子和光電子工業的需術。到2010年，應當實現4英寸GaAs生產線的國產化，并具有滿足6英寸線的供片能力。
5.3發展超晶格、量子阱和一維、零維半導體微結構材料的建議
（1）超晶格、量子阱材料從目前我國國力和我們已有的基礎出發，應以三基色（超高亮度紅、綠和藍光）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MBE和MOCVD兩個基地的建設，引進必要的適合批量生產的工業型MBE和MOCVD設備并著重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基藍綠光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料體系的實用化研究是當務之急，爭取在“十五”末，能滿足國內2、3和4英寸GaAs生產線所需要的異質結材料。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構材料的生產能力。達到本世紀初的國際水平。
寬帶隙高溫半導體材料如SiC，GaN基微電子材料和單晶金剛石薄膜以及ZnO等材料也應擇優布點，分別做好研究與開發工作。
（2）一維和零維半導體材料的發展設想。基于低維半導體微結構材料的固態納米量子器件，目前雖然仍處在預研階段，但極其重要，極有可能觸發微電子、光電子技術新的革命。低維量子器件的制造依賴于低維結構材料生長和納米加工技術的進步，而納米結構材料的質量又很大程度上取決于生長和制備技術的水平。因而，集中人力、物力建設我國自己的納米科學與技術研究發展中心就成為了成敗的關鍵。具體目標是，“十五”末，在半導體量子線、量子點材料制備，量子器件研制和系統集成等若干個重要研究方向接近當時的國際先進水平；2010年在有實用化前景的量子點激光器，量子共振隧穿器件和單電子器件及其集成等研發方面，達到國際先進水平，并在國際該領域占有一席之地。可以預料，它的實施必將極大地增強我國的經濟和國防實力。
半導體材料論文范文第2篇
《投資者報》：盡管公司認為從半導體轉入光伏領域是由于兩者技術共通，但有投資者認為公司要么是盲目跟風，要么是原來的半導體產業做得不好了，你認為公司是被迫轉型還是順勢而為？
安艷清：公司轉型看上去很突然，但背后的邏輯是，IC半導體材料和光伏硅材料同屬半導體材料，是同種物質的兩種用途存在方式。公司1988年就已經開始從事太陽能級半導體材料的生產制造，因此公司只是將光伏領域的太陽能半導體材料實施了放大。而且，由于用于芯片的IC半導體材料在技術方面的要求遠高于用于太陽能電池的硅材料，因此在光伏領域有著技術方面的先天優勢。
另外，公司專注于半導體硅材料的研發、生產和制造，是公司的主業，IC半導體材料不但沒有做不下去，而且做得非常好。在全球范圍內我們的區熔單晶硅（FZ）綜合實力排名前三，2010年我們的市場份額為12%至18%，2011年底我們占全球區熔單晶硅（FZ）市場份額約為20%。
《投資者報》：國內做半導體的企業不少，為何是中環率先掌握最領先的技術，你認為中環技術上的優勢主要來自于哪些方面？
安艷清：一方面來自公司這些年在半導體材料領域上的技術積淀。早在2002年，環歐公司在國內率先采用多線切割技術切割半導體及太陽能硅片。2007年至2009年期間，環歐公司采用國內領先的晶體生長模擬技術開始研發新一代的太陽能晶體生長技術及設備。
另一方面，也離不開公司總經理沈浩平和技術團隊多年的潛心研究。沈總1983年物理系畢業時，畢業論文就是關于薄膜電池的研究，并在重量級學術刊物上刊載，此后沈總一直在中環旗下全資子公司環歐公司從事技術研發，即便后來擔任環歐公司副總經理，他也一直在一線工作，堅持在一線工作19年。并帶出一大批技術骨干，形成了有著核心競爭力的團隊，這才是中環技術不斷創新和升級的最重要源泉。
《投資者報》：目前光伏行業一片慘淡，中環股份受到的沖擊有多大？你如何看待這次光伏行業調整？
安艷清：這個行業前期是一窩蜂式涌入的跟風行業，只要有資金，各行各業的人都可以進入，不管是專業的還是非專業的，大家都能賺到錢。在這樣的時候，像我們這樣擁有技術優勢但規模不太大的企業是體現不出優勢的，只有那些大規模生產的企業才有優勢。但這樣一個人人參與人人賺錢的行業一定是不正常的，調整和洗牌是必然的。
現在中環一半的利潤貢獻來自光伏，當然不可能不受影響，但我們主要做單晶硅，而且是品質較高的高端產品，影響相對較小。2011年下半年，30%的企業處于停產和半停產狀態，70%的處于產閉狀態。但我們目前一直處于滿產狀態。
《投資者報》：公司受影響小的原因是什么？
安艷清：我們受影響小的原因是這個行業經歷一輪瘋狂發展后，下游客戶的需求發生了變化，前兩年是需求大供方少，上游廠商生產什么樣的產品都有市場，但現在下游客戶變得理性了，也變得挑剔了，需求開始向高端發展，那些產品品質好的、有信譽的而高端需求在向高端企業靠攏，我們這種有長久技術實力，有市場資源和和管理資源的企業才會勝出。
但在這個洗牌過程中，無論是資本市場的人，還是行業外的人，分不清哪個是真李逵哪個是假李逵，在這種情況下，對我們公司有質疑是可以理解的，我們也希望通過我們的業績說話，通過市場表現說話。
《投資者報》：一項新技術的應用過程比較復雜，得先試生產，再小批量生產，最后才能達到工業生產里面的大規模生產。公司直拉區熔技術正式應用到光伏領域并轉化為規模生產？對公司業績的貢獻有多少？
安艷清：公司CFZ技術的大規模生產不存在任何的瓶頸，因為CFZ產品技術是公司CZ技術和FZ技術兩種技術的融合，而且公司CZ和FZ的規模化生產歷史超過20年。
我們不會擔心市場，公司的產品都是以市場為導向的，事實上，是因為當前時點已經有了客戶資源，我們才宣布要規模化生產的。對公司的業績會有大的貢獻。
《投資者報》：是因為資金有限還是擔心行業低谷產品市場受限？
安艷清：目前公司CFZ沒有實現大規模化生產的真正瓶頸來自于資金，我們的計劃不是一次性投資之后一次性投產，而是循序漸進，一邊增加投入一邊擴大產能。
關于行業低谷產品市場受限的問題，我個人認為，如同手機市場中的蘋果，沒有人能阻擋蘋果手機的市場。
《投資者報》：從2009年開始，中環股份的管理層也作了調整理，現在看來，新的管理層為公司帶來了哪些變化？
安艷清：2009年我們七個高管中新上任四個，而且來自不同的行業，我認為對公司經營和管理注入了一些活力，這些人不僅僅追求穩定，也屬于“折騰型”的高管，喜歡多做些事。從業務層面看，一方面依托公司此前的技術和市場優勢，將半導體材料產業規模放大了，通過中環領先項目實現了從材料到器件的樞紐，也布局了新能源項目，這三年里產業轉型與布局基本完成，并步入一個良性的發展通道。
《投資者報》：在經營層面和市值管理方面，公司有何近期和中長期的戰略規劃？
安艷清：目標是至2015年力爭實現過百億的規模，市值達到五百億至一千億。
半導體材料論文范文第3篇
關鍵詞：半導體器件；物理；教學改革
半導體器件物理是微電子學、電子科學與技術等專業的重要專業基礎課程，也是應用型本科院校培養新興光電產業所需的應用技術人才必備的理論與實踐基礎課程。該課程是連接半導體材料性質和器件應用的橋梁學科，在新興產業應用技術人才的知識結構中具有重要的基礎地位。因此，探討教學中存在的問題，改革教學的方式方法具有重要意義。
一、課堂教學中產生的問題及原因分析
1.學生聽課效率低，學習興趣淡薄，考試成績低
以某大學光電行業方向工科專業近三年半導體器件物理考試成績分布情況為例，表1中近三年學生成績均顯示出60分左右的人數最多，以60分為原點，其高分和低分兩側的人數呈現出逐漸降低的正態分布。從表1中還可以看出，成績低分人數逐年增多，成績偏離理想狀況較多。
2.針對問題分析原因
導致表1結果的原因有以下三方面：
（1）學生的物理基礎參差不齊，知識結構存在斷層
近年來，由于高考制度的改革，部分學生參加高考時未選報物理，物理僅作為會考科目使得相當一部分高中學生輕視物理的學習。當學生進入大學，有些專業大學物理成為必修課，由于學生高中物理基礎差別很大，因此，同一班級的學生物理學習能力就表現得參差不齊。
對于一般工科專業的學生（包括面向新興光電產業的工科專業）來說，他們大二或大三開始學習半導體器件物理課程（或半導體物理課程）時，他們的物理基礎只有在高中學過的普通物理和大學學過大學物理，其內容也僅涉及經典物理學中的力學、熱學、電學和光學的基本規律，而近代物理中的實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。半導體器件物理課程的接受對象，不僅在物理基礎上參差不齊，而且在物理知識結構上還存在斷層，這給該課程的教和學增加了難度。
另外，即使增加學習該門課程所必需的近代物理、量子物理初步知識和固體物理的基礎內容，但由于課程課時的限制，也決定了該課程在學習時存在較大的知識跨度，很多學生難以跟上進度。
（2）課程理論性強，較難理解的知識點集中
半導體器件物理課程以半導體材料的基本性質和應用為基本內容，內容編排上從理想本征半導體的性質和半導體的摻雜改性，到P型半導體和N型半導體結合形成半導體器件的核心單元，再到各種PN結的設計和控制，采取層層推進的方式，邏輯嚴密，理論性強，對學生的要求也高，每一部分的核心內容都要扎實掌握才能跟上學習的進度。同時，在各章內容講解過程中幾乎都有若干較難的知識點，如本征半導體性質部分的有效質量、空穴的概念、能帶的形成、導帶和價帶的概念等；半導體摻雜改性部分的施主、受主、施主能級、受主能級、半導體中的載流子分布規律、平衡載流子和非平衡載流子以及載流子的漂移和擴散運動；簡單PN結部分的平衡PN結、非平衡PN結、PN結的能帶和工作原理；不同專業在PN結的設計和控制這部分會根據所設專業選取不同的章節進行學習，面向光電行業的本科專業則通常選取半導體的光學性質和發光這部分來講授，該部分包含半導體的躍遷類型，以及半導體光生伏特效應和發光二極管等的工作原理。這些知識點分布集中，環環相套，步步遞進，因此理解難度較大。
（3）學習態度不端正的現象普遍存在
近幾年，在社會大環境的影響下，學習態度不端正現象在本科各專業學生中普遍存在。無故遲到曠課情況經常發生，作業抄襲現象嚴重，學生獨立思考積極性差。電子產品的普及也嚴重影響到了學生上課的積極性，很多學生成了手機控，即使坐在課堂上也頻頻看手機、上網。有些學生上課連課本都不帶，更談不上用記錄本記錄重點、難點。特別是半導體器件物理這門課程涉及的知識點密集，重點、難點較多，知識連貫性要求高，如果一些知識點漏掉了，前后可能就連貫不起來，容易使疑難問題堆積起來，對于不認真聽講的部分學生來說，很快就跟不上進度了。另外，學生畏難情緒較嚴重，課下也不注意復習答疑，迎難而上的精神十分少見。俗話說，“師傅領進門，修行在個人。”在課時緊張、學生積極性差、課程理論性強等多重因素影響下，教師的單方面努力很難提高課堂教學效率。
二、改進方法的探討
針對教學過程中發現的問題，本文從教學方法和教學手段兩個方面入手來探討該課程教學的改進。
1.教學方法的改革
半導體器件物理課程教學改革以建設完整的半導體理論體系和實踐應用體系為目標，一方面，著重在教學觀念、教學內容、教學方法、教師隊伍、教學管理和教材方面進行建設和改革，形成適合應用型本科專業學生的課程體系。另一方面，我國本科院校正處于教育的轉型發展時期，圍繞應用型人才培養目標，按照“專業設置與產業需求相對接、課程內容與職業標準相對接、教學過程與生產過程相對接”的原則，半導體器件物理課程改革重視基礎知識和基本技能教學，力爭構建以能力為本的課程體系，做到與時俱進。本課程改革具體體現在以下六個方面：
（1）轉變教學觀念
改變傳統向學生灌輸理論知識的教學觀念，以學習與新興行業相關的基礎知識和關鍵應用技術為導向，確定該課程在整個專業課程體系中承上啟下的基礎性地位，在教學觀念上采取不求深，但求透的理念。
（2）組織教學內容
為構建以能力為本的課程體系，本課程改革在重視基礎知識和基本技能的教學、合理構建應用型人才的知識體系的同時，力爭使學生了解半導體器件制作和應用的職業標準及其發展的熱點問題，并積極實現“產學研”一體化的教學模式，故此本課程改革分幾個層次組織教學內容。
第一層次為基礎知識鋪墊。為解決學生知識結構不完整的問題，在講授半導體器件物理之前要進行固體物理學課程知識的鋪墊，還要增加近論物理學知識，如原子物理和量子力學的知識，為學生構建完整的知識框架，降低認知落差。
第二層次為半導體物理基本理論，也是本課程的主體部分。包括單一半導體材料的基本性質、半導體PN結的工作原理、常見半導體結構的工作原理和半導體的光電及發光現象和應用。
第三層次為課內開放性實驗。在理工科學生必修的基礎物理實驗項目（如“電阻應變傳感器”、“太陽電池伏安特性測量”、“光電傳感器基本特性測量”、“霍爾效應及其應用”等）的基礎上，結合專業方向設置若干實驗讓學生了解半導體電子和光電器件的類型、結構、工作原理及制作的工藝流程以及職業要求和標準，還有行業熱點問題，激發其學習興趣，提高動手能力和實踐能力。
第四層次為開展課題式實踐教育，實現“產學研”一體化。為解決傳統教學理論和實踐脫節問題，以基礎物理實驗項目和針對各專業方向設置的與半導體器件應用相關的實驗項目為實踐基礎，開展大學生科技創新活動，鼓勵學生利用課余時間進入實驗室和工廠企業，利用已學理論對行業熱點問題進行思考和探究，加強實踐教學。
（3）調整教學方法
一方面，要正確處理物理模型和數學分析的關系，不追求公式推導的嚴密性，強調對物理結論的正確理解和應用。另一方面，充分利用現代化的教學設施和手段，變抽象為具體，化枯燥為生動，采用討論式、啟發式和探究式教學，調動學生積極性和主動性。
（4）建設教學隊伍
對國內知名院校的相關專業進行考察和調研，學習先進教學理念和教學方法，邀請國內外相關專業的專家進行講座，邀請企業高級技術人才和管理人才作為兼職教授來為學生講授當前最前沿、最先進的技術及產品，并參與教學大綱及教學內容的修訂。另外，鼓勵教師團隊充分利用產學研踐習的機會深入企業，提高教師隊伍的實踐經驗和綜合素質，為培養雙師型教師打下基礎。
（5）完善教材體系
教材是保證教學質量的重要環節，也是提高專業教學水平的有效方法。針對理工科專業特色方向及學生培養的目標，除選用經典的國家級規劃教材――《半導體物理學》以外，還組織精干力量編寫專業特色方向的相關教材，以形成完善的半導體理論和實踐相結合的教材體系，在教材中融入學校及專業特色，注重理論和實踐相結合，增加案例分析，體現學以致用。
（6）加強教學管理
良好的教學管理是提高教學質量的必要手段。首先根據學生特點以及本課程的教學目標合理制訂教學大綱及教學計劃。在授課過程中充分發揮學生主體作用，積極與學生交流，了解學生現狀，建立學生評價體系，改進教學方法、教學手段及教學內容等，提高教學質量。
2.教學手段改革
（1）采用類比的教學方法
課堂上將深奧理論知識與現實中可比事物進行類比，讓學生易于理解基本理論。例如，在講半導體能帶中電子濃度計算時，將教室中一排排桌椅類比為能帶中的能級，將不規則就座的學生類比為占據能級的電子，計算導帶中電子的濃度類比為計算教室中各排上學生數量總和再除以教室體積。讓學生從現實生活中找出例子與抽象的半導體理論進行形象化類比，幫助學生理解半導體的基本概念和理論。
（2）采用理論實踐相結合的方法
在教學中時刻注意理論聯系實際的教學方法，例如，根據學生專業方向，在講述寬帶隙半導體材料的發光性能時，給學生總結介紹了LED芯片材料的類型和對應的發光波長，讓學生體會到材料性質是器件應用的基礎。
（3）構建網上學習系統
建立紙質、網絡教學資源的一體化體系，及時更新、充實課程資源與信息，通過網絡平臺建設，實現課程的網絡輔助教學和優秀資源共享。這些資源包括與本課程相關的教學大綱、教材、多媒體課件、教學示范、習題、習題答案、參考文獻、學生作業及半導體行業發展前沿技術講座等。
（4）開展綜合創新的實踐
充分利用現有的實驗條件，為學生提供實踐條件。同時積極開拓校外實踐基地，加強校企合作，為學生實習、實踐提供良好的平臺，使課程教學和實踐緊密結合。鼓勵學生根據所學內容，與教師科研結合，申請大學生創新項目，以提高學生實踐創新能力及應用能力。
（5）改革考核體制
改變傳統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價方式，多角度衡量、綜合評定教學效果。
參考文獻：
[1]劉秋香，王銀海，趙韋人，等.“半導體物理學”課程教學實踐與探索[J].廣東工業大學學報（社會科學版），2010（10）：87-88，94.
[2]徐煒煒，黃靜.從半導體物理課程教學談高素質人才培養[J].南通航運職業技術學院學報，2009，8（4）：97-99.
[3]王印月，趙猛.改革半導體課程教學融入研究性學習思想[J].高等理科教育，2003，47（1）：69-71.
半導體材料論文范文第4篇
關鍵詞：半導體光電；研究型；實踐；教學探索
中圖分類號：G42 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）07-0123-02
近幾年來，隨著半導體電子產業和光學專業的快速發展，半導體光電正逐漸成為一門新興的學科。半導體光電技術是集現代半導體技術、電子學技術和光學信息處理技術等學科于一體的綜合性學科，要求學生具有扎實的半導體物理、光電子、數學和計算機等基礎知識。該學科作為光、機、電、算、材一體的交叉學科，專科課程較多，涉及知識面較廣，有其自身的課程特點：既要講授半導體相關的專業知識，又要補充光電專業的知識，還要加強數理基礎理論教學；既要圍繞半導體光電專業核心，又要涉足其他專業領域；既要重視教學方法，提高教學質量，又要加強前沿知識的學習和科研，不斷更新知識體系，將最新的行業信息灌輸給學生。同時，隨著近年來固態半導體LED照明技術、半導體激光、太陽能光伏和半導體探測器等高新行業的蓬勃發展，需要大量的具有創新研究能力的技術人才來從事半導體光電材料、器件以及系統的研究和開發。這就需要高校培養具有動手能力強，基礎知識扎實，綜合分析能力優秀的研究型人才。但是目前高校半導體光電學科的教學普遍停留在理論層面，缺乏實踐性內容的提升。因而作為一門實用性很強的專業，應著重加強理論與實踐相結合的全面教學，逐步開展研究性課程的教學探索，打破傳統的教學理念，以形成學生在課程學習中主動思考探索并重視創新叉研究的積極教學模式，為半導體光電學科建立一個全新的培養方式。
一、理論教學中創設前沿性課題，引導學生進行探究性學習
在傳統的教學模式中，專業課程的講授主要依靠講解概念、分析原理、推導公式、得出結論。而學生就是按部就班地記筆記、做習題、應付考試。課堂教學效果完全取決于教師的教學經驗，最終學生所接受的知識也僅僅停留在課本的層面，這完全達不到迅猛發展的高新的半導體光電學科的培養要求。這就需要教師打破傳統的教學理念，開展研究性的教學方式。研究性教學是以學生的探究性學習為基礎，教師提出一些創新性的問題，以及與專業相關的一些前沿性科技專題報道，學生在創新性的問題中，借助課本提供的基礎理論和教師提供的相關資料，借鑒科學研究的方法，或獨立探索、或協作討論，通過探究學習、合作學習、自主學習等方式最終找到解決問題的方案，甚至提出更具有創新性的思路。因此，在教學過程中，我們應嘗試減少課堂講授時間、增加課堂討論時間，有意識地提出一些較深層次的問題：如提高太陽能電池的光電轉換效率的方法、新型的半導體材料制作光電器件的優異性等，有針對性地組織專題討論。考核方式以課程設計或者專題論文的形式進行，以培養學生的思考和創新研究能力。此外，要重視階段性總結和檢查工作，培養學生綜合素質和能力。教師在注重教學方式改進的同時，也要重視學生學習效果的階段性檢查和總結。傳統的課堂教學是以作業為考察標準，這種考察的弊端是給學生提供了抄襲作業的機會，學習效果不佳。因此應考慮采取多元化的檢查方式，增加檢查手段。可以讓學生將多媒體課件與教材和參考書相結合，根據教師在課堂教學中指出的難點和重點，單獨總結出學習筆記，并進行定期檢查。
二、建立半導體專業與光電專業協同的教學環境
半導體光電從理論上來講是研究半導體中光子與電子的相互作用、光能與電能相互轉換的一門科學，涉及量子力學、固體物理、半導體物理等一些基礎學科；從實踐層面來講，也關聯著半導體光電材料、光電探測器、異質結光電器件及其相關系統的研究。因此，在理論上應鼓勵教師根據教學情況，編寫有針對性的，并且包含基礎物理學、半導體電子學、光學和系統設計等具有交叉性理論的教材和講義，提升學生在半導體光電交叉領域的理論基礎。同時需要組織和調動各層次教師，建設教學研究中心。結合老教師的經驗和青年教師的創意，共同進行教學改革探索。另外，實現半導體光電學科的教學探索，不僅需要專業教師改進和完善課堂教學措施，提升教學水平和質量，同時也需要專業的半導體光電材料生長、器件制備和檢測設備，以及專業設計軟件供教學和科研使用。該學科的性質決定了教學的內容不能僅僅局限于理論方面，還需要實驗方面的補充和實踐，從而可以從軟件和硬件雙方面實現協同的教學環境。在具體的操作過程中，以光譜分析為例，傳統的光譜分析光源采用的是一些氣體激光器，我們可以在教學中利用新型的半導體固體激光器來替代傳統的氣體激光器，將半導體光電器件和光學系統有機結合起來，提供兩者協同的新型設備。指導學生在實驗中分析新型的光譜系統和傳統系統的優劣性，以及如何在現有的基礎上改進系統，提高系統的使用性能，在教學中鍛煉學生的協同學科的技能性訓練。進一步可以引入顯微鏡成像技術，采用簡易的一些光學元器件，在實驗室內讓學生動手搭建顯微成像設備，鍛煉學生對光學系統的整體認知能力，并且可以提升傳統設備的應用范圍。這一系列交叉協同教學實驗的建立有利于打破教學和研究的界限，打破學科的界限，突出半導體光電學科的交叉性特點，促進學生知識的全面性掌握，為研究型的教學模式開辟新的途徑。
三、建立前沿性半導體光電專業實驗教學平臺
半導體光電涉及的領域很廣泛，單純的理論教學不能滿足學生對于高新的工程應用的直觀認識，許多設備和器件只闡述其工作原理，概念比較抽象，學生不易理解。因而需要重視研究型實踐教學。在條件允許的情況的，將半導體材料生長和器件制造設備引入課堂，讓學生深刻掌握器件的制造流程。同時可以引入先進的光電檢測設備，讓學生開展一些器件的檢測實驗，在實驗過程中熟悉器件和光電系統的工作原理，可以起到事半功倍的作用。同時還可以讓學生在實踐中不斷思考和探索一些前瞻性的科學研究問題。以半導體LED光電器件為例：由于LED材料和器件制造設備較為精密、價格昂貴、不易獲取。在理論課程后，可以引用適當的LED材料生長設備MOCVD的一些生長過程的實物圖片和視頻，以及半導體器件制備的薄膜沉積、光刻制作和刻蝕工藝的流程圖和視頻，讓學生盡可能地將抽象的理論與具體實踐聯系起來。此外，購置現成的LED器件和光電檢測設備，利用光電測試設備對LED器件開展一些電學和光學性能的檢測，在測試過程中讓學生對LED光電轉換基本原理和不同測試條件對器件光電性能影響的物理機制開展探索性研究。對于阻礙LED發展的一些前沿性難題進行深刻的思考和分析，提出合理的改進和解決方案。基于學科的科研實驗條件，我們還可以提出項目教學法，把教學內容通過“實踐項目”的形式進行教學，為了能夠一個半導體和光電專業相協同的實驗平臺，可以設置一個系統的實驗項目包含多門課程的知識。項目教學是在教師的指導下，將相對獨立的教學內容相關的項目交由學生自己處理。信息的收集，方案的設計，項目實施及最終評價報告，都由學生負責完成，學生通過該項目的進行，了解并把握實驗制造和檢測得整個過程及每一個環節的基本要求，教師在整個過程中主要起引導作用。以此來培養學生的實踐性、研究性學習能力，讓學生扮演項目研究者的角色，在研究項目情景的刺激下及教師的指導下主動開展探究活動，并在探究過程中掌握知識和學習分析問題、解決問題的方法，從而達到提高分析問題、解決問題能力的目的。這樣才具備一門前沿性的學科所應該達到的理想效果。
四、建立專業校企合作基地
半導體光電專業需結合地域經濟發展特點，建立專業的校企合作基地。校企合作是高校培養高素質技能型人才的重要模式，是實現高校培養目標的基本途徑。以江南大學為例，可以依據無錫當地工業的發展中心，與半導體光電類企業，如無錫尚德太陽能股份有限公司、江蘇新廣聯LED器件制造企業、LED照明企業實益達、萬潤光子等公司進行深入合作，建立企業實訓創新基地及本科生、研究生工作站。定期組織學生去企業進行參觀，了解半導體光電類產品的產線制造過程。還可以安排有興趣的學生在學有余力的同時進入企業進行實習，使學生能夠將課堂的理論知識應用到實際的應用生產中，并且可以利用理論知識來解決實際生產中所遇到的一些問題。以實際產線的需求分析為基礎，結合理論教學的要求，建立以工作體系為基礎的課程內容體系；實施綜合化、一體化的課程內容，構建以合作為主題的新型課堂模式，做到教室、實驗室和生產車間三者結合的教學場所。最終積累一定的合作經驗后，校企可以合作開發教材，聘請行業專家和學校專業教師針對課程的特點，結合課堂基礎和生產實踐的要求，結合學生在相關企業實訓實習的進展，編寫出符合高校教學和企業生產需求的新型校企雙用教材。
綜上所述，要開展研究型半導體光電類課程的教學探索，首先要突破傳統的理論教學模式，根據課堂教學需求，改善課堂教學措施，形成有創意、有個性化的課堂特色，旨在培養學生的創新思維能力。
參考文獻：
半導體材料論文范文第5篇
【關鍵詞】半導體器件 模式轉換 冷暖空調 溫度調節
1 引言
利用半導體調溫技術對室內進行溫度調節是一種新型溫度調節技術，與現有的常規壓縮式制冷機相比，具有重量輕、壽命長，工作起來無噪聲等優點，同時由于不必使用氣體冷卻劑工質，所以也不會構成對環境污染，成為了名副其實的“綠色”空調。目前應用半導體溫度調節技術的場所已經來越多，已經廣泛應用于汽車，醫療等部門。但是由于半導體器件的特性，其P-N結的固定結構使得半導體空調的制冷和制熱之間的轉換比較困難，所以一般由半導體致冷器制成的空調器都是單一的制冷空調機，而這種單純制冷空調尚不能滿足市場的商業需求。如何改變現有的半導體調溫結構，實現半導體制冷和制熱模式的有效轉換，已經是當今半導體調溫技術進一步發展的難題，也是真正讓半導體調溫技術實現商業化價值的關鍵。
本論文提出一種利用半導體調溫器件模塊化設置，通過模塊轉動方式實現半導體制冷和制熱模式的有效轉換，到達利用半導體調溫器件既能制冷又能制熱的目的，通過半導體冷暖空調結構設計，使得半導體冷暖空調能滿足市場的商業需求，實現“綠色”空調的商業化應用。
2 半導體冷暖空調原理
半導體溫度調節都是通過半導體調溫片來實現的，所謂半導體調溫片采用的就是具有P-N結的熱電偶對，采取直流供電，利用直流電流通過P-N結時所產生的不同溫度效應來實現熱交換，這種效應也就是一種熱電效應。通常都認為這種熱電效應是建立在珀爾帕效應基礎上實現的，但實際上這種效應是建立在五種不同的效應組成的基礎上的，這就是通常所說的賽貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應，以及富里葉效應。這五種效應的基本原理和作用如下：
2.1 賽貝克效應
所謂賽貝克效應是由俄羅斯科學家賽貝克于19世紀所發現的一種溫度效應，即兩種不同導體（或半導體）所組成的閉合回路中，如果兩個接頭具有不同的溫度，則會在線路中產生電流，這種電流稱被為溫差電流，這個閉合回路便構成溫差電偶，產生電流的電動勢稱為溫差電動勢，溫差電動勢的數值只與兩個接頭的溫度有關。這種溫度效應稱為塞貝克效應（圖1）。
2.2 珀爾帖效應
法國科學家珀爾貼發現了熱電致冷和致熱現象-即溫差電效應，所謂溫差電效應就是在電流通過兩種不同導體形成的回路時，在兩種不同導體所形成回路的結點處，隨著電流方向的不同會分別出現吸熱或放熱的效應現象，這種效應現象就稱之為珀爾帖效應。珀爾帖效應的原理如圖2所示。
2.3 湯姆遜效應
所謂湯姆遜效應實質就是一種溫度梯度的效應。1856年英國物理學家W.湯姆孫發現當電流流過不同溫度的導體時，也會產生吸熱或放熱的效應現象，這種效應現象是由英國物理學家W.湯姆孫發現的，所以稱之為湯姆遜效應，湯姆遜效應的原理如圖3所示。
2.4 焦耳效應
所謂焦耳效應就是指當電流流過導體時所引起溫度變化的一種現象，而且這種效應是一種不可逆的效應，同時也不屬于溫差電效應，但現在經常將焦耳效應與焦湯效應結合起來考慮。
2.5 傅里葉效應
所謂傅付里葉效應就是指單位時間內經過均勻介質沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比效應，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。
綜合上述五種效應組合，可以看出所謂半導體調溫就是利用半導體材料，當電流流經不同的導體，尤其是半導體材料所形成的結點回路時，在結點處會產生放熱或吸熱（制冷）現象而實現調溫的。
但是現有的半導體調溫技術之所以難以推廣，主要是兩個問題，其一是功效較低，難以與傳統的制冷劑空調抗衡；其二是現有半導體的調溫材料如何進行冷熱轉換的問題。這其中第一個問題在新的高效半導體熱電元件誕生后已經基本得到解決，目前的高效半導體熱電元件的優值系數已經超過13×10-3K-1，在溫差50℃時，高效半導體熱元件的制冷系數大于3，制冷效率甚至高于壓縮機制冷。而第二個問題正是當前所需要解決的主要問題，當前認為半導體的冷熱轉換可以直接通過改變電流的方向實現，但實際應用中發現采取這樣的冷熱轉換方式不利于半導體的調溫材性能的利用。眾所周知，半導體主要是為N型元件和P型元件二種材料組合，其中N型元件通過電子載流子進行導電，而P型元件通過空穴載流子進行導，在N型元件接入直流電正極，P型元件接入負極時，N型元件中的電子在電場作用下將由上向下移動，并在下端與電源的正電荷聚合，在聚合時還會放熱；而P型元件中的空穴在電場作用下將也會向下移動，并在下端與電源的負電荷發生聚合，聚合時也會放熱；同時，N型元件的電子與P型元件的空穴在上端分離，分離時會吸收熱量。但是N型元件和P型元件對于吸熱和放熱的性能是不一樣的，而且制冷或制熱之間的轉換如果長期通過電流改變容易造成器件損壞；為了有效利用N型元件和P型元件的性能我們現在都只是利用半導體的N型元件和P型元件來進行制冷，這也是當前的半導體調溫主要只是用于做半導體制冷的主要原因。
通過上面的分析可以得知，采用簡單的電流換向實現半導體調溫器件的冷熱模式的轉變是不理想的，因此本設計主要通過結構的改進來實現半導體調溫器件的冷熱模式的轉變，將半導體調溫器件設計成一種模塊，并將此模塊安裝在一個帶有冷熱腔室的殼體內，通過半導體調溫器件模塊的轉動來實現半導體調溫器件的冷熱模式的轉變，結構原理如圖4。
通過圖4可以看出，本設計的主要原理是將半導體調溫器件設計成一種可以在殼體內轉動的模塊，將半導體調溫器件模塊通過一個轉軸安裝在空調的殼體內，根據半導體P-N結的調溫特性，在需要對室內進行降溫時，將半導體P-N結制冷的一面面對室內；在需要對室內升溫時，將半導體P-N結發熱的一面面對室內，通過轉軸的轉換即可實現在殼體內的半導體調溫器件的冷熱模式的轉變。采用這種冷熱模式的轉變方法，可以不改變原半導體調溫器件的電流方向，保持半導體調溫器件P-N結的各自優勢，只需通過器件的面向改變實現冷熱模式的轉變。
3 半導體冷暖空調結構設計
根據上述的設計思路，本設計所提出的結構設計方案主導思想就是將半導體調溫組件模塊化，并達到能在一定空間能轉動，其設計過程如下：
3.1 半導體調溫組件結構設計
采用高效半導體熱電元件堆疊成塊，使每個元件相連接的都是不同導電類型的元件，串聯起來形成大功率的半導體調溫組件，并在調溫組件的兩面分別加裝散熱翅片，形成一個圓筒狀體，在圓筒狀體組件的兩端設置轉軸，并在轉軸的一端設置半導體調溫組件的N型元件導電環和P型元件導電環，這樣就形成了半導體調溫組件（圖5）。
半導體調溫組件制冷時，將冷端面置于室內吸熱，熱端面置于面向室外，并通過風扇將熱端面的熱量吹到室外，以達到降低室內溫度的目的；而在冬季需要給室內升溫時，則通過調整半導體調溫組件的轉向來改變半導體調溫組件的冷熱位置關系；將半導體調溫組件方向轉變180度，此時半導體調溫組的冷端面就變成了面向室外吸熱了，而熱端面變成了面向室內放熱，從而達到加熱室內溫度的空調目的。
其中，半導體調溫組件的上下面均采用陶瓷片，并經過摻雜處理，以此提高導熱性能，主要成分是95%氧化鋁。在它的表面燒結有金屬化涂層。
與陶瓷片連接的是散熱翅片，散熱翅片縱向排列，主要起導熱作用。通過錫焊接在陶瓷片的金屬化涂層上。
上下導流片之間是半導體致冷元件，它的主要成分是碲化G，是半導體調溫組件的主功能部件，分N型元件和P型元件，通過錫焊接在導流片上。
3.2 整體空調結構設計
在設計好半導體調溫組件后，在整體結構設計上主要應考慮半導體調溫組件的安裝、通風的方式，以及半導體調溫組件模塊的轉動控制幾部分。整個空調器的結構如附圖6和圖7所示。
從上圖可以看出，半導體空調的整體包括一個箱體，箱體內分為前箱體和后箱體兩部分，前箱體面向室內，后箱體緊貼著墻壁；在前箱體和后箱體兩部分之間設有用于制冷或發熱的半導體器件板，通過半導體器件板將前箱體和后箱體兩部分分開，分別形成室內換熱腔體和室外換熱腔體，通過室內換熱腔體和室外換熱腔體與半導體器件板的換熱實現室內的空氣調節；所述半導體器件板通過轉軸安裝在前箱體和后箱體兩部分之間隔離區間內，轉軸設置在隔墻內，并在轉軸的一端設有用于翻轉半導體器件板的旋轉裝置，通過旋轉裝置將半導體器件板繞轉軸翻轉，以此實現半導體器件板對室內的換熱或制冷轉換，達到制冷或加熱的空調目的。
其中，室內換熱腔體是在前箱體一端設有室內入風口，內入風口安裝有室內風扇，另一端設有室內出風口，室內入風口與室內出風口通過半導體器件板一側的室內流道連通，室內風扇吹出的風經過室內流道，進入另一端，再通過室內出風口排出。前箱體整個下前角部分設有室內出風流道，室內出風口的風是經由室內出風流道排出的。室外換熱腔體是在后箱體的兩端分別設有與室外相通的室外入風口和室外出風口，室外入風口和室外出風口的一部分分別嵌入墻體內，且面向室外，室外入風口和室外出風口通過位于半導體器件板另一側的室外流道連通，形成后箱體換熱腔體，在室外入風口處設有室外風扇，室外風扇將室外空氣引入，通過室外流道，再從室外出風口排出。室外入風口位于室外風扇之前的風道上設有空氣過濾網，通過空氣過濾網對室外進入后箱體的空氣進行過濾，防止雜物進入。
本設計的主要特點在于半導體器件板的旋轉裝置為電動翻轉裝置或手動翻轉裝置都可以；采用電動翻轉裝置時，在轉軸的端部連接有翻轉電機，通過電機帶動轉軸翻轉，從而實現半導體器件板的翻轉；采用手動翻轉裝置時，直接通過一個轉盤就可以進行翻轉。
為了提高熱膠換效率，在半導體器件板的兩面都帶有散熱翅片，散熱翅片分別深入到室內流道和室外流道中，使得經過室內流道和室外流道的風能更加加快熱交換的效果。同時，為了防止室外的空氣與室內交流，在室外流道與箱體之間設有保溫層，防止室外換熱腔體內的溫度傳到室內。
4 半導體冷暖空調結構分析
采用上述結構的半導體空調，通過一個可轉動的半導體器件板，實現半導體器件板對室內制冷或加熱之間的轉換，并直接將整個箱體分為前箱體和后箱體兩個部分，直接將整個空調器箱體安裝在室內的墻壁上，分別通過室外換熱腔體和室內換熱腔體進行熱交換，達到空氣調節的目的，這樣有幾大好處：
（1）冷熱轉換模式通過模塊式結構轉動實現轉換，不采用電源反接，可以避免電源反接所給半導體器件的反向沖擊，防止半導體器件出現“崩潰”現象，可以完全利用半導體N型元件和P型元件的各自優勢，實現制冷和制熱。
（2）可以完全省去室外機部分，只需通過一個進風口和一個排風口，兩個風口就可以將換熱腔體的熱交換空氣與室外空氣進行交換，避免了室外機造成安全隱患的因素；
（3）方便安裝，將室外換熱腔體和室內換熱腔體統一設置在室內的殼體內，安裝時不用操作人員再到室外進行安裝作業，完全杜絕了空調安裝的室外作業事故發生；
（4）Y構簡單，不需要制冷劑的交換，因此也就沒有連接管道，便于維修和養護，安裝容易。
（5）可連續工作，使用安靜無噪音，直接通過半導體器件進行熱交換，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，沒有壓縮機運轉的噪音；
（6）環保綠色運行，本發明采取半導體換熱，取代了常規的壓縮機技術，不需要任何制冷劑，也就避免了常規制冷劑對環境的污染。
（7）半導體制冷片采用高效半導體熱電元件，具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大于1[6]。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統和制冷系統。
（8）半導體制冷片采用電流換能型片件，以輸入電流的方式實施控制，可實現高精度的溫度調節，并通過溫度檢測和控制手段，實現遙控、程控、計算機等控制，便于形成自動控制系統。
（9）半導體調溫的溫差范圍，可從+90℃到-130℃任意調節。
5 結論
本文設計了一種通過半導體調溫組件模塊轉動，實現半導體調溫器件的冷熱模式的轉變的半導體冷暖空調。文中詳細描述了半導體調溫組件模塊轉動方式的半導體冷暖空調的結構，并對半導體調溫組件模塊轉動方式作了詳細的設計說明，由于采用直流電環供電，且轉動的速度較低，因此在轉動中的通電不會受到任何影響，可以有效改變現有半導體空調難以實現冷熱模式轉換的問題，具有很好的商業實用價值，從而實現真正的“綠色”空調。
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