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半導(dǎo)體材料論文范文第1篇

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。

目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)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(dǎo)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(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。

（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980nmInGaAs帶間量子級聯(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聯(lián)激光器，突破了半導(dǎo)體能隙對波長的限制。自從1994年InGaAs／InAIAs／InP量子級聯(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120K5μm和250K8μm的量子級聯(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(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InAs／InAlAs量子線超晶格的空間自對準(zhǔn)（垂直或斜對準(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；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=67GHz，跨導(dǎo)為260ms／mm；HEMT器件也相繼問世，發(fā)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(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)帯Ｆ渌鸖iC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。

5.2GaAs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。

半導(dǎo)體材料論文范文第2篇

《投資者報(bào)》：盡管公司認(rèn)為從半導(dǎo)體轉(zhuǎn)入光伏領(lǐng)域是由于兩者技術(shù)共通，但有投資者認(rèn)為公司要么是盲目跟風(fēng)，要么是原來的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)做得不好了，你認(rèn)為公司是被迫轉(zhuǎn)型還是順勢而為？

安艷清：公司轉(zhuǎn)型看上去很突然，但背后的邏輯是，IC半導(dǎo)體材料和光伏硅材料同屬半導(dǎo)體材料，是同種物質(zhì)的兩種用途存在方式。公司1988年就已經(jīng)開始從事太陽能級半導(dǎo)體材料的生產(chǎn)制造，因此公司只是將光伏領(lǐng)域的太陽能半導(dǎo)體材料實(shí)施了放大。而且，由于用于芯片的IC半導(dǎo)體材料在技術(shù)方面的要求遠(yuǎn)高于用于太陽能電池的硅材料，因此在光伏領(lǐng)域有著技術(shù)方面的先天優(yōu)勢。

另外，公司專注于半導(dǎo)體硅材料的研發(fā)、生產(chǎn)和制造，是公司的主業(yè)，IC半導(dǎo)體材料不但沒有做不下去，而且做得非常好。在全球范圍內(nèi)我們的區(qū)熔單晶硅（FZ）綜合實(shí)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(qū)熔單晶硅（FZ）市場份額約為20%。

《投資者報(bào)》：國內(nèi)做半導(dǎo)體的企業(yè)不少，為何是中環(huán)率先掌握最領(lǐng)先的技術(shù)，你認(rèn)為中環(huán)技術(shù)上的優(yōu)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(dǎo)體材料領(lǐng)域上的技術(shù)積淀。早在2002年，環(huán)歐公司在國內(nèi)率先采用多線切割技術(shù)切割半導(dǎo)體及太陽能硅片。2007年至2009年期間，環(huán)歐公司采用國內(nèi)領(lǐng)先的晶體生長模擬技術(shù)開始研發(fā)新一代的太陽能晶體生長技術(shù)及設(shè)備。

另一方面，也離不開公司總經(jīng)理沈浩平和技術(shù)團(tuán)隊(duì)多年的潛心研究。沈總1983年物理系畢業(yè)時(shí)，畢業(yè)論文就是關(guān)于薄膜電池的研究，并在重量級學(xué)術(shù)刊物上刊載，此后沈總一直在中環(huán)旗下全資子公司環(huán)歐公司從事技術(shù)研發(fā)，即便后來擔(dān)任環(huán)歐公司副總經(jīng)理，他也一直在一線工作，堅(jiān)持在一線工作19年。并帶出一大批技術(shù)骨干，形成了有著核心競爭力的團(tuán)隊(duì)，這才是中環(huán)技術(shù)不斷創(chuàng)新和升級的最重要源泉。

《投資者報(bào)》：目前光伏行業(yè)一片慘淡，中環(huán)股份受到的沖擊有多大？你如何看待這次光伏行業(yè)調(diào)整？

安艷清：這個(gè)行業(yè)前期是一窩蜂式涌入的跟風(fēng)行業(yè)，只要有資金，各行各業(yè)的人都可以進(jìn)入，不管是專業(yè)的還是非專業(yè)的，大家都能賺到錢。在這樣的時(shí)候，像我們這樣擁有技術(shù)優(yōu)勢但規(guī)模不太大的企業(yè)是體現(xiàn)不出優(yōu)勢的，只有那些大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)才有優(yōu)勢。但這樣一個(gè)人人參與人人賺錢的行業(yè)一定是不正常的，調(diào)整和洗牌是必然的。

現(xiàn)在中環(huán)一半的利潤貢獻(xiàn)來自光伏，當(dāng)然不可能不受影響，但我們主要做單晶硅，而且是品質(zhì)較高的高端產(chǎn)品，影響相對較小。2011年下半年，30%的企業(yè)處于停產(chǎn)和半停產(chǎn)狀態(tài)，70%的處于產(chǎn)閉狀態(tài)。但我們目前一直處于滿產(chǎn)狀態(tài)。

《投資者報(bào)》：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(gè)行業(yè)經(jīng)歷一輪瘋狂發(fā)展后，下游客戶的需求發(fā)生了變化，前兩年是需求大供方少，上游廠商生產(chǎn)什么樣的產(chǎn)品都有市場，但現(xiàn)在下游客戶變得理性了，也變得挑剔了，需求開始向高端發(fā)展，那些產(chǎn)品品質(zhì)好的、有信譽(yù)的而高端需求在向高端企業(yè)靠攏，我們這種有長久技術(shù)實(shí)力，有市場資源和和管理資源的企業(yè)才會勝出。

但在這個(gè)洗牌過程中，無論是資本市場的人，還是行業(yè)外的人，分不清哪個(gè)是真李逵哪個(gè)是假李逵，在這種情況下，對我們公司有質(zhì)疑是可以理解的，我們也希望通過我們的業(yè)績說話，通過市場表現(xiàn)說話。

《投資者報(bào)》：一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用過程比較復(fù)雜，得先試生產(chǎn)，再小批量生產(chǎn)，最后才能達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)里面的大規(guī)模生產(chǎn)。公司直拉區(qū)熔技術(shù)正式應(yīng)用到光伏領(lǐng)域并轉(zhuǎn)化為規(guī)模生產(chǎn)？對公司業(yè)績的貢獻(xiàn)有多少？

安艷清：公司CFZ技術(shù)的大規(guī)模生產(chǎn)不存在任何的瓶頸，因?yàn)镃FZ產(chǎn)品技術(shù)是公司CZ技術(shù)和FZ技術(shù)兩種技術(shù)的融合，而且公司CZ和FZ的規(guī)?；a(chǎn)歷史超過20年。

我們不會擔(dān)心市場，公司的產(chǎn)品都是以市場為導(dǎo)向的，事實(shí)上，是因?yàn)楫?dāng)前時(shí)點(diǎn)已經(jīng)有了客戶資源，我們才宣布要規(guī)?；a(chǎn)的。對公司的業(yè)績會有大的貢獻(xiàn)。

《投資者報(bào)》：是因?yàn)橘Y金有限還是擔(dān)心行業(yè)低谷產(chǎn)品市場受限？

安艷清：目前公司CFZ沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)?；a(chǎn)的真正瓶頸來自于資金，我們的計(jì)劃不是一次性投資之后一次性投產(chǎn)，而是循序漸進(jìn)，一邊增加投入一邊擴(kuò)大產(chǎn)能。

關(guān)于行業(yè)低谷產(chǎn)品市場受限的問題，我個(gè)人認(rèn)為，如同手機(jī)市場中的蘋果，沒有人能阻擋蘋果手機(jī)的市場。

《投資者報(bào)》：從2009年開始，中環(huán)股份的管理層也作了調(diào)整理，現(xiàn)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(gè)高管中新上任四個(gè)，而且來自不同的行業(yè)，我認(rèn)為對公司經(jīng)營和管理注入了一些活力，這些人不僅僅追求穩(wěn)定，也屬于“折騰型”的高管，喜歡多做些事。從業(yè)務(wù)層面看，一方面依托公司此前的技術(shù)和市場優(yōu)勢，將半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模放大了，通過中環(huán)領(lǐng)先項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了從材料到器件的樞紐，也布局了新能源項(xiàng)目，這三年里產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與布局基本完成，并步入一個(gè)良性的發(fā)展通道。

《投資者報(bào)》：在經(jīng)營層面和市值管理方面，公司有何近期和中長期的戰(zhàn)略規(guī)劃？

安艷清：目標(biāo)是至2015年力爭實(shí)現(xiàn)過百億的規(guī)模，市值達(dá)到五百億至一千億。

半導(dǎo)體材料論文范文第3篇

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，同一班級的學(xué)生物理學(xué)習(xí)能力就表現(xiàn)得參差不齊。

對于一般工科專業(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象，不僅在物理基礎(chǔ)上參差不齊，而且在物理知識結(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、受主能級、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；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點(diǎn)密集，重點(diǎn)、難點(diǎn)較多，知識連貫性要求高，如果一些知識點(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)需求相對接、課程內(nèi)容與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相對接、教學(xué)過程與生產(chǎn)過程相對接”的原則，半導(dǎo)體器件物理課程改革重視基礎(chǔ)知識和基本技能教學(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)知識和基本技能的教學(xué)、合理構(gòu)建應(yīng)用型人才的知識體系的同時(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)知識鋪墊。為解決學(xué)生知識結(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)課程知識的鋪墊，還要增加近論物理學(xué)知識，如原子物理和量子力學(xué)的知識，為學(xué)生構(gòu)建完整的知識框架，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，鼓勵學(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，采用討論式、啟發(fā)式和探究式教學(xué)，調(diào)動學(xué)生積極性和主動性。

（4）建設(shè)教學(xué)隊(duì)伍

對國內(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，鼓勵教師團(tuán)隊(duì)充分利用產(chǎn)學(xué)研踐習(xí)的機(jī)會深入企業(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

課堂上將深奧理論知識與現(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，將不規(guī)則就座的學(xué)生類比為占據(jù)能級的電子，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應(yīng)的發(fā)光波長，讓學(xué)生體會到材料性質(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，使課程教學(xué)和實(shí)踐緊密結(jié)合。鼓勵學(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價(jià)方式，多角度衡量、綜合評定教學(xué)效果。

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半導(dǎo)體材料論文范文第4篇

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體光電；研究型；實(shí)踐；教學(xué)探索

中圖分類號：G42 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）07-0123-02

近幾年來，隨著半導(dǎo)體電子產(chǎn)業(yè)和光學(xué)專業(yè)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體光電正逐漸成為一門新興的學(xué)科。半導(dǎo)體光電技術(shù)是集現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)和光學(xué)信息處理技術(shù)等學(xué)科于一體的綜合性學(xué)科，要求學(xué)生具有扎實(shí)的半導(dǎo)體物理、光電子、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)知識。該學(xué)科作為光、機(jī)、電、算、材一體的交叉學(xué)科，?？普n程較多，涉及知識面較廣，有其自身的課程特點(diǎn)：既要講授半導(dǎo)體相關(guān)的專業(yè)知識，又要補(bǔ)充光電專業(yè)的知識，還要加強(qiáng)數(shù)理基礎(chǔ)理論教學(xué)；既要圍繞半導(dǎo)體光電專業(yè)核心，又要涉足其他專業(yè)領(lǐng)域；既要重視教學(xué)方法，提高教學(xué)質(zhì)量，又要加強(qiáng)前沿知識的學(xué)習(xí)和科研，不斷更新知識體系，將最新的行業(yè)信息灌輸給學(xué)生。同時(shí)，隨著近年來固態(tài)半導(dǎo)體LED照明技術(shù)、半導(dǎo)體激光、太陽能光伏和半導(dǎo)體探測器等高新行業(yè)的蓬勃發(fā)展，需要大量的具有創(chuàng)新研究能力的技術(shù)人才來從事半導(dǎo)體光電材料、器件以及系統(tǒng)的研究和開發(fā)。這就需要高校培養(yǎng)具有動手能力強(qiáng)，基礎(chǔ)知識扎實(shí)，綜合分析能力優(yōu)秀的研究型人才。但是目前高校半導(dǎo)體光電學(xué)科的教學(xué)普遍停留在理論層面，缺乏實(shí)踐性內(nèi)容的提升。因而作為一門實(shí)用性很強(qiáng)的專業(yè)，應(yīng)著重加強(qiáng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的全面教學(xué)，逐步開展研究性課程的教學(xué)探索，打破傳統(tǒng)的教學(xué)理念，以形成學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中主動思考探索并重視創(chuàng)新叉研究的積極教學(xué)模式，為半導(dǎo)體光電學(xué)科建立一個(gè)全新的培養(yǎng)方式。

一、理論教學(xué)中創(chuàng)設(shè)前沿性課題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，專業(yè)課程的講授主要依靠講解概念、分析原理、推導(dǎo)公式、得出結(jié)論。而學(xué)生就是按部就班地記筆記、做習(xí)題、應(yīng)付考試。課堂教學(xué)效果完全取決于教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，最終學(xué)生所接受的知識也僅僅停留在課本的層面，這完全達(dá)不到迅猛發(fā)展的高新的半導(dǎo)體光電學(xué)科的培養(yǎng)要求。這就需要教師打破傳統(tǒng)的教學(xué)理念，開展研究性的教學(xué)方式。研究性教學(xué)是以學(xué)生的探究性學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，教師提出一些創(chuàng)新性的問題，以及與專業(yè)相關(guān)的一些前沿性科技專題報(bào)道，學(xué)生在創(chuàng)新性的問題中，借助課本提供的基礎(chǔ)理論和教師提供的相關(guān)資料，借鑒科學(xué)研究的方法，或獨(dú)立探索、或協(xié)作討論，通過探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)等方式最終找到解決問題的方案，甚至提出更具有創(chuàng)新性的思路。因此，在教學(xué)過程中，我們應(yīng)嘗試減少課堂講授時(shí)間、增加課堂討論時(shí)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(zhuǎn)換效率的方法、新型的半導(dǎo)體材料制作光電器件的優(yōu)異性等，有針對性地組織專題討論。考核方式以課程設(shè)計(jì)或者專題論文的形式進(jìn)行，以培養(yǎng)學(xué)生的思考和創(chuàng)新研究能力。此外，要重視階段性總結(jié)和檢查工作，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力。教師在注重教學(xué)方式改進(jìn)的同時(shí)，也要重視學(xué)生學(xué)習(xí)效果的階段性檢查和總結(jié)。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)是以作業(yè)為考察標(biāo)準(zhǔn)，這種考察的弊端是給學(xué)生提供了抄襲作業(yè)的機(jī)會，學(xué)習(xí)效果不佳。因此應(yīng)考慮采取多元化的檢查方式，增加檢查手段?？梢宰寣W(xué)生將多媒體課件與教材和參考書相結(jié)合，根據(jù)教師在課堂教學(xué)中指出的難點(diǎn)和重點(diǎn)，單獨(dú)總結(jié)出學(xué)習(xí)筆記，并進(jìn)行定期檢查。

二、建立半導(dǎo)體專業(yè)與光電專業(yè)協(xié)同的教學(xué)環(huán)境

半導(dǎo)體光電從理論上來講是研究半導(dǎo)體中光子與電子的相互作用、光能與電能相互轉(zhuǎn)換的一門科學(xué)，涉及量子力學(xué)、固體物理、半導(dǎo)體物理等一些基礎(chǔ)學(xué)科；從實(shí)踐層面來講，也關(guān)聯(lián)著半導(dǎo)體光電材料、光電探測器、異質(zhì)結(jié)光電器件及其相關(guān)系統(tǒng)的研究。因此，在理論上應(yīng)鼓勵教師根據(jù)教學(xué)情況，編寫有針對性的，并且包含基礎(chǔ)物理學(xué)、半導(dǎo)體電子學(xué)、光學(xué)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等具有交叉性理論的教材和講義，提升學(xué)生在半導(dǎo)體光電交叉領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)。同時(shí)需要組織和調(diào)動各層次教師，建設(shè)教學(xué)研究中心。結(jié)合老教師的經(jīng)驗(yàn)和青年教師的創(chuàng)意，共同進(jìn)行教學(xué)改革探索。另外，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光電學(xué)科的教學(xué)探索，不僅需要專業(yè)教師改進(jìn)和完善課堂教學(xué)措施，提升教學(xué)水平和質(zhì)量，同時(shí)也需要專業(yè)的半導(dǎo)體光電材料生長、器件制備和檢測設(shè)備，以及專業(yè)設(shè)計(jì)軟件供教學(xué)和科研使用。該學(xué)科的性質(zhì)決定了教學(xué)的內(nèi)容不能僅僅局限于理論方面，還需要實(shí)驗(yàn)方面的補(bǔ)充和實(shí)踐，從而可以從軟件和硬件雙方面實(shí)現(xiàn)協(xié)同的教學(xué)環(huán)境。在具體的操作過程中，以光譜分析為例，傳統(tǒng)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(xué)中利用新型的半導(dǎo)體固體激光器來替代傳統(tǒng)的氣體激光器，將半導(dǎo)體光電器件和光學(xué)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，提供兩者協(xié)同的新型設(shè)備。指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中分析新型的光譜系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)劣性，以及如何在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上改進(jìn)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的使用性能，在教學(xué)中鍛煉學(xué)生的協(xié)同學(xué)科的技能性訓(xùn)練。進(jìn)一步可以引入顯微鏡成像技術(shù)，采用簡易的一些光學(xué)元器件，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)讓學(xué)生動手搭建顯微成像設(shè)備，鍛煉學(xué)生對光學(xué)系統(tǒng)的整體認(rèn)知能力，并且可以提升傳統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用范圍。這一系列交叉協(xié)同教學(xué)實(shí)驗(yàn)的建立有利于打破教學(xué)和研究的界限，打破學(xué)科的界限，突出半導(dǎo)體光電學(xué)科的交叉性特點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生知識的全面性掌握，為研究型的教學(xué)模式開辟新的途徑。

三、建立前沿性半導(dǎo)體光電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

半導(dǎo)體光電涉及的領(lǐng)域很廣泛，單純的理論教學(xué)不能滿足學(xué)生對于高新的工程應(yīng)用的直觀認(rèn)識，許多設(shè)備和器件只闡述其工作原理，概念比較抽象，學(xué)生不易理解。因而需要重視研究型實(shí)踐教學(xué)。在條件允許的情況的，將半導(dǎo)體材料生長和器件制造設(shè)備引入課堂，讓學(xué)生深刻掌握器件的制造流程。同時(shí)可以引入先進(jìn)的光電檢測設(shè)備，讓學(xué)生開展一些器件的檢測實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中熟悉器件和光電系統(tǒng)的工作原理，可以起到事半功倍的作用。同時(shí)還可以讓學(xué)生在實(shí)踐中不斷思考和探索一些前瞻性的科學(xué)研究問題。以半導(dǎo)體LED光電器件為例：由于LED材料和器件制造設(shè)備較為精密、價(jià)格昂貴、不易獲取。在理論課程后，可以引用適當(dāng)?shù)腖ED材料生長設(shè)備MOCVD的一些生長過程的實(shí)物圖片和視頻，以及半導(dǎo)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(xué)生盡可能地將抽象的理論與具體實(shí)踐聯(lián)系起來。此外，購置現(xiàn)成的LED器件和光電檢測設(shè)備，利用光電測試設(shè)備對LED器件開展一些電學(xué)和光學(xué)性能的檢測，在測試過程中讓學(xué)生對LED光電轉(zhuǎn)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(jī)制開展探索性研究。對于阻礙LED發(fā)展的一些前沿性難題進(jìn)行深刻的思考和分析，提出合理的改進(jìn)和解決方案?；趯W(xué)科的科研實(shí)驗(yàn)條件，我們還可以提出項(xiàng)目教學(xué)法，把教學(xué)內(nèi)容通過“實(shí)踐項(xiàng)目”的形式進(jìn)行教學(xué)，為了能夠一個(gè)半導(dǎo)體和光電專業(yè)相協(xié)同的實(shí)驗(yàn)平臺，可以設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含多門課程的知識。項(xiàng)目教學(xué)是在教師的指導(dǎo)下，將相對獨(dú)立的教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的項(xiàng)目交由學(xué)生自己處理。信息的收集，方案的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目實(shí)施及最終評價(jià)報(bào)告，都由學(xué)生負(fù)責(zé)完成，學(xué)生通過該項(xiàng)目的進(jìn)行，了解并把握實(shí)驗(yàn)制造和檢測得整個(gè)過程及每一個(gè)環(huán)節(jié)的基本要求，教師在整個(gè)過程中主要起引導(dǎo)作用。以此來培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐性、研究性學(xué)習(xí)能力，讓學(xué)生扮演項(xiàng)目研究者的角色，在研究項(xiàng)目情景的刺激下及教師的指導(dǎo)下主動開展探究活動，并在探究過程中掌握知識和學(xué)習(xí)分析問題、解決問題的方法，從而達(dá)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(xué)科所應(yīng)該達(dá)到的理想效果。

四、建立專業(yè)校企合作基地

半導(dǎo)體光電專業(yè)需結(jié)合地域經(jīng)濟(jì)發(fā)展特點(diǎn)，建立專業(yè)的校企合作基地。校企合作是高校培養(yǎng)高素質(zhì)技能型人才的重要模式，是實(shí)現(xiàn)高校培養(yǎng)目標(biāo)的基本途徑。以江南大學(xué)為例，可以依據(jù)無錫當(dāng)?shù)毓I(yè)的發(fā)展中心，與半導(dǎo)體光電類企業(yè)，如無錫尚德太陽能股份有限公司、江蘇新廣聯(lián)LED器件制造企業(yè)、LED照明企業(yè)實(shí)益達(dá)、萬潤光子等公司進(jìn)行深入合作，建立企業(yè)實(shí)訓(xùn)創(chuàng)新基地及本科生、研究生工作站。定期組織學(xué)生去企業(yè)進(jìn)行參觀，了解半導(dǎo)體光電類產(chǎn)品的產(chǎn)線制造過程。還可以安排有興趣的學(xué)生在學(xué)有余力的同時(shí)進(jìn)入企業(yè)進(jìn)行實(shí)習(xí)，使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂的理論知識應(yīng)用到實(shí)際的應(yīng)用生產(chǎn)中，并且可以利用理論知識來解決實(shí)際生產(chǎn)中所遇到的一些問題。以實(shí)際產(chǎn)線的需求分析為基礎(chǔ)，結(jié)合理論教學(xué)的要求，建立以工作體系為基礎(chǔ)的課程內(nèi)容體系；實(shí)施綜合化、一體化的課程內(nèi)容，構(gòu)建以合作為主題的新型課堂模式，做到教室、實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)車間三者結(jié)合的教學(xué)場所。最終積累一定的合作經(jīng)驗(yàn)后，校企可以合作開發(fā)教材，聘請行業(yè)專家和學(xué)校專業(yè)教師針對課程的特點(diǎn)，結(jié)合課堂基礎(chǔ)和生產(chǎn)實(shí)踐的要求，結(jié)合學(xué)生在相關(guān)企業(yè)實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)的進(jìn)展，編寫出符合高校教學(xué)和企業(yè)生產(chǎn)需求的新型校企雙用教材。

綜上所述，要開展研究型半導(dǎo)體光電類課程的教學(xué)探索，首先要突破傳統(tǒng)的理論教學(xué)模式，根據(jù)課堂教學(xué)需求，改善課堂教學(xué)措施，形成有創(chuàng)意、有個(gè)性化的課堂特色，旨在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

參考文獻(xiàn)：

半導(dǎo)體材料論文范文第5篇

【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體器件 模式轉(zhuǎn)換 冷暖空調(diào) 溫度調(diào)節(jié)

1 引言

利用半導(dǎo)體調(diào)溫技術(shù)對室內(nèi)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)是一種新型溫度調(diào)節(jié)技術(shù)，與現(xiàn)有的常規(guī)壓縮式制冷機(jī)相比，具有重量輕、壽命長，工作起來無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于不必使用氣體冷卻劑工質(zhì)，所以也不會構(gòu)成對環(huán)境污染，成為了名副其實(shí)的“綠色”空調(diào)。目前應(yīng)用半導(dǎo)體溫度調(diào)節(jié)技術(shù)的場所已經(jīng)來越多，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車，醫(yī)療等部門。但是由于半導(dǎo)體器件的特性，其P-N結(jié)的固定結(jié)構(gòu)使得半導(dǎo)體空調(diào)的制冷和制熱之間的轉(zhuǎn)換比較困難，所以一般由半導(dǎo)體致冷器制成的空調(diào)器都是單一的制冷空調(diào)機(jī)，而這種單純制冷空調(diào)尚不能滿足市場的商業(yè)需求。如何改變現(xiàn)有的半導(dǎo)體調(diào)溫結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷和制熱模式的有效轉(zhuǎn)換，已經(jīng)是當(dāng)今半導(dǎo)體調(diào)溫技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的難題，也是真正讓半導(dǎo)體調(diào)溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化價(jià)值的關(guān)鍵。

本論文提出一種利用半導(dǎo)體調(diào)溫器件模塊化設(shè)置，通過模塊轉(zhuǎn)動方式實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體制冷和制熱模式的有效轉(zhuǎn)換，到達(dá)利用半導(dǎo)體調(diào)溫器件既能制冷又能制熱的目的，通過半導(dǎo)體冷暖空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得半導(dǎo)體冷暖空調(diào)能滿足市場的商業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)“綠色”空調(diào)的商業(yè)化應(yīng)用。

2 半導(dǎo)體冷暖空調(diào)原理

半導(dǎo)體溫度調(diào)節(jié)都是通過半導(dǎo)體調(diào)溫片來實(shí)現(xiàn)的，所謂半導(dǎo)體調(diào)溫片采用的就是具有P-N結(jié)的熱電偶對，采取直流供電，利用直流電流通過P-N結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的不同溫度效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)熱交換，這種效應(yīng)也就是一種熱電效應(yīng)。通常都認(rèn)為這種熱電效應(yīng)是建立在珀?duì)柵列?yīng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)際上這種效應(yīng)是建立在五種不同的效應(yīng)組成的基礎(chǔ)上的，這就是通常所說的賽貝克效應(yīng)、珀?duì)柼?yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)，以及富里葉效應(yīng)。這五種效應(yīng)的基本原理和作用如下：

2.1 賽貝克效應(yīng)

所謂賽貝克效應(yīng)是由俄羅斯科學(xué)家賽貝克于19世紀(jì)所發(fā)現(xiàn)的一種溫度效應(yīng)，即兩種不同導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）所組成的閉合回路中，如果兩個(gè)接頭具有不同的溫度，則會在線路中產(chǎn)生電流，這種電流稱被為溫差電流，這個(gè)閉合回路便構(gòu)成溫差電偶，產(chǎn)生電流的電動勢稱為溫差電動勢，溫差電動勢的數(shù)值只與兩個(gè)接頭的溫度有關(guān)。這種溫度效應(yīng)稱為塞貝克效應(yīng)（圖1）。

2.2 珀?duì)柼?yīng)

法國科學(xué)家珀?duì)栙N發(fā)現(xiàn)了熱電致冷和致熱現(xiàn)象-即溫差電效應(yīng)，所謂溫差電效應(yīng)就是在電流通過兩種不同導(dǎo)體形成的回路時(shí)，在兩種不同導(dǎo)體所形成回路的結(jié)點(diǎn)處，隨著電流方向的不同會分別出現(xiàn)吸熱或放熱的效應(yīng)現(xiàn)象，這種效應(yīng)現(xiàn)象就稱之為珀?duì)柼?yīng)。珀?duì)柼?yīng)的原理如圖2所示。

2.3 湯姆遜效應(yīng)

所謂湯姆遜效應(yīng)實(shí)質(zhì)就是一種溫度梯度的效應(yīng)。1856年英國物理學(xué)家W.湯姆孫發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流流過不同溫度的導(dǎo)體時(shí)，也會產(chǎn)生吸熱或放熱的效應(yīng)現(xiàn)象，這種效應(yīng)現(xiàn)象是由英國物理學(xué)家W.湯姆孫發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為湯姆遜效應(yīng)，湯姆遜效應(yīng)的原理如圖3所示。

2.4 焦耳效應(yīng)

所謂焦耳效應(yīng)就是指當(dāng)電流流過導(dǎo)體時(shí)所引起溫度變化的一種現(xiàn)象，而且這種效應(yīng)是一種不可逆的效應(yīng)，同時(shí)也不屬于溫差電效應(yīng)，但現(xiàn)在經(jīng)常將焦耳效應(yīng)與焦湯效應(yīng)結(jié)合起來考慮。

2.5 傅里葉效應(yīng)

所謂傅付里葉效應(yīng)就是指單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過均勻介質(zhì)沿某一方向傳導(dǎo)的熱量與垂直這個(gè)方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比效應(yīng)，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(yīng)組合，可以看出所謂半導(dǎo)體調(diào)溫就是利用半導(dǎo)體材料，當(dāng)電流流經(jīng)不同的導(dǎo)體，尤其是半導(dǎo)體材料所形成的結(jié)點(diǎn)回路時(shí)，在結(jié)點(diǎn)處會產(chǎn)生放熱或吸熱（制冷）現(xiàn)象而實(shí)現(xiàn)調(diào)溫的。

但是現(xiàn)有的半導(dǎo)體調(diào)溫技術(shù)之所以難以推廣，主要是兩個(gè)問題，其一是功效較低，難以與傳統(tǒng)的制冷劑空調(diào)抗衡；其二是現(xiàn)有半導(dǎo)體的調(diào)溫材料如何進(jìn)行冷熱轉(zhuǎn)換的問題。這其中第一個(gè)問題在新的高效半導(dǎo)體熱電元件誕生后已經(jīng)基本得到解決，目前的高效半導(dǎo)體熱電元件的優(yōu)值系數(shù)已經(jīng)超過13×10-3K-1，在溫差50℃時(shí)，高效半導(dǎo)體熱元件的制冷系數(shù)大于3，制冷效率甚至高于壓縮機(jī)制冷。而第二個(gè)問題正是當(dāng)前所需要解決的主要問題，當(dāng)前認(rèn)為半導(dǎo)體的冷熱轉(zhuǎn)換可以直接通過改變電流的方向?qū)崿F(xiàn)，但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)采取這樣的冷熱轉(zhuǎn)換方式不利于半導(dǎo)體的調(diào)溫材性能的利用。眾所周知，半導(dǎo)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(jìn)行導(dǎo)電，而P型元件通過空穴載流子進(jìn)行導(dǎo)，在N型元件接入直流電正極，P型元件接入負(fù)極時(shí)，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(shí)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(fù)電荷發(fā)生聚合，聚合時(shí)也會放熱；同時(shí)，N型元件的電子與P型元件的空穴在上端分離，分離時(shí)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(zhuǎn)換如果長期通過電流改變?nèi)菀自斐善骷p壞；為了有效利用N型元件和P型元件的性能我們現(xiàn)在都只是利用半導(dǎo)體的N型元件和P型元件來進(jìn)行制冷，這也是當(dāng)前的半導(dǎo)體調(diào)溫主要只是用于做半導(dǎo)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?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體調(diào)溫器件的冷熱模式的轉(zhuǎn)變是不理想的，因此本設(shè)計(jì)主要通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體調(diào)溫器件的冷熱模式的轉(zhuǎn)變，將半導(dǎo)體調(diào)溫器件設(shè)計(jì)成一種模塊，并將此模塊安裝在一個(gè)帶有冷熱腔室的殼體內(nèi)，通過半導(dǎo)體調(diào)溫器件模塊的轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體調(diào)溫器件的冷熱模式的轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)原理如圖4。

通過圖4可以看出，本設(shè)計(jì)的主要原理是將半導(dǎo)體調(diào)溫器件設(shè)計(jì)成一種可以在殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動的模塊，將半導(dǎo)體調(diào)溫器件模塊通過一個(gè)轉(zhuǎn)軸安裝在空調(diào)的殼體內(nèi)，根據(jù)半導(dǎo)體P-N結(jié)的調(diào)溫特性，在需要對室內(nèi)進(jìn)行降溫時(shí)，將半導(dǎo)體P-N結(jié)制冷的一面面對室內(nèi)；在需要對室內(nèi)升溫時(shí)，將半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)熱的一面面對室內(nèi)，通過轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)在殼體內(nèi)的半導(dǎo)體調(diào)溫器件的冷熱模式的轉(zhuǎn)變。采用這種冷熱模式的轉(zhuǎn)變方法，可以不改變原半導(dǎo)體調(diào)溫器件的電流方向，保持半導(dǎo)體調(diào)溫器件P-N結(jié)的各自優(yōu)勢，只需通過器件的面向改變實(shí)現(xiàn)冷熱模式的轉(zhuǎn)變。

3 半導(dǎo)體冷暖空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)思路，本設(shè)計(jì)所提出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案主導(dǎo)思想就是將半導(dǎo)體調(diào)溫組件模塊化，并達(dá)到能在一定空間能轉(zhuǎn)動，其設(shè)計(jì)過程如下：

3.1 半導(dǎo)體調(diào)溫組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用高效半導(dǎo)體熱電元件堆疊成塊，使每個(gè)元件相連接的都是不同導(dǎo)電類型的元件，串聯(lián)起來形成大功率的半導(dǎo)體調(diào)溫組件，并在調(diào)溫組件的兩面分別加裝散熱翅片，形成一個(gè)圓筒狀體，在圓筒狀體組件的兩端設(shè)置轉(zhuǎn)軸，并在轉(zhuǎn)軸的一端設(shè)置半導(dǎo)體調(diào)溫組件的N型元件導(dǎo)電環(huán)和P型元件導(dǎo)電環(huán)，這樣就形成了半導(dǎo)體調(diào)溫組件（圖5）。

半導(dǎo)體調(diào)溫組件制冷時(shí)，將冷端面置于室內(nèi)吸熱，熱端面置于面向室外，并通過風(fēng)扇將熱端面的熱量吹到室外，以達(dá)到降低室內(nèi)溫度的目的；而在冬季需要給室內(nèi)升溫時(shí)，則通過調(diào)整半導(dǎo)體調(diào)溫組件的轉(zhuǎn)向來改變半導(dǎo)體調(diào)溫組件的冷熱位置關(guān)系；將半導(dǎo)體調(diào)溫組件方向轉(zhuǎn)變180度，此時(shí)半導(dǎo)體調(diào)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(nèi)放熱，從而達(dá)到加熱室內(nèi)溫度的空調(diào)目的。

其中，半導(dǎo)體調(diào)溫組件的上下面均采用陶瓷片，并經(jīng)過摻雜處理，以此提高導(dǎo)熱性能，主要成分是95%氧化鋁。在它的表面燒結(jié)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(dǎo)熱作用。通過錫焊接在陶瓷片的金屬化涂層上。

上下導(dǎo)流片之間是半導(dǎo)體致冷元件，它的主要成分是碲化G，是半導(dǎo)體調(diào)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(dǎo)流片上。

3.2 整體空調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)好半導(dǎo)體調(diào)溫組件后，在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要應(yīng)考慮半導(dǎo)體調(diào)溫組件的安裝、通風(fēng)的方式，以及半導(dǎo)體調(diào)溫組件模塊的轉(zhuǎn)動控制幾部分。整個(gè)空調(diào)器的結(jié)構(gòu)如附圖6和圖7所示。

從上圖可以看出，半導(dǎo)體空調(diào)的整體包括一個(gè)箱體，箱體內(nèi)分為前箱體和后箱體兩部分，前箱體面向室內(nèi)，后箱體緊貼著墻壁；在前箱體和后箱體兩部分之間設(shè)有用于制冷或發(fā)熱的半導(dǎo)體器件板，通過半導(dǎo)體器件板將前箱體和后箱體兩部分分開，分別形成室內(nèi)換熱腔體和室外換熱腔體，通過室內(nèi)換熱腔體和室外換熱腔體與半導(dǎo)體器件板的換熱實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的空氣調(diào)節(jié)；所述半導(dǎo)體器件板通過轉(zhuǎn)軸安裝在前箱體和后箱體兩部分之間隔離區(qū)間內(nèi)，轉(zhuǎn)軸設(shè)置在隔墻內(nèi)，并在轉(zhuǎn)軸的一端設(shè)有用于翻轉(zhuǎn)半導(dǎo)體器件板的旋轉(zhuǎn)裝置，通過旋轉(zhuǎn)裝置將半導(dǎo)體器件板繞轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)，以此實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件板對室內(nèi)的換熱或制冷轉(zhuǎn)換，達(dá)到制冷或加熱的空調(diào)目的。

其中，室內(nèi)換熱腔體是在前箱體一端設(shè)有室內(nèi)入風(fēng)口，內(nèi)入風(fēng)口安裝有室內(nèi)風(fēng)扇，另一端設(shè)有室內(nèi)出風(fēng)口，室內(nèi)入風(fēng)口與室內(nèi)出風(fēng)口通過半導(dǎo)體器件板一側(cè)的室內(nèi)流道連通，室內(nèi)風(fēng)扇吹出的風(fēng)經(jīng)過室內(nèi)流道，進(jìn)入另一端，再通過室內(nèi)出風(fēng)口排出。前箱體整個(gè)下前角部分設(shè)有室內(nèi)出風(fēng)流道，室內(nèi)出風(fēng)口的風(fēng)是經(jīng)由室內(nèi)出風(fēng)流道排出的。室外換熱腔體是在后箱體的兩端分別設(shè)有與室外相通的室外入風(fēng)口和室外出風(fēng)口，室外入風(fēng)口和室外出風(fēng)口的一部分分別嵌入墻體內(nèi)，且面向室外，室外入風(fēng)口和室外出風(fēng)口通過位于半導(dǎo)體器件板另一側(cè)的室外流道連通，形成后箱體換熱腔體，在室外入風(fēng)口處設(shè)有室外風(fēng)扇，室外風(fēng)扇將室外空氣引入，通過室外流道，再從室外出風(fēng)口排出。室外入風(fēng)口位于室外風(fēng)扇之前的風(fēng)道上設(shè)有空氣過濾網(wǎng)，通過空氣過濾網(wǎng)對室外進(jìn)入后箱體的空氣進(jìn)行過濾，防止雜物進(jìn)入。

本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)在于半導(dǎo)體器件板的旋轉(zhuǎn)裝置為電動翻轉(zhuǎn)裝置或手動翻轉(zhuǎn)裝置都可以；采用電動翻轉(zhuǎn)裝置時(shí)，在轉(zhuǎn)軸的端部連接有翻轉(zhuǎn)電機(jī)，通過電機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件板的翻轉(zhuǎn)；采用手動翻轉(zhuǎn)裝置時(shí)，直接通過一個(gè)轉(zhuǎn)盤就可以進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

為了提高熱膠換效率，在半導(dǎo)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(nèi)流道和室外流道中，使得經(jīng)過室內(nèi)流道和室外流道的風(fēng)能更加加快熱交換的效果。同時(shí)，為了防止室外的空氣與室內(nèi)交流，在室外流道與箱體之間設(shè)有保溫層，防止室外換熱腔體內(nèi)的溫度傳到室內(nèi)。

4 半導(dǎo)體冷暖空調(diào)結(jié)構(gòu)分析

采用上述結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體空調(diào)，通過一個(gè)可轉(zhuǎn)動的半導(dǎo)體器件板，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件板對室內(nèi)制冷或加熱之間的轉(zhuǎn)換，并直接將整個(gè)箱體分為前箱體和后箱體兩個(gè)部分，直接將整個(gè)空調(diào)器箱體安裝在室內(nèi)的墻壁上，分別通過室外換熱腔體和室內(nèi)換熱腔體進(jìn)行熱交換，達(dá)到空氣調(diào)節(jié)的目的，這樣有幾大好處：

（1）冷熱轉(zhuǎn)換模式通過模塊式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，不采用電源反接，可以避免電源反接所給半導(dǎo)體器件的反向沖擊，防止半導(dǎo)體器件出現(xiàn)“崩潰”現(xiàn)象，可以完全利用半導(dǎo)體N型元件和P型元件的各自優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)制冷和制熱。

（2）可以完全省去室外機(jī)部分，只需通過一個(gè)進(jìn)風(fēng)口和一個(gè)排風(fēng)口，兩個(gè)風(fēng)口就可以將換熱腔體的熱交換空氣與室外空氣進(jìn)行交換，避免了室外機(jī)造成安全隱患的因素；

（3）方便安裝，將室外換熱腔體和室內(nèi)換熱腔體統(tǒng)一設(shè)置在室內(nèi)的殼體內(nèi)，安裝時(shí)不用操作人員再到室外進(jìn)行安裝作業(yè)，完全杜絕了空調(diào)安裝的室外作業(yè)事故發(fā)生；

（4）Y構(gòu)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(yǎng)護(hù)，安裝容易。

（5）可連續(xù)工作，使用安靜無噪音，直接通過半導(dǎo)體器件進(jìn)行熱交換，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時(shí)沒有震動、噪音、壽命長，沒有壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音；

（6）環(huán)保綠色運(yùn)行，本發(fā)明采取半導(dǎo)體換熱，取代了常規(guī)的壓縮機(jī)技術(shù)，不需要任何制冷劑，也就避免了常規(guī)制冷劑對環(huán)境的污染。

（7）半導(dǎo)體制冷片采用高效半導(dǎo)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(yuǎn)大于1[6]。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。

（8）半導(dǎo)體制冷片采用電流換能型片件，以輸入電流的方式實(shí)施控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度調(diào)節(jié)，并通過溫度檢測和控制手段，實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)等控制，便于形成自動控制系統(tǒng)。

（9）半導(dǎo)體調(diào)溫的溫差范圍，可從+90℃到-130℃任意調(diào)節(jié)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種通過半導(dǎo)體調(diào)溫組件模塊轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體調(diào)溫器件的冷熱模式的轉(zhuǎn)變的半導(dǎo)體冷暖空調(diào)。文中詳細(xì)描述了半導(dǎo)體調(diào)溫組件模塊轉(zhuǎn)動方式的半導(dǎo)體冷暖空調(diào)的結(jié)構(gòu)，并對半導(dǎo)體調(diào)溫組件模塊轉(zhuǎn)動方式作了詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明，由于采用直流電環(huán)供電，且轉(zhuǎn)動的速度較低，因此在轉(zhuǎn)動中的通電不會受到任何影響，可以有效改變現(xiàn)有半導(dǎo)體空調(diào)難以實(shí)現(xiàn)冷熱模式轉(zhuǎn)換的問題，具有很好的商業(yè)實(shí)用價(jià)值，從而實(shí)現(xiàn)真正的“綠色”空調(diào)。

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