半导体器件物理中

半导体器件物理中（精选8篇）

半导体器件物理中 第1篇

半导体物理与器件作为全国高等学校是电子科学与技术、微电子学等专业的理论基础课, 是电子类专业后续理论和实践课程坚实的理论基础。因此, 如何提高半导体物理与器件的教学质量, 这是摆在我们从事电子类专业教育和研究的高校教师面前的迫切问题[2]。

一、半导体物理与器件教学的相关问题探讨

半导体物理与器件课程主要讲解半导体的一些基本物理概念、现象、物理过程及其规律, 并在此基础上选择目前集成电路与系统的核心组成部分。如双极型晶体管 (BJT) 、金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (MOSFET) 和结型场效应晶体管 (JFET) 等作为分析讨论的主要对象来介绍半导体器件基础, 是电子类专业学习诸如《光电子技术》、《光通讯技术》等后续专业理论和实践课程坚实的理论基础。课程的理论性很强, 其中很多的物理原理和规律都是用数学公式的形式给出, 在很多高校把它定位于纯理论课程, 在教学模式上通常以课堂讲授为主。电子类相关工科专业的学生由于缺少诸如量子力学、固体物理及统计物理等前导课程的基础知识, 对于半导体相关知识的学习和理解就有很大的难度。

从人才培养方面考虑, 对于电子类工科专业来说, 这门课的主要目的在于使学生能够掌握半导体的一些基本物理概念、现象、物理过程及其规律以及集成电路的核心器件相关特性, 以及学会科学的思维方法、具备开放的研究能力。因此, 在教学过程中, 我们需考虑把课程中复杂抽象的物理规律用简单直观的方法引出, 使学生能更加容易理解和掌握半导体物理的规律和器件的特性, 为以后从事相关行业的工作和研究打下坚实的基础。

二、MATLAB在半导体物理与器件中的应用

MATLAB有强大的数值计算、作图和数据可视化功能, 是目前科学界最具影响力亦是最有活力的软件之一。在半导体物理与器件的教学中, 引入MATLAB可以把半导体中复杂抽象的物理公式、定理定律和物理现象通过视化方式展示出来, 更加简单易懂。同时, 还可活跃课堂气氛, 有效调动学生的积极性, 培养学生的探索精神。

集成电路的二极管、三极管和场效应管等基本半导体元器件中的重要元件就是由p型半导体区和n型半导体区接触形成的pn结, 半导体器件的特性与工作过程都与此pn结有密切联系, 正因为pn结的这种特殊性质, 对于电子类工科专业的学生来说, 要理解半导体器件的原理, 并能创造性地研究、开发和制备各种半导体器件就必须要对pn结的相关特性有深刻理解和认识。在教学中, 为了使学生能更好地理解其中的含义, 我们可以把其中的物理公式、定理定律和物理现象通过视化方式展现给学生。

本文以pn结二极管电流的温度效应的仿真为例, 探索MATLAB在半导体物理与器件课程的实践教学中的应用。

具体的实施过程如下:已知理想pn结二极管的反向饱和电流密度 (单位面积的电流) JS是热平衡条件下少子浓度np0和pn0的函数:

式中Dp和Dn代表空穴和电子的扩散系数, Lp和Ln表示空穴和电子的扩散长度, 可根据以下半导体物理的基本知识:

少子浓度np0和pn0都与本征载流子浓度ni的关系

式中Na和Nd分别为p型区受主杂质浓度和n型区施主杂质浓度, 本征载流子浓度的表达:

式中Eg为半导体材料的禁带宽度, Nc和Nv分别代表导带和价带有效状态密度。

忽略扩散系数与温度的依赖关系, 由此可见反向饱和电流密度JS是温度的敏感函数:

由此可编写简单的MATLAB程序进行对一定温度范围内反向饱和电流密度的变化情况进行仿真模拟, 程序如下:

运行时分别输入表1中硅、锗和砷化镓材料的特征参数, 可得三种常见的半导体材料制成的pn结的反向饱和电流与温度的变化关系, 其结果如图1-图3所示。

由图1-图3可知, 在温度处于200-500K范围内, 随着温度的上升, 三种半导体材料形成的pn结的反向饱和电流增大得非常快。因此, 在应用pn结二极管时要注意器件的使用环境温度, 避免温度正反馈导致器件烧毁。此外, 由于每种半导体材料都有其特有的物理参量。如禁带宽度Eg, 有效状态密度Nc和Nv等。反向饱和电流密度在一定温度范围内变化的幅度有所差别, 这也体现了不同材料对温度的敏感程度不一样。因此, 对于利用pn结温度探测器件的设计选材提供了理论依据。

三、结论

本文通过MATLAB软件模拟出了一定温度范围内PN结二极管的反向饱和电流的变化情况, 此种方法简单, 舍弃了传统的繁琐的计算方法, 图解法准确、直观, 可使学生对在完成此仿真模拟过程后对物理规律有更深的印象, 并对其中涉及的相关知识点都有了更加深刻的理解和掌握。将MATLAB软件引入半导体物理与器件的实践教学中, 可极大地调动学生学习的主动性, 提高学生的实际动手能力和创新能力, 也有利于培养学生利用专业软件分析问题、解决问题的实践能力。

参考文献

[1][美]尼曼.半导体物理与器件[M].第三版赵毅强等, 译.北京:电子工业出版社, 2010.

[2]阴素芹, 曾祥凯, 陶传义.针对创新型人才培养的半导体物理与器件课程教学改革探索[J], 科教文汇, 2012.08 (下月刊) :128.

[3]徐炜炜, 黄静.从半导体物理课程教学谈高素质人才培养[J], 南通航运职业技术学院学报, 2009, 8 (4) :97-99.

半导体器件物理 教学内容和要点 第2篇

第一章 半导体物理基础

第二节 载流子的统计分布

一、能带中的电子和空穴浓度

二、本征半导体

三、只有一种杂质的半导体

四、杂质补偿半导体 第三节 简并半导体

一、载流子浓度

二、发生简并化的条件

第四节 载流子的散射

一、格波与声子

二、载流子散射

三、平均自由时间与弛豫时间

四、散射机构 第五节 载流子的输运

一、漂移运动 迁移率 电导率

二、扩散运动和扩散电流

三、流密度和电流密度

四、非均匀半导体中的自建场

第六节 非平衡载流子

一、非平衡载流子的产生与复合

二、准费米能级和修正欧姆定律

三、复合机制

四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程

第二章 PN结

第一节 热平衡PN结

一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结

突变结、缓变结、线性缓变结

二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示 图2.1）

三、空间电荷区、内建电场与电势

四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程

五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势

及PN结空间电荷区两侧的内建电势差

六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）

第二节 加偏压的PN结

一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性

二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象

第三节 理想PN结的直流电流-电压特性

一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系

二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）

第四节 空间电荷区的复合电流和产生电流

一、复合电流

二、产生电流

第五节 隧道电流

一、隧道电流产生的条件

二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示 Fig2.12）第六节 IV特性的温度依赖关系

一、反向饱和电流和温度的关系

二、IV特性的温度依赖关系

第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管

一、PN结C-V特性

二、过渡电容的概念及相关公式推导 求杂质分布的程序（多媒体演示 Fig2.19）

三、变容二极管 第八节 小讯号交流分析

一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式

二、扩散电容与交流导纳

三、交流小信号等效电路 第九节 电荷贮存和反响瞬变

一、反向瞬变及电荷贮存效应

二、利用电荷控制方程求解s

三、阶跃恢复二极管基本理论 第十节 P-Ｎ结击穿

一、PN结击穿

二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导

三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题

第三章 双极结型晶体管

第一节双极结型晶体管的结构

一、了解晶体管发展的历史过程

二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体 图3.1）概述

第二节 基本工作原理

一、理想BJT的基本工作原理 二、四种工作模式

三、放大作用（多媒体Fig3.6）

四、电流分量（多媒体Fig3.7）

五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）

第三节 理想双极结型晶体管中的电流传输

一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布

二、正向有源模式

三、电流增益～集电极电流关系

第四节 爱拜耳斯-莫尔（EbersMoll）方程 一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布

二、E-M模型等效电路

三、E-M方程推导

第五节 缓变基区晶体管

一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用

二、少子浓度推导

三、电流推导

四、基区输运因子推导

第六节 基区扩展电阻和电流集聚

一、基区扩展电阻

二、电流集聚效应

第七节 基区宽度调变效应

一、基区宽度调变效应（EARLY效应）

二、hFE和ICE0的改变

第八节 晶体管的频率响应

一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（，hfe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（WT），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导

三、影响截止频率的四个主要因素：τB、τE、τC、τD及相关推导

四、Kirk效应

第九节 混接型等效电路

一、参数：gm、gbe、CD 的推导

二、等效电路图（图3－23）

三、证明公式（3－85）、（3－86）

第十节 晶体管的开关特性

一、开关作用

二、影响开关时间的四个主要因素：td、tr、tf、ts

三、解电荷控制方程求贮存时间ts

第十一节 击穿电压

一、两种击穿机制

二、计算机辅助计算：习题

阅读 §3.12、§3.13、§3.14

第四章 金属—半导体结 第一节肖特基势垒

一、肖特基势垒的形成

二、加偏压的肖特基势垒

三、M－S结构的C-V特性及其应用

第二节 界面态对势垒高度的影响

一、界面态

二、被界面态钳制的费米能级

第三节 镜像力对势垒高度的影响

一、镜像力

二、肖特基势垒高度降低

第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性

一、热电子发射

二、理查德-杜师曼方程

第五节 肖特基势垒二极管的结构

一、简单结构

二、金属搭接结构

三、保护环结构

第六节 金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管

一、基本结构

二、工作原理

第七节 肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较

一、开启电压

二、反向电流

三、温度特性

第八节 肖特基势垒二极管的应用

一、肖特基势垒检波器或混频器

二、肖特基势垒钳位晶体管

第九节 欧姆接触

一、欧姆接触的定义和应用

二、形成欧姆接触的两种方法

第五章 结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管 第一节JFET的基本结构和工作过程

一、两种N沟道JFET

二、工作原理

第二节 理想JFET的I-V特性

一、基本假设

二、夹断电压

三、I-V特性

第三节 静态特性

一、线性区

二、饱和区 第四节 小信号参数和等效电路

一、参数：gl gml gm CG

二、JFET小信号等效电路图

第五节JFET的截止频率

一、输入电流和输出电流

二、截止频率

第六节 夹断后的JFET性能

一、沟道长度调制效应

二、漏极电阻

第七节 金属-半导体场效应晶体管

一、基本结构

二、阈值电压和夹断电压

三、I-V特性

第八节 JFET和MESFET的类型

一、N—沟增强型 N—沟耗尽型

二、P—沟增强型 P—沟耗尽型 阅读 §5.8 §5.9 第六章 金属-氧化物-场效应晶体管

第一节 理想MOS结构的表面空间电荷区

一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）

二、半导体表面空间电荷区的形成

三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）

四、载流子的积累、耗尽和反型

五、载流子浓度表达式 六、三种情况下MOS结构能带图

七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础

第二节 理想MOS电容器

一、基本假设

二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区

三、沟道电导与阈值电压：定义 公式（6－53）和（6－55）的推导

第三节 沟道电导与阈值电压

一、定义

二、公式（6－53）和（6－55）的推导

第四节 实际MOS的电容—电压特性

一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法

二、平带电压的概念

三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算

五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线

第五节 MOS场效应晶体管

一、基本结构和工作原理

二、静态特性 第六节 等效电路和频率响应

一、参数：gd gm rd

二、等效电路

三、截止频率

第七节 亚阈值区

一、亚阈值概念

二、MOSFET的亚阈值概念

第九节 MOS场效应晶体管的类型

一、N—沟增强型 N—沟耗尽型

二、P—沟增强型 P—沟耗尽型

第十节 器件尺寸比例

MOSFET制造工艺

一、P沟道工艺

二、N沟道工艺

三、硅栅工艺

四、离子注入工艺

第七章 太阳电池和光电二极管 第一节半导体中光吸收

一、两种光吸收过程

二、吸收系数

三、吸收限

第二节 PN结的光生伏打效应

一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）

二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）

第三节 太阳电池的I-V特性

一、理想太阳电池的等效电路

二、根据等效电路写出I-V公式，I-V曲线图（比较：根据电流分量写出I-V公式）

三、实际太阳能电池的等效电路

四、根据实际电池的等效电路写出I-V公式

五、RS对I-V特性的影响

第四节 太阳电池的效率

一、计算 Vmp Imp Pm

二、效率的概念FFVOCIL100% Pin第五节 光产生电流和收集效率

一、“P在N上”结构，光照，GLOex少子满足的扩散方程

二、例1－1，求少子分布，电流分布

三、计算光子收集效率：colJptJnGO

讨论：波长长短对吸收系数的影响 少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响 理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义

第六节 提高太阳能电池效率的考虑

一、光谱考虑(多媒体演示)

二、最大功率考虑

三、串联电阻考虑

四、表面反射的影响

五、聚光作用

第七节 肖特基势垒和MIS太阳电池

一、基本结构和能带图

二、工作原理和特点 阅读 §7.8 第九节 光电二极管

一、基本工作原理

二、P-I-N光电二极管

三、雪崩光电二极管

四、金属－半导体光电二极管

第十节 光电二极管的特性参数

一、量子效率和响应度

二、响应速度

三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）

四、探测率（D）、比探测率（D*）

第八章 发光二极管与半导体激光器 第一节辐射复合与非辐射复合

一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合

二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合

第二节 LED的基本结构和工作过程

一、基本结构

二、工作原理（能带图）

第三节 LED的特性参数

一、I-V特性

二：量子效率：注射效率、辐射效率r、内量子效率i，逸出概率o、外量子效率

三、提高外量子效率的途径，光学窗口

四、光谱分布，峰值半高宽 FWHM,峰值波长，主波长，亮度

第四节 可见光LED

一、GaP LED

二、GaAs1-xPx LED

三、GaN LED 第五节 红外 LED 一、性能特点

二、应用 光隔离器 阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章 集成器件 第十章 电荷转移器件 第一节 电荷转移

一、CCD基本结构和工作过程

二、电荷转移

第二节 深耗尽状态和表面势阱

一、深耗尽状态—非热平衡状态

二、公式（10-8）的导出

第三节 MOS电容的瞬态特性

深耗尽状态的能带图

一、热弛豫时间

二、信号电荷的影响

第四节 信息电荷的输运 转换效率

一、电荷转移的三个因素

二、转移效率、填充速率和排空率

第五节 电极排列和CCD制造工艺 一、三相CCD二、二相CCD 第六节 体内（埋入）沟道CCD

一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响

二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理

第七节 电荷的注入、检测和再生

一、电注入与光注入

二、电荷检测 电荷读出法

三、电荷束的周期性再生或刷新

第八节 集成斗链器件

一、BBD的基本结构

二、工作原理

三、性能

第九节 电荷耦合图象器件

一、行图象器

二、面图象器

三、工作原理和应用

主要参考书目

半导体器件物理中 第3篇

1 采用多媒体授课的必要性

半导体器件物理是电子科学与技术、微电子学与固体电子学、物理电子学等信息类专业的主干专业课, 如图1所示, 该课程在整个专业课体系中占有重要地位, 起着承上启下的作用, 它既是半导体物理知识在半导体器件中的具体应用, 同时又是半导体集成电路的基础。国内外知名高校在这门课程的讲授中均采用多媒体教学, 使课程内容更加生动, 形象、提高了学生学习兴趣;同时, 由于不再花费大量时间绘制复杂的器件结构图, 课堂教学效率也得到了提高, 授课内容更加丰富。所以, 在我校半导体器件物理课程的讲授中引入多媒体授课方式, 是对专业课进行改革的首要任务, 也是当前迫切需要开展的工作。

2 对课堂教学效果的改进

通过在半导体器件物理课程的实践教学过程中引入多媒体技术, 明显地改善了该门课程的教学效果, 学生反响良好, 主要体现在以下几个方面。

2.1 在同样时间和空间内获取更多的信息

半导体器件物理课程的特点是:课程信息量大、理论性强、知识点分散、公式推导多。半导体器件主要包括微电子器件和光电子器件, 及一些特殊用途器件, 要在有限的课时内把各种器件的工作原理讲深、讲透, 需要用到各种不同条件的器件结构图、工艺流程图等, 并且要进行繁琐的公式推导, 如果不画图, 内容交代不清楚, 画图则会占用大量授课时间且不准确。利用多媒体, 教师备课时可以精心设计好讲解内容, 提前制作课程所需各种示意图, 列举各种各样的鲜活实例, 集文字、图像、声音等多项功能于一体, 增大信息内涵。另外, 由于不用一笔一画地在黑板上画图, 节省了大量的时间, 可以使教师更加从容地旁征博引, 挖掘教学的广度和深度, 扩大和深化教学内容。而且演示屏幕可以随时变换、重点部分可以随机重复, 便于记忆, 为课堂教学中的内容变化和环节修补提供了方便, 节省授课时数。例如:在讲授某种器件的工作原理时, 经常用到器件的三维尺寸, 对于没有任何实际经验的学生来说, 完全凭想象根本无法理解各参数之间的关系, 经常要从该器件的制作流程进行解释, 通常一个简单器件的工艺就要十几个步骤, 相互之间关联密切, 而示意图要占用多个版面, 采用多媒体技术教学后, 只需要切换页面就可以完成, 节约了大量的课时。通过两届学生的对比, 使用多媒体授课后, 教学内容相比原来使用板书增加了一倍, 教学效果得到了极大的提高。

2.2 将抽象的内容变得直观、形象、生动, 便于理解

半导体器件物理虽然是信息类专业的主干专业课程, 但它也是一门理、工科交叉课程, 是对专业基础知识的综合应用, 不但要求学生很好地掌握半导体物理、固体物理和量子力学等物理知识, 而且对半导体制作工艺也要非常熟悉。在讲述晶体管中载流子的输运过程时, 教材上多以文字表述为主, 晦涩难懂, 如果把这些过程用惟妙惟肖地动画的形式表现出来, 用不同色彩、形状代表不同的掺杂区域、杂质类型、电子、空穴的运动等, 就可以把抽象的知识转换成直观的图像, 让学生对微观过程印象深刻, 对相关知识的理解也更加透彻。

2.3 板书与多媒体演示完美结合, 提高了授课效率

在晶体管工作原理的讲授过程中, 需要用到大量、繁琐的公式推导, 这是半导体器件物理课程的另一特点。多媒体在复杂图形、图像演示方面的优势毋庸置疑, 但是理论推导如果也用这种办法, 则速度太快, 学生来不及反应, 影响教学效果, 而传统的板书在这些方面具有明显优势, 可以一边书写一边讲解, 给学生留出足够的思考时间。考虑到上述因素, 本课程在讲授过程中, 只是把那些抽象、复杂的图像或工艺过程用多媒体演示, 所有的理论推导都是通过板书讲授, 这样, 在保证图形、图像直观、生动的同时, 也使理论推导过程思路清晰, 并且, 生动的图像还可以促进对理论过程的理解。

2.4 课堂教学与实际应用紧密结合、激发了学生的学习热情

在制作多媒体课件时, 取材不囿于教材和有限的参考书籍, 利用计算机网络, 通过百度、Google等强大的搜索引擎和各种电子图书、期刊、杂志可以从多种渠道获取各种有关的资料和信息及当今的一些先进的、前沿的东西, 使得教案的内容丰富, 教师的思路拓宽, 也可以活跃课堂气氛。前面已经提到:半导体器件包括微电子器件、光电子器件及一些特殊用途器件, 从1947年世界上第一支晶体管诞生至今, 无论是微电子器件还是光电子器件都在快速发展, 器件工艺不断更新、器件理论不断完善、新型器件不断涌现, 无论在科学研究领域还是实际应用方面都扮演者着重要的角色。当前大学生就业面临着巨大的压力, 有很多学生对于自己所学知识有什么用?自己将来能做什么?都感到很迷茫。针对这一问题, 每讲到一类器件, 我们通常都会介绍一些与就业相关知识。比如M O SF ET, 除了讲授教材中的知识以外, 还会介绍一些从事此类科学研究的机构, 以及该领域一些的企业情况;而讲到光电子器件时, 会给学生介绍一些光伏产业相关的信息, 让学生能把自己的知识和未来从事的工作联系起来, 激发了学生的学习热情。

3 结语

以多媒体教学为代表的现代化教学手段不断地被引入课堂, 把广大师生带人到了一个新的情境, 确实提高了教学效率和教学水平。但多媒体进人课堂只是对传统教学方法的改革, 绝不是革命, 它是教学过程一个有力的辅助工具, 但绝不能成为课堂教学的主宰, 只有将多媒体教学方法和传统教学方法有机地结合起来, 相互补充, 并在教学实践中不断地完善, 才能取得完美的教学效果。

参考文献

[1]王志军.多媒体教学方法在电子线路教学中应用的思考[J].实验技术与管理, 2006, 23 (2) :66～67

半导体器件物理中 第4篇

关键词：半导体,高校,教材,十二五

随着经济的快速发展, 我国高等教育业也有了长足的发展。在这样的背景下, 与高等教育相关的出版机构应能适时开发出版高质量的高校教材, 为高等教育事业提供强有力的支持和保障。而在高校教材的开发与建设中, 出版机构往往注重短期的效益, “短平快”教材出版占据了大量的出版资源。这种情况下出版的教材, 一般只能满足特定学校特定时期的要求, 不能产生长久的效益, 生命周期短, 对出版机构的发展也没有明显的推动作用。

在高校教材的开发与建设中, 出版机构应秉持品牌意识和可持续性理念, 集中优势力量做好一批高质量、有特色的教材, 以此创品牌、增效益。在教材建设的过程中, 应注意收集相关信息, 及时对其进行维护和更新, 使这些教材不与时代脱节, 持续性地保持优势。

《半导体器件物理与工艺 (第三版) 》就是苏州大学出版社以品牌意识和可持续性理念开发出版的一本高校教材。这本书由施敏、李明逵所著, 王明湘、赵鹤鸣翻译, 于2014年4月出版。作为“十二五”国家重点图书出版规划项目, 它的出版对我国高等院校微电子专业人才培养大有裨益。

《半导体器件物理与工艺 (第三版) 》的作者施敏教授是国际知名的微电子技术与半导体器件专家, 是国际微电子学术界及工业界公认的仰之弥高的领军人物, 他在金半接触、微波器件及次微米金氧半场效应晶体管技术等领域都有开创性的贡献。施敏教授是国际电机电子工程师学会杰出会员 (IEEE Fellow) 、中国工程院院士、美国国家工程院院士及台湾“中央研究院”院士。

21世纪初的中国, 机遇与挑战并存, 发展高科技是强国的必由之路。作为电子工业支柱的微电子高科技产业, 更是各国优先发展的首选。智力密集型的高科技产业需要高素质的人才, 培养大批微电子专业人才已是当务之急。祖籍苏州的施敏教授同时又是一位教育家, 他对苏州市发展IC产业寄予了厚望, 并非常愿意为培养我国微电子专业人才、为家乡建设贡献力量。2002年10月至11月间, 他专程来苏州大学作了为期一个月的讲学。在此期间, 通过与苏州大学电子信息学院联络、策划, 苏州大学出版社取得了其著作《半导体器件物理与工艺 (第二版) 》即《Semiconductor Devices Physics and Technology (2nd Edition) 》的中文简体版出版发行权。这本书于2002年12月正式出版, 一经出版就得到了广大微电子专业技术人员、研究人员和高校教师的肯定, 成为许多高等院校微电子相关专业大学本科、研究生首选的教科书, 得到了使用院校极高的评价。这本书深受读者喜爱, 自出版以来常销不断, 多次重印, 成为该领域内的权威与经典之作, 也成为苏州大学出版社的“品牌教材”。

从2002年至今的十余年间, 微电子和半导体产业有了新的发展和进步。苏州大学出版社将品牌意识和可持续性理念融入教材的开发与建设工作中, 密切关注《半导体器件物理与工艺》最新英文版的出版动态, 经过多方筹划, 取得了最新版本即《半导体器件物理与工艺 (第三版) 》的中文简体版出版发行权, 并于2014年4月出版。在这本书的出版过程中, 为了将其做好做精, 继续其“品牌效应”, 出版社不仅专门选派优秀编辑负责该书的出版事宜, 还将其立项为“十二五”国家重点图书出版规划项目。该书秉承了上一版的出版风格, 改写并更新了35%的篇幅, 增加了许多章节内容讨论当今的热门议题, 如CMOS图像传感器、Fin FET、第三代太阳能电池和原子层淀积技术, 并删除或减少了某些不重要的章节, 维持了全书的篇幅。鉴于MOSFET及其相关器件在电子领域的重要性, 将该部分内容扩展为两个章节;由于光电器件对通信和新能源领域具有重要意义, 新版中将相关内容扩展为两个章节。另外, 像上一版一样, 书中附上了部分的习题参考答案, 还有符号列表、国际单位制、单位前缀、希腊字符表、物理常数、重要元素及二元化合物半导体材料的特性、硅和砷化镓的特性以及一些重要的推导, 这部分中重要习题的答案和总结、归纳性的内容为学生学习和老师教学提供了极大的方便。

目前, 出版业竞争日趋激烈, 市面上的高校教材种类繁多, 出版社要加强精品教材的开发, 努力打造“品牌图书”。只有这样, 才能在竞争中立于不败之地。另外, 出版社还应对品牌图书进行及时的维护和更新, 使它们得以持续性地发展, 延长其生命周期。在这样的理念指导下出版的“十二五”国家重点图书出版规划项目《半导体器件物理与工艺 (第三版) 》成为苏州大学出版社的一个“品牌”, 获得该行业人员的广泛认可, 并取得了良好的社会效益和经济效益, 为我国微电子专业人才的培养提供了强有力的保障和支持。

参考文献

[1]施敏.半导体器件物理与工艺:第二版[M].苏州:苏州大学出版社, 2002.

半导体器件物理中 第5篇

对于电力电子装置来说,现有的一部分设备是由芯片组合而成的,芯片又是由低压或者不同的高压功能模块制作而成。如果在电力电子装置上的同一块芯片上囊括了所有需要的功能模块,就是单片式功率集成电路,在电力电子技术中,这是较为新颖的具有活力的发展趋势[1]。对于电力电子技术发展的智能化进程,单片式功率集成电路完全符合其发展需求,所以也常被记为SPIC,即是智能功率集成电路。电力电子技术从晶闸管时代一路走来,经历了更新换代的核心功率器件时代,并在继续迈向智能化、集成化、高频化以及全控化的发展方向。智能化功率集成电路是从智能化发展而来,尤其是在节能减排的今天,得到了越来越多的应用,每年都在不断提升其市场占有率。

1 智能功率集成电路及功率半导体器件

1.1 智能功率集成电路

在保护电子系统的前提下,当前许多电力电子装置都把大量的电气和线路保护装置应用到电子电路系统中,这些保护装置是通过并线连接各类线路状态处理模块进行作用机制的创新,在电气设备中,通过检测连接进入其中的能源,对线路中的电流类型进行判断,再在相应线路状态中进行处理模块的线路连接,在这一过程中,最典型的模块就是安装在不同芯片上的低压和高压功能模块,电气设备由于这种模块并联模式可以得到较好的保护,但是对于电子芯片组成的电力电子装置而言,这种重复设计使其设计成本受到了严重的影响,如果在一块芯片中装入电力电子装置需要的所有模块,并在电力电子装置中使用该模块,系统综合的处理可能会遇到的各种电力供应情况,这就形成了单片式功率集成电路,这种芯片设计方向在现代电力电子技术中表现出了良好的活力[2]。从一定程度上来说,这种芯片集成模式使电力电子的智能化技术难题得到很好的解决,所以这种规模较大的芯片集成技术,也被定义为智能功率集成电路。

在同一个芯片中SPIC集成了所有的低压电路以及高压器件,在原电力电子装置的基础上把模块间连接多余的部分进行了有效的消除[3]。不仅使电路稳定性得到有效提高,同时使高频工作状态下模块间引线造成的电路破坏得到明显降低,还可以在芯片中集成一些保护电路如使保护功率器件的力度得到增强。所以,不仅能使集成度得到显著提高,成本得到有效降低,还有助于提升芯片的整体可靠性。

1.2 功率半导体器件

电力电子器件也可成为功率半导体器件,一般指在电力电子装置中通过对半导体材料特性进行充分利用制成的功率电子器件,相当于开关的作用。功率半导体器件,从字面上理解就是组成的主要材料是功率半导体,在电力电子装置中,这种元器件通过发挥半导体材料的特性,充当线路开关的作用[4]。半导体器件从诞生至今已经历经了多次的高速发展阶段,形成的电力电子器件种类繁多。针对当前不同的半导体功率器件,图1展示了在工作范围不同时这些器件的应用领域,在对功率半导体器件进行合理选择和使用时提供一定的参考依据。对于功率半导体器件来说,发展半导体材料,然后在材料更优的基础上设计半导体器件是其未来的发展方向之一。

在电力电子装置中,功率半导体器件作为其中的“功率开关”,在电力电子装置当前的实际应用要求中,不仅要具有稳定性,其状态转换能力也要极高,功率半导体器件在理想状态下应该具备以下功能[5]:半导体的状态为开通时,半导体本身为零阻力,流经半导体的电流不会带来能耗,也不会因为大量电流在短时间内流经半导体本身产生大量的热量使半导体烧毁;半导体的状态为关闭时,半导体是作为绝缘体存在的,其漏电流为零,线路中的高压电流无法将其击穿。功率半导体器件在两种状态转换时,并没有花费时间,其状态转换瞬间完成的动力是管控线路的微弱信号。半导体不管是在开通还是在关闭状态都具有较高的稳定性,外部电磁环境的变化并不会对其造成影响,功率半导体器件在运行过程中,频繁的开关操作并不会造成半导体的老化,其状态控制能力也不会因此而有所退化。

2 智能功率集成技术

2.1 OPTVLD理论

陈星弼教授于1992年研究得出一种最佳技术:横向变掺杂结构,通过不断的优化和完善,广泛的应用和研究,这种技术发展成为OPTVID,也可称为优化横向变掺杂理论[6]。这种理论能够在尽可能短的距离内使表面耐压结构拥有尽可能大的击穿电压,用途相当广泛。发展至今,这种理论已经在横向漂移区和结边缘等结构中得到了成功的应用,生产工艺和隔离技术也有了相应的配套设置,作为智能功率集成技术的一种,可以在同一芯片中集成各种低压电路、高侧和低侧的高压器件。

注入窗口通过光刻掩膜版可以对其孔径和密度进行控制,确保具有横向变化的注入杂质剂量。通过高温扩散工艺的使用,使因间隔注入导致的杂质不连续分布情况得到有效消除,横向渐变杂质分布,横向变掺杂结构就得以形成,图2给出了具体的结构示意图,由图可知,引入的变掺杂区不仅使原有的冶金结面处电场得到改变,也使冶金结面面貌得到改变,但是沿电力线方向,异型材料的交界面一直都是电场峰值所在,同时,沿电力线方向电场在穿过冶金结面时也不会有过于剧烈的电场变化,这种理论为以下假设提供了依据:电场分布是沿冶金结面的,当临界击穿场强Ec与某处峰值相同时,就可以认为结构被击穿。为了便于解析计算,先假定在一个极薄的表面层内分布有引入的电荷,冶金结面区域水平,沿此水平结面的电场分布也基本等同于沿横向距离的表面电场分布。

2.2 解析计算横向变掺杂结构

在把电荷引入到表面耗尽区的过程中,为了对最佳方法进行找寻,陈星弼教授通过使用椭圆柱坐标近似法开展了解析计算。他首先归一化处理泊松方程求解所需的变量,确保求解结果能够在不同掺杂浓度衬底中适用,使解的应用范围得到提高。图3给出了简单明了的结果示意图,其中的曲线又可称为OPTVLD曲线。

在上图中,归一化的离开主结横向距离作为横坐标,归一化的掺杂剂量作为纵坐标,主结的横向实际距离用x表示,实际掺杂剂量用N表示,在衬底相同时,在最大反偏压下平行平面结的耗尽区宽度用Wpp来表示,轻掺杂浓度与耗尽区宽度的乘积用Npp来表示。

Npp与Wpp可用以下表达式来表示:

在上述公式中,VBR、NB、q、εs分别代表反向击穿电压、衬底浓度、单位电荷以及半导体的介电常数。优化横向变掺杂理论的物理意义可以描述如下:如果可以按照曲线改变所掺杂质的剂量,沿着表面其分布是横向变化的,也即是说伴随不断增加的离开主结横向距离,所掺杂质的减少是有规律可循的,就能使表面电场的峰值得到最大程度的减小,使击穿电压得到提高。

3 功率半导体器件在智能功率集成电路中的应用

3.1 智能功率集成电路功能

功率控制、智能接口以及传感保护是SPIC的三大模块。其中功率控制对象主要为功率半导体器件和驱动电路,在功率器件常见的图腾柱式应用过程中,高侧器件和低侧器件具有不同基准电位的驱动电路,驱动电路中还要装置高压电平位移电路,实现控制信号从低侧向高侧的传递。通过模拟电路传感保护模块可以对芯片内电压、温度以及电流等信息进行采集并向保护电路反馈,在必要时有效保护芯片。此外,电力电子装置不仅要对接源和负载,为了编码控制的实现还要对接外部计算机。所以智能接口模块也起到了相当重要的作用,可以实现外界与SPIC的指令传输和信息沟通。

功率控制在三大功能模块中是最关键的模块,智能接口和传感保护是为其提供服务的,电路的功率控制,在智能功率集成电路中能实现电路的主要作用,因为通过分析功率的现状和需求,系统本身已经明确认识到装置需求的能源模式,明确认识到电力电子装置应该输入到接口段的线路电流,最关键的是,如何在电力电子装置需求的基础上转化现有能源,而且这一转化过程是在功率半导体器件基础上完成的,通过半导体的特性,通过对其运行状态的改变就能够转化能源特点,使其与装置的能源需求相吻合,确保电力电子装置能合理、稳定的运行。

3.2 智能功率集成电路应用

半控型晶闸管是初期功率半导体器件的代表,是半导体材料开展的最初级的应用,通过对半导体自身特性的应用调节线路功率,在这种调节方式下,其工作状态有一半不可控,所以该晶管闸被称为半控型的,由于半导体的特性及其管控方式的不足,只能在器件开通状态下对功率半导体器件进行线路能源状态的调整,线路无法实现完全绝缘。以上缺陷再加上过大的半控型晶管闸体积,在智能芯片中完全无法使用,直到出现LD⁃MOS器件这一问题才得到有效的解决。在智能功率集成电路中通过功率半导体的使用,能源供应的智能管控也得以实现。

智能功率集成技术要在同一芯片中把所有功率器件都集成进去,不仅是要对单个形态器件的集成,还要对图腾柱式的功率管组进行集成。在图腾柱中,高侧器件位于连接高压的一端,低侧器件位于接地的一端,盆即是其中间点。高侧和低侧器件仅受驱动电路控制,两者之间互不影响。

4 结论

在智能功率集成电路中,作为线路功率的管控系统,功率半导体能确保电路的正常和稳定运行,其器件质量也是集成电路运行效率的关键影响因素。电力电子技术经过不断地发展,正在向智能化、集成化的方向发展,在目前这个倡导节能、减排、环保的大背景下,智能功率集成电路应用越来越广泛,也体现出了巨大的应用价值。

摘要：文章首先介绍了智能功率集成电路及功率半导体器件;接着分析了智能功率集成技术;最后详细阐述了功率半导体器件在智能功率集成电路中的应用,主要是智能功率集成电路功能和智能功率集成电路应用等。

关键词：智能功率,集成电路,半导体器件

参考文献

[1]蒋苓利.功率集成电路中高压ESD防护表面电流抑制模型与器件研究[D].电子科技大学,2013.

[2]亢宝位.国际功率半导体器件与功率集成电路会议(ISPSD)介绍[J].电力电子,2004,04:3+20.

[3]吴郁.2008年IEEE功率半导体器件及集成电路国际会议评述[J].电力电子,2009(2):6-16.

[4]罗萍.智能功率集成电路的跨周调制PSM及其测试技术研究[D].电子科技大学,2004.

[5]高珊.复合栅多阶梯场极板LDMOS电学特性的研究[D].安徽大学,2007.

半导体器件的发展趋势 第6篇

在大家的不懈努力下, 有机半导体技术和材料都取得了很大的发展, 这个学科集合了材料学、物理和化学等等很多学科, 是一个交叉学科, 半导体技术正在不断发展, 将来还会以更快的速度发展。一些专家认为, 有机半导体材料开发出的各种器件正在改变未来高科技的发展。

1 有机太阳电池

传统的太阳电池是化合物薄膜太阳电池, 而新型的太阳电池要采用新型的技术, 有机太阳电池将作为一种新型产物摆在大家的面前, 有机太阳电池的生产流程很简单, 而且可以通过讲解来减少对环境的污染, 由于这些优点符合当代社会的需要, 所以有机太阳电池越来越受到大家的关注。如此廉价的太阳电池会让世界的能源发生巨大的改变。有机太阳电池比传统的电池更薄, 重量更轻, 受光面积在不断增加, 所以可以大大提高光电的使用效率, 在电脑等小型设备当中可以当作电源来用。可以使用有机太阳电池作为OLED屏幕的电源, 可以大大减少重量。虽然太阳电池很薄、很轻, 也很有柔性, 但是它的效率不高, 而且寿命也比较短, 通过研究, 改变太阳电池的缺点, 使得效率达到10%, 寿命也可以超过5年。

2 有机半导体晶体管

有机半导体材料的晶体管是有机电子器件当中很重要的一种器件, 比如OFET。当前OFET的技术主要有聚合物、小分子蒸发或者是小分子溶液铸模等等。OFET的优点是成本低、柔性大等等, 有很好的发展前景。OFET的发展很迅速, 无论是材料还是制备工艺方面都有了突破, 它可以使OLED发光, 形成逻辑电路, 发光场效应晶体管以及单晶场效应晶体管等等器件都已经开发出来。世界各个国家都在研究有机半导体晶体管, 2009年, 日本的专家使用液相外延工艺生产了并五苯单晶, 几乎是没有任何缺陷的, 之后使用这种单晶制成了OFET, 场效应的迁移率可以得到0.6cm2/ (V.s) 。2010年法国研究人员研究出一种能够模仿神经元突触功能的有机存储场效应晶体管, 有机半导体晶体管会有希望成为新一代集成电子器件。

3 OLED技术

与LCD技术比较, OLED不仅可以做到折叠和随身携带, 还具有更好的可适度、更好的图像质量以及更薄的显示器。现在OLED已经开始应用到手机、以及数码相机等小型设备当中。当前在OLED显示器开发的市场当中占有很大优势的企业有三星、LG以及柯达等等。2010年初, 三星展出了OLED笔记本电脑, 还推出了带有OLED平面的MP3播放器。预计未来五年智能手机会促使OLED显示器呈现出快速发展的势头。随着OLED技术的快速发展, 未来很可能会应用到显示器、照明当中。由于OLED的刷新速率很高, 这使得视频图像更加逼真, 还可以随时进行图像的更新。未来的报纸也有可能成为OLED显示器, 能够更新新闻, 还能够卷起来。有机半导体技术已经在很多领域都占有自己的重要位置, 很多企业已经开始开发半导体技术的产品。使用OLED技术的玻璃窗在电源关闭的时候和普通的玻璃没区别, 但是在接通电源之后就会变成显示器。使用OLED技术的汽车挡风玻璃也不仅仅是挡风, 还能够提供其它的帮助。

有机半导体材料作为一种新型材料, 经过不断开发和研究, 已经进入商品化的阶段, 并且会有很好的发展。有机半导体器件成本低, 操作流程简单, 而且功耗小, 这是很多无机半导体器件没有的特点, 所以有机半导体器件有很大的发展。但是有机半导体器件在寿命已经性能方面还需要改进。哟及半导体器件的速度比较慢, 这使得它取代传统的半导体的可能性不大, 所以在这方面需要解决, 但是有机半导体更加经济, 成本更低, 值得推广。

摘要：半导体材料已经有十余年的发展历史, 自从有机半导体材料开始受到重视以后, 有机半导体器件的制作水平就有了很大程度的提高, 并且已经开始投入到市场上, 来实现它的价值。本文介绍了有机半导体的发展情况, 各种器件的技术现状;太阳电池、有机发光二极管等有机半导体器件的应用情况, 阐述了有机半导体的优势, 探讨了有机半导体技术的应用前景。

关键词：半导体,器件,发展趋势

参考文献

[1]陈岩.纳米电子技术——21世纪的电子热点[J].北京工商大学学报:自然科学版, 2001 (3) .

[2]刘明, 谢常青, 王丛舜, 龙世兵, 李志钢, 易里成荣, 涂德钰.纳米加工和纳米电子器件[J].微纳电子技术, 2005 (9) .

[3]杜晋军, 李俊, 洪海丽, 刘振起.纳米电子器件的研究进展与军事应用前景[J].装备指挥技术学院学报, 2004 (4) .

[4]李娅妮, 杨银堂, 朱樟明, 强玮, 刘帘曦.单周期CRM PFC转换器的零交越失真优化设计[J].西安电子科技大学学报, 2012 (2) .

半导体制冷器件原理及其应用 第7篇

关键词：单片机STC12C5A60S2,半导体制冷器件,温控箱

随着科技的快速发展, 半导体技术不断成熟, 半导体制冷被广泛应用。半导体制冷又被称为温差电制冷或者热电制冷, 由于半导体材料的热电能量转换特点是最佳的, 它的运用让热电制冷更加实用。半导体冷却器根本不用别的制冷剂, 控制简单方便, 可以制热与制冷, 没有噪音, 也没有运动部件, 也无需连续的工作, 用多个半导体连在一起能够让制冷功率变大。由于具有上述优点, 半导体冷却器获得广泛应用。在军事方面, 半导体制冷得到了充分的应用, 例如军用导航、通讯车、潜艇、导弹, 医疗领域的冷力、白内障摘除器、血液分析仪等, 实验室方面的电子低温测试装置、冷阱、各种高低温仪器, 以及目前的研究热点, 如早产婴儿保育箱、小型热电空调冰箱、小型恒温控制系统、CPU冷却装置, 同样在航空航天方面, 由于其杰出的特点, 让半导体制冷应用也非常广泛[1,2,3]。

1半导体制冷器件的原理

热电偶, 也就是温差电偶时, 半导体的基本结构单元, 半导体制冷材料是通过半导体自身的温差电特性制成的固体电子器件, 根据泊尔帖效应。如图1所示, 为基础热电偶的结构, 用P型半导体材料形成一个电偶臂, N型半导体材料形成另一个电偶臂。用金属电桥将两个电偶臂连接在一起。将直流电压加在电偶两端, 载流子在外电场的作用下, 按照一定方向运动在回路中。在金属中, 电子的能量比N型半导体中的能量要低。电子能量流进N型臂从金属中, 要将能量吸收进去, 可以看到吸热效应在结点;一个结点的电子相遇空穴, 在P型臂中, 电子离开空穴在另一个结点。在相遇的时候, 空穴和电子复合在一起, 将能量放出来, 然后导致热效应在结点的地方;离开空穴的时候, 就要将能量吸收, 从而导致电子空穴产生, 然后导致吸热效应在结点的地方。总而言之, 空穴、电子到达的时候, 在结点放热, 当离开的时候, 就吸收热量。在图1中, 制冷就是金属电桥1变冷;致热就是金属电桥2变热, 整个回路是半导体制冷器的工作原理[4,5,6,7]。

2 STC12C5A60S2简介

2.1 STC12C5A60S2单片机内部结构

在一块电子芯片中, 有基本的计数器/定时器, I/O端口、存储器 (RAM和ROM) 、集成有中央处理器 (CPU) 等部件并具有独立指令系统的智能器件, 即在一块芯片上实现一台微型计算机的基本功能被称为单片机。不同种类的单片机有不一样的技术特征, 由于其指令系统和硬件结构不同。单片机芯片的内部结构决定了单片机的硬件特征, 设计人员一定要了解单片机芯片的性能是否能够达到系统所要求的特性指标和系统所需要的功能。技术特征主要包括:电气特性、控制特性、功能特性等, 可以从生产厂商的技术手册中得到这些信息。指令特性就是单片机的输入输出特性, 逻辑处理和数据处理方法, 寻址方式等。开发环境包括硬件资源、软件资源、指令的可移植性和指令的兼容性。单片机及应用系统有以下特点:

2.1.1系统体积小、控制功能强, 可以非常方便地安装在被控设备中, 让产品更加智能化。

2.1.2应用系统所用存储器芯片可以进行批量应用和开发, 由于其可以进行掩膜形式生产, 而且应用系统所用存储器芯片可以选择OTP、E2PROM、EPROM芯片, 很多单片机, 例如51系列, 扩展应用芯片配套于开发芯片, 因此, 可以让系统成本降低。

2.1.3单片机自身不具备开发能力, 一般调试和开发系统都是利用专用的开发工具, 最后形成的产品效益高、成本低、使用简单。

2.1.4应用系统使用方便、可靠性高、抗干扰能力强, 一般在片内 (外) ROM中驻留程序。

2.1.5系统配置能让系统拥有很高的性能价格, 因为它的出发点是满足控制对象的要求。

2.1.6单片机可以让产品更加智能化, 充分体现设计思想, 因为其具备独立的指令系统。

控制总线、地址总线、数据总线等三大总线, 中断系统、串行接口、并行接口、定时/计数器、程序存储器 (ROM) 、数据存储器 (RAM) 、中央处理器组成了89C51单片机。单片机的关键部分为中中央处理器 (CPU) , CPU完成的操作有输出、输入、运算功能, CPU对整个单元系统协调工作进行调度、指挥、控制, CPU能对八位二进制代码或者数据进行处理, CPU是八位数据的处理器。128个专用寄存器单元和128个8位用户数据存储单元共同组成89C51内部, 数据存储器 (RAM) , 专用寄存器单元和数据存储单元都是一起编的地址, 但是专用寄存器不可以存放用户数据, 用户只可以访问和存放控制指令数据。因此, 只有128个RAM可以被用户使用, 只能存放用户定义的字形表、运算的中间结果、读写的数据。常数表格和已调试完成的程序存放在程序存储器 (ROM) 中。为了提高系统可靠性, 一般将应用程序固化在片内ROM中。程序计数器PC是一个专用寄存器, 是由CPU设置的, 用来存放将要执行的指令地址。

2.2中断系统

由于计算机系统外部或者内部一些原因, 计算机的中央处理器一定须暂停正运行程序, 而自动执行之前已经安排的对这个事件进行处理的服务子程序, 结束处理后, 将已经中止的程序继续进行执行的过程, 被称为中断。专门完成中断功能的软件和硬件系统被称作中断系统。89C51有着非常完善的中断功能, 其优先级别选择有两级, 它可以达到各种控制要求, 包括:两个外中断、两个计数器/定时中断, 一个串行中断。

2.3时钟电路

STC12C5A60S2单片机必须要将振荡电容放在外面, STC12C5A60S2里面装置的频率的最大值可以获得12MHZ的时钟电路, 可以用作单片机的脉冲时序。单片机有两种结构, 一种是数据存储器和程序存储器共同组成的结构, 即普林斯顿结构。另一种是数据存储器和程序存储器分开的形式, 即哈佛结构。通常情况下, 16位的MCS-96系列单片机一般选择普林斯顿结构, 而INTEL的STC12C5A60S2系列单片机选择哈佛结构的形式。

2.4 STC12C5A60S2的引脚说明

STC12C5A60S2单片机中断接口和P3接口复用, 有4组8位, 共32个I/O口, 外面有两根时钟线, 放的石英振荡器, 选择双列直接DIP结构, 由40PIN封装。两根地线和正电源, 40个引脚。下文说明一下这些引脚的功能。

2.4.1时钟电路引脚 (XTAL2) (18脚) 。这个脚接微调电容和外部晶体的一段在STC12C5A60S2内部, 振荡电路相反方向的放大器的输出端为这个脚。振荡电路的频率是固定的。当选择外部时钟电路时, 这个引脚会输入外部脉冲。

2.4.2时钟电路引脚 (XTEL1) (19脚) 。这个脚接在外部晶体和微调电容的另外一端。反相放大器的输入端就是这个脚, 在选择外部时钟时, 这个脚必须接地。

2.4.3复位引脚 (RESET) (9脚) 。复位信号输入端就是复位引脚, 复位引脚的高电平非常有效果, 它能够完成复位操作, 就是因为它的脚的机器周期有两个, 也就是拥有24个时钟振荡周期。它还拥有第二个功能, 即当主电源产生问题时, 就在RST端自动接入5V电源, 当降低到低电平规定值时, 提供备用电源给单片机。这让电源恢复后, 信息保持不丢失, 正常工作。EA/VPP引脚 (31脚) :外部存储器地址允许输入端, 又称为访问程序存储器控制信号端。一是当EA引脚接高电平时, 中央处理器对EPROM进行访问, 并对内部程序存储器中的指令进行执行。二是当EA脚接低电平时, 无论有没有片内程序存储器, 中央处理器只对外部EPROM进行访问, 并执行外部程序存储器中的指令。三是这个脚还拥有别的作用:作为施加较高编程电压输入端, 在同化编程针对89C51片, 就是输入21V的烧写电压通过这个脚, 在STC12C5A60S2烧写内部EPROM时。PSEN (29脚) :外部程序存储器读选通信号端又叫程序存储器允许输入端。PSEN拥有有效的低电平, 在读取外部ROM, 就可以将实施读操作针对外部ROM单元:一是PSEN不会产生变化, 当读取内部ROM。二是每个机器读取外部的ROM, 都会进行两次动作。三是两个PSEN脉冲不会进行输出, 只会被跳过, 在读取外部RAM时。四是OE脚相接ROM当外接ROM时。

当STC12C5A60S2的小系统接上电后, 认真检查指令读取是否正确, 可以看PSEN端有无脉冲通过示波器, 如果有, 就证明工作是正确的。ALE (30脚) :地址对控制信号端进行锁存。当89C51工作是正确的时候, 频率为振荡器频率FOSC的1/6的正脉冲信号向外输出从ALE脚。当中央处理器对外部存储器进行访问时, ALE将八位地址的控制信号锁存。所以, ALE信号能够输出定时信号或者时钟。同时P0接口有4个八位的并行通讯端口, 也就是P0接口、P1接口、P2接口、P3接口。P0接口, 就是P0.0-P0.7, 39-32引脚, 由八位双方向的I/O端口。P1接口:就是P1.0—P1.7, 1—8引脚, 八位双方向的I/O端口。P2接口:就是P2.0—P2.7, 21—28引脚, 就是八位双方向的I/O端口。P3接口:就是P3.0—P3.7, 10—17引脚, 就是八位双方向的I/O端口。P0接口有三个功能:①P0接口不扩展时, 内部没有上拉电阻, 可以作为普通的I/O使用, 当外部接上上拉电阻, 可以作为输入或输出时。②当外部扩展存储器时, 可以当作地址总线。③当作外部扩展存储器时, 可以当作数据总线。P1接口:由于其内部有上拉电阻, 因此仅仅作为I/O口使用。P2接口的功能有两个:①当内部有上拉电阻时, 就作为普通的I/O口使用。②当扩展外部存储器时, 可以当作地址总线。P3接口的功能有一个:当内部有上拉电阻时, 就作为普通的I/O使用。因为P3接口有内部的EPROM的单片机芯片。

3半导体制冷控温系统的组成

半导体温度控制图如图2所示, 温度信号被半导体的温度传感器或者变送电路转化为电信号, 直接输入单片机STC12C5A60S2控制系统, 控制厢体温度[8]。

3.1温度信号的传感及变送

为了让温度的控制更加精细、准确, 一定要设计更高精度的温度传感器和变送电路, 系统的温度传感元件是铂热电阻, 转化温度信号为电压信号, 主要是通过恒流激励手段, 当温度大于0℃, 小于600℃, 铂热电阻方程可用式 (1) 表示:

式中:t为温度;R0为t=0℃时的铂电阻值;A, B为铂电阻的温度系数, A=3.208 2×10-3/℃, B=-5.802 96×10-7/℃。

根据公式 (1) 可知, 铂电阻恒流工作时, 为了让输出的电信号是线性的, 铂电阻恒流工作时输出电压的二次式系数为负值, 作非线性补偿时一定要选择正反馈的方法在变送电路中, 温度变送电路如图3。

令正反馈系数

式 (3) 代入式 (4) 可得:

从公式 (6) 可以知道, 当温度大于0℃, 小于t℃, 取测温起点连接终点输出电压的连接线为拟合直线。如图4, 输出电压V1的温度特性曲线拥有S形非线性误差, 对拟合直线[9]。

V1对t的二阶导数为

在温度拐点处有:

由此可得:当t=tp时,

3.2半导体制冷驱动电路

半导体制冷的输出信号直接输入单片机STC12C5A60S2中, 单片机在作了PID算法控制后, 就会将PWM信号从P1.5、P1.6口输出, 从而让整个驱动电路的工作情形得到控制。当RB2口为低电平时, P1.1口为高电平, 就会导通T1.T3.T4, 让T2.T5.T6截止, 就会有正向电流I从半导体制冷器件流过, 半导体器件就会制冷。而出现相反的情况, 半导体制冷器件就会停止工作。PID算法将它工作时间的长短控制住了, 从而可以控制温度。

3.3测试结果

本文对体积约为1m3的密封厢体 (有隔热保护层) 进行控温, 在20~40℃, 采用Pt1000作为传感头, 据式 (6) , 可求得在拐点温度30℃处, 其最佳正反馈系数F=1.4042×10-4。据此可取电阻R3=R4=10kΩ, 代入式 (2) 可得 (R2+W1) 的阻值为24.74kΩ, 取R2=24kΩ, W1=1kΩ.为减少铂电阻的自热效应, 取恒流I0=1m A, 据式 (5) 可计算出在20~40℃内, V1的输出为-1.2697~1.3789V。系统单片机STC12C5A60S2内嵌有A/D转换, 它的模拟电压大于0V, 小于2.5V, 为了让V0的输出范围在大于0V, 小于2.5V之间, 对W2、W3进行调节。13468模块为半导体制冷器件选择的模块, 额定电流为4.5A, 它的工作电压为12V, 平衡时间在几分钟内, 它的控温精度为0.02℃, 工作温度范围在大于20℃, 小于40℃之间。

4结语

本文主要以单片机STC12C5A60S2为主控芯片, 控制温度的元件是半导体制冷器件, 控温系统是由精度非常高的温度变送电路组成, 半导体制冷器件通过改变电流方向完成加热和冷却, 这样控制温度的精度高、使用方便、不污染环境、速度快。

参考文献

[1]裴念强, 郭开华, 刘杰.半导体制冷在新型环路热管的应用计算[J].低温物理学报, 2013 (1) :42-45.

[2]刘杰, 裴念强, 郭开华, 等.半导体制冷在机械泵热管控温中的应用[J].半导体技术, 2012 (7) :585-588.

[3]罗斌, 代彦军.太阳能半导体冰箱的性能分析[J].制冷学报, 2006 (5) :7-10.

[4]许志建, 徐行.塞贝克效应与温差发电[J].现代物理知识, 2004 (1) :41-42.

[5]卢宋荣, 薛相美.半导体制冷及其在家用电器中的应用[J].制冷, 2014 (1) :83-85.

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[7]张哲皇, 李学金.珀尔贴效应演示仪的研制[J].大学物理实验, 1999 (4) :45-48.

[8]李福刚, 沈彪, 泰勒HR.珀尔帖效应热泵及其在温度测量中的应用[J].沈阳工业大学学报, 1997 (1) :91-95.

中国半导体分立器件产业的发展 第8篇

关键词：半导体,分立器件,产业发展

0 引言

中国微电子行业分为半导体功率器件产业和功率集成电路产业, 它是国民经济的基础产业, 属于资金密集、知识密集、技术密集型, 市场辐射性强, 延伸度深。中国半导体分立器件产业作为半导体产业的分支, 有其自身的发展规律, 它不会被集成电路替代, 在家电、通信、电力、国防工业都有广泛的应用前景。与功率集成电路产业主要为国外厂商所把持不同, 国内功率分立器件行业受技术、资金、产品认可度等因素的制约相对有限, 因此保持着高速增长的态势。2008年以来经济危机对整个中国半导体分立器件产业产生不小的影响。本文就经济危机下中国半导体分立器件的“过去”、“现状”以及“未来”作以下分析。

1 历史背景

中国半导体分立器件产业历经了60年的辉煌历程, 成就了中国半导体分立器件业制造基地的地位。从上世纪50年代的初创到70年代的成长;从80年代的改革开放到90年代以后的全面发展;21世纪始中国加入WTO, 为我国半导体分立器件产业带来了新的发展契机;2009年我国分立器件产销的一大亮点主要得益于全球电子整机对节能、环保需求的不断增长, 这一方面带动了分立器件产品的需求增长, 另一方面也带动了市场产品结构的快速升级。

从全球市场来看, 分立器件市场已经发展成为一个成熟市场, 未来市场规模增长在10%以内。据IC Insights报告显示, 2006年增长3%左右, 2007年进一步增长9%, 1990~2010年市场的复合年增率为8%, 2010年将达到157亿美元。

从国内市场来看, 2006年增长率为19.2%, 销售额为325.3亿元。据CCID预测, 受汽车、节能灯及通信 (3G) 等行业增长带动, 2006~2009年中国分立器件市场保持稳定的增长态势, 销售量和销售额的年均复合增长率分别达到14.5%和19.3%。经过60年的发展, 中国目前已经成为全球最大的分立器件市场, 2009年市场规模已经达到643.8亿元, 其在全球市场中所占份额已经超过40%。

到2010年, 中国分立器件的市场规模将达到4 341.53亿只, 销售额将达到1 557.55亿元, 届时中国分立器件市场将占据全球市场的半壁江山。

总之, 半导体分立器件具有广泛的应用范围, 市场发展平稳, 产品更新换代慢, 销售额以强劲的势头不断增长[1]。

2 现状及面临的问题与对策

我国分立器件虽然前景非常广阔, 但也面临着不少的问题, 主要表现在以下几个方面:分立器件产业地区分布相对集中;分立器件产业特点是五多五少, 即:中小型企业多, 大型企业少;民资企业多, 外资、国资少;中低档产品多, 高端产品少;重复生产多, 冲击型生产少;弱势企业多, 强势企业少。针对这些问题, 有5大对策应对挑战:

1) 打破门户理念, 加大半导分立器件产业链的整合;2) 通过产业振兴规划, 积极呼吁分立器件产业政策, 努力在高端产品上实现突破;3) 通过行业协会的协调, 改变压档压价、无序竞争的局面;4) 拉动内需等政策为产业发展带来阳光;5) 节能环保、技术创新, 拓展和提升产业竞争力。

3 发展趋势

3.1 分立器件的特点要求

首先, 半导体产业的发展始于分立器件, 是半导体产业的最初产品;其次, 分立器件种类繁多, 具有广泛的应用范围和不可替代性, 并具有技术成熟、可靠性高、成本低且采购渠道和资源丰富等特点, 特别是在不能集成的功能中, 分立器件起着关键作用。

3.2 我国分立器件的消费需求

从市场来看, 当前全球分立器件市场总体保持稳步向上, 而亚洲地区特别是中国市场表现得犹为显眼。在分立器件市场稳健增长的背后, 其首要推动力便是消费者的需求, 特别是消费者对移动电话、液晶电视、台式计算机、笔记本电脑以及各种白家电产品的需求。

3.3 我国半导体分立器件发展热点

分立器件将向微型化、片式化、高性能化方向发展;汽车电子市场规模迅速增长;功率分立器件大有作为;新型半导体分立器件依旧是分立器件芯片生产企业研发与生产的方向。

3.4 分立器件的发展趋势

事实证明, 半导体分立器件仍有很大的发展空间。半导体分立器件通常总是沿着功率、频率两个方向发展, 发展新的器件理论、新的结构, 出现各种新型分立器件, 促进电子信息技术的迅猛发展。一是发展电子信息产品急需的高端分立器件, 如Si、Ga As微波功率器件、功率MOS器件、光电子器件、变容管及肖特基二极管等;二是发展以Si Ge、Si C、In P、Ga N等化合物半导体材料为基础的新型器件[2];三是跟踪世界半导体分立器件发展趋势, 加强对纳米器件、超导器件等领域的研究;四是分立器件封装技术的发展趋势仍以片式器件为发展方向, 以适应各种电子设备小型化、轻量化、薄型化的需要。

4 结论

从发展趋势看, 无论是全球还是中国, 分立器件在电子信息产品制造业中销售额度所占比例正在逐步下降, 分立器件产量和产值的增长速率要低于整机系统的增长速率。另一方面, 整机系统的快速发展, 也为分立器件行业提供了新的市场商机。整机系统进一步向小型化、集成化方向发展的趋势, 对分立器件也提出了新的要求, 片式贴装器件已经成为行业发展的主流[3]。

事实告诉我们, 真正的核心技术是买不来的, 分立器件行业要在激烈的国际竞争中掌握主动权, 要在国家急需的整机产品中当好角色, 必须加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新, 提高并实现自主创新, 坚持有所为、有所不为, 集中力量、重点突破, 造就一批又强又大具有核心竞争力的企业。

参考文献

[1]科学技术部专题研究汇编.我国产业自主创新能力调研报告[M].北京:科学出版社, 2009.

[2]黄汉尧.半导体工艺原理[M].北京:国防工业出版社, 2009:223-224.