時間：2022-05-20 23:47:38
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇半導體論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
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。超級秘書網
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。
本次課程學習半導體三極管的結構、類型符號、工作原理以及特性曲線。教材選用康華光主編，高等教育出版社出版的《電子技術基礎》模擬部分（第五版）。模擬電路中一個最重要的內容就是放大電路，而構成放大電路一個最基本、最重要的器件就是半導體三極管。本次課安排在半導體、PN結和二極管之后，使學生具備一定的基礎再對三極管的結構、電流放大關系和特性曲線進行學習，同時也為下節課學習三極管的各種放大電路打下基礎。因此這部分內容的學習起到承上啟下的作用。
2教學目標分析
2.1情感目標
從三極管的應用出發，激發學生專業興趣及熱情，學以致用。
2.2知識目標
理解晶體管內部載流子的運動，掌握三極管的放大條件。掌握三極管的電流放大作用、電流分配關系及其特性曲線。
2.3能力目標
教學過程中體現由表及里、兼顧內因和外因、化繁為簡等思想培養學生認識事物的能力。通過實驗、分析、總結的教學環節培養學生分析問題和解決問題的能力。
3教學重點、難點分析
教學重點是三極管的結構、電流放大條件及其分配關系、特性曲線。教學難點是三極管內部載流子的運動規律。
4教具和方法
教具采用黑板、粉筆、多媒體幻燈片、多媒體視頻以及三極管實物輔助教學情景教學法、實驗教學法、引導思考教學法、講解教學法等多種教學方法。
5教學過程設計
5.1導入新課
通過多媒體播放一段視頻引出擴音設備，引發學生對新學習課程的興趣。然后給學生介紹擴音設備的組成和工作原理。通過一個設問“什么樣的器件能夠實現這樣的功能呢”，引出這堂課的教學內容半導體三極管。為了進一步提高學生的學習興趣和注意力，同時也擴寬學生的知識面，此處加入關于三極管發明的一些知識。
5.2講授新課
接著給學生演示一些常用的三極管實物，告訴他們正是這些小小的器件實現了電信號的放大，進一步引發學生的學習興趣。同時結合課件給學生介紹三極管的封裝，以及不同封裝分別表示的意義，培養學生理論聯系實際的能力。根據認識事物由表及里的規律，認識了三極管的外形，下一步給學生介紹三極管的內部結構。結合多媒體課件介紹三極管的結構及其符號，并與學生一起總結出三極管三區、兩結、三極的基本構成。提出問題“：三極管猶如兩個反向串聯的二極管，能否將兩個普通的二極管串聯起來組成三極管？”引導學生思考并引出對三極管內部具體結構的學習。將三極管的內部結構比喻為漢堡，通過與漢堡的類比加深學生的印象，并告訴學生三極管的這一結構特點正是它能夠進行放大的內部條件。那么，具有這種結構特點的三極管就可以進行放大嗎？實際上，三極管進行放大除了結構特點為其放大提供了內部條件外，還必須滿足一定的外部條件。接著給學生介紹外部條件，正是認識事物需要同時兼顧內因和外因思想的體現。同時當學生對三極管有一個宏觀的認識后，下一步學習三極管的工作原理。首先重點強調三極管放大“發射結正偏，集電結反偏”這一外部條件，以及具體電路中如何保證這一條件實現，加深學生對這一條件的記憶。下面介紹這一節課的重點內容，三極管內部電流的分配和放大關系。為了避免枯燥的公式推導，幫助學生直觀的理解和掌握三極管內部電流分配關系，在講臺上演示實際的三極管放大電路，通過改變電位器阻值，測得一系列發射極、集電極和基極電流數據。啟發學生觀察測得的數據，得出三極管三個電流之間的關系。這樣繁瑣的推導過程被簡單直觀的實驗所代替，體現認識事物由繁瑣到簡單的客觀規律，而學生通過實驗和自己觀察總結出的結論更容易理解和記憶。同時引導學生體會三極管內部電流的分配關系IE=IC+IB正是基爾霍夫定律的體現，而IC=βIB正是三極管電流放大作用的體現。通過設問“：為什么會出現這種現象呢？”引起學生的思考。透過現象看事物的本質，這一現象是由三極管內部載流子的運動規律決定的。三極管內部載流子的運動規律是這一節課的難點，可以通過多媒體動畫直觀地演示載流子運動的復雜過程。對照多媒體動畫分發射、復合和收集三個階段給學生介紹這一過程，同時與學生一起推導三極管運動過程中內部電流之間的關系，得出與實驗完全吻合的結果。另外，可以再播放一段三極管內部載流子運動的視頻，幫助學生回顧和進一步加深理解這一難點內容。
5.3思考與討論
設計兩個思考題：（1）既然三極管具有兩個PN結，可否用兩個二極管相連以構成一只三極管？（2）放大電路輸出端增加的能量是從哪里來的？讓學生展開討論，通過討論加強學生積極動腦思考問題能力的培養，也進一步加深對所學知識的理解。
5.4小結
通過提問與學生一起總結本次課的內容，并通過板書加深印象。
6教學反思
（1）課堂中通過一段音樂引出擴音系統進而引出新課程三極管的學習，有效地激發了學生的學習興趣。（2）用實驗的方法代替復雜的公式推導，用更直觀的實驗數據加強學生對三極管電流分配關系的記憶；（3）用直觀動態的多媒體視頻演示三極管內部載流子的運動過程加強學生的理解，同時也活躍了課程氣氛。（4）教學過程中體現了由表及里，兼顧內因和外因，化繁為簡等思想，除了注重學生對所講課程的學習，更注重學生認識事物能力的培養。
7結論
關鍵詞：相干群振蕩，級聯裝置，光學濾波，偏振旋轉
(一) 引言
從慢速光的發展起，關于光的相關研究日益涌現，隨后我們探索了很多不同的物理計劃和媒介，并通過對光和物質相互作用的基本特性的更進一步的理解，以及利用這些相互作用應用到各個方面的可能性的增加，從而激發人們研究光速控制問題的興趣。畢業論文，相干群振蕩。更為特別的是，已經有人建議將慢速光效應應用到光的緩沖上來[2]，但也有人指出，在可以實現的延遲時間和可以容納的帶寬之間的反映問題上，基本物理極限是有折衷的[3]。有兩個例子可以說明，一個是對光饋相控天線陣的控制及合成，另一個是對微波濾波器的控制。對實際應用來說，我們特別感興趣的是，通過使用這種媒介，實現對廉價和小型設備的認識，并允許這些設備其他功能的集成。因此，那些以半導體為基礎的設備尤其受到人們的關注。并且，在這些設備結構里慢速和快速光效應的研究上，人們已經做了很多工作。但不幸的是，半導體材料中的電磁感應透明現象是很難被人們所認識的[1]。因此，移相的時間很短，而離散層次結構（它對于實施電磁感應透明的計劃是必要的）可以通過利用半導體量子點來被人們所認識。利用現如今的技術所獲得的大小波動，將導致這種不均勻的擴大，從而減弱其影響[2]。畢業論文，相干群振蕩。相反，人紅寶石晶體所表現出的振蕩效果（CPO），已經被不同的組數利用，以實現在半導體波導光中的光速控制[6-15]。從最近的評論來看，本文重新認識了CPO的物理效應，并強調了提高相移和頻率范圍的不同計劃。
(二) 慢速光的基本原理
連續波（CW）光束在折射率為n的介質中傳播時，其傳播速度v =c / n，其中C是真空中的光速。折射率n與該介質中的相對介電常數通過等式相互聯系起來。如果信號強度隨時間而變化，即信號的頻譜具有有限的寬度，那么強度調制的傳播速度由群速度所給定，有如下等式:
（1）
其中，Ng表示的是群折射率而w是光的頻率。
因此，可以看出，群速度隨媒質和頻率中相速度的不同而不同，其中的折射率與頻率方面存在一階非零的的導數。如果光的強度被調制了（例如正弦調制），那么群速度由通過設備傳輸強度模式的速度所描述。在討論光的放緩問題的時候，我們感興趣的是由媒質分散所導出的方程組（1）式，既然群折射率的這一部分可能因此而被改變，它就使我們能夠控制光的速度。
(三) 相干群振蕩（CPO）
CPO所產生的效應依賴于能夠激發半導體的外部激光束，它導致了在半導體中載波分配的調制以及隨后折射率的分散和改變。畢業論文，相干群振蕩。在一般情況下，該效應可以通過建立在四波混頻（FWM）理論的頻率域來分析。然而，在實際情況下，重要的外部信號是由調制激光束的強度產生的，在動態折射率可以忽略的情況下，該效應可以由時域中的飽和作用來解釋[9]。畢業論文，相干群振蕩。在波導吸收的理論下（也就是說，存在一個電子吸收（EA）），CPO效應導致了慢速光的產生，對應于相位的延遲，波導的放大，而半導體光放大器（SOA）導致快速光的產生，對應于相位的超前。在這兩種情況下，飽和功率和有效載體的周期就分別是功率分配和頻率獨立性的重要特征。根據激光束和調制頻率之間的頻率的不同，載波分配的不同動態效應就顯得尤為重要。活性層的內部結構（即散裝或低維度）會因此成為影響快速和慢速光行為特征的因素。
(四) 級聯裝置
既然電子吸收（EA）結構顯示出的壽命要比半導體光放大器（SOA）結構顯示出的壽命短得多（因為SOA存在多載波掃頻），那么電子吸收（EA）就成為高頻率應用的最佳選擇。但另一方面，這種吸收限制了傳播力度。解決該問題的一個辦法是將上述兩種結構結合，這是因為，不同的反應能夠受益于EA部分的慢速光效應，而從SOA部分獲得增益，并且沒有快速光在該部分的抵消作用[11]。此外，通過連接幾個這樣的結構，可以增加總微波的相位延遲[12]。畢業論文，相干群振蕩。圖1顯示出了照片，并編制了一個多部分的設備原理圖和相對應相位變化的測量。
在等高線圖中，它作為輸入光的強度和反向偏置的功能圖。根據圖中所顯示的，要控制光放緩的程度是可能的，要么通過反向電偏移，要么通過光纖輸入光信號強度。對于固定反向偏置，我們觀察到一個最佳的強度，這是由于誘導輸入信號的飽和度和觀察固定光學輸入強度
的最佳反向偏置[5]，這也反映了增加電壓有源區跌幅的載波掃出時間[9]。在這種特殊情況下，對于SOA部分的固定電流和EA部分的反向電壓來說，我們能夠獲得大約140度的最高相位變化。如果電氣偏移允許我們改變反向偏置，絕對相位的變化可能獲得進一步增加，最近，這一結論被一個獨立部分的波導所論證[13]。
Figure 1.
(五) 光學濾波
人們已經證明，對于強度調制來說，比如雙邊帶，輸入信號的相移只取決于動態增益[9，10]。然而，折射率的調制可以通過演示光學過濾前檢測來增加相移（即調制一個非零線寬增強因子）[14]。該實驗裝置如圖1所示，波長為1539.46nm的激光被網絡分析儀所調制，它通過一個推拉式的Mach-Zehnder強度調制器（MZM）生成了兩個邊帶（紅移邊帶，藍移邊帶），并伴隨有強大的載體,其中ares=-0.2。經過了大量的SOA檢測（這里四波混頻效應將導致相位的變化和兩個邊帶的增強），兩個邊帶其中之一（紅移邊帶或藍移邊帶）將會在檢測前被具有0.1nm帶寬的光纖光柵陷波器所阻止。當調制頻率大于4GHz時，一個邊帶可以很容易地被清除，而不破壞或其他邊帶或載波，通過采用光纖放大器（EDFA）和可變光衰減器（VOA），輸入光功率可以調整在-10.3dBm和13.6dBm之間。畢業論文，相干群振蕩。實驗結果顯示，如圖所標記的三種不同的情況，即無過濾（黑），阻塞藍邊帶和通過紅邊帶（紅色），阻塞紅邊帶而通過藍邊帶（藍色）。該結果與以波混合模型為基礎的數值模擬相比較，顯示出了良好的吻合度。結果表明，絕對相移以及工作頻率可以通過阻塞紅移邊帶而大大加強。另一方面，阻斷藍移邊帶只會導致相移發生微小的變化。這種現象可以通過如下原因解釋，即當我們考慮經過波混頻后，它導致了兩個邊帶的有效增益和相位變化，因為它不同組成部分之間相位的變化在這里發揮了重要作用。
Figure 2.
(六) 偏振旋轉的利用
最后，我們可以展示一個完全不同的方法，該方法通過利用極化效應來實現對微波相移控制，該實驗裝置如圖3所示，波長為1550nm的激光束被網絡分析儀正弦調制，它是通過一個 Mach-Zehnder強度調制器（MZM）來確保相反符號轉移曲線的TE和TM組件正常運行。利用這種方法，被調制的TE和TM組件之間的相位φ實現了180 °的相移。通過利用SOA（半導體光放大器）中依賴強度的偏振旋轉，并在光電檢測之前引進偏振選擇性的組成部分，我們因此可以控制相移。在實驗中，通過引入一種摻鉺光纖放大器（EDFA）和可變光衰減器（VOA），SOA的輸入光功率可以在- 7dBm的和13dBm之間調節，這將促使SOA信號的偏振旋轉[14]。在經過SOA以后，通過網絡分析儀，我們用一個偏振控制器（PC3）和偏振分光鏡（PBS）來選擇需要被檢測的偏振性。SOA的源電流固定在160毫安，調制的射頻功率為0dBm。測量結果表明，該相位可以通過輸入光功率和大約150 °的相移控制而不斷的調整，它所獲得的高調制頻率高達19 GHz。
Figure 3.
(七) 結論
我們已經介紹并展示了控制強度調制光信號相移的不同計劃，它建立在半導體光波導中慢速和快速光效應的基礎之上。我們發現，通過級聯設備或利用光學過濾設備可以進一步增強活動區域中混合波的基本作用。此外，我們可以實現移相器，方法是在兩個光場偏振元件上引入不同的相移，并通過利用非線性偏振旋轉效應不斷交換它們之間的相移。在這個時候，最大的相移達到了我們所要求的180 °并且能夠獲得高達20 GHz頻率。為了足夠靈活的實施相控天線陣和微波濾波器，相移的控制應該被進一步增加到360°，并且可根據實際應用增加額外的要求。
【參考文獻】
[1]L. V. Hau, S. E. Harris, Z.Dutton and C. H. Behroozi, “Light speed
reduction to 17 meters per second in anultracold atomic gas.” Nature
vol. 397, pp. 594—598, 1999.
論文關鍵詞：集成電路，特點，問題，趨勢，建議
引言
集成電路是工業化國家的重要基礎工業之一，是當代信息技術產業的核心部件，它是工業現代化裝備水平和航空航天技術的重要制約因素，由于它的價格高低直接影響了電子工業產成品的價格，是電子工業是否具有競爭力關鍵因素之一。高端核心器件是國家安全和科學研究水平的基礎，日美歐等國均把集成電路業定義為戰略產業。據臺灣的“科學委員會”稱未來十年是芯片技術發展的關鍵時期。韓國政府也表示擬投資600億韓元于2015年時打造韓國的集成電路產業。
集成電路主要應用在計算機、通信、汽車電子、消費電子等與國民日常消費相關領域因此集成電路與全球GDP增長聯系緊密，全球集成電路消費在2009年受金融危機的影響下跌9%的情況下2010由于經濟形勢樂觀后根據半導體行業協會預計今年集成電路銷售額將同比增長33%。
一、我國集成電路業發展情況和特點
有數據統計2009年中國集成電路市場規模為5676億元占全球市場44%，集成電路消費除2008、2009年受金融危機影響外逐年遞增，中國已成為世界上第一大集成電路消費國，但國內集成電路產量僅1040億元，絕大部分為產業鏈低端的消費類芯片，技術落后發達國家2到3代左右，大量高端芯片和技術被美日韓以及歐洲國家壟斷。
我國集成電路產業占GDP的比例逐年加大從2004年的0.59%到2008年的0.74%.年均增長遠遠超過國際上任何一個其他國家，是全球集成電路業的推動者，屬于一個快速發展的行業。從2000年到2007年我國集成電路產業銷售收入年均增長超過18%畢業論文提綱，增長率隨著經濟形勢有波動，由于金融危機的影響2008年同比2007年下降了0.4%，2009年又同比下降11%，其中集成電路設計業增速放緩實現銷售收入269.92億元同比上升14.8%，由于受金融危機影響，芯片制造業實現銷售收入341.05億元同比下降13.2%、封裝測試業實現銷售收入498.16億元同比下降19.5%。我國集成電路總體上企業總體規模小，有人統計過，所有設計企業總產值不如美國高通公司的1/2、所有待工企業產值不如臺積電、所有封測企業產值不如日月光。
在芯片設計方面，我國主流芯片設計采用130nm和180nm技術，65nm技術在我國逐漸開展起來，雖然國際上一些廠商已經開始應用40nm技術設計產品了，但由于65nm技術成熟，優良率高，將是未來幾年贏利的主流技術.設計公司數量不斷增長但規模都較小，屬于初始發展時期。芯片制造方面，2010國外許多廠商開始制造32nm的CPU但大規模采用的是65nm技術，而中國國產芯片中的龍芯還在采用130nm技術，中芯國際的65nm技術才開始量產，國產的自主知識產權還沒達到250技術。在封裝測試技術方面，這是我國集成電路企業的主要業務，也是我國的主要出口品，有數據顯示我國集成電路產業的50%以上的產值都由封裝產業創造，隨著技術的成熟，部分高端技術在國內逐步開始開展，但有已經開始下降的趨勢雜志網。在電子信息材料業方面，下一代晶圓標準是450mm，有資料顯示將于2012年試制，現在國際主流晶圓尺寸是300mm，而我國正在由200mm到300mm過渡。在GaAs單晶、InP單晶、光電子材料、磁性材料，壓電晶體材料、電子陶瓷材料等領域無論是在研發還是在生產均較大落后于國外，總體來說我國新型元件材料基本靠進口。在半導體設備制造業方面畢業論文提綱，有數據統計我國95%的設備是外國設備，而且二手設備占較大比例，重要的半導體設備幾乎都是國外設備，從全球范圍來講美日一直壟斷其生產和研發，臺灣最近也有有了較大發展，而我國半導體設備制造業發展較為緩慢。
我國規劃和建成了7個集成電路產業基地，產業集聚效應初步顯現出來，其中長江三角洲、京津的上海、杭州、無錫和北京等地區,是我國集成電路的主要積聚地，這些地區集中了我國近半數的集成電路企業和銷售額，其次是中南地區約占整個產業企業數和銷售額的三分之一，其中深圳基地的IC設計業居全國首位，制造企業也在近一部壯大，由于勞動力價格相對廉價，我國集成電路產業正向成都、西安的產業帶轉移。
二、我國集成電路業發展存在的問題剖析
首先，我國集成電路產業鏈還很薄弱，科研與生產還沒有很好的結合起來，應用十分有限，雖然新聞上時常宣傳中科院以及大專院校有一些成果，但尚未經過市場的運作和考驗。另外集成電路產品的缺乏應用途徑這就使得研究成果的產業化難以推廣和積累成長。
其次，我國集成電路產業尚處于幼年期，企業規模小，集中度低，資金缺乏，人才缺乏，市場占有率低，不能實現規模經濟效應，相比國外同類企業在各項資源的占有上差距較大。由于集成電路行業的風險大，換代快，這就造成了企業的融資困難，使得我國企業發展緩慢，有數據顯示我國集成電路產業有80%的投資都來自海外畢業論文提綱，企業的主要負責人大都是從臺灣引進的。
再次，我國集成電路產業相關配套工業落后，產業基礎薄弱。集成電路產業的上游集成電路設備制造的高端設備只有美日等幾家公司有能力制造，這就大大制約了我國集成電路工藝的發展速度，使我國的發展受制于人。
還有，我國集成電路產成品處于產品價值鏈的中、低端，難以提出自己的標準和架構，研發能力不足，缺少核心技術，處于低附加值、廉價產品的向國外技術模仿學習階段。有數據顯示我國集成電路使用中有80%都是從國外進口或設計的，國產20%僅為一些低端芯片，而由于產品相對廉價這當中的百分之七八十又用于出口。
三、我國集成電路發展趨勢
有數據顯示PC機市場是我國集成電路應用最大的市場，汽車電子、通信類設備、網絡多媒體終端將是我國集成電路未來增長最快應用領域. Memory、CPU、ASIC和計算機外圍器件將是最主要的幾大產品。國際集成電路產業的發展逐步走向成熟階段，集成電路制造正在向我國大規模轉移，造成我國集成電路產量上升，如Intel在2004年和2005年在成都投資4.5億元后，2007年又投資25億美元在大連投資建廠預計2010年投產。
另外我國代工產業增速逐漸放緩，增速從當初的20%降低到現在的6%-8%，低附加值產業逐漸減小。集成電路設計業占集成點設計業的比重不斷加大，2008、2009兩年在受到金融危機的影響下在其他專業大幅下降的情況下任然保持一個較高的增長率，而且最近幾年集成電路設計業都是增長最快的領域，說明我國的集成電路產業鏈日趨完善和合理，設計、制造、封裝測試三行業開始向“3：4：4”的國際通行比例不斷靠近。從發達國家的經驗來看都是以集成電路設計公司比重不斷加大，制造公司向不發達地區轉移作為集成電路產業走向成熟的標志。
我國集成電路產業逐漸向優勢企業集中,產業鏈不斷聯合重組，集中資源和擴大規模，增強競爭優勢和抗風險能力，主要核心企業銷售額所占全行業比重從2004年得32%到2008年的49%，體現我國集成電路企業不斷向優勢企業集中，行業越來越成熟，從美國集成電路廠商來看當行業走向成熟時只有較大的核心企業和專注某一領域的企業能最后存活下來。
我國集成電路進口量增速逐年下降從2004年的52.6%下降為2008年的1.2%,出口量增速下降幅度小于進口量增速。預計2010年以后我國集成電路進口增速將小于出口增速，我國正在由集成電路消費大國向制造大國邁進。
四、關于我國集成電路發展的幾點建議
第一、不斷探索和完善有利于集成電路業發展的產業模式和運作機制。中國高校和中科院研究所中有相對寬松的環境使得其適合醞釀研發畢業論文提綱，但中國的高端集成電路研究還局限在高校和中科院的實驗室里，沒有一個循序漸進的產業運作和可持續發展機制，這就使得國產高端芯片在社會上認可度很低，得不到應用和升級。在產業化成果推廣的解決方面。可以借鑒美國的國家采購計劃，以政府出資在武器和航空航天領域進行國家采購以保證研發產品的產業化應用得以實現雜志網。只有依靠公共研發機構的環境、人才和技術優勢結合企業的市場運作優勢，走基于公共研發機構的產業化道路才是問題的正確路徑。
第二、集成電路的研發是個高投入高風險的行業是技術和資本密集型產業，有數據顯示集成電路研發費用要占銷售額的15%，固定資產投資占銷售額的20%，銷售額如果達不到100億美元將無力承擔新一代產品的研發，在這種情況下由于民族集成電路產業在資金上積累有限，幾乎沒有抗風險能力，技術上缺乏積累，經不起和國際集成電路巨頭的競爭，再加上我國是一個勞動力密集型產業國，根據國際貿易規律，資本密集型的研發產業傾向于向發達國家集中，要想是我國在未來的高技術的集成電路研發有一席之地只有國家給予一定的積極的產業政策，使其形成規模經濟的優勢地位，才能使集成電路業進入良性發展的軌道.對整個產業鏈，特別是產業鏈的低端更要予以一定的政策支持。由政府出資風險投資，通過風險投資公司作為企業與政府的隔離，在成功投資后政府收回投資回報退出公司經營，不失為一種良策。資料顯示美國半導體業融資的主要渠道就是靠風險基金。臺灣地區之所以成為全球第四大半導體基地臺就與其6年建設計劃對集成電路產業的重點扶植有密切關系，最近灣當局的“科學委員會”就在最近提出了擬扶植集成電路產業使其達到世界第二的目標。
第三、產業的發展可以走先官辦和引進外資再民營化道路，在產業初期由于資金技術壁壘大人才也較為匱乏民營資本難于介入，這樣只有利用政府力量和外資力量，但到一定時期后只有民營資本的介入才能使集成電路產業走向良性化發展的軌道。技術競爭有利于技術的創新和發展，集成電路業的技術快速更新的性質使得民營企業的競爭性的優勢得以體現，集成電路每個子領域技術的專用化特別高分工特別細，每個子領域有相當的技術難度，不適合求小而且全的模式。集成電路產業各個子模塊經營將朝著分散化畢業論文提綱，專業化的方向發展，每個企業專注于各自領域，在以形成的設計、封裝、測試、新材料、設備制、造自動化平臺設計、IP設計等幾大領域內分化出有各自擅長的專業領域深入發展并相互補充，這正好適應民營經濟的經營使其能更加專注，以有限的資本規模經營能力能夠達到自主研發高投入，適應市場高度分工的要求，所以民間資本的投入會使市場更加有效率。
第四、技術引進吸收再創新將是我國集成電路技術創新發展的可以采用的重要方式。美國國家工程院院士馬佐平曾今說過：中國半導體產業有著良好的基礎，如果要趕超世界先進水平，必須要找準方向、加強合作。只有站在別人的基礎上，吸取國外研發的經驗教訓，并充分合作才是我國集成電路業發展快速發展有限途徑，我國資金有限，技術底子薄，要想快速發展只有借鑒別人的技術在此基礎上朝正確方向發展，而不是從頭再來另立門戶。國際集成電路產業鏈分工與國家集成電路工業發展階段有很大關系，隨著產業的不斷成熟和不斷向我國轉移使得我國可以走先生產，在有一定的技術和資金積累后再研發的途徑。技術引進再創新的一條有效路徑就是吸引海外人才到我國集成電路企業，美國等發達國家的經濟不景氣正好加速了人才向我國企業的流動，對我國是十分有利的。
【參考文獻】
[1]盧銳，黃海燕，王軍偉.基于技術學習的臺灣地區產業鏈升級[J].河海大學學報（哲學社會科學版），2009，(12):57-60，95.
[2]莫大康.新形勢下的世界半導體業及中國半導體業的前景(上)[J].電子產品世界，2008，(5):24，26，32.
[3]莫大康.新形勢下的世界半導體業及中國半導體業的前景(下)[J].電子產品世界，2008，(6):32-33，36.
[4]葉甜春.中國集成電路裝備制造業自主創新戰略[J].中國集成電路，2006，(9):17-19.
[5]楊道虹.發達國家和地區集成電路產業技術創新模式及其啟示[J].電子工業專用設備，2008，(8):53-56.
[6]李珂.2008年中國集成電路產業發展回顧與展望[J].電子工業專用設備，2009，(3):6-10.
[7]龐輝，裴砜.我國集成電路產業發展中存在的問題及對策[J].沈陽大學學報，2009，(8): 9-12.
[8]翁壽松.中國半導體產業面臨的挑戰[J].電子工業專用設備，2009，(10):13-15，45.
[9]尹小平崔巖.日美半導體產業競爭中的國家干預——以戰略性貿易政策為視角的分析[J].現代日本經濟，2010，(1):8-12.
在過去的30年里,世界見證了以Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體為基礎的光電子器件的快速發展。以前工作的重點主要放在搞懂這些器件的理論基礎,以及它們在電信網絡、光盤(CD)、數據儲存器等領域的技術開發上。隨著光電子器件在發光、顯示、光纖傳感器、光纖陀螺儀、光學相干拓撲學等新領域中的應用,對光電子器件的研究拓展到了探索新材料(Ⅲ族氮化物合金和Ⅱ-Ⅵ族化合物)和新結構(量子線、量子點和量子納米結構)。由于制造技術和標準化過程已較成熟,不確定因素很少,因此在提高現有器件的性能和開發新器件時,設計和模擬成為主要手段。數字技術和計算機硬件的最新發展為復雜的計算機輔助設計、制模和模擬提供了一個功能很強的平臺。光電子器件的發展重復了電子器件的發展過程:從單個到集成;從技術密集型到設計密集型;從反復試驗到計算機輔助模擬和優化。高級的光電子器件是用化合物半導體制成,幾何結構復雜,運行在變化的條件下,很難對它們的控制方程求解,運用數字技術直接對物理控制方程求解,是解決上述問題的好途徑,它使理論預言與實驗結果基本一致。
本書在物理模型和數值分析的基礎上,探討了光電子器件的設計和制模問題,重點放在應用方面。運用數字技術對物理方程求解,演示了如何設計一個新的器件或增強一些現有器件的性能,包括一些半導體的光電子器件,例如:半導體激光二極管(LDs)、電吸收調制器(EAMs)、半導體光放大器(sOAs)、超輻射發光二極管(sLEDs)以及它們的集成系統。
本書共12章,分成三部分,第一部分由第2―5章組成,講述模化光電子器件時,物理方程的推導和說明:1.引言;2.光學模型;3.材料模型I:半導體的帶結構;4.材料模型II:光學增益;5.載體傳輸及熱擴散模型。第二部分由第6―9章組成,講述控制方程的數字求解技術,以及如何將這些求解技術應用于器件的模擬:6.光學方程式的求解技術;7.材料增益方程的求解技術;8.載體傳輸及熱擴散方程的求解技術;9.器件性能的數值分析。第三部分由第10-12章組成,給出了光電子器件的實際設計、模擬案例:10.半導體激光二極管的設計及模型的案例;11.其它單個光電子器件的設計及制模案例;12.集成的光電子器件的設計和制模案例。
本書作者李洵是加拿大麥克馬斯特大學(McMaster University)電子和計算機工程系的教授。他1988年在北方交通大學獲得博士學位,至今共撰寫了160篇科技論文,并創建了阿波羅光電公司,開發了該公司的一個主要軟件產品“高級激光二極管模擬器”。他是OSA及SPIE成員,并且是IEEE的資深成員。
本書給出了一步一步進行設計和模擬的一些實例及詳細的數字計算法,所介紹的方法論能幫助光電子學研究者、器件設計者和研究生學會如何從描述這些器件的第一原理中獲得控制方程,還能學會如何求控制方程的數值解。
劉克玲,退休研究員
摘要：多層片式PTCR的內電極基本上采用賤金屬Ni，高性能納米級Ni內電極的制備是獲取優異性能多層片式PTCR的關鍵，本論文以制備納米級Ni粉為目標。
關鍵詞：PTCR Ni內電極
多層片式PTCR的內電極基本上采用賤金屬Ni來制備，但這種電極漿料在市場上不易找尋，就算是有也很難滿足多層片式PTCR的一些特殊性能要求。高性能Ni內電極的制備是獲取優異性能多層片式PTCR的一項關鍵技術，因而納米級Ni粉的獲取、Ni內電極漿料組分的研究及配制、Ni內電極漿料的性能表征、歐姆接觸Ni內電極性能研究及Ni電極與PTC陶瓷的匹配問題都是需要亟待解決的問題。
PTC陶瓷材料憑借其特殊性能，制成的敏感元件具有靈敏度高、使用方便、結構簡單、價格便宜等優點，使得半導瓷器件在IT行業、家電工業等領域有著廣泛的應用。采用Ni作為多層片式PTCR的內電極的緣由概括來說有以下幾種：①由于多層片式PTCR需要在1300℃左右溫度高溫燒結，這就需要有高熔點的內電極金屬材料與之對應，同時在燒結過程中不能被氧化，后續PTCR再氧化處理過程中其也不能氧化，而Ni的熔點在1350℃左右，所以理論上非常適合與PTC陶瓷高溫共燒；②多層片式PTC陶瓷的迅速發展，用貴金屬(Au,Pt,Pd,Ag等)作電極存在著成本高的問題，而我國是一個貴金屬比較貧乏的國家，賤金屬資源卻相對豐富，若能研制出性能優良的賤金屬燒滲Ni電極來代替原有的貴金屬電極導體漿料，如果成功將會取得巨大的經濟效益和社會效益；③賤金屬Ni在高頻特性和導電性等特定領域內具有比貴金屬更為優異的性能。正因為賤金屬所帶來的經濟效益和例如此類的獨特優越性使半導瓷用Ni漿料的研制工作具有重要的意義；④多層片式PTCR需采用歐姆接觸電極，PTC是n型半導體陶瓷，其與金屬能否獲得良好的歐姆接觸是取決于表面的電子狀態，正是基于這種原因，破壞半導瓷表面的氧吸附層是獲得歐姆接觸的前提。而只有Zn,、Sn、AI、Ni等賤金屬才能與PTC等半導瓷形成歐姆接觸，因而選用Ni作為多層片式PTCR的內電極是可行的。
氣氛下燒結的疊層PTCR并不能產生PTC效應，必須在一定的時間和溫度內進行再氧化處理，但是溫度過低或者時間過短，都無法形成很好的PTC效應，因此，必須研究如何才能得到更好的PTC效應，這是多層PTCR的一個研究重點，也是本文研究的重點。疊層陶瓷PTC元件的共燒需要進行低溫再氧化處理工藝，因此不同于其他疊層器件，有著特殊性和復雜性。本人先在大氣中對Ni電極漿料進行了摸索，后期再運用到疊層中。本課題運用了國外專利介紹的一些成果，通過調整漿料的組分與配比，粘合劑的選用，燒滲工藝的控制等一系列實驗，研制出了適用于PTC等半導瓷用的歐姆接觸Ni電極漿料的配方和燒滲工藝。對賤金屬燒滲內電極材料的研究，主要有如下特點:①由于許多半導體陶瓷元件具有較大的能耗，工作溫度較高，即使銀電極也會因銀離子在高溫下的強擴散性而存在長期工作的可靠性問題，然而適當的賤金屬電極材料有望對此有所改進；②大部分半導體陶瓷元件同銀或金等貴金屬電極接觸時會形成嚴重影響元件本征特性的界面勢壘，而代之以適當的賤金屬電極則有望消除此勢壘；③對電極導電區形成機理的研究，涉及到對不同金屬涂層經燒結形成導電區過程的比較，從而突出將Ni金屬作為電極材料的特點；④對半導體陶瓷電極的探究涉及金屬與半導體歐姆接觸問題，需要進行半導體陶瓷與金屬接觸的許多基礎理論研究，這將可促使研究帶有機理性，從而可能具有開發性和開創性；⑤半導體陶瓷元件品種繁多，使用面大而廣，對其電極賤金屬化，將會取得很大的經濟效益和社會效益；⑥很大部分的半導體陶瓷元件在使用時采用插接式(或壓接式)接觸，只要求高導電性，并沒要求可焊性，這將使我們的研究得以簡化，有利于研究的進程及便于較快取得研究成果[11]；⑦燒滲法制備電極對工藝設備的要求最低，生產工藝也最為簡便易行，且最適合于一般工人原有的燒滲電極的習慣，輔以絲網印刷裝置便于大規模生產，研究樣品時也便于手工涂敷。根據以上特點，我們將半導體陶瓷元件主要是PTCR的燒滲賤金屬Ni電極作為本課題的研究方向之一。
綜上所述，Ni金屬與半導瓷形成歐姆接觸的可行性是肯定的。然而Ni金屬粉在空氣燒結時本身極易被氧化而形成氧化鎳，從而增大了金屬電極本身的阻值。要想在半導瓷片上獲得令人滿意的歐姆接觸電極，需解決以下兩個問題：① Ni內電極與PTC瓷體應該有較大的附著力；②須避免由于氧化而導致Ni電極導電性能降低[12]。因此在Ni電極漿料組成和燒滲工藝上，如何保證Ni金屬微粒表面在高溫燒結過程中不被氧化、使Ni電極具有良好的導電性和附著強度等等成為制備Ni電極漿料的關鍵。
Science for Cultural
Heritage
2010,300 p.
Hardcover
ISBN9789814307062
M. Montagnari Kokelj等編
本書是2007年8月28-31日在克羅地亞Losinj舉行的第7屆科學、藝術、文化國際會議的論文集。此系列會議主要由歐洲科學、藝術與文化中心發起和組織，會議注重跨學科主題,旨在為自然科學和人文社會領域的研究人員、學者以及學生搭建一個交流平臺。這次會議也被命名為“關于文化遺產的科學：亞得里亞海和內陸考古學中的技術創新和案例研究”，目的是討論物理學以及其它科學在考古學研究和文化遺產保護領域的貢獻。
本書匯集了22篇論文，都是關于物理學成果在考古研究和文化遺產保護領域中應用的介紹。1.M. Michelucci，克羅地亞運動員研究中的考古學數據；2. S. Fazinic等，基于離子束技術的文物分析：尼魯研究所和克羅地亞保育研究所合作；3. G. Guida等，馬薩拉市薩梯青銅雕像的移動式無損檢測研究；4..mit，斯洛文尼亞基于熒光分析的考古學檢測；5. D. Wegrzynek等，用便攜式熒光光譜分析儀進行文物原位化學成分分析；6. M. Pipan，基于綜合物探技術的考古遺址高分辨率研究；7. M. Martini等，熱致發光年代測定和文化遺產；8. F. Casali等，文化遺產中的新型X射線數字攝影和計算機斷層掃描；9. G. Giannini，考古學中的宇宙射線；10. J.L. Boutaine，考古文物專用的檢測、表征、分析和保護技術的幾則實例；11. E.Pellizer，希臘神話的在線詞源字典介紹；12. F. Lo Schiavo，在弗留利―威尼斯朱利亞建立一個考古復原和保護機構；13. S. Furlain等，基于考古學標記的相對海平面變化：意大利和斯洛文尼亞區域合作項目“奧拓里亞蒂科”；14. G. Maino等，藝術品的數字化和多光譜分析：典型案件和Web文檔；15. G. Bressan等，考古生物學：一個考古學的官能工具；16. G. Conte等，水下考古學中的機器人工具；17. C. Tuniz，藝術及考古學中的加速器和輻射；18. P. Cassola Guida，碳-14對弗留利早期歷史研究的貢獻；19. F. Bernardini等，基于X-射線的計算機化顯微層析的初步結果和觀點；20. M.V.Torlo，木乃伊――關于里雅斯特歷史博物館木乃伊CAT掃描分析的專門研究報告；21. S. Jovanovic，關于半導體探測器效能計算的角軟件及其應用在文物表征上的可能性；22. P.V. Tobias，人類化石作為全世界和民族的文化遺產：一片關于人們對于人類化石的歸屬及遣返問題的過去和現在態度的論文。
物理探測技術作為考古和文化遺產保護中的一種特殊工具，提供給人們一種能夠表征古代物體的非接觸式分析方法，被廣泛應用在古人類活動的研究中。
張文濤，
副研究員
（中國科學院半導體研究所）
關鍵詞:半導體制造系統 預防性維修 役齡回退參數 維修周期
中圖分類號: TNT10文獻標識碼:A 文章編號:1007-3973 (2010) 01-089-03
半導體制造系統是典型的可重入系統,也是最復雜的制造系統之一。目前,大多數半導體設備都是使用BM(事后維修)的辦法來處理設備故障,隨著維修理論研究的深入,學者發現使用PM(預防性維修)在減少設備發生故障的次數,提高設備的可靠性,增加企業的利潤等方面有著重要作用。
設備是企業固定資產的主要組成部分,是企業生產中能供長期使用并在使用中基本保持其實物形態的物質資料的總稱。現代設備具有自動化、大型化、集成化、高速化、智能化、連續化等方面的特點,這很大程度增加了維修的難度和費用。研究表明,當前制造系統中設備的維修費用占生產系統運行成本的20% ~30。現代科學技術的飛速發展和市場競爭的加劇給制造企業帶來了前所未有的機遇和挑戰,企業為了提高自身的競爭力,將不得不考慮生產系統設備故障對生產能力、生產成本、產品質量以及供貨期和市場占有率的影響。在日常生產中,由于對經濟效益的追求,很多廠商盲目的增加設備的連續工作時間,而忽略了設備的日常維修保養,反而導致了設備生產效益低下的結果。而這個特點在半導體生產線上更為突出。
為此,我們在設備的日常生產中引入了有效的措施來減少故障的產生以及由此而導致的停機事件,從而減低了設備的維修成本,增加生產效益,順利的完成生產任務,這對企業在競爭日益激烈的行業中站穩腳步來說有著舉足輕重的作用,可以說,誰掌握了更好的方法,誰就在競爭中取得先機。
維修的發展也是經歷了不同的階段,人們在日常生活中不斷積累生產經驗,不斷的提出新的理論,提高生產效率,從而推動著維修理論不斷進步。本文以半導體生產設備平均單位產值最大化為目標建立了優化模型,根據役齡回退參數的五個離散取值,進行故障數和平均單位產值的橫向和縱向比較,從而得出半導體設備在不同役齡回退參數下的最佳預防性維修周期。最后總結了役齡回退參數在確定預防性維修周期過程中的作用和預防性維修對企業提高設備性能,增加利有著重大意義。
1點檢制策略
點檢制是全面維護管理中的重要核心之一。應用這種管理模式,檢修不只是維修部門的事情,而且涉及到運行、采購、人力資源以至于行政等部門,檢修工作也不僅僅局限于“修理”,而是把工作的重點轉換為“維護”,盡可能通過保持設備的良好狀態而消滅故障發生的根源,或者把故障消滅在萌芽時期。
1.1半導體生產線特點
在經過過去幾年的高速發展之后,我國半導體產業的發展將進入一個相對平穩的發展期,也不排除會進入一個時間長度為2年-3年的結構調整期的可能性。在這個階段中,我國半導體產業的發展特點為:從主要靠新生產線建設擴大規模轉向發掘已有生產線能力擴大規模;繼續探索IDM道路;Foundry模式逐漸走向成熟;集成電路設計依然是龍頭;SiP技術逐漸成為封裝的主流,設備的生產效率將成為制約生產線能力的瓶頸。
半導體生產線的一個重要特點:可重入型。可重入生產系統是指在工件從投入到產出的過程中,需要不止一次的在同一臺設備上進行加工的生產制造系統,其顯著標記為系統中有處于不同加工階段的工件在同一臺機器前同時等待加工。
典型的可重入生產系統如下圖所示:
圖1典型的半導體可重入生產系統示意圖
1.2故障率修正參數
役齡回退是指設備在經過一次預防性維修后設備的役齡減少的程度,役齡回退參數是一個描述預防性維修效果的參數,比如當役齡回退參數是T的時候,說明進行預防性維修能夠使設備變得像新設備一樣性能良好,當役齡回退參數是0的時候,說明進行預防性維修沒有使設備的性能得到改善,設備的故障率沒有發生任何改變。當然,役齡回退參數取T或是0幾乎都是不可能的,那么究竟對役齡回退參數改如何定義和表達呢,這也是近些年來學者在研究預防性維修時關注的一個重點。
假設設備在第i 次維修前已運行了T i 時間, 經過維修后, 其性能得以改善, 故障率下降到如同維修前 i 時的故障率, 即經過維修后, 使設備的役齡時間回退到Ti i時刻的狀況, 役齡回退量為 i。這種動態變化關系下圖所示:
圖2故障率與預防性維修間的動態變化關系圖
由上圖可知道役齡回退參數是一個隨機量,目前的研究有將役齡回退參數處理為一個常量,也有用均勻分布來處理,同時也有人提出了役齡因子服從正態分布的說法。
隨著設備維修研究的一步一步加深,許多學者也開始了對設備預防性維修的效果進行探討,提出了關于役齡回退參數的種種假設,也分析了當使用役齡回退參數時我們針對預防性維修周期的確定將更加準確,而且更加符合實際。在文獻[4]中,作者假設役齡回退參數是一個均勻分布建立了一個確定預防性維修的模型,在最后假設役齡回退參數是0,T/4,T/2,3T/4,T五種情況,又得到了另幾組數值,通過對比兩組數值得到了準確使用役齡回退參數能夠使我們的預防性維修周期的確定更加準確。
2建立模型
Barlow R, Hunter L. 討論了簡單系統和復雜系統的預防維修策略。他們通過使設備在整個使用壽命期間內的失效損失和維修費用達到最小,從而確定預防維修周期。本文則以單位時間凈生產效益最大化為目標的角度出發,在設備有效使用壽命內進行不同的維修次數并考察每次維修程度的不同(故障率修正參數取值),運用單位時間凈生產效益最大化為目標建議優化模型,求出設備進行預防性維修的最佳次數。
2.1基本假設
為了使模型簡化和研究的方便,在構建模型時做了一下假設:
(1)在沒有對設備進行預防性維修的情況下,設備的故障率公式為: (t);
(2)如果在兩個預防性維修中間發生小故障,則對設備進行小修,假設每一次小修都能使設備的性能恢復,同時不影響設備的故障率,每一次小修費用為Cf,每一次小修所花費時間為Tf ;
(3)當設備正常運行,單位時間的產值為Cp;
(4)在設備運行時,每隔T時間對設備進行一次預防性維修,每次預防性維修需要時間為Tpm,每一次預防性維修的費用為Cpm。每一次預防性維修能使設備的年齡減少 ,為了更好的描述預防性維修隊設備故障率的影響,本文將 處理為一隨機變量,其分布函數為G( ),且0
2.2維修決策
常用威布爾分布來描述電子與機械設備的故障規律,假設設備自身的故障率函數用下列公式表示:
(1)
其中m為形狀參數, 為尺度參數,t為時間。參數m和 通常都是依靠歷史故障數據的分析,利用數理統計的方法估計出的。
有學者在論文[8]中提到半導體設備的故障時間符合參數為m=2.08, =7440的二參數威布爾分布。我們在本章的模型中,使用上面兩參數的威布爾分布來描述設備的故障率。引入了役齡回退參數會改善設備的設備性能,設備的故障率公式在不同的預防性維修時間內的表達也是不相同的。在整個預防性維修周期內,設備的故障率遞推公式:
(2)
隨著設備使用年齡的增加,發生故障的可能性越來越大,在設備的使用過程中對設備進行預防性維修可以減少這種可能性,也就是使得設備的年齡下降。考慮到預防性維修對設備年齡和性能的改善,設備發生故障的次數可以表示為:
(3)
將式1和式2代入到式3可以得到
(4)
形狀參數m的大小是用來描述設備故障率的發展趨勢,當m>1時表示,設備的故障率是一個增函數,即隨著時間的發展,設備發生故障的可能性將是增長的,這也現實設備是一致的,之后,隨著m的繼續增大,故障率曲線將約往上翹,尺度參數 是用來改變故障率的具體尺度,它使整個故障率縮小 m。這兩個參數的獲得是通過對設備運行一段時間后,發生故障的次數和每次故障的時間進行描點之后,利用斜率和焦點可以求出。最后得到Fk
(5)
2.3平均單位時間凈生產效益Y
(6)
其中Ta是指總的時間,即設備運行的總時間
Cp是指半導體生產線一個小時的生產值
Cpm是指進行一次預防性維修所需要的費用
Cf是指一次故障維修即事后維修所需要的費用
Tpm是指一個預防性維修所占用的時間
Tf是指一次事后維修所需要的時間
k是指在總時間內進行的預防性維修次數
Fk是指對設備進行k次預防性維修時設備總時間內發生的故障次數
3算例分析
取總時間為50000h,一次預防性維修需要的時間為30h,一次事后維修所需要的時間為50h,半導體生產線每個小時的產值為1500元,進行一次預防性維修所需要的費用為10000元,進行一次事后維修的費用為50000元。[9]根據式5我們計算得到的設備故障數Fk,代入到式子6中,利用Matlab程序我們可以得到:
給定不同的故障率修正參數 、不同預防性維修次數k經過多次仿真實驗,根據半導體單機設備故障分布確定其最佳預防性維修周期T和預防性維修次數k及其對應單位時間凈生產效益Y。仿真結果如圖3所示:
圖3故障率修正參數不同值時單位時間凈生產效益
數據除了說明對設備進行預防性維修可以減少設備的故障數,提高設備的性能,提高企業的生產效益,同時也說明了無論役齡回退參數取何值,都存在理論上的最佳預防性維修周期和次數,最佳預防性維修周期和次數的求得和役齡回退參數的取得有非常大的關系,雖然我們只是在整個周期中取五個均勻的點來得到數據,從而看出發展趨勢,但是這已經可以包括其他的情況了。至于對役齡回退參數的深入也是一個重要的話題,比如用平均分布,正態分布來描述,這些都是一些設想,能不能實現還需要進一步討論,在本文中,由于知識水平有限,只能以離散點來描述役齡回退參數。
4結束語
設備進行預防性維修的時候,維修效果應該是一個隨機效果,或是可以用一個區間來表達,認為每次預防性維修的時候,維修效果為T/2的可能性是最大,而0和T是最小的,所以在開始建模的時候,曾經嘗試利用正態分布來分析役齡回退參數,但是在建模后進行演示的時候,由于作者的學術水平和沒有得到一些具體數據,發現通過自己建立的模型最后得出的一些數據和現實中的一些數據是想違背的,所以只能放棄這種想法,但我深信,對役齡回退參數的深入研究可以使得我們建立起來的模型能夠更符合現實需要。
在研究過程,為了使得計算和算法方便,都是使用相同時間來確定每個周期,實際上由于每次預防性維修不能使得設備性能完全恢復,所以設備每個周期的故障數都是一直在增加,這對設備的穩定性來說都是不可取的,有學者曾經提出不同時間周期的預防性維修方法,但未能提出一個準確的解決方法,所以關于不同時間周期的預防性維修策略的建模也是以后繼續努力的方向。
參考文獻:
[1]潘光, 毛昭勇, 宋保維等. 預防性維修周期優化決策研究[J]. 機械科學與技術, 2007, 26(4): 518-520.
[2]楊文霞. 設備預防性維修及其管理信息系統研究[D]. 南昌 大學, 2005.
[3]張耀輝, 徐宗昌, 李愛民. 設備維修策略與維修決策研究[C]. 應用高新技術提高維修保障能力會議論文集, 2005: 742-746.
[4]徐準備. 以可靠性為中心的設備維修[D]. 西北工業大學, 2006.
[5]功. 半導體設備維修工程務實[J]. 電子工業專用設備, 2000, 29(2): 20-23.
[6]吳啟迪, 喬非, 李莉等. 半導體制造系統調度[M]. 北京: 電 子工業出版社, 2006: 11-22.
[7]蔣仁言, 左明健. 可靠性模型與應用[M]. 北京: 機械工業出版社, 1999.
關鍵詞:節能;減排;功率半導體
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半導體芯片包括功率二極管、功率開關器件與功率集成電路。近年來,隨著功率MOS技術的迅速發展,功率半導體的應用范圍已從傳統的工業控制擴展到4C產業(計算機、通信、消費類電子產品和汽車電子),滲透到國民經濟與國防建設的各個領域。
功率半導體器件是進行電能處理的半導體產品。在可預見的將來,電能將一直是人類消耗的最大能源,從手機、電視、洗衣機、到高速列車,均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風電,甚至各種電池提供的化學電能,大部分均無法直接使用,75%以上的電能應用需由功率半導體進行變換以后才能供設備使用。每個電子產品均離不開功率半導體器件。使用功率半導體的目的是使用電能更高效、更節能、更環保并給使用者提供更多的方便。如通過變頻來調速,使變頻空調在節能70%的同時,更安靜、讓人更舒適。手機的功能越來越多,同時更加輕巧,很大程度上得益于超大規模集成電路的發展和功率半導體的進步。同時,人們希望一次充電后有更長的使用時間,在電池沒有革命性進步以前,需要更高性能的功率半導體器件進行高效的電源管理。正是由于功率半導體能將 ‘粗電’變為‘精電’,因此它是節能減排的基礎技術和核心技術。
隨著綠色環保在國際上的確立與推進,功率半導體的發展應用前景更加廣闊。據國際權威機構預測,2011年功率半導體在中國市場的銷售量將占全球的50%,接近200億美元。與微處理器、存儲器等數字集成半導體相比,功率半導體不追求特征尺寸的快速縮小,它的產品壽命周期可為幾年甚至十幾年。同時,功率半導體也不要求最先進的生產工藝,其生產線成本遠低于Moore定律制約下的超大規模集成電路。因此,功率半導體非常適合我國的產業現狀以及我國能源緊張和構建和諧社會的國情。
目前,國內功率半導體高端產品與國際大公司相比還存在很大差距,高端器件的進口替代才剛剛開始。因此國內半導體企業在提升工藝水平的同時,應不斷提高國內功率半導體技術的創新力度和產品性能,以滿足高端市場的需求,促進功率半導體市場的健康發展以及國內電子信息產業的技術進步與產業升級。
2需求分析
消費電子、工業控制、照明等傳統領域市場需求的穩定增長,以及汽車電子產品逐漸增加,通信和電子玩具市場的火爆,都使功率半導體市場繼續保持穩步的增長速度。同時,高效節能、保護環境已成為當今全世界的共識,提高效率與減小待機功耗已成為消費電子與家電產品的兩個非常關鍵的指標。中國目前已經開始針對某些產品提出能效要求,對冰箱、空調、洗衣機等產品進行了能效標識,這些提高能效的要求又成為功率半導體迅速發展的另一個重要驅動力。
根據CCID的統計,從2004年到2008年,中國功率器件市場復合增長率達到17.0%,2008年中國功率器件市場規模達到828億元,在嚴重的金融危機下仍然同比增長7.8%,預計未來幾年的增長將保持在10%左右。隨著整機產品更加重視節能、高效,電源管理IC、功率驅動IC、MOSFET和IGBT仍是未來功率半導體市場中的發展亮點。
在政策方面,國家中長期重大發展規劃、重大科技專項、國家863計劃、973計劃、國家自然科學基金等都明確提出要加快集成電路、軟件、關鍵元器件等重點產業的發展,在國家剛剛出臺的“電子信息產業調整和振興規劃”中,強調著重從集成電路和新型元器件技術的基礎研究方面開展系統深入的研究,為我國信息產業的跨越式發展奠定堅實的理論和技術基礎。在國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)中明確提出,功率器件及模塊技術、半導體功率器件技術、電力電子技術是未來5～15年15個重點領域發展的重點技術。在目前國家重大科技專項的“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品”和“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”兩個專項中,也將大屏幕PDP驅動集成電路產業化、數字輔助功率集成技術研究、0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發與產業化等功率半導體相關課題列入支持計劃。在國家973計劃和國家自然科學基金重點和重大項目中,屬于功率半導體領域的寬禁帶半導體材料與器件的基礎研究一直是受到大力支持的研究方向。
總體而言,從功率半導體的市場需求和國家政策分析來看,我國功率半導體的發展呈現以下三個方面的趨勢:① 硅基功率器件以實現高端產品的產業化為發展目標;② 高壓集成工藝和功率IC以應用研究為主導方向;③ 第三代寬禁帶半導體功率器件、系統功率集成芯片PSoC以基礎研究為重點。
3功率半導體技術發展趨勢
四十多年來,半導體技術沿著“摩爾定律”的路線不斷縮小芯片特征尺寸。然而目前國際半導體技術已經發展到一個瓶頸:隨著線寬的越來越小,制造成本成指數上升;而且隨著線寬接近納米尺度,量子效應越來越明顯,同時芯片的泄漏電流也越來越大。因此半導體技術的發展必須考慮“后摩爾時代”問題,2005年國際半導體技術發展路線圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一條半導體技術發展路線,即“More than Moore-超摩爾定律”, 如圖1所示。
從路線圖可以清楚看到,未來半導體技術主要沿著“More Moore”與“More Than Moore”兩個維度的方向不斷發展,同時又交叉融合,最終以3D集成的形式得到價值優先的多功能集成系統。“More Moore”是指繼續遵循Moore定律,芯片特征尺寸不斷縮小(Scaling down),以滿足處理器和內存對增加性能/容量和降低價格的要求。這種縮小除了包括在晶圓水平和垂直方向上的幾何特征尺寸的繼續縮小,還包括與此關聯的三維結構改善等非幾何學工藝技術和新材料的運用等。而“More Than Moore”強調功能多樣化,更注重所做器件除了運算和存儲之外的新功能,如各種傳感功能、通訊功能、高壓功能等,以給最終用戶提供更多的附加價值。以價值優先和功能多樣化為目的的“More Than Moore”不強調縮小特征尺寸,但注重系統集成,在增加功能的同時,將系統組件級向更小型、更可靠的封裝級(SiP)或芯片級(SoC)轉移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技術即是“More Than Moore”思想的一種實現方式,它是以硅材料為基礎的,跨領域(包括電子、光學、力學、熱學、生物、醫藥等等)的復合型集成技術,其核心理念是電性能(“Si”)與光、力、熱、磁、生化(“α”)性能的組合,包括:顯示器/發光體(LCD、EL、LD、LED)+LSI的組合感光體、(PD、CCD、CMOS傳感器)+LSI的形式、MEMS/生化(傳感器、傳動器)+LSI等的結合。
在功能多樣化的“More Than Moore”領域,功率半導體是其重要組成部分。雖然在不同應用領域,對功率半導體技術的要求有所不同,但從其發展趨勢來看,功率半導體技術的目標始終是提高功率集成密度,減少功率損耗。因此功率半導體技術研發的重點是圍繞提高效率、增加功能、減小體積,不斷發展新的器件理論和結構,促進各種新型器件的發明和應用。下面我們對功率半導體技術的功率半導體器件、功率集成電路和功率系統集成三個方面的發展趨勢進行梳理和分析。
1) 功率半導體(分立)器件
功率半導體(分立)器件國內也稱為電力電子器件,包括:功率二極管、功率MOSFET以及IGBT等。為了使現有功率半導體(分立)器件能適應市場需求的快速變化,需要大量融合超大規模集成電路制造工藝,不斷改進材料性能或開發新的應用材料、繼續優化完善結構設計、制造工藝和封裝技術等,提高器件功率集成密度,減少功率損耗。目前,國際上在功率半導體(分立)器件領域的熱點研究方向主要為器件新結構和器件新材料。
在器件新結構方面,超結(Super-Junction)概念的提出,打破了傳統功率MOS器件理論極限,即擊穿電壓與比導通電阻2.5次方關系,被國際上譽為“功率MOS器件領域里程碑”。超結結構已經成為半導體功率器件發展的一個重要方向,目前國際上多家半導體廠商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用該技術生產低功耗MOS器件。對于IGBT器件,其功率損耗和結構發展如圖2所示。從圖中可以看到,基于薄片加工工藝的場阻(Field Stop)結構是高壓IGBT的主流工藝;相比于平面結結構(Planar),槽柵結構(Trench)IGBT能夠獲得更好的器件優值,同時通過IGBT的版圖和柵極優化,還可以進一步提高器件的抗雪崩能力、減小終端電容和抑制EMI特性。
功率半導體(分立)器件發展的另外一個重要方向是新材料技術,如以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料。寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強等特點,是高壓、高溫、高頻、大功率應用場合下極為理想的半導體材料。寬禁帶半導體SiC和GaN功率器件技術是一項戰略性的高新技術,具有極其重要的軍用和民用價值,因此得到國內外眾多半導體公司和研究結構的廣泛關注和深入研究,成為國際上新材料、微電子和光電子領域的研究熱點。
2) 功率集成電路(PIC)
功率集成電路是指將高壓功率器件與信號處理系統及接口電路、保護電路、檢測診斷電路等集成在同一芯片的集成電路,又稱為智能功率集成電路(SPIC)。智能功率集成作為現代功率電子技術的核心技術之一,隨著微電子技術的發展,一方面向高壓高功率集成(包括基于單晶材料、外延材料和SOI材料的高壓集成技術)發展,同時也向集成更多的控制(包括時序邏輯、DSP及其固化算法等)和保護電路的高密度功率集成發展,以實現功能更強的智能控制能力。
3)功率系統集成
功率系統集成技術在向低功耗高密度功率集成技術發展的同時,也逐漸進入傳統SoC和CPU、DSP等領域。目前,SoC的低功耗問題已經成為制約其發展的瓶頸,研發新的功率集成技術是解決系統低功耗的重要途徑,同時,隨著線寬的進一步縮小,內核電壓降低,對電源系統提出了更高要求。為了在標準CMOS工藝下實現包括功率管理的低功耗SoC,功率管理單元需要借助數字輔助的手段,即數字輔助功率集成技術(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技術是近幾年數字輔助模擬設計在功率集成方面的深化與應用,即采用更多數字的手段,輔助常規的模擬范疇的集成電路在更小線寬的先進工藝線上得到更好性能的電路。
4我國功率半導體發展現狀、
問題及發展建議
在中國半導體行業中,功率半導體器件的作用長期以來都沒有引起人們足夠的重視,發展速度滯后于大規模集成電路。國內功率半導體器件廠商的主要產品還是以硅基二極管、三極管和晶閘管為主,目前國際功率半導體器件的主流產品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先進的超結低功耗功率MOS尚無法生產,另一主流產品IGBT尚處于研發階段。寬禁帶半導體器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)為主,尚未有針對市場應用的寬禁帶半導體功率器件(電力電子器件)的產品研發。目前市場熱點的高壓BCD集成技術雖然引起了從功率半導體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關注,但目前尚未有成熟穩定的高壓BCD工藝平臺可供高性能智能功率集成電路的批量生產。
由于高性能功率半導體器件技術含量高,制造難度大,目前國內生產技術與國外先進水平存在較大差距,很多中高端功率半導體器件必須依賴進口。技術差距主要表現在:(1)產品落后。國外以功率MOS為代表的新型功率半導體器件已經占據主要市場,而國內功率器件生產還以傳統雙極器件為主,功率MOS以平面工藝的VDMOS為主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件優值的功率MOS器件產品,國際上熱門的以超結(Super junction)為基礎的低功耗MOS器件國內尚處于研發階段;IGBT只能研發基于穿通型PT工藝的600V產品或者NPT型1200V低端產品,遠遠落后于國際水平。(2)工藝技術水平較低。功率半導體分立器件的生產,國內大部分廠商仍采用IDM方式,采用自身微米級工藝線,主流技術水平和國際水平相差至少2代以上,產品以中低端為主。但近年來隨著集成電路的迅速發展,國內半導體工藝條件已大大改善,已擁有進行一些高端產品如槽柵功率MOS、IGBT甚至超結器件的生產能力。(3)高端人才資源匱乏,尤其是高端設計人才和工藝開發人才非常缺乏。現有研發人員的設計水平有待提高,特別是具有國際化視野的高端設計人才非常缺乏。(4)國內市場前十大廠商中無一本土廠商,半導體功率器件產業仍處在國際產業鏈分工的中低端,對于附加值高的產品如IGBT、AC-DC功率集成電路,現階段國內僅有封裝能力,不但附加值極低,還形成了持續的技術依賴。
筆者認為,功率半導體是最適合中國發展的半導體產業,相對于超大規模集成電路而言,其資金投入較低,產品周期較長,市場關聯度更高,且還沒有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業。但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面,應大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。
功率半導體芯片不同于以數字集成電路為基礎的超大規模集成電路,功率半導體芯片屬于模擬器件的范疇。功率器件和功率集成電路的設計與工藝制造密切相關,因此國際上著名的功率器件和功率集成電路提供商均屬于IDM企業。但隨著代工線的迅速發展,國內如華虹NEC、成芯8英寸線、無錫華潤上華6英寸線均提供功率半導體器件的代工服務,并正積極開發高壓功率集成電路制造平臺。功率半導體生產企業也應借鑒集成電路設計公司的成功經驗,成立獨立的功率半導體器件設計公司,充分利用代工線先進的制造手段,依托自身的銷售網絡,生產高附加值的高端功率半導體器件產品。
設計弱于芯片的局面起源于設計力量的薄弱。雖然國內一些功率半導體生產企業新近建設了6英寸功率半導體器件生產線,但生產能力還遠未達到設計要求。筆者認為其中的關鍵是技術人員特別是具有國際視野和豐富生產經驗的高級人才的不足。企業應加強技術人才的培養與引進,積極開展產學研協作,以雄厚的技術實力支撐企業的發展。
我國功率半導體行業的發展最終還應依靠功率半導體IDM企業,在目前自身生產條件落后于國際先進水平的狀況下,IDM企業不能局限于自身產品線的生產能力,應充分依托國內功率半導體器件龐大的市場空間,用技術去開拓市場,逐漸從替代產品向產品創新、牽引整機發展轉變;大力發展設計能力,一方面依靠自身工藝線進行生產,加強技術改造和具有自身工藝特色的產品創新,另一方面借用先進代工線的生產能力,壯大自身產品線,加速企業發展。
5結束語
總之,功率半導體技術自新型功率MOS器件問世以來得到長足進展,已深入到工業生產與人民生活的各個方面。與國外相比,我國在功率半導體技術方面的研究存在著一定差距,但同時日益走向成熟。總體而言,功率半導體的趨勢正朝著提高效率、多功能、集成化以及智能化、系統化方向發展;伴隨制造技術已進入深亞微米時代,新結構、新工藝硅基功率器件正不斷出現并逼近硅材料的理論極限,以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體器件也正不斷走向成熟。
我國擁有國際上最大的功率半導體市場,擁有迅速發展的半導體代工線,擁有國際上最大規模的人才培養能力,但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面。功率半導體行業應加強技術力量的引進和培養,大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。
1 實驗設計思路
將本課題組已發表的SCI論文“一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導體材料”[5]改為本科實驗，主要根據以下原則：
1.1 新穎性原則
螺芴類分子砌塊具有共軛打斷效應、剛性十字交叉構象和空間位阻效應，被廣泛用于有機電致發光二極管、場效應晶體管以及太陽能染料敏化電池等領域[6]，成為一類重要的有機半導體材料。氮雜芴螺環芳烴由芴基螺環芳烴發展而來在繼承螺芴的各類優勢的基礎上增加了氮雜芴基團的功能特性包括電子受體、金屬配位、質子化以及超分子弱作用等。因此，具有廣闊的發展前景[7-9]。
1.2 可行性原?t
所選的科研成果的反應類型是最經典的傅克反應，與學生所學的有機化學課本緊密聯系。通過實驗預習、講解、操作以及總結，進一步鞏固與加深對傅克反應的理解和運用。另外，該反應原料易得，合成步驟簡單易行，無毒安全性高，可以在本科實驗室開展。
1.3 綜合性原則
氮雜螺芴氧雜蒽的合成操作涉及反應裝置的搭建、TLC點樣、柱層析等各類操作。在整個操作過程中，重點學習TLC點樣和柱層析。產品表征利用核磁共振。
1.4 環保性原則
目前氮雜螺芴氧雜蒽大部分合成方法具有如下缺點：（1）底物范圍拓展的限制和前體合成的困難；（2）合成步驟的冗長。我們課題組發展了一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導體材料。反應過程中依次構建了C-C， C-O和 C-C三支化學鍵，并高效合成了氮雜芴螺環芳烴，符合綠色化學的理念。
2 實驗內容
實驗名稱：一鍋法合成氮雜螺芴氧雜蒽有機半導體材料
實驗儀器：磁力攪拌器，圓底燒瓶，回流冷凝管、電子天平、分液漏斗、錐形瓶、層析柱、核磁共振波譜儀。
藥品：氮雜芴酮，對甲基苯酚，三氟甲磺酸，1，2-二氯苯，碳酸鉀，二氯甲烷，無水硫酸鎂，乙酸乙酯。
2.1 實驗原理
該反應是典型的傅里德-克拉夫茨反應，簡稱傅-克反應，英文Friedel?CCrafts reaction，是一類芳香族親電取代反應，1877年由法國化學家查爾斯?傅里德和美國化學家詹姆斯?克拉夫茨共同發現。本實驗在酸性條件下反應，首先通過氮雜芴酮與苯酚的傅克反應生成中間體I，緊接著脫水形成三正電型超親電體II，由于電荷間的排斥作用，導致氮雜芴9 號位的正電荷會通過共振方式遷移至酚羥基上，活化酚羥基的反應活性。隨后另一苯酚分子以親核進攻的方式與中間體III 發生反應，形成醚鍵。緊接著分子內的質子轉移與脫水過程在苯環上再次生成碳正離子V。最后碳正離子重新遷移到氮雜芴的9 號位發生分子內的傅克合環反應，得到最終的目標產物氮雜螺芴氧雜蒽。
2.2 實驗步驟
2.2.1 氮雜螺芴氧雜蒽的合成
先向圓底燒瓶中加入0.18克的氮雜芴酮，再分別加入2ml 1，2-二氯苯與0.8ml三氟甲磺酸。在室溫下攪拌大約半小時后，向其中加入0.54克的對甲基苯酚。隨后升高溫度至 85度。通過TLC 板監控反應至氮雜芴酮反應完全。將反應降溫至室溫，用碳酸鉀溶液淬滅此反應，之后用二氯甲烷萃取，收集有機相并用無水硫酸鎂干燥，抽濾。最后柱層析分離提純得到氮雜螺芴氧雜蒽。
2.2.2 螺環氧雜蒽的結構表征
使用核磁共振（NMR）對所得到的產物進行結構表征。通過與標準的氮雜螺芴氧雜蒽的氫譜和碳譜進行對比確認結構
2.2.3 實驗報告
實驗報告要全面總結實驗，特別強調實驗結果的分析，并對實驗結果提出自己的觀點。
3 教學效果
3.1 理論聯系實際，深化理論知識
體現有機化學基礎知識的綜合性，在所設計的實驗中涉及《有機化學》中典型的傅克反應。通過TLC板監測反應進度，有助于理解反應現象以及反應過程。通過核磁共振表征產物，可以了解核磁測試過程以及核磁共振表征原理。通過對氫譜的解析，理解化學位移、耦合常數以及自旋裂分等理論知識。
3.2 科研和教學結合，強化創新思維
將科研和教學相結合，促進了教學方法的改革和教學方式的創新，也培養了適應社會發展需要的高素質人才。實踐證明，從事科學研究的教師能更準確地把握教學內容，更好地把科?W研究的方法貫穿到教學實踐之中，是培養學生的創新思維和創新能力的重要途徑。同時高水平、高層次的科研項目和平臺也為本科生的培養創造了優越的條件。
3.3 實驗與生活相結合，激發學習興致
將制備的氮雜螺芴氧雜蒽作為電致發光材料，應用于有機電致發光二極管、存儲器以及太陽能電池中。在整個實驗過程中，詳細說明每個操作與所學專業的內在聯系，
讓學生深刻體會到所學專業知識的重要性和必要性，激發學生的學習興趣以及求知欲望和積極探索精神。在實驗操作過程中，鍛煉了學生的動手能力以及實踐操作能力。通過科學實驗報告的撰寫，鍛煉并加強了學生的寫作能力。
4 結語
【關鍵詞】光學粒子計數器;Mie散射;信號處理
Abstract：Optical Particle Counters（OPCs）is a set of monitoring equipment used to measure the quantity and size of airborne particles in the clean room.With advantage of low coat，quick and high reliability as well as high sensitivity，the OPCs are widely applied in many fields that need ultra-clean space.This paper elucidates the key points of the main principle and design of the OPCs，discussing important performance parameters.By comparing the OPCs with international high-end like product，we analyze the shortfalls of domestic OPCs and provide guidance for next development.
Key word：Optical Particle Counter;Mie Scattering;Signal processing
隨著現代加工工藝及材料科學的發展，以微電子、生物醫學工程、航天技術等為代表的領域正逐步向小型化方向邁進，同時對相關操作、生產環境的空氣潔凈度提出了較高的要求。光學粒子計數器是測量潔凈環境空氣中塵埃粒子的數量及大小、評價空氣潔凈度的專業儀器，它具有檢測靈敏度高、可靠性好、成本低廉等優勢，是現代超凈環境檢測的必要檢測儀器。國際上對光學粒子計數器的研究始于上世紀20年代，并于上世紀50年代開始有產品問世，目前已發展至技術成熟、產品多樣化的階段，其中較為著名廠家包括美國HACH公司、TSI公司、PMS公司、日本加野公司等。與之相比較，我國在二十世紀七十年代才開始這類儀器的研制與生產，盡管目前已有多個公司或研究機構已成功研制出相關產品，但它們與國外光學粒子計數器相比還存在一定的差距。本論文在詳細討論光學粒子計數器原理及主要性能影響因素的基礎上，綜述了國內該類儀器的發展現狀，分析與國外同類儀器差距的主要原因及改進方案，為我國光學粒子計數器的下一步發展提供思路。
1.光學粒子計數器的原理與設計
光學粒子計數器是基于光的散射原理實現粒子的計數及尺寸判斷：當空氣中的粒子通過激光光路時將發生散射，對于粒子計數器一般測量的0.1至5微米間粒徑的顆粒，屬于Mie散射范圍，探測到的散射光強滿足關系：
（1）
其中r對應顆粒半徑，是它的體積，為散射角，R為光敏區被測粒子至光電探測器的距離，為空氣中介電常數，為真空中介電常數，I0為入射光強度，H為與系統有關的一個常數。
由（1）式可知，在其它條件均固定時，探測的散射光強與顆粒尺寸存在一一對應關系，可通過測量散射光強估計顆粒尺寸及數量。具體實現結構如圖1所示：采用氣泵將含有懸浮顆粒的空氣從光學粒子計數器的采樣口抽入，讓氣流通過光敏區，通過控制氣泵的流量及氣流截面，保證光敏區內粒子一個個依次通過，懸浮粒子受光照射會散射出與粒子大小相關的光脈沖信號，該信號被光電探測器接收并轉換成相應的電脈沖信號再被放大，通過對一個檢測周期的電脈沖計數，便可得知單位體積采樣空氣中粒子個數。
盡管實現原理簡單，但由于單個顆粒的散射光較弱，且隨著顆粒尺寸的減小迅速減小，為通過分析散射光信號的幅值大小高精度計算被測粒子等效光學粒徑增加了不少難度。作為精密測量的工具，高性能光學粒子計數器必須保證每個組成系統均合理設計。下面簡單介紹組成系統設計中的幾個注意重點：
圖1 光學粒子計數器結構圖
1.1 光學系統設計
本文以微電子專業人才培養為例，針對我校微電子專業教學資源庫的建設，從微電子的需要來說明其重要性，通過與企業聯合分析職業崗位的工作內容、工作崗位、工作職業技能來合理開設學校的相關課程，來培養專業性技術人才的學生[1]。
現狀與背景分析
國家的需求。微電子技術都是高科技、高風險、高投入、高利潤的行業，而且是一個國家、地區科技、經濟實力的反映，美國就是以集成電路設計、制造為核心的地區，讓美國擁有了世界上一流的計算機和IT核心技術，為此，中國于1998年下發了《鼓勵軟件產業和集成電路產業發展的若干政策》的18號文件，大力支持、鼓勵我國微電子產業發展。
企業的需求。從2005年8月的西永微電子園的建立，北大方正FPC等十大項目的建設，200億資金的投入。到2015年4月8號，東方重慶8.5代新型半導體顯示器件及系統項目，在重慶兩江新區水土工業開發區舉行產品投產暨客戶交付活動。該項目總投資328億，為重慶近年來最大投資項目。如此浩大的產業發展，必將大量需求各階層微電子技術人才[2]。
高職學院自身的需求。近幾年，高職教育在改革和發展中取得許多可喜的成果。但是專業不對口，學生興趣缺乏，企業抱怨人才不足，應屆畢業生的實踐技能不夠等相關問題也成為我們教學的薄弱環節。基于職業崗位來分析，才能真正讓學生畢業更快的適應工作環境，解決專業不對口問題。
高職學生的需求。高職學生都期望通過學校專業課程學習，找到一份合適的工作。學生也在思考如何將專業知識轉化成專業能力，如何消化書本內容。學生期望能學習在以后的工作崗位更實用的課程內容。因此基于職業崗位分析構建微電子專業課程，能更好的教學，讓學生明確的學習提升自己的能力，同時幫助學生就業，解決專業不對口等問題。
研究內容、目標、要解決的教學問題
研究內容和目標。通過往屆畢業學生的就業情況分析對應的崗位，找出專業不對口，或者就業工作不影響的主要問題。通過修改課程教學模式，提高學生興趣，激發主觀能動性。通過調研會邀請重慶44所，24所，西南集成設計有限公司等從事微電子行業的公司，分析高職學生通過學生什么課程能快速適應崗位，達到合理構建微電子課程來使高職學生具有對應的崗位能力，從而有效地培養微電子人才[3]。
要解決的教學問題。激發學生對課程的興趣，提升主觀能動性；學生不僅掌握對應崗位的理論知識，也要有熟練對應崗位的實際動手能力；調研企業崗位，分析微電子集成電路設計課程的建設；調研全國高職微電子課程開設，合理調整集成電路設計課程。
采取的分析方法
文獻研究法：利用網絡、報刊等媒介，搜集與課堂教學模式相關的專著、論文等文獻資料，掌握課堂教學模式研究，掌握相關理論知識和國內外對課堂教學模式研究現狀。
企業調研法：派成員組去江蘇，上海，成都等微電子發達區域了解微電子產業發展對應的崗位需求。在我校組織的微電子行業專家職業分析研討會，邀請重慶24所、44所、西南集成有限公司、鷹谷光電等行業專家從微電子高職學生崗位需要來分析，構建微電子專業課程建設[4]。
實驗教學法：用微課進行微電子專業課程的建設，利用我校作為西南地區唯一的仿生產工藝線，以及封裝測試線，配套生動形象來表達上課內容。“校企合作，工學結合”，讓學生直接企業頂崗實習，驗證微電子專業課程建設對應崗位的合理性，優化調整。通過微電子相關的職業技能大賽嵌入式比賽等等提升學生興趣，對應的課程建設學習。
微電子專業課程建設
本校通過與微電子多個企業聯合分析，將微電子專業課程分成集成電路制造、集成電路設計、集成電路封裝、集成電路測試、半導體行業設備維護、半導體安全生產管理等相關方向，然后轉為為A、B、C三類課程，由最基礎的理論知識，如計算機使用，英語閱讀，電路分析，工具使用到專業性技能的操作和綜合職業技能的培養。
A類課程轉換分析表提供的職業需求信息為基礎，并依據課程的需要可補充相關理論知識信息，使課程具有理論知識的相對系統性和完整性。如分半導體器件物理，半導體集成電路，工程制圖，電子材料，SMT工藝等基礎課程。
B類課程的目的是培養基本技能。可以通過集成電路版圖設計實訓，集成電路生產工藝實訓，集成電路封裝工藝實訓，集成電路測試實訓，自動化生產線安裝與調試實訓等課程培養學生的基本技能。
C類課程的目的是培養綜合職業能力，也稱為綜合職業能力課程。通過學習集成電路制造工藝，半導體工廠設計與管理，集成電路封裝工藝，半導體工藝設備，集成電路的可靠性等相關課程來培養學生的綜合職業能力，從工藝到測試，電路到自動化的職業系統化培養。
