半导体材料论文范例6篇

半导体材料论文

半导体材料论文范文1

关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体

1半导体材料的战略地位

上世纪中叶,单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功,导致了电子工业革命;上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明,促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业,使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功,彻底改变了光电器件的设计思想,使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用,将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路,必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式,彻底改变人们的生活方式。

2几种主要半导体材料的发展现状与趋势

2.1硅材料

从提高硅集成电路成品率,降低成本看,增大直拉硅(CZ-Si)单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ-Si发展的总趋势。目前直径为8英寸(200mm)的Si单晶已实现大规模工业生产,基于直径为12英寸(300mm)硅片的集成电路(IC‘s)技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm,0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产,300mm,0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功,直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。

从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看,研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外,SOI材料,包括智能剥离(Smartcut)和SIMOX材料等也发展很快。目前,直径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开发中。

理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题,更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料(如用Si3N4等来替代SiO2),低K介电互连材料,用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能,但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此,人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外,还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料,特别是二维超晶格、量子阱,一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等,这也是目前半导体材料研发的重点。

2.2GaAs和InP单晶材料

GaAs和InP与硅不同,它们都是直接带隙材料,具有电子饱和漂移速度高,耐高温,抗辐照等特点;在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路,特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。

目前,世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨,其中以低位错密度的垂直梯度凝固法(VGF)和水平(HB)方法生长的2-3英寸的导电GaAs衬底材料为主;近年来,为满足高速移动通信的迫切需求,大直径(4,6和8英寸)的SI-GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI-GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能,发展的速度更快,但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破,价格居高不下。

GaAs和InP单晶的发展趋势是:

(1)。增大晶体直径,目前4英寸的SI-GaAs已用于生产,预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI-GaAs也将投入工业应用。

(2)。提高材料的电学和光学微区均匀性。

(3)。降低单晶的缺陷密度,特别是位错。

(4)。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快,很有可能成为主流技术。

2.3半导体超晶格、量子阱材料

半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术(MBE,MOCVD)的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想,出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴,是新一代固态量子器件的基础材料。

(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基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟,已成功地用来制造超高速,超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管(HEMT),赝配高电子迁移率晶体管(P-HEMT)器件最好水平已达fmax=600GHz,输出功率58mW,功率增益6.4db;双异质结双极晶体管(HBT)的最高频率fmax也已高达500GHz,HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器,红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化;表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前,研制高质量的1.5μm分布反馈(DFB)激光器和电吸收(EA)调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键,在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外,用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。

虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件,但由于其有源区极薄(~0.01μm)端面光电灾变损伤,大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年,就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器,输出功率达5W以上;2000年初,法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近,我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究,这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器,在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。

为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制,1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器,突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs/InAIAs/InP量子级联激光器(QCLs)发明以来,Bell实验室等的科学家,在过去的7年多的时间里,QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K,连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段(3-87μm),并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器;中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器,使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。

目前,Ⅲ-V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向,正从直径3英寸向4英寸过渡;生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用,每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心,法国的PicogigaMBE基地,美国的QED公司,Motorola公司,日本的富士通,NTT,索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用,必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。

(2)硅基应变异质结构材料。

硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙,如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究,但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料(纳米Si/SiO2),硅基SiGeC体系的Si1-yCy/Si1-xGex低维结构,Ge/Si量子点和量子点超晶格材料,Si/SiC量子点材料,GaN/BP/Si以及GaN/Si材料。最近,在GaN/Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道,使人们看到了一线希望。

另一方面,GeSi/Si应变层超晶格材料,因其在新一代移动通信上的重要应用前景,而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz,HBT最高振荡频率为160GHz,噪音在10GHz下为0.9db,其性能可与GaAs器件相媲美。

尽管GaAs/Si和InP/Si是实现光电子集成理想的材料体系,但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效,防碍着它的使用化。最近,Motolora等公司宣称,他们在12英寸的硅衬底上,用钛酸锶作协变层(柔性层),成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜,取得了突破性的进展。

2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料

基于量子尺寸效应、量子干涉效应,量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造(通过能带工程实施)的新型半导体材料,是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用,极有可能触发新的技术革命。

目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上,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,并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组,柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In(Ga)As/GaAs高功率量子点激光器,工作波长lμm左右,单管室温连续输出功率高达3.6~4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组,2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层,抑制了缺陷和位错的产生,提高了量子点激光器的工作寿命,室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时,这是大功率激光器的一个关键参数,至今未见国外报道。

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半导体材料研究的新进展

在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展,1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管,并在150K观察到栅控源-漏电流振荡;1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件,1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造,这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前,基于量子点的自适应网络计算机,单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。

与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比,高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组,在继利用MBE技术和SK生长模式,成功地制备了高空间有序的InAs/InAI(Ga)As/InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上,对InAs/InAlAs量子线超晶格的空间自对准(垂直或斜对准)的物理起因和生长控制进行了研究,取得了较大进展。

王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组,基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术,成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带,它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同,这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体,几乎无缺陷和位错;纳米线呈矩形截面,典型的宽度为20-300nm,宽厚比为5-10,长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系,可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组,分别在SiO2/Si和InAs/InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。

低维半导体结构制备的方法很多,主要有:微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法,应变自组装量子线、量子点材料生长技术,图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术,单原子操纵和加工技术,纳米结构的辐照制备技术,及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术,以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。

2.5宽带隙半导体材料

宽带隙半导体材主要指的是金刚石,III族氮化物,碳化硅,立方氮化硼以及氧化物(ZnO等)及固溶体等,特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料,因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点,成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料;在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外,III族氮化物也是很好的光电子材料,在蓝、绿光发光二极管(LED)和紫、蓝、绿光激光器(LD)以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破,GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前,GaN基蓝绿光发光二极管己商品化,GaN基LD也有商品出售,最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面,GaN基FET的最高工作频率(fmax)已达140GHz,fT=67GHz,跨导为260ms/mm;HEMT器件也相继问世,发展很快。此外,256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是,日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称,他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料,这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外,近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN,InGaAsN,GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视,这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。

以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展,2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片,以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售;以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市,并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高,且价格昂贵。

II-VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后,于1990年美国3M公司成功地解决了II-VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入(Zn,Cd)Se/ZnSe兰光激光器在77K(495nm)脉冲输出功率100mW的消息,开始了II-VI族兰绿光半导体激光(材料)器件研制的高潮。经过多年的努力,目前ZnSe基II-VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时,但离使用差距尚大,加之GaN基材料的迅速发展和应用,使II-VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性,特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题,仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。

宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料,所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系,如GaN/蓝宝石(Sapphire),SiC/Si和GaN/Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生,极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响,是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱,必将大大地拓宽材料的可选择余地,开辟新的应用领域。

目前,除SiC单晶衬低材料,GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外,大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段,不少影响这类材料发展的关键问题,如GaN衬底,ZnO单晶簿膜制备,P型掺杂和欧姆电极接触,单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂,II-VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题,国内外虽已做了大量的研究,至今尚未取得重大突破。

3光子晶体

光子晶体是一种人工微结构材料,介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度,来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙,与半导体材料的电子能隙相似,并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播,相应光子晶体光带隙(禁带)能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏,那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模,光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔,从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有:聚焦离子束(FIB)结合脉冲激光蒸发方法,即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜,再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体;基于功能粒子(磁性纳米颗粒Fe2O3,发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2)和共轭高分子的自组装方法,可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体;二维多空硅也可制作成一个理想的3-5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前,二维光子晶体制造已取得很大进展,但三维光子晶体的研究,仍是一个具有挑战性的课题。最近,Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体,取得了进展。

4量子比特构建与材料

随着微电子技术的发展,计算机芯片集成度不断增高,器件尺寸越来越小(nm尺度)并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制,而无法满足人类对更大信息量的需求。为此,发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest,Shamir和Adlman(RSA)体系,引起了人们的广泛重视。

所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置,理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度,更大信息传递量和更高信息安全保障,有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多,其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码,通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算,自旋测量是由自旋极化电子电流来完成,计算机要工作在mK的低温下。

这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外,为了避免杂质对磷核自旋的干扰,必需使用高纯(无杂质)和不存在核自旋不等于零的硅同位素(29Si)的硅单晶;减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输,处理和存储过程中可能因环境的耦合(干扰),而从量子叠加态演化成经典的混合态,即所谓失去相干,特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。

5发展我国半导体材料的几点建议

鉴于我国目前的工业基础,国力和半导体材料的发展水平,提出以下发展建议供参考。

5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位

至少到本世纪中叶都不会改变,至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片,然而都未形成稳定的批量生产能力,更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力,首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发,在“十五”的后期,争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化,并有6~8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右,我国应有8~12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力;更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外,硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视,只有这样,才能逐步改观我国微电子技术的落后局面,进入世界发达国家之林。

5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议

GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后,没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下,并争取企业介入,建立我国自己的研究、开发和生产联合体,取各家之长,分工协作,到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的,到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2-3吨/年的SI-GaAs和3-5吨/年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力,以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年,应当实现4英寸GaAs生产线的国产化,并具有满足6英寸线的供片能力。

5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议

(1)超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发,应以三基色(超高亮度红、绿和蓝光)材料和光通信材料为主攻方向,并兼顾新一代微电子器件和电路的需求,加强MBE和MOCVD两个基地的建设,引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs/GaAs,InGaAlP/InGaP,GaN基蓝绿光材料,InGaAs/InP和InGaAsP/InP等材料体系的实用化研究是当务之急,争取在“十五”末,能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年,每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。

宽带隙高温半导体材料如SiC,GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点,分别做好研究与开发工作。

(2)一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件,目前虽然仍处在预研阶段,但极其重要,极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步,而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而,集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是,“十五”末,在半导体量子线、量子点材料制备,量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平;2010年在有实用化前景的量子点激光器,量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面,达到国际先进水平,并在国际该领域占有一席之地。可以预料,它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。

半导体材料论文范文2

[关键词]半导体;晶体管;超晶格

中图分类号:O47

文献标识码:A

文章编号:1006-0278(2013)08-185-01

一、半导体物理的发展

(一)半导体物理早期发展阶段

20世纪30年代初,人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态。1928年布洛赫提出著名的布洛赫定理,同时发展完善固体的能带理论。1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据,由此奠定半导体物理理论基础。到了20世纪40年代,贝尔实验室开始积极进行半导体研究,且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿。1947年12月,布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功。1948年6月,肖克利研制结接触晶体管。这三位科学家做出杰出贡献,使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌,也是社会工业化发展的必然结果。早在20世纪30年代,生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能,但没有电子管里的灯丝,这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间,这会延长工作启动过程。因此,贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点,考虑研究半导体能取代电子管的可能性,从而提出关于半导体三极管设想。直到1947,他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件,它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成,称之为点接触晶体管。之后,贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功。20世纪50年代,晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开。到了20世纪60年代,半导体物理发展达到成熟和推广时期,在此基础上迎来微处理器与集成电路的发明,这为信息时代到来铺平道路。1958年,安德森提出局域态理论,开创无序系统研究新局面,这也为非晶态半导体物理奠定基础。1967年,Grove等人对半导体表面物理研究已取得重要进展,并使得Si-MOS集成电路稳定性能得以提高。1969年,江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半导体超晶格。正是在半导体超晶格研究中,冯·克利青发现整数量子霍尔效应。在1982年,崔琦等发现了分数量子霍尔效应,这一系列物理现象的发现正揭开现代半导体物理发展序幕。

(二)半导体超晶格物理的发展

建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然。之后,人们对各种规则晶体材料性能有相当认识,从而开创以能带理论作为基础的半导体物理体系,也借助其来解释出现的一系列现象。1969年与1976年的分子束外延和金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命。随微加工技术的逐步发展,加之超净工作条件的建立,实现了晶体的低速率生长,也使人们能创造高质量的异质结构,同时为新型半导体器件设计及应用奠定技术基础。1969年,江崎和朱兆祥第一次提出“超晶格”概念,这里“超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性。1971年,卓以和利用分子束外延技术生长出第一个超晶格材料。从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半导体材料研究序幕。

二、半导体物理的启示

综上所述,文章简单地对半导体物理的一个发展历程进行了回顾,并可以从中得到以下几点启示:

(一)半导体物理的发展一直与科学实验与工业技术应用紧密联系

20世纪30年代之前,人们已经制成整流器、检波器、光电探测器等半导体器件,同时在实验中发现金属——半导体的接触材料上一些导电特性,可是无法理解这其中的物理机理。一直到能带理论建立后,基础建立起金属——半导体接触理论。随后,在实验过程中却发现该理论与实验测量是有出入的,又提出半导体表面态理论。正由于考虑到半导体表面态影响,贝尔实验室才能成功研制晶体管,这又促进半导体物理发展。不难发现,半导体物理的发展与实验是离不开的,因新的实验结论推动相应理论的建立,而理论发展又会反过来去指导实验的研究。19世纪30年代法拉第发现电磁感应定律,这为电力的广泛应用奠定理论基础,架起电能和机械能相互转化的桥梁,为第二次工业革命铺路。晶体管的成功研制,大规模与超大规模集成电路出现,导致第三次工业革命。这都是涉及信息技术、新材料技术、新能源技术、空间技术和生物技术等众多领域的一场信息技术革命。

半导体材料论文范文3

关键词:半导体器件;物理;教学改革

半导体器件物理是微电子学、电子科学与技术等专业的重要专业基础课程,也是应用型本科院校培养新兴光电产业所需的应用技术人才必备的理论与实践基础课程。该课程是连接半导体材料性质和器件应用的桥梁学科,在新兴产业应用技术人才的知识结构中具有重要的基础地位。因此,探讨教学中存在的问题,改革教学的方式方法具有重要意义。

一、课堂教学中产生的问题及原因分析

1.学生听课效率低,学习兴趣淡薄,考试成绩低

以某大学光电行业方向工科专业近三年半导体器件物理考试成绩分布情况为例,表1中近三年学生成绩均显示出60分左右的人数最多,以60分为原点,其高分和低分两侧的人数呈现出逐渐降低的正态分布。从表1中还可以看出,成绩低分人数逐年增多,成绩偏离理想状况较多。

2.针对问题分析原因

导致表1结果的原因有以下三方面:

(1)学生的物理基础参差不齐,知识结构存在断层

近年来,由于高考制度的改革,部分学生参加高考时未选报物理,物理仅作为会考科目使得相当一部分高中学生轻视物理的学习。当学生进入大学,有些专业大学物理成为必修课,由于学生高中物理基础差别很大,因此,同一班级的学生物理学习能力就表现得参差不齐。

对于一般工科专业的学生(包括面向新兴光电产业的工科专业)来说,他们大二或大三开始学习半导体器件物理课程(或半导体物理课程)时,他们的物理基础只有在高中学过的普通物理和大学学过大学物理,其内容也仅涉及经典物理学中的力学、热学、电学和光学的基本规律,而近代物理中的实物粒子的波粒二象性、原子中电子分布和原子跃迁的基本规律、微观粒子的薛定谔方程和固体物理的基本理论均未涉及。半导体器件物理课程的接受对象,不仅在物理基础上参差不齐,而且在物理知识结构上还存在断层,这给该课程的教和学增加了难度。

另外,即使增加学习该门课程所必需的近代物理、量子物理初步知识和固体物理的基础内容,但由于课程课时的限制,也决定了该课程在学习时存在较大的知识跨度,很多学生难以跟上进度。

(2)课程理论性强,较难理解的知识点集中

半导体器件物理课程以半导体材料的基本性质和应用为基本内容,内容编排上从理想本征半导体的性质和半导体的掺杂改性,到P型半导体和N型半导体结合形成半导体器件的核心单元,再到各种PN结的设计和控制,采取层层推进的方式,逻辑严密,理论性强,对学生的要求也高,每一部分的核心内容都要扎实掌握才能跟上学习的进度。同时,在各章内容讲解过程中几乎都有若干较难的知识点,如本征半导体性质部分的有效质量、空穴的概念、能带的形成、导带和价带的概念等;半导体掺杂改性部分的施主、受主、施主能级、受主能级、半导体中的载流子分布规律、平衡载流子和非平衡载流子以及载流子的漂移和扩散运动;简单PN结部分的平衡PN结、非平衡PN结、PN结的能带和工作原理;不同专业在PN结的设计和控制这部分会根据所设专业选取不同的章节进行学习,面向光电行业的本科专业则通常选取半导体的光学性质和发光这部分来讲授,该部分包含半导体的跃迁类型,以及半导体光生伏特效应和发光二极管等的工作原理。这些知识点分布集中,环环相套,步步递进,因此理解难度较大。

(3)学习态度不端正的现象普遍存在

近几年,在社会大环境的影响下,学习态度不端正现象在本科各专业学生中普遍存在。无故迟到旷课情况经常发生,作业抄袭现象严重,学生独立思考积极性差。电子产品的普及也严重影响到了学生上课的积极性,很多学生成了手机控,即使坐在课堂上也频频看手机、上网。有些学生上课连课本都不带,更谈不上用记录本记录重点、难点。特别是半导体器件物理这门课程涉及的知识点密集,重点、难点较多,知识连贯性要求高,如果一些知识点漏掉了,前后可能就连贯不起来,容易使疑难问题堆积起来,对于不认真听讲的部分学生来说,很快就跟不上进度了。另外,学生畏难情绪较严重,课下也不注意复习答疑,迎难而上的精神十分少见。俗话说,“师傅领进门,修行在个人。”在课时紧张、学生积极性差、课程理论性强等多重因素影响下,教师的单方面努力很难提高课堂教学效率。

二、改进方法的探讨

针对教学过程中发现的问题,本文从教学方法和教学手段两个方面入手来探讨该课程教学的改进。

1.教学方法的改革

半导体器件物理课程教学改革以建设完整的半导体理论体系和实践应用体系为目标,一方面,着重在教学观念、教学内容、教学方法、教师队伍、教学管理和教材方面进行建设和改革,形成适合应用型本科专业学生的课程体系。另一方面,我国本科院校正处于教育的转型发展时期,围绕应用型人才培养目标,按照“专业设置与产业需求相对接、课程内容与职业标准相对接、教学过程与生产过程相对接”的原则,半导体器件物理课程改革重视基础知识和基本技能教学,力争构建以能力为本的课程体系,做到与时俱进。本课程改革具体体现在以下六个方面:

(1)转变教学观念

改变传统向学生灌输理论知识的教学观念,以学习与新兴行业相关的基础知识和关键应用技术为导向,确定该课程在整个专业课程体系中承上启下的基础性地位,在教学观念上采取不求深,但求透的理念。

(2)组织教学内容

为构建以能力为本的课程体系,本课程改革在重视基础知识和基本技能的教学、合理构建应用型人才的知识体系的同时,力争使学生了解半导体器件制作和应用的职业标准及其发展的热点问题,并积极实现“产学研”一体化的教学模式,故此本课程改革分几个层次组织教学内容。

第一层次为基础知识铺垫。为解决学生知识结构不完整的问题,在讲授半导体器件物理之前要进行固体物理学课程知识的铺垫,还要增加近论物理学知识,如原子物理和量子力学的知识,为学生构建完整的知识框架,降低认知落差。

第二层次为半导体物理基本理论,也是本课程的主体部分。包括单一半导体材料的基本性质、半导体PN结的工作原理、常见半导体结构的工作原理和半导体的光电及发光现象和应用。

第三层次为课内开放性实验。在理工科学生必修的基础物理实验项目(如“电阻应变传感器”、“太阳电池伏安特性测量”、“光电传感器基本特性测量”、“霍尔效应及其应用”等)的基础上,结合专业方向设置若干实验让学生了解半导体电子和光电器件的类型、结构、工作原理及制作的工艺流程以及职业要求和标准,还有行业热点问题,激发其学习兴趣,提高动手能力和实践能力。

第四层次为开展课题式实践教育,实现“产学研”一体化。为解决传统教学理论和实践脱节问题,以基础物理实验项目和针对各专业方向设置的与半导体器件应用相关的实验项目为实践基础,开展大学生科技创新活动,鼓励学生利用课余时间进入实验室和工厂企业,利用已学理论对行业热点问题进行思考和探究,加强实践教学。

(3)调整教学方法

一方面,要正确处理物理模型和数学分析的关系,不追求公式推导的严密性,强调对物理结论的正确理解和应用。另一方面,充分利用现代化的教学设施和手段,变抽象为具体,化枯燥为生动,采用讨论式、启发式和探究式教学,调动学生积极性和主动性。

(4)建设教学队伍

对国内知名院校的相关专业进行考察和调研,学习先进教学理念和教学方法,邀请国内外相关专业的专家进行讲座,邀请企业高级技术人才和管理人才作为兼职教授来为学生讲授当前最前沿、最先进的技术及产品,并参与教学大纲及教学内容的修订。另外,鼓励教师团队充分利用产学研践习的机会深入企业,提高教师队伍的实践经验和综合素质,为培养双师型教师打下基础。

(5)完善教材体系

教材是保证教学质量的重要环节,也是提高专业教学水平的有效方法。针对理工科专业特色方向及学生培养的目标,除选用经典的部级规划教材――《半导体物理学》以外,还组织精干力量编写专业特色方向的相关教材,以形成完善的半导体理论和实践相结合的教材体系,在教材中融入学校及专业特色,注重理论和实践相结合,增加案例分析,体现学以致用。

(6)加强教学管理

良好的教学管理是提高教学质量的必要手段。首先根据学生特点以及本课程的教学目标合理制订教学大纲及教学计划。在授课过程中充分发挥学生主体作用,积极与学生交流,了解学生现状,建立学生评价体系,改进教学方法、教学手段及教学内容等,提高教学质量。

2.教学手段改革

(1)采用类比的教学方法

课堂上将深奥理论知识与现实中可比事物进行类比,让学生易于理解基本理论。例如,在讲半导体能带中电子浓度计算时,将教室中一排排桌椅类比为能带中的能级,将不规则就座的学生类比为占据能级的电子,计算导带中电子的浓度类比为计算教室中各排上学生数量总和再除以教室体积。让学生从现实生活中找出例子与抽象的半导体理论进行形象化类比,帮助学生理解半导体的基本概念和理论。

(2)采用理论实践相结合的方法

在教学中时刻注意理论联系实际的教学方法,例如,根据学生专业方向,在讲述宽带隙半导体材料的发光性能时,给学生总结介绍了LED芯片材料的类型和对应的发光波长,让学生体会到材料性质是器件应用的基础。

(3)构建网上学习系统

建立纸质、网络教学资源的一体化体系,及时更新、充实课程资源与信息,通过网络平台建设,实现课程的网络辅助教学和优秀资源共享。这些资源包括与本课程相关的教学大纲、教材、多媒体课件、教学示范、习题、习题答案、参考文献、学生作业及半导体行业发展前沿技术讲座等。

(4)开展综合创新的实践

充分利用现有的实验条件,为学生提供实践条件。同时积极开拓校外实践基地,加强校企合作,为学生实习、实践提供良好的平台,使课程教学和实践紧密结合。鼓励学生根据所学内容,与教师科研结合,申请大学生创新项目,以提高学生实践创新能力及应用能力。

(5)改革考核体制

改变传统以闭卷考试为主的考核方式,在考核体制上采取闭卷、讨论、答辩和小论文等多种评价方式,多角度衡量、综合评定教学效果。

参考文献:

[1]刘秋香,王银海,赵韦人,等.“半导体物理学”课程教学实践与探索[J].广东工业大学学报(社会科学版),2010(10):87-88,94.

[2]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.

[3]王印月,赵猛.改革半导体课程教学融入研究性学习思想[J].高等理科教育,2003,47(1):69-71.

半导体材料论文范文4

关键词:光电材料导论 教学内容 教学方法 课程考核

中图分类号:TN204 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2014)04(a)-0128-01

《光电材料导论》是我校无机非金属材料专业2013年开设的专业课程。开设这门课程的原因是:(1)国家在十二五规划中提出了重点发展的七大战略性新兴产业,其中之一的的新材料产业包含了功能材料,而光电材料是功能材料的一种;(2)我校的无机非金属材料教研室的很多老师从事光电材料相关的研究,具备开设这门课程的师资力量。所以在课程的教学内容的选材方面,我们会着重从这两个方面考虑。而教学方法会利用现在的多媒体技术,与传统的板书相结合,让学生更加形象生动的加深对知识的理解[1]。

1 教学内容的选材

在教学内容的选材方面,我们综合考虑了以下几个因素:

首先,学生必须能够有所学,开设一门课程才是有意义的。光电材料是功能材料的一种,为了便于学生循序渐进地吸收理解光电材料的专业知识点,教学内容分成三个方面:光功能材料、电功能材料、光电材料及器件。首先,讲解光功能材料和电功能材料方面的知识点,在具有这些知识的基础上,再讲解光电材料及器件方面的知识,学生们就比较容易理解。

其次,我们结合现在的就业情况及研究热点。我们设置的教学内容,既考虑了学生们以后的就业,也考虑到想进一步深造读研究生的学生们的研究工作。光功能材料方面的教学内容包含了激光材料、发光材料、红外材料及光纤材料。电功能材料方面的教学内容包含了导电材料、半导体材料、介电材料、铁电材料及超导材料,其实半导体材料也是一种导电材料,之所以把半导体材料单独作为一个章节,是因为半导体材料是太阳能电池和LED照明灯的核心材料,这也是为后面的光电材料及器件的讲解做铺垫。光电材料及器件方面的教学内容包含了光电子发射材料、光电导材料、透明导电薄膜材料、光伏材料与太阳能电池及光电显示材料。

2 教学方法的探索

光电材料的内容更新很快,现在的学生不仅应该掌握传统基础的材料知识,更应该掌握最新的知识点,更应该了解光电材料的最新研究进展,而使用多媒体教学能够及时地更新课件的内容,使得教学内容能够跟上最新的研究成果[2],也能让学生及时了解学习最新的材料知识。

多媒体教学还有助于激发学生学习的兴趣[3],因为它在视觉上能够让学生很直观的学习知识,比如:太阳能电池的工作原理,我们可以在Powerpoint(PPT)上给出太阳能电池工作原理图,然后再对照图给学生详细讲解其原理,学生将更深刻的理解其原理。再比如,在讲解光纤的传输原理时,可以通过多媒体技术使用动画,让学生很直观地了解光纤的原理。

但是多媒体教学应该和传统的板书结合起来,因为有些知识仅仅通过多媒体展示,学生可能比较难理解,还需要老师再次将其中的重点和难点板书出来详细讲解,同时也可以加深同学的印象。

同时,我们在整个的教学过程中,采用的是启发式及提问式的教学方法。通过对学生进行提问,启发学生自主思考,加深学生对知识点的理解。

3 课程考核方式的选择

课程考核的成绩包含两个方面,一个是平时成绩的考核,一个是期末成绩的考核。

平时成绩的考核,我们通过上课提问、课后习题、出勤率等方面进行考核。上课提问可以考查学生对上节课内容的掌握程度,还可以考查学生是否认真听讲、是否认真思考问题。课后习题包括两个方面,一个是对课上内容的考查,帮助学生巩固课上知识,另一个是对课外知识的拓展,督促学生课后查阅文献,培养学生的学习能力。

期末成绩的考核,我们采用撰写科技论文的形式进行考核。《光电材料导论》开设在大四上学期,总共24个课时。因为光电材料的内容更新比较快,而教学课时比较有限,通过撰写科技论文的形式,既可以督促学生去更全面的了解光电材料最新的研究进展,又可以锻炼学生查阅文献的能力,培养学生总结文献的能力,有利于大四学生在下学期更快进入本科毕业论文的工作。

4 需要改进的地方

作为本专业开设的新课,在教学的探索与实践过程中,肯定存在一些不足,有很多地方需要我们去反省和改进。我们自己对此进行了总结,具体包括以下三个方面:

(1)在多媒体教学过程中,我们不仅只是使用了PPT这个软件,还应该引入视频,比如,在讲解使用直拉法制备单晶硅时,就可以引入一段视频,让学生更直观地了解使用直拉法是如何制备单晶硅的。

(2)在教学的过程中,我们还应该出示实物,让学生能够直接接触,加深印象。可以出示实物包括光纤、发光二极管LED,单晶硅片和多晶硅片(这时,还可以教学生从宏观上如何分辨单晶硅片和非晶硅片)、ITO玻璃、闪锌矿及纤锌矿结构模型等,不但增强生学习光电材料的兴趣,而且让他们对光电材料实体有直接的感性认识[4]。

(3)在教学过程中,我们还应该加入两个学时的讨论课,老师布置一个题目,让学生课后准备,几个学生一组,进行资料搜集与整理,然后让一个学生做代表,在讨论课上做PPT报告,其他组的学生进行提问,作报告的学生做解答。同时这个也要纳入平时成绩中,占总成绩的20%。

5 结语

本文从教学内容、教学方法及课程考核等三个方面对我校无机非金属材料专业新开设的《光电材料导论》课程教学进行了思考、初步探索与实践。在教学内容方面,我们结合了现在的就业情况及研究热点,既考虑了学生们以后的就业问题,也考虑到想进一步深造读研究生的学生们的研究工作。在教学方法方面,我们利用多媒体技术与板书结合,同时还采用了启发式与提问式的教学方法。在课程考核方面,包含平时成绩的考核和期末成绩的考核,通过了上课提问、课后习题、出勤率等方面进行平时成绩的考核;采用了撰写科技论文的形式进行了期末成绩的考核。同时,我们还总结了课程教学中还需要改进的地方,希望在以后的教学中能够取得更好的效果。

参考文献

[1] 段海宝.关于新型功能材料课程教学的思考[J].中国教育技术装备,2012(33).

[2] 王俊,飞,苏娟,等.浅析多媒体在《功能材料》课程教学中的应用[J].内蒙古农业大学学报(社会科学版),2013(1).

半导体材料论文范文5

关键词:半刚性基层沥青路面结构设计 破坏机理

半刚性沥青混凝土路面是由半刚性材料底基层半刚性材料基层和沥青面层构成的路面结构形式。其特点是路面强度高、稳定性好且刚性大,已成为城市道路和公路路面结构的主要形式。客观认识半刚性基层沥青路面的早期破坏现象,分析其原因,研究对策是当前必须面临的问题。

1. 半刚性基层沥青路面的早期破坏及原因分析

半刚性基层的早期破坏首先跟基层材料不同地区的性质差异性、材料自身的温度敏感性、干湿缩裂性等相关,同时施工过程质量达不到设计或规范要求,抢赶工期养护不足,也是引起建成后路面早期破坏的原因之一。对结构设计方面也存在一定问题,主要表现:相关规范规定模糊,设计习惯上不重视基层和底基层材料的组成设计;设计过程对使用期超载超限估计不足;规范设计控制指标的不完善。

沥青路面结构设计规范对目前高速重载条件下的适用性及改进方法考虑不多,设计指标的确定仍是值得商榷。设计方法虽然采用了多个控制指标,但由于材料参数的选取比较宽泛,导致实际起控制作用的指标一般仅为一个,对路面结构组合设计的指导性较差。往往材料强度能够满足规范的要求,但路面的非正常损坏依然非常普遍。

2. 半刚性基层沥青路面设计分析

2.1 半刚性沥青路面设计理论

我国现行的路面结构设计理论是建立在弹性层状体系理论的基础上,以设计年限内的换算当量轴载作为交通量指标,按照路面损伤等效的原理确定容许弯沉和破坏应力,利用疲劳破坏的模式设计结构层厚度。在设计理论上是假定一个沥青层厚度,以基层作为承重层设计其厚度。

2.2 半刚性沥青路面设计理论存在的问题分析

沥青路面设计规范在结构层设计和验算沥青层底拉应力时,假设路面各层面之间的界面处于完全连续状态。而实际上层面间往往处于连续和滑动之间的一种边界条件下,使设计和验算力学结构失去意思。规范中弹性层状体系理论是在完全连续状态的假设进行计算,沥青面层底部始终处于受压状态,其弯拉应力验算失去意义,弯沉成为路面设计的唯一指标,不能正确的反映路面的使用状况。当沥青面层的平整度增大时,重车及超载车在行驶过程中所产生的冲击荷载对路面的寿命影响不可忽视,按照规范的规定计算荷载应力、反算路面寿命已没有实际意义。

2.2.1 现行沥青路面设计方法不能控制半刚性基层沥青路面的疲劳损坏

许多计算分析表明,应用现行规范的设计方法和参数设计的半刚性基层沥青路面,在满足设计弯沉要求后,沥青面层几乎完全处于受压状态,底面拉应力验算指标几乎都符合设计要求,设计时难起作用;而半刚性基层或底基层底面的拉应力通常都比其疲劳强度小很多,这一验算指标在设计中也实际上不起作用。因此,表面弯沉值事实上成了唯一的设计或控制指标。然而,许多半刚性基层沥青路面在弯沉值很小的情况下产生了早期疲劳损坏,这与设计理论相矛盾,因此,现行沥青路面设计方法对控制半刚性基层沥青路面的疲劳损坏还是存在一定的问题。

2.2.2 现行设计弯沉指标不能完全反映路面实际质量情况

在荷载轻、交通量小,即路面等级低、结构单一的情况下,采用路表弯沉值作为路面结构设计的指标,不失为一种简便的对策。而对于承受重载的高等级路面来说,路面结构层组合和材料类型都可选用不同的方案,呈现出多样化,而按现行规范,仍采用路表弯沉值作为主要设计指标,便会暴露出它的不足,并会得到矛盾或不协调的设计结果。对于不同种类的路面结构(不同的结构层组合和材料类型),路表弯沉值大的路面结构,其承载能力或使用寿命并不一定会比路表弯沉值小的路面结构差;反之亦然。因而,不能仅依据这一指标值判断出路面结构的承载能力,或者比较出不同路面结构的承载能力的高低。

考虑沥青路面结构体系比较复杂,是以层状结构支撑在无限深的路基上,各层材料性质多变,实际具有弹―粘―塑和各向异性,特别还受到周围环境的气候、水文、地质的影响;作用在路面上汽车荷载的轻、重、多、少以及分布不均匀等。所有这些因素都造成了试图建立一个精确的、通用的路面结构设计数学模型几乎是不可能的,现行采用的路面设计理论是经过某些假定、简化过程的半理论、半经验的设计方法,在实际应用中出现偏差和问题是在所难免,需要设计过程再针对性进行修正设计。

2.2.3 难以准确预测交通量,按规范进行轴载换算无法准确定量转换

在实际项目的设计过程中,指标的选取存在诸多问题,设计前期往往交通观测资料不足,且基本无轴载调查资料,使目前路面结构设计难有可靠、准确的依据,而交通增长率的确定往往受当时政治、经济环境的影响;结构计算代表车型的选定各不相同,对同一条路,不同的代表车型比例选定结果可导致计算累积轴次相差数倍;超载和实载率的影响参数往往在项目所在地缺少本地研究资料,参数难以确定。以上问题的存在往往导致路面结构计算容易变成数字游戏,很难核查路面结构的合理性,对路面建成后的使用寿命也难以正确判断。

2.2.4 半刚性材料设计参数往往与实际材料参数不符

我国幅员辽阔,各地区路面材料性质不尽相同,公路沥青路面设计规范中提供了材料设计参数的取值范围,并不能完全、详细和准确地反映各地土基回弹模量取值的实际水平。目前国内绝大多数地区在道路设计中对材料参数的选取,不是对本地区材料设计参数进行实测并在对实测数据论证后确定,而是依靠查规范推荐值来确定。因此,材料设计参数取值的准确性不能有效保证。半刚性材料设计参数推荐值与实际值不符,出现这种偏差势必会影响到路面结构设计的整体品质,造成路面结构设计的不合理。

3. 半刚性沥青路面设计方法改进

3.1 设计指标的补充完善

目前,半刚性基层沥青路面的表面回弹弯沉较小,即使在路面产生损坏后其弯沉也远小于设计弯沉,由于设计弯沉为回弹弯沉,反映了材料和结构的弹性部分。而车辙是材料的塑性变形累积,显然仅用设计回弹弯沉是不能有效地控制路表车辙的。因此,设计过程应考虑增加沥青路面的车辙设计指标。双层式沥青混凝土层主要以其车辙量作为设计指标,设计应保证其在受压状态(包括考虑界面滑动时);三层式沥青混凝土层的上两层应处于受压状态,下层沥青混凝土设计指标除考虑其对车辙的贡献量外,应验算其疲劳寿命。基层、底基层的结构设计指标以疲劳开裂为设计指标。土基设计指标以其对路面结构车辙贡献量为指标,可通过土基CBR值或回弹模量与变形累积的关系推算土基车辙贡献量与CBR 回弹模量的关系,从而将设计指标简化为不利季节的土基CBR值或回弹模量。在计算三层式沥青混凝土下层的拉应力或拉应变、半刚性基层底基层底的拉应力或拉应变时应假定沥青混凝土层与基层界面滑动。

3.2 路面结构组合设计建议

(1)面层类型选择

沥青表面层应该具有良好的温度稳定性、抗裂性能、抗温度疲劳裂缝和不透水性的能力。需要采用优质沥青和磨光值高、耐磨耗及抗压碎能力强的碎石做表面层。结构层的厚度与最大粒径之比应控制在大于或等于2。同时,在整个沥青面层中,表面层的抗永久形变能力较差,而表面层对石料的要求较高,甚至要用优质石料,因而从技术和经济两方面考虑表面层不宜过厚,建议结构层的厚度与最大粒径之比应控制在不大于4;细粒式沥青混凝土层或沥青玛蹄脂碎石混合料层的厚度一般采用4 cm。

沥青路面的中面层和底面层的设计应充分考虑沥青混合料的抗永久变形能力(车辙),即沥青混合料的高温稳定性。这是因为车辙可能发生在表面层。也可能发生在中下面层;这与荷载的大小、厚度有很大关系。荷载越大,荷载的影响深度也越大,中下面层产生车辙的可能性就越大。尤其对重载路面,仅仅在表面层上下功夫可能达不到目的,必须重视中、下面层的设计。中面层推荐采用中粒式沥青混凝土,建议厚度5~7cm;下面层推荐粗粒式沥青混凝土和沥青碎石两种类型,经方案比较后选用,建议厚度分别为8~9cm和10cm。

(2)基层类型及材料的选择

基层是主要承受竖直应力的承重层。基层的强弱和好坏对整个路面,特别是对沥青路面的强度、使用品质和使用寿命都有十分重要的影响。因此,作为路面的基层,必须具备有足够的强度和刚度、水稳定性、抗冲刷能力、收缩性小、平整度和与面层结台良好等基本条件。沥青路面的整体承载力完全可以通过半刚性基层材料予以满足,沥青面层仅起功能性作用。当半刚性基层达到一定的厚度时,增加沥青路面的厚度对路面整体承载力提高很少。有关资料表明沥青路面厚度从9cm增加到15cm对路面整体承载力无影响。就强度和刚度、水稳定性、抗冲刷能力、收缩性来说目前使用水泥稳定粒料较常见。

(3)底基层类型及材料的选择

底基层是主要承受竖向应力的次承重层。底基层的强弱和好坏对整个路面,特别是沥青路面的强度、使用品质和使用寿命都有十分重要的影响。因此,作为路面的底基层,必须具备足够的强度、水稳定性、抗冲刷能力等基本条件。根据工程的实际情况和当地材料实际情况,建议采用水稳碎石或级配碎石做底基层,作为半刚性基层和路基的过渡层。

4. 结语

本文在对半刚性基层沥青路面早期病害进行调研的基础上,分析半刚性沥青路面早期破坏的机理及原因。重点分析半刚性沥青路面的设计规范存在的问题,提出改进设计方法,从设计角度提出预防半刚性基层沥青路面早期破坏的措施。

参考文献:

[1] 王敬飞. 半刚性基层沥青路面早期破坏分析及对策,青海交通科技,2005 (2).

[2] 孙文香,厚荣,春雷.半刚性基层沥青路面早期破坏机理及防治措施,交通科技,2005(6)

半导体材料论文范文6

关键词:电子科学与技术;实验教学体系;微电子人才

作者简介:周远明(1984-),男,湖北仙桃人,湖北工业大学电气与电子工程学院,讲师;梅菲(1980-),女,湖北武汉人,湖北工业大学电气与电子工程学院,副教授。(湖北 武汉 430068)

中图分类号:G642.423 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2013)29-0089-02

电子科学与技术是一个理论和应用性都很强的专业,因此人才培养必须坚持“理论联系实际”的原则。专业实验教学是培养学生实践能力和创新能力的重要教学环节,对于学生综合素质的培养具有不可替代的作用,是高等学校培养人才这一系统工程中的一个重要环节。[1,2]

一、学科背景及问题分析

1.学科背景

21世纪被称为信息时代,信息科学的基础是微电子技术,它属于教育部本科专业目录中的一级学科“电子科学与技术”。微电子技术一般是指以集成电路技术为代表,制造和使用微小型电子元器件和电路,实现电子系统功能的新型技术学科,主要涉及研究集成电路的设计、制造、封装相关的技术与工艺。[3]由于实现信息化的网络、计算机和各种电子设备的基础是集成电路,因此微电子技术是电子信息技术的核心技术和战略性技术,是信息社会的基石。此外,从地方发展来看,武汉东湖高新区正在全力推进国家光电子信息产业基地建设,形成了以光通信、移动通信为主导,激光、光电显示、光伏及半导体照明、集成电路等竞相发展的产业格局,电子信息产业在湖北省经济建设中的地位日益突出,而区域经济发展对人才的素质也提出了更高的要求。

湖北工业大学电子科学与技术专业成立于2007年,完全适应国家、地区经济和产业发展过程中对人才的需求,建设专业方向为微电子技术,毕业生可以从事电子元器件、集成电路和光电子器件、系统(激光器、太能电池、发光二极管等)的设计、制造、封装、测试以及相应的新产品、新技术、新工艺的研究与开发等相关工作。电子科学与技术专业自成立以来,始终坚持以微电子产业的人才需求为牵引,遵循微电子科学的内在客观规律和发展脉络,坚持理论教学与实验教学紧密结合,致力于培养基础扎实、知识面广、实践能力强、综合素质高的微电子专门人才,以满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。

2.存在的问题与影响分析

电子科学与技术是一个理论和应用性都很强的专业,因此培养创新型和实用型人才必须坚持“理论联系实际”的原则。要想培养合格的应用型人才,就必须建设配套的实验教学平台。然而目前人才培养有“产学研”脱节的趋势,学生参与实践活动不论是在时间上还是在空间上都较少。建立完善的专业实验教学体系是电子科学与技术专业可持续发展的客观前提。

二、建设思路

电子科学与技术专业实验教学体系包括基础课程实验平台和专业课程实验平台。基础课程实验平台主要包括大学物理实验、电子实验和计算机类实验;专业课程实验平台即微电子实验中心,是本文要重点介绍的部分。在实验教学体系探索过程中重点考虑到以下几个方面的问题:

第一,突出“厚基础、宽口径、重应用、强创新”的微电子人才培养理念。微电子人才既要求具备扎实的理论基础(包括基础物理、固体物理、器件物理、集成电路设计、微电子工艺原理等),又要求具有较宽广的系统知识(包括计算机、通信、信息处理等基础知识),同时还要具备较强的实践创新能力。因此微电子实验教学环节强调基础理论与实践能力的紧密结合,同时兼顾本学科实践能力与创新能力的协同训练,将培养具有创新能力和竞争力的高素质人才作为实验教学改革的目标。

第二,构建科学合理的微电子实验教学体系,将“物理实验”、“计算机类实验”、“专业基础实验”、“微电子工艺”、“光电子器件”、“半导体器件课程设计”、“集成电路课程设计”、“微电子专业实验”、“集成电路专业实验”、“生产实习”和“毕业设计”等实验实践环节紧密结合,相互贯通,有机衔接,搭建以提高实践应用能力和创新能力为主体的“基本实验技能训练实践应用能力训练创新能力训练”实践教学体系。

第三,兼顾半导体工艺与集成电路设计对人才的不同要求。半导体的产业链涉及到设计、材料、工艺、封装、测试等不同领域,各个领域对人才的要求既有共性,也有个性。为了扩展大学生知识和技能的适应范围,实验教学必须涵盖微电子技术的主要方面,特别是目前人才需求最为迫切的集成电路设计和半导体工艺两个领域。

第四,实验教学与科学研究紧密结合,推动实验教学的内容和形式与国内外科技同步发展。倡导教学与科研协调发展,教研相长,鼓励教师将科研成果及时融化到教学内容之中,以此提升实验教学质量。

三、建设内容

微电子是现代电子信息产业的基石,是我国高新技术发展的重中之重,但我国微电子技术人才紧缺,尤其是集成电路相关人才严重不足,培养高质量的微电子技术人才是我国现代化建设的迫切需要。微电子学科实践性强,培养的人才需要具备相关的测试分析技能和半导体器件、集成电路的设计、制造等综合性的实践能力及创新意识。

电子科学与技术专业将利用经费支持建设一个微电子实验教学中心,具体包括四个教学实验室:半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析实验室、微电子器件和集成电路性能参数测试与应用实验室、集成电路设计实验室、科技创新实践实验室。使学生具备半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析、微电子器件、光电器件参数测试与应用、集成电路设计、LED封装测试等方面的实践动手和设计能力,巩固和强化现代微电子技术和集成电路设计相关知识,提升学生在微电子技术领域的竞争力,培养学生具备半导体材料、器件、集成电路等基本物理与电学属性的测试分析能力。同时,本实验平台主要服务的本科专业为“电子科学与技术”,同时可以承担“通信工程”、“电子信息工程”、“计算机科学与技术”、“电子信息科学与技术”、“材料科学与工程”、“光信息科学与技术”等10余个本科专业的部分实践教学任务。

(1)半导体材料特性与微电子技术工艺参数测试分析实验室侧重于半导体材料基本属性的测试与分析方法,目的是加深学生对半导体基本理论的理解,掌握相关的测试方法与技能,包括半导体材料层错位错观测、半导体材料电阻率的四探针法测量及其EXCEL数据处理、半导体材料的霍尔效应测试、半导体少数载流子寿命测量、高频MOS C-V特性测试、PN结显示与结深测量、椭偏法测量薄膜厚度、PN结正向压降温度特性实验等实验项目。完成形式包括半导体专业实验课、理论课程的实验课时等。

(2)微电子器件和集成电路性能参数测试与应用实验室侧重于半导体器件与集成电路基本特性、微电子工艺参数等的测试与分析方法,目的是加深学生对半导体基本理论、器件参数与性能、工艺等的理解,掌握相关的技能,包括器件解剖分析、用图示仪测量晶体管的交(直)流参数、MOS场效应管参数的测量、晶体管参数的测量、集成运算放大器参数的测试、晶体管特征频率的测量、半导体器件实验、光伏效应实验、光电导实验、光电探测原理综合实验、光电倍增管综合实验、LD/LED光源特性实验、半导体激光器实验、电光调制实验、声光调制实验等实验项目。完成形式包括半导体专业实验课、理论课程的实验课时、课程设计、创新实践、毕业设计等。

(3)集成电路设计实验室侧重于培养学生初步掌握集成电路设计的硬件描述语言、Cadence等典型的器件与电路及工艺设计软件的使用方法、设计流程等,并通过半导体器件、模拟集成电路、数字集成电路的仿真、验证和版图设计等实践过程具备集成电路设计的能力,目的是培养学生半导体器件、集成电路的设计能力。以美国Cadence公司专业集成电路设计软件为载体,完成集成电路的电路设计、版图设计、工艺设计等训练课程。完成形式包括理论课程的实验课时、集成电路设计类课程和理论课程的上机实践等。

(4)科技创新实践实验室则向学生提供发挥他们才智的空间,为他们提供验证和实现自由命题或进行科研的软硬件条件,充分发挥他们的想象力,目的是培养学生的创新意识与能力,包括LED封装、测试与设计应用实训和光电技术创新实训。要求学生自己动手完成所设计器件或电路的研制并通过测试分析,制造出满足指标要求的器件或电路。目的是对学生进行理论联系实际的系统训练,加深对所需知识的接收与理解,初步掌握半导体器件与集成电路的设计方法和对工艺技术及流程的认知与感知。完成形式包括理论课程的实验课时、创新实践环节、生产实践、毕业设计、参与教师科研课题和部级、省级和校级的各类科技竞赛及课外科技学术活动等。

四、总结

本实验室以我国微电子科学与技术的人才需求为指引,遵循微电子科学的发展规律,通过实验教学来促进理论联系实际,培养学生的科学思维和创新意识,系统了解与掌握半导体材料、器件、集成电路的测试分析和半导体器件、集成电路的设计、工艺技术等技能,最终实现培养基础扎实、知识面宽、实践能力强、综合素质高、适应范围广的具有较强竞争力的微电子专门人才的目标,以满足我国国民经济发展和国防建设对微电子人才的迫切需求。

参考文献:

[1]刘瑞,伍登学.创建培养微电子人才教学实验基地的探索与实践[J].实验室研究与探索,2004,(5):6-9.