半导体物理教学论文范文第1篇
摘要：5G是引领未来科技发展的基础通信技术，更是经济和社会发展的基础保障。5G芯片技术及其行业发展将会是这场科技浪潮的重点。在5G和人工智能（AI）等技术促进设备连接数量和规模爆发式增长的同时，人工智能物联网（AIoT）、新型终端、新能源/无人驾驶汽车等新兴领域都对芯片技术提出了新的要求。 在传统摩尔定律下，尺寸微缩逼近物理与经济极限，新型器件、先进封装、第3代半导体等新技术和新材料将引领半导体产业走向新的产业格局。
关键词：5G；芯片；创新机遇
1 5G促进半导体产业升级
2020年4月，在中国国家发展和改革委员会的新闻发布会上，“新基建”的范围首次被明确。作为新基建七大领域之首，5G在拉动投资、促进产业升级、培育经济发展新动能等方面潜力巨大，未来将为新基建提供强大的智能引擎。
目前，5G正进入加速发展期。全球移动通信系统协会（GSMA）的最新报告显示，全球已有47个国家发布106张5G商用网络，有409家全球运营商投资5G网络。中国的5G网络建设位于全球前列。截至目前，中国累计建设的5G基站数量超过71.8万个，占全球基站总数的70%。权威机构预测，2025年中国将会有8.07亿个智能终端和80亿个物联网（IoT）连接，通信网络产业将迎来新一轮发展契机。
GSMA最新发布的《2021年全球移动经济报告》显示，到2025年底，5G连接数量将达到18亿个，约占移动连接总数的20%。
通信产业每10年发展一代。相比于2G、3G和4G，5G拥有三大业务应用场景，并且业务需求已发生重大变化[1]。5G将深入各行各业，进一步解决物与物的联接问题，促进产业的数字化转型。新需求带来端到端技术的变革，通信芯片将面临新的挑战。
（1）数据规模急剧增长
5G催生海量數据，需要提升计算力，释放数据价值。5G海量物联网的感知层、连接速率的提升和时延的降低，都将极大地驱动数据量增长。因此，通信芯片除了要具备通信功能外，还需要拥有强大的计算能力，以满足云网融合下网络架构深刻变革的需求。在“多系统、多场景、多业务”的云网业务需求和技术创新并行驱动下，云和网高度协同，互相支撑。在此背景下，云计算向着集中化和边缘计算两个方向发展，中心云向着通用化、更强的计算能力和人工智能（AI）训练能力方向发展，边缘云则向着领域定制、更高的能效和AI推理能力方向发展。网络能力架构需要以计算和联接为核心，这对通信芯片提出更高的智能化计算需求[2]。
（2）芯片设计复杂度不断增加
以基带芯片为例，5G通过复杂的编码来实现频谱利用率的提升。多通道、高频率和大带宽共同推动数据吞吐量的增加。基带芯片需要应对5G多样化的应用场景，兼顾低功耗诉求。这些都使得芯片设计变得非常复杂。
（3）上游芯片供应链面临挑战
受益于5G网络，射频前端模拟器件、面向边缘计算的高性能处理器和光器件都具有广阔的发展前景。然而，目前上游芯片供应链多样化的供应能力有待加强。部分中国厂家虽然已经具备一定的研发和生产能力，但是在产业规模商用和性能提升方面仍需要做进一步努力。
2 半导体技术创新发展趋势
由于摩尔定律效应正在放缓，为了延续指数级的进化，业界和学界都做出大量尝试。具体来看，架构设计更注重系统层面优化和单位面积效能提升。系统厂家注重垂直整合，并通过系统集成芯片来获取发展新动能，例如片上系统（SoC）和系统级封装（SIP）。晶体管微缩在未来5年内仍将持续。新材料、新封装技术的发展，为摩尔定律的延续开辟了另一条道路。
晶体管微缩接近极限，驱动业界寻找其他路径。目前，最先进的5 nm工艺制程已经实现规模量产。为持续发展先进制程并给产业发展增添信心，在进入3 nm工艺制程后，全新的全环绕栅极（GAA）晶体管将替代鳍式场效应晶体管（FinFET），以解决制造难题，推动晶体管持续微缩。同时，设计工艺协同优化（DTCO）、系统工艺协同优化（STCO）等协同技术的引入，使得摩尔定律效应在未来5年仍得以延续。
然而，有数据显示，先进工艺达到28 nm以后，将进入一个新的拐点：设计费用和单位芯片成本不降反升。一个5 nm工艺SoC芯片的设计费用，是16 nm工艺SoC芯片设计费用的5倍。高昂的设计费用和低良率问题，驱动着行业寻找其他路径。
高级封装技术将成为性能和成本持续优化的另一创新路径。灵活性和性价比也是芯片设计的重要考量因素，因此Chiplet方案获得广泛关注。Chiplet是将一块大的单芯片拆分为多个小芯片，再通过高级封装进行重组。它的优势是灵活性高、综合成本低。不同功能的Die可以选择不同的制造工艺。这种方案的Die良率更高，并且可以通过Die组合来满足不同市场需求。结合Chiplet方案，2.5D/3D高级封装技术的快速发展，将为芯片设计打开一扇新大门。
SoC架构的创新对芯片性能的提升起到关键作用。在架构设计时，设计师们需要在灵活性（可编程）和高效性（专用）之间做权衡。在多个异构处理单元组成的SoC中，领域定制SoC（DSSoC）方法有助于提升系统的开发和运行效率。DSSoC架构设计的五大技术目标包括：（1）感知计算资源和应用程序指令，跟踪芯片间和芯片内数据的智能调度；（2）采用完整、统一的工具链，提升编程效率；（3）完成应用到计算单元、内存的最优映射；（4）在计算单元之间构建低功耗、低延时的通信网络；（5）快速集成异构的计算单元。
3 企业应对策略
创新是根本，并推动产业结构优化升级。受益于5G行业市场的迅速发展，如物联网和工业智能制造等，芯片的重要性日益凸显，相关领域对芯片的需求实现突破性增长。芯片技术是5G技术的核心。对此，中兴通讯坚持以产品为中心，聚焦核心技术创新，提升产业基础集成电路（IC）能力；聚焦产品应用，借助中国通信产业市场地位发挥高水平系统技术能力；以龙头企业在系统架构上进行创新驅动，构建开放式协同创新模式，联动上下游多路径发展。中兴通讯一方面积极参与国际科技合作，采用业界先进技术持续提升竞争力；另一方面把握半导体技术由先进工艺转向先进封装/架构的技术转折点，在成熟工艺上通过系统厂家的架构设计创新，构建产业发展新生态。
参考文献
[1] 严斌峰， 袁晓静， 胡博. 5G技术发展与行业应用探讨 [J]. 中兴通讯技术， 2019， 25（6）： 34-41. DOI： 10.12142/ZTETJ.201906006
[2] 王健， 郑爽， 曹晓平. 智能硅基多维复用与处理芯片 [J]. 中兴通讯技术， 2020， 26（2）： 51-63. DOI： 10.12142/ZTETJ.202002008
作者简介
刘新阳，深圳市中兴微电子技术有限公司副总经理、中国通信学会通信专用集成电路委员会副主任委员、中国半导体行业协会集成电路设计分会理事会理事、集成电路产业技术创新战略联盟理事会理事，曾任中兴通讯股份有限公司硬件研究所副所长、微电子研究院副院长、手机终端整体解决方案产品线产品总经理；主要从事战略和技术规划、公共事务工作；拥有20余年通信集成电路设计经验，曾主持多个重大产品的研发项目，并完成产品的商用和批量交付。
半导体物理教学论文范文第2篇
摘 要：塑料封装是功率半导体器件主要的封装形式，但塑料封装的非气密性会带来潜在的可靠性问题，封装分层就是其中最常见的一种失效模式。封装分层一般是在水汽和热应力的协同作用下发生的，工作温度很高的功率器件极易发生分层。封装分层会导致键合引线脱落、芯片表面金属层或钝化层损伤、爆米花效应、金属的腐蚀，使塑封器件的性能极大降低甚至失效。功率器件的广泛应用对封装可靠性提出了更高的要求。本文主要对塑封功率器件分层进行解释，研究封装分层的具体机制，并提出工艺改进方案。
关键词：半导体功率电子器件；塑料封装；分层；粘接强度
Discussion on Delamination and Reliability Analysis of
Plastic-sealed Power Devices
YANG Jun
（China Zhenhua Group Yongguang Electronics Co.，Ltd.（State-owned 873），Guiyang
Guizhou 550018）
塑封器件受封裝材料和本身特性的限制，采用环氧树脂塑封料进行封装。塑封器件是非气密性封装，在封装方面就存在一些缺点，最主要的缺点就是对潮气比较敏感。湿气的侵入，会使电子封装中产生一些可靠性问题，特别是分层现象。对处于较高温度工作的塑封半导体功率电子器件来说，分层现象会更加严重。相较于塑封器件，在使用或是在可靠性试验时，分层相对于常温贮存的普通塑封器件更容易产生，且在较高的温度下，扩展和蔓延在分层现象中更容易形成，进而造成器件失效。
因此，面对湿和热时，塑封半导体功率电子器件会愈加敏感，受湿气影响，分层会给器件可靠性带来更大危害。界面分层的形成相对于塑封料与其他材料间的成因有多种，如受污染的注件表面，不良注塑工艺条件的存在，因失配的热膨胀系数而引起的剪切应力，水汽侵入及热应力形成的爆米花效应等[1]。
1 塑料器件失效模式及原因分析
1.1 塑料器件失效模式
从失效模式来说，早期失效和使用期失效是主要模式。
1.1.1 塑封早期失效。早期失效多是由封装工艺的不完善造成的，主要发生在芯片焊接、引线键合和模塑料注塑等封装工艺过程中，主要表现形式有以下4方面。①芯片上的焊接或粘接缺陷，如烧焊空洞、芯片位置偏移、同心度差、溢出焊盘的焊料导致短路、不牢固的焊接芯片和较弱的剪切强度等。②引线键合上的缺陷，如键合点的脱落、偏移、弹坑；线尾过长引、线间短路、引线形状异常等。③塑封料因流动性问题而形成的注塑缺陷，如冲丝导致的金线间短路或金丝断裂；塑封料层空洞、气孔或填充不完全；基板移动等。④热胀冷缩的收缩应力在塑封料固化中形成的封装缺陷，如损伤或断裂的引线、焊球或焊点；受损伤的芯片钝化层或表面金属化；焊接或粘接界面分层等。
1.1.2 塑封器件使用期失效。使用期失效是发生在器件服役过程中的失效。使用期失效机制可以分为因材料热膨胀系数差异所导致的热应力破坏与湿气渗透所导致的破坏2大类。
国外产品工作结温大多都能达到150℃，甚至更高，而在国内，产品工作结温只能勉强达到150℃，且受湿热的影响，产品可靠性极易出现较大的退化。使用期失效的主要表现形式有以下两种[2]。
1.1.2.1 热应力破坏。在温度循环及高温下，因热膨胀系数在塑封料、芯片和引线框架材料间存有一定差异，封装后，应力集中生成在器件体内局部。当热应力水平超过塑封材料的机械或断裂强度时，极易造成器件失效。一般情况下，环氧树脂玻璃的转变温度（Tg）较低，多在150℃以下。处于此温度范围，环氧树脂材料的热膨胀系数接近或超过环氧树脂的Tg，器件在较强的热应力作用下极易失效。最常见的失效现象即塑封分层，塑封料、芯片和引线框架的粘接面受热应力影响而造成剥离或分离的产生，这会导致水汽渗透加剧，甚至会使芯片表面金属化层或钝化层的损坏；在某些因散热不当芯片表面局部高温甚至会使塑封料碳化，造成金属条间短路；长期处在工作状态中的器件，尤其是高低温反复循环应力状态下，还可能会发生焊料的疲劳失效等。
1.1.2.2 湿气破坏。湿气可以通过粘接界面或环氧树脂本身渗透进入封装体内部。这里所说的“湿气”可能以单一的蒸汽状态存在，也可能以气、液混合状态存在。在实际工作中，“受潮”是诸多类型失效的根源所在。若湿气带有较多离子，就很容易造成芯片表面或引线框架被腐蚀，从而导致器件电性能的退化。附着有腐蚀效应的离子会促进粘接或焊接面上环氧树脂的加速离解，进而让湿气更容易渗透到塑料封装体的内部。此外，处于回流焊过程中的塑封器件，附着在封装外壳中的水分会快速汽化，造成塑封料膨胀，导致分层剥离和开裂现象，俗称“爆米花”现象[3]。
1.2 原因分析
从材料及工艺手段来说，塑料器件失效的原因主要包括以下5方面。
①材料易吸潮。塑封材料吸潮后会影响参数性能及可靠性，且器件封装前的潮气也会影响产品可靠性，因此，温度类筛选及试验考核是非常必要的。
②材料匹配问题。塑料封装的热膨胀系数过大，封装以后及后续产生内应力会导致发生分层。推荐机械应力筛选、热性能筛选及考核。
③塑封料的粘接性差。由于塑封料的粘接性差，导致粘接强度变差，后续工作易分层。推荐机械应力筛选、热性能筛选及考核。
④预处理不到位。引线框架和芯片未经彻底清洗，易有大量残留物质，这会降低粘接强度，导致分层。
⑤塑料固化时间短。塑封厂家缩短塑料的固化时间，导致粘接强度差，在进行后续工作时，芯片容易分层。
2 代表塑封半导体功率电子器件封装结构对分层的影响
以TO-252封装产品为例，主要的结构材料为芯片、环氧塑封料、引线框架和键合丝等。在封装过程中，产品分层多存在于不同界面的交接位置。在单一材质表面，其分层概率较低，产品封装质量一致性较高；环氧塑封料与铜基板、芯片表面的粘接均存在一个过渡层（边界层），该层内的塑封料与其他部位的塑封料相比性质发生了变化，而粘接过渡层往往是粘接界面的薄弱部位，分层裂纹容易在其中萌生及扩展。图1为封装时出现的产品分层（阴影区域SAM测试产品内部界面分层）。
应力集中和粘接缺陷处是分层裂纹产生的主要位置。正常工艺状况下的无分层样品粘接面上（Cu-EMC）已经存在微裂纹，这是分层裂纹扩展的“源”。当存在分层裂纹扩展的“源”的产品处于湿热应力作用下时，其分层面积扩展速度高于无分层裂纹扩展的“源”的产品，试验图见图2和图3。
对产品内部结构中主要的不同界面之间（框架与环氧塑封料和芯片与环氧塑封料）的粘接强度进行分析。在施加一个较强热应力后，对产品内部分层情况进行分析，试验结果见图4。芯片表面铝层与环氧塑封料的粘接效果非常好，远高于环氧塑封料与铜基板之间的粘接强度。提升铜框架与环氧塑封料之间的粘接强度，是提升产品可靠性的有效途径[4]。
3 铜框架特性
由于功率器件封装具有大电流、高功率的特点，功率器件的封装对引线框架材料提出了更高的要求。在实际生产中，采用中强高导型的Cu-Fe-P合金，该系列合金抗拉强度为362～568MPa，电导率在55%～65%CAS，其主要特性优势包括高导电性、高导热性、良好的热匹配、良好的耐热性和抗氧化性。
4 封装工艺改进研究
通常使用粘接强度作为评价胶黏剂性能的指标。对于EMC与铜合金的胶接接头，粘接强度一般采用EMC在铜合金上的剪切强度来表征。粘接的强度取决于许多因素，如胶黏剂的选择、被粘接材料表面处理方法、粘接操作工艺和固化工艺等。主要影响因素包括以下几方面。
4.1 表面浸润性与粗糙度
当胶黏剂良好地浸润被粘材料表面时，表面的粗糙化有利于提高胶黏剂液体对表面的浸润程度，增加胶黏剂与被粘材料的接触点密度，从而有利于提高粘接强度。
4.2 表面处理或改性
粘接前的表面处理或改性是粘接成功的关键，其目的是获得高粘接强度及提高粘接面的抗介质腐蚀能力。在实际应用中，对被粘物表面进行表面处理或改性是普遍采用的措施。等离子清洗技术是现在最优秀、最有效的表面处理和改性技术，能对铜合金表面进行适当的氧化处理，提高表面的微观粗糙度，降低表面的接触角，增进EMC与铜合金表面的共价键键合，对于粘接是有利的。
4.3 压力的施加
在粘接时，向粘接面施以压力，使胶黏剂更容易充满被粘体表面上的坑洞，甚至流入深孔和毛细管中，减少粘接缺陷。对于黏度较小的胶黏剂，加压时会过度地流淌，造成缺胶。因此，应在黏度较大时再施加压力，也促使被粘体表面上的气体逸出，减少粘接区的气孔。对于较稠的或固体的胶黏剂，在粘接时施加压力是必不可少的手段。在这种情况下，常常需要适当地升高温度，以降低胶黏剂的稠度或使胶黏剂液化。为了获得较高的粘接强度，对不同的胶黏剂应考虑施以不同的压力。一般对固体或高黏度的胶黏剂施加较高的压力，而对低黏度的胶黏剂施加较低的压力。
4.4 内应力
内应力是影响塑封粘接强度和耐久性的重要因素。在塑料固化阶段中，粘接剂因收缩的塑封体积，而造成了收缩应力。使得其中的树脂在固化过程中普遍伴随着体积的收缩。聚合反应中的体积收缩率分布在一个较大的范围内，缩聚反应和加聚反应的体积收缩率比较大，开环聚合时的体积收缩较小，体积收缩率比较低，发生在环氧树脂固化过程中，这是其在电子封装中被广泛应用的原因之一。降低固化过程中的体积收缩率对热固性树脂的应用有十分重要的意义。降低收缩率通常可以采取下列办法：①降低反应体系中官能团的浓度；②加入高分子聚合物来增韧；③加入无机填料。
5 结论
本文对TO-252封装形式的功率器件的分层现象进行了失效分析，比较了铜基板表面分层与芯片表面分层的异同，分析分层发生位置及扩展机制。从表面粗糙度、浸润性、热匹配性和抗氧化性等多个角度分析铜材框架性能，并从粘接理论的角度进行了相关解释，提出了工艺改进方向。主要结论如下。
①EMC与铜基板、芯片表面的粘接均存在一个边界层，弱边界层的产生对粘接强度有较大的削弱作用。
②分层裂纹主要发生在应力集中及粘接缺陷处，在湿热应力作用下发生扩展。
③铜材合金框架在功率器件上使用存在性能优势。
④对封装工艺进行分析，指出封装质量可靠性提升方向。
鉴于塑料封装形式多样化，除了类似TO-252的小封装外，TO-220、TO-247和SOT-227B等大封裝，甚至是模块化的塑料封装形式也越来越多，如何改善塑封器件的结构弱点，也将成为今后研究的重点。
参考文献：
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[4]李晓云，张之圣，曹俊峰.环氧树脂在电子封装中的应用及发展方向[J].电子元件与材料，2003（2）：36-37.
半导体物理教学论文范文第3篇
摘 要:热式质量流量计基本原理同热线风速计工作原理一样,即:基于加热传感元件的对流传热。热式质量流量计根据加热元件的不同,分为热线式和热膜式。由于热线与热膜流速计在原理上没有根本差别,只是加热元件不同而已。下面我们将以热线为代表进行工作原理分析。
关键词:热式质量流量计 原理 浅析
1 物理基础——热传递
强迫对流造成的热耗散,我们称之为热损耗。从物理上看,热损耗相关的参量有:介质的速度;介质和热线之间的温度差;介质的物理特性,诸如密度、浓度、粘度和导热;热线的物理特性,诸如电阻率、电阻温度系数、热传导率;热线的长度和直径;介质的可压缩性;流动方向和热线方向之间夹角。
在考虑上述因素的情况下,我们可以用经验公式表示如下[9]:
(1)
式中:努谢尔(Nusselt)数;为热耗散;为热线的长度;为流体的热传导率;为热线的工作温度;为环境温度,一般情况下为流体介质温度;为热线在工作温度为时的电阻;为热线的直径;为热传递系数;雷诺数(Reynolds);为流动速度;为运动粘度,其值为;为动力粘度;为流体密度;普朗特(Prandtl)数;为热扩散系数;格勒射夫(Grashof)数;为重力加速度;为膨胀系数;马赫(Mach)数;为声速;为电阻温度系数。
2 敏感元件
根据敏感元件类型,可以分为热线敏感元件、热膜敏感元件、集成热膜敏感元件和薄膜铂电阻敏感元件。下面分别予以介绍。
2.1 热线敏感元件
热线敏感元件的结构如图所示。将金属丝(即热线)焊到两根叉杆上,叉杆的另一端为插接杆,中间为连接线,连接线外为保护罩,保护罩内为绝缘填料。
根据热线敏感元件的选用标准,金属丝的材料和尺寸选择取决于灵敏度、空间分辨率和强度等方面的综合要求,通常选用钨丝或镀铂钨丝作为热线敏感元件。金属丝线径一般为4um～5um,最细可到0.25um。线长一般为1.25mm,最短可达0.1mm。钨丝强度好,熔点温度高达3400℃,但容易氧化,因此只能用于250℃以下。铂金丝易脆,抗拉程度仅为钨丝的5.7%,但不易氧化。作为两种材料相结合的镀铂钨丝,兼具抗拉程度高,抗氧化程度强的双重优点。
热线敏感元件的机械强度不高,能承受的电流较小,因此不适宜在液体和带有颗粒的气体中工作。
2.2 热膜敏感元件
为了将热线测量技术应用到液体流量的测量,发展了热膜敏感元件。它的机械强度较高,所以能适应某些条件较恶劣的流场(如污水流动的流场等)。热膜敏感元件是由沉积在热绝缘衬底(通常为石英)上的0.01um薄的铂金属或镍膜构成的。最一般的衬底形状是圆锥型、楔型和圆柱型等
热膜敏感元件由热膜、衬底、绝缘层和导线几部分构成。敏感元件膜是由确保敏感元件厚度能够均匀的阴极溅射法沉积而成的。一个较厚的传导材料层被用于把膜的终端连接到电子加热电流源。膜通常覆盖了具用1um～2um厚的石英沉积层(或类似的绝缘层)。这个覆盖层保护了热膜免于粒子摩擦并且对于液体中的热膜探针提供了电绝缘。对于圆柱形热膜探针来说,其直径约为25um～70um,长度约为1mm～2mm。
2.3 集成热膜敏感元件
基于微机电系统(Micro Electro Mechanical System)技术,利用溅射方法在半导体硅片或玻璃底片上形成三个铂薄膜电阻,它们分别是微加热器、加热器温度控制器、温度传感器。其工作原理是以加热器和流体的热传导为基础,通过计算加热器的热量损失来确定流量。
集成热膜敏感元件具有灵敏度高,几何尺寸小,动态响应快等优点。这种微型传感器稳定性好,精度高,压损小,一致性好,可进行批量生产。
2.4 薄膜铂电阻敏感元件
薄膜铂电阻的制作与热膜敏感元件基本类似,即将金属铂在真空条件下,采用溅射的方法沉积于陶瓷或玻璃基片上,并经刻划、引线、涂釉、烧结退火等工艺制成。
薄膜铂电阻作为一种新型的测温元件,具有尺寸小、响应快、易于与集成电路相匹配的特点,且具有测温范围宽、精度高、线性好、性能稳定等优点。目前广泛应用于化工、能源、机电、航空航天、国防等各领域中温度测量和控制及温度补偿。
根据实际情况及相关课题的研究,本论文中采用薄膜铂电阻作为热膜敏感元件,其温度特性将在第四章进行详细的实验研究。
3 热式质量流量计的工作模式
目前,在工业中使用的热式质量流量计的传感电路工作模式基本有两种类型:恒流型和恒温型。
3.1 恒流工作模式
典型的恒流风速计是由惠斯登电桥和R－C补偿电路构成。在恒流工作模式,敏感元件工作温度(电阻)是变化的,但流过敏感元件的电流是不变的。这样,就可以通过检测敏感元件的温度变化,确定被测量介质的流速。
恒流工作模式的风速计存在的热滞后效应,所以必须对恒流风速计动态响应进行补偿。恒流流速计的热滞后效应大,电子补偿困难多,难以适应热膜技术的使用需要,特别是补偿本身还必须随流动速度而变,致使实际使用上存在着诸多不便,因而恒流流速计的发展实际上困难重重,发展速度缓慢。同时,由于恒流风速计存在使用不方便,随着速率的增加输出信号减小以及敏感元件容易受到损害等问题,所以恒流型工作模式现在一般很少采用。
3.2 恒温工作模式
恒温型风速计主要也是由一个惠斯登电桥构成。在恒温工作模式,敏感元件工作在恒温条件下(电阻不变)。利用反馈控制电路使热线温度和电阻保持恒定。热线是作为电桥的一臂而存在的。当加有电流的热线置于流场当中时,由于流体流动的关系,热线温度将发生改变。这种改变立即导致电桥偏离平衡,从而输出不平衡信号。这个不平衡信号经放大以后又反馈到电桥中,以抑制热线的温度改变,补偿热线电阻的变化,从而使电桥恢复平衡,使热线温度和电阻保持恒定。
由于恒温型测量电路易于使用,频率响应高,低噪声等一系列优点,所以本课题的测量电路采用恒温型电路。
参考文献
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[3] 盛森芝,徐月亭,袁辉靖.近十年来流动测量技术的新发展[J].力学与实践,2002,24(5):1～14.
[4] 郑开银,蒋大旭.试论气体流量计今后的发展方向[EB/OL].中国流量网,http://www.chinaflow.com.cn.
半导体物理教学论文范文第4篇
【摘 要】在现代技术飞速发展的大环境下，电子科学技术在人们生活中所占据的位置越发重要，同时也渗透到各领域，这对于现代化、新兴产业技术发展也起到较好的推动作用。而半导体材料作为电子科技发展的重要基石，对电子工业产业产业发展提供了较好的发展方向，对促进其可持续发展具有积极作用。为此，本文重点对对电子科学技术中半导体材料的发展趋势作如下分析。
【关键词】电子科学技术；半导体材料；发展趋势
1.引言
当前，随着半导体材料加工越来越精细化，在各个领域的应用也更加广泛，如晶体管、电子管、集成电路等，在计算机、通信领域中均得到广泛应用。基于国内经济飞速发展及社会需求的大环境下，国内很多半导体材料也得到了较好的发展。因此，为了进一步了解半导体材料在国内经济发展中起到的重要作用，应深入分析半导体材料在当前电子科学技术中的具体应用情况，以使其得到更好的应用及管理。
2.半导体材料在电子科学技术中的应用情况
2.1光子晶体在电子科学技术中的应用
光子晶体属于一种微结构且能进行人工加工的半导体材料。在微电子技术飞速发展的推动下，光子晶体在很多产品中均得到广泛应用。但很多电子产品当中针对芯片质量、芯片水平、芯片运用安全性等方面，均有较高的要求，再加之电子产品常常会受体积限制，很難在生产技术、生产工艺等方面有较好的突破，对此，不断促进光子晶体在电子科学技术中的有效应用，已成为目前半导体材料的重要发展趋势[1]。
2.2砷化镓单晶材料在电子科学技术中的应用
当前，砷化镓单晶材料在微型电子、电光材料中均得到较好的应用，且应用效果确切，这是因为子砷化镓单晶材料具有耐高温、抗辐射能力非常强等特征，而随着科技不断发展，砷化镓单晶材料在电路中的应用也越来越广。
2.3半导体硅材料在电子科学技术中的应用
半导体硅材料是应用较广的半导体材料之一，在很多领域均得到广泛应用，对促进社会经济可持续发展、社会进步等方面所起到的作用非常明显。例如，国内很多电子产业，尤其是一些规模较大的集成电路，所选用的材料均为半导体硅材料，并在此技术上作进一步研究及应用。
3.半导体材料在电子科学技术中的发展趋势
二十世纪九十年代前，半导体应用材料主要以半导体硅材料为主，而后随着现代化网络信息技术快速发展，对于新型材料的研发越来越深入，部分新型半导体材料慢慢显现出来，将其应用到电子科学技术发展中，可较好的促进经济快速发展及推动社会进步。例如，砷化镓材料属于比较典型的第二代半导体材料， 氮化合物属于比较典型的第三代半导体材料。在时代不断发展及科技进步的大背景下，具有完整性、多功能的半导体材料已成为一个主要发展趋势。例如，一些规模较大的半导体材料很有可能会得到较大的发展空间，且在微电子技术发展方面，具有集成特点的芯片也会慢慢出现，并在微电子产品中得到较好的应用。因此，应从以下方面进一步分析半导体材料的具体发展趋势。
3.1超晶管、一维微结构材料的发展趋势
随着电子产品不断发展及集成电路有效应用，对半导体材料的要求也变得越来越高，对此，在引入国外很多先进晶体提炼技术过程中，应该对所引入的现代化技术做进一步吸收、研发及创新，特别对一些传统的晶体管生产模式进行不断创新，以国内当前的经济发展水平，不断提高超晶管、一维微结构材料的研发及应用质量，尽管国内针对一维微结构半导体材料的研发还处在初期，但应充分明确半导体材料研发意义及研发价值[2]。例如，纳米晶体管技术研发重点是应用一维微结构半导体材料进行。也就是国内需要集中自己的财力、人力、物力资源 全面进行这些新型半导体材料的研发力度，使其对促进国内经济发展，满足人们生活发挥出重要的作用。
3.2新型硅材料的发展趋势
导体硅材料属于一种传统类型的半导体材料，在很多领域均得到较好的应用，且应用价值非常高。鉴于此，针对国内各种新型技术来说，需应用新技术进行半导体新型硅材料研发工作，缩小和发达国家间的差距。例如，加大对半导体研发的投入力度，经理论联系实际方式培养更多优秀研发人才，特别是能操作新型高技术硅材料提取设备的专业人才，不断提升国内电子科学技术质量、水平。
3.3碳化硅材料的发展趋势
由于碳化硅是自身所具有的导热性能相对于其它类型半导体材料来说稳定性是相对来说比较强的，因此，在某些对散热性要求 相对来说比较高的领域中得到了较为广泛的应用，现阶段碳化硅这种半导体材料在太阳能电池、发电传输以及卫星通信等各个领域中得到了比较深入应用[3]。除此之外，碳化硅这种半导体材料在军工行业中所得到的应用也是相对来说比较深入的，在某些国防建设相关工作进行的过程中都使用到的了大量的碳化硅。因为和碳化硅这种材料相关的 产业的数量是相对来说比较少的，当前国内碳化硅行业发展进程向前推进的速度是相对来说比较缓慢的，但是，该阶段国内经济发展进程由前推进的过程中，所重视的向着环境保护型的方向转变，碳化硅材料能够满足这一要求，为此，国内政府有关部门对碳化硅这一种创新型的半导体材料越发的重视了，且随着半导体行业整体发展进程持续向前推进，在未来国内碳化硅行业快速发展过程中，应用效果非常明显。
3.4氧化硅材料的发展趋势
这对目前国内已经研发出来的各种创新型半导体材料，氧化锌属于一种创新型的半导体材料，氧化锌在光学材料、传感器等不同领域当中均得到较好的应用，且具有较高的应用价值[4]。这是因这种创新型半导体材料的反应速度非常快，集成度相、灵敏程度相都非常高，与现阶段国内传感器行业持续发展进程向前推进期间应该遵循的各种微型化宗旨非常适应，由于氧化锌此种创新型的半导体材料的原材料较丰富，应用优势主要表现为：环保性非常强、价格较便宜，因此，氧化锌此种创新型半导体材料在未来半导体材料应用中，发展前景较广。
3.5氮化镓材料的发展趋势
氮化镓材料属于一种发热效果非常低、击穿效应非常强的半导体材料，氮化镓材料于高温大功率器件、高频微波器件中均有较好应用。而且氮化镓材料带隙非常宽，所以它在蓝光LED 中应用优势较显著，且当中LED衬底应用市场前景非常可观。对于此方面的应用，与国外相比较，国内在氮化镓材料产业发展过程，其起步非常晚，但随着应用范围不断扩大，在其他领域的应用也渐渐扩大，如新能源产业、光学探测、军工产业等领域当中，对于该方面的研发、投入力度均明显加大。
4.结语
综上阐述，本文经对电子科学技术发展中半导体材料的具体发展趋势展开上述分析，主要从超晶管、一维微结构材料，氮化镓材料，氧化硅材料，碳化硅材料，新型硅材料，超晶管、一维微结构材料等方面着手，便于国内应用当前的研究成果，积极引入新技术，并在应用、研究方面不断创新，从而提升国内半导体材料研发水平及质量，这对推动国内经济可持续发展、社会进步等方面具有重要参考意义。
参考文献：
[1]陈芳，魏志鹏，刘国军，等.扫描近场光学显微技术在半导体材料表征领域应用的研究进展[J].材料导报，2014，28（23）：28-33.
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[3]胡凤霞.浅谈半导体材料的性能与应用前景[J].新教育时代电子杂志（教师版），2016，15（13）：267.
[4]吴菲菲，张亚茹，黄鲁成，等.基于专利的氧化锌宽禁带半导体材料技术中外比较[J].情报杂志，2015，25（11）：62-68.
半导体物理教学论文范文第5篇
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西安工程大学是一所以纺织服装为特色的高等学校。其前身为1912年创办的北京高等工业专门学校机织科。1978年成立西北纺织工学院，隶属原纺织工业部。2006年2月，经教育部批准更名为西安工程大学。学校办学历史悠久，历经近百年的发展，已成为一所以工为主，纺织服装为特色，工、理、文、管、经、法、教等多科性特色鲜明的高校。学校现有金花、临潼两个校区。设有15个教学单位。各类在校学生2万余人。现有教职工1701人，有中国工程院院士和大批专家、学者、教授组成的教学、科研队伍。学校现有本科专业54个，其中国家级特色专业建设点4个，省级特色专业建设点7个。学校是国务院学位委员会首批批准的学士、硕士学位授权单位，现有联合培养博士点1个，一级学科硕士学位授
权点10个，49个二级学科硕士点，工程硕士专业领域11个，省级重点学科2个。
半导体物理教学论文范文第6篇
LED照明技术相较之荧光灯、白炽灯, 具有许多优点, 例如照明亮度高、使用寿命长、高效、节约能源、环保等, 它的使用被人类称为照明史上一场新革命。半导体照明光源将会在各个相关领域得到突破发展, 尤其是在户外照明方面的使用将得到急剧的需求。
在LED系统中, 照明部件的驱动是核心的部件, 由于LED的照明器件是属于电压敏感器件, 需要使用恒流驱动, 不过现在市场上使用的驱动性能质量不一, 影响LED照明的品质和使用时间, 也就是说, 驱动的设计是排在首位的。
对于传统的设计思路存在不少的缺陷, 如电阻限流、线性制及充控电泵升压等技术能耗大效率低、功率因素小、电流波动大及抗干扰不强等, 不能满足工作要求
在这次研究设计中采用先进的电路设计, 通过BUCK型电路结构, 不仅减少了成本, 而且还不需要高压电容, 大大提高了设计成品的使用寿命。采用这设计的成品具有实现简单、成本低、抗干扰能力强、节能响应快且功率因数高, 适应输入电压和负载变化范围宽的场合等优点。
2 电路照明的基本原理
在LED驱动电路的系统设计中的选择中一般可以分为两种:其一为开关电源驱动, 其二是非开关电源驱动, 而在LED的特性上并根据实际情况可知道, 在实际的设计过程中LED的驱动的驱动电压一般不能太高, 否则无法保护电路。在户外使用过程中, 不可能时刻拥有观察者进行开关电源, 非开关的电源驱动才是合理的发展方向。因此, 在设计驱动电路时利用具有三极管的导通性能的BUCK型电路。
3 基础BUCK电路的组成
图1是BUCK型电路的模拟电路, BUCK电路, 又称降压电路, 其基本特征是DC-DC转换电路, 输出电压低于输入电压。输入电流为脉动的, 输出电流是连续的。该在电路中利用电感L和电容C组成底通滤波器, 在这个设计中的作用是可以让电源直流量通过, 滤掉了电源的谐波量, 而在使用电容的情况使的电路的输出电压为Uo并加上微弱的波纹Uw。使电压保存在低频和直流状态, 保护了驱动电路的有效性, LED的使用寿命。
4 基础BUCK电路运算过程
4.1 晶体管导通状态
当给予晶体管Q1高电平驱动时, Q1导通, 电感进行充能, 流过电感的电流呈现线性增长, 此时电路会给C1进行充电, 提供R1负载电能, 使得负载运转。在电路导通时, 根据等效的导通状态图2, 由基尔霍夫电压定律可以得到:
由于电路工作频率很高, 在一个计时周期内Ud和Uo基本维持不变, 可以看作为恒定, 则 (Ud~Uo) 是常数, 电流随时间的变化是线性的, 波形如图所示:
4.2 晶体管截止状态
当给予晶体管Q1低电平时, Q1截止, 被存储在电感L1中的能量进行续流工作, 此时二极管导通。电感中的电流呈线性减少, 电路中的输出电压由电容C1和电感L1中放点维持。在电路截止关闭时, 根据截止状态等效电路图, 由基尔霍夫电压定律有:
同样, 在将u0近视并维持恒定, 则输出电流线性度减小, 波形如图所示:
5 微分跟踪BUCK电路工作原理
微分跟踪BUCK型电路如图5所示, 在基础的电平控制的基础上, 增加一个有微分器、积分器、加法器等构成的网络, 控制增益kb、增益ka的形成多条回路, 做到双环控制的效果。如图5所示, 三极管收到触发器控制, 在三极管位于导通状态时, 输出电压Uo经过信号采样后得到一个大小为KbU0电压信号, 再和附加信号Ur一同加载到误差放大器中, 得到补偿电压, 在与输入电压所产生的电压信号kaud送入加法器后积分。出来的结果大于已补偿的电压, 比较器中的反相输出端将输出高电平, 使得触发器复位并保持该状态。比较器中的同相端输出端将输出低电平, 使三极管断开。比较器中的反相输出端将输出高电平, 积分器将置位清零, 在下一个周期性脉冲到来时, 三极管将再次导通重复之前的过程。
6 仿真结果
利用Multisim对buck型电路进行电路仿真, buck型电路的仿真图如图6, 在驱动波形的设置如图7上, 采用V=10V, f=20KHz, D=50%, 输入电压V=14V, 电感选用L=80u H。开关驱动与电感电压测试波形如图8所示, 负载的输出波形如图9所示。
根据仿真软件测量出的结果进行分析:仿真电路中采用的输入电压为14V, 采用型号为2SK3070L的MOS管, 本MOS管是一种可以高速运转的MOS管, 在仿真中采用的20KHz的信号输出完全可以驱动其运行。在MOS是完美状态下, 理论输出电压2.8V, 当实际情况下, MOS管不存在完美状态, 因此实际测量的输出结果会小于理论值, 存在降压状态。但根据仿真观察结果, 经过电路控制, 输出电压能稳定输出, 同时电路的反应控制在50us以内。
7 结语
本文对电路驱动模式BUCK型非开关电源电路的工作进行了探讨, 在基础电路上采取增加控制网络的新方法, 使得电路实现双环控制。在双环控制的情况下得到微分约束关系, 得到了低能耗、电路反应快、运行稳定的工作效果。
摘要：针对传统平均电流控制系统中出现的控制结构复杂、成本高、失真大的现象, 本文在采取辅助电感缓冲和函数发生器双环节制方法, 建立了基于BUCK型函数发生器微分跟踪新型高效节制系统。最后提出了基于系统中微分约束关系, 来增加抗干扰能力、减少能耗、提高响应速度。
关键词：驱动电路,LED照明,BUCK
参考文献
[1] 杨恒.LED照明驱动器设计[M].北京:中国电力出版社, 2013.
[2] 王雅芳.LED驱动电路设计与应用[M].北京:机械工业出版社, 2011.
[3] 周志敏, 周纪海, 纪爱华.LED驱动电路设计与应用[M].北京:人民邮电出版社, 2006.
[4] 刘祖明.LED照明技术与灯具设计[M].北京:机械工业出版社, 2012.