導語：如何才能寫好一篇半導體的特性，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

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關(guān)鍵詞：二極管；PN結(jié)；正向壓降；溫度特性；三極管

在工業(yè)設(shè)計、工程建設(shè)、日常生活及科研中，溫度控制的運用是很普遍的，隨著溫度控制技術(shù)的不斷發(fā)展及其應(yīng)用的推廣，人們對溫度控制提出了更高的要求。半導體PN結(jié)溫度傳感器具有靈敏度高、線性好、響應(yīng)快、體積小和成本低等特點，具有其他溫度傳感器不能比擬的優(yōu)越性，因此PN結(jié)溫度傳感器已經(jīng)成為一種應(yīng)用廣泛的測溫元件。了解PN結(jié)溫度傳感器特性具有重要的意義。本文通過實驗分析研究了PN結(jié)的正向壓降隨溫度的變化特性。

1 實驗原理

2 實驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理

選取小功率4148二極管和9013三極管的發(fā)射結(jié)作為測試器件，使用勝利VC9208數(shù)字萬用表測量溫度和PN結(jié)正向?qū)▔航怠榱说玫絇N結(jié)在不同溫度環(huán)境下的正向?qū)▔航?，將PN結(jié)與萬用表測溫傳感頭緊密貼合后，用薄的隔水材料包裹置于不同溫度的水中，利用另外一塊同型號萬用表測量PN結(jié)的正向?qū)▔航?，并記錄測量數(shù)據(jù)。

2.1 二極管PN結(jié)正向?qū)▔航禍囟忍匦詫嶒?/p>

2.2 三極管發(fā)射結(jié)正向?qū)▔航禍囟忍匦詫嶒?/p>

3 結(jié)果分析

從上面的三個實驗可以看出，PN結(jié)正向壓降隨溫度變化曲線近似直線，即隨溫度的上升，正向壓降線性下降，可作為溫度傳感器使用。對比三個實驗不難看出，三極管的方案一，正向壓降對于溫度更為敏感，靈敏度更高，而方案二和二極管的特性曲線斜率相同，即有相同的靈敏度。因此，從電路簡單的角度考慮，可以采用二極管作為傳感器，從精度的角度考慮，可以采用三極管的方案一。

參考文獻

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作者簡介：

孫大為（1984-），男，漢族，助教，研究方向：電工電子技術(shù)應(yīng)用。

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【關(guān)鍵詞】微電子化計量儀；半導體探測器；特性研究；試驗方法

半導體技術(shù)近年來被運用于多種領(lǐng)域，尤其是在核輻射探測器方面的運用，將半導體技術(shù)的優(yōu)勢發(fā)揮得淋漓盡致，為社會經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻。近年來，細數(shù)將半導體技術(shù)引入核輻射探測器領(lǐng)域的過程，我國的相關(guān)科研單位耗費了大量的人力、財力和物力。隨著時代的發(fā)展，深化半導體材料和技術(shù)在核輻射探測器的運用研究將繼續(xù)為我國的科技發(fā)展提供重要支持。結(jié)合本文研究方向，擬從半導體探測器特性的實驗研究層面展開，利用實驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)討論。

1半導體探測器的內(nèi)涵

半導體探測器以其高效、實用、成本低、性能穩(wěn)定等特性，目前在各個領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。明確半導體探測器的內(nèi)涵概念，能夠深化我們對半導體探測器的了解，為接下來的更深入的探究工作打下堅實基礎(chǔ)。接下來筆者就從半導體探測器的概念及發(fā)展歷程兩個方面來粗淺剖析半導體探測器的內(nèi)涵：1.1半導體探測器的概念。顧名思義，半導體探測器就是利用半導體材料和特點研發(fā)的探測設(shè)備。結(jié)合原理分析，半導體探測器是一種通過鍺、硅等半導體材料物理屬性、并利用其作為探測介質(zhì)的輻射探測器。由于半導體探測器的工作原理和氣體電離室有諸多相似之處，因此半導體探測器也被稱之為固體電離室。從技術(shù)原理的層面來講，半導體探測器的工作原理是在半導體探測器的靈敏體積內(nèi)帶電粒子產(chǎn)生“電子——空穴對”，之后“電子——空穴對”在外電場環(huán)境下做出漂移繼而產(chǎn)生并輸出信號。經(jīng)過大量科學家的研究，半導體探測器誕生至今，經(jīng)過不斷的技術(shù)概念和材料改良，目前性能和效用已經(jīng)十分優(yōu)良。1.2半導體探測器的發(fā)展歷程。半導體技術(shù)在核輻射探測器方面的應(yīng)用分為幾個階段：第一個階段是八十年代之前。當時的探測器受到技術(shù)技術(shù)條件和認知的影響，最為常見的探測器是GM計數(shù)管探測器。這種GM計數(shù)管探測器的產(chǎn)品性能和效果并不理想。隨著技術(shù)的不斷更新和科學家探索的深入。第二個階段是九十年代之后，在法國、德國出現(xiàn)了用半導體材料作探測器的小型劑量儀器。至此，半導體技術(shù)正式被應(yīng)用于探測器領(lǐng)域。這種半導體探測器具有體積小、工作電壓低、耗能少等優(yōu)勢，這些特點為半導體探測器的應(yīng)用空間和范圍奠定了良好基礎(chǔ)。

2用于微電子化計量儀的半導體探測器特性的實驗方法

為了進一步地探究半導體探測器的特性，更明確地了解并認知其優(yōu)勢，筆者通過一組實驗來進行說明。在這一實驗中筆者所用的半導體測試器是目前業(yè)界內(nèi)比較新型的設(shè)備，它是筆者單位和某原子能科學研究院合理研發(fā)的。實驗中與半導體探測器相連接的電力屬于微電子學混合電路。下面筆者對實驗方法（如圖2.1所示）作詳細的論述與分析：圖2.1實驗示意圖考慮到夜晚的干擾信號比白天小很多，因此我們在做此實驗時選擇在了晚上的時間段。為了處理好半導體探測器特性實驗中噪音大的問題，本次實驗所選擇的單道閾值是0.21V。在實驗中，主放大倍數(shù)為50積分、微分常數(shù)為0.5μs。定標器的工作方式為積分，脈沖為正脈沖方式?；谏鲜鲞@些情況，我們的“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性”實驗研究正式開始。

3用于微電子化計量儀的半導體探測器特性的實驗數(shù)據(jù)及處理

關(guān)于特性研究實驗過程中的實驗數(shù)據(jù)及處理方式，筆者對其進行了詳細的記錄。筆者將半導體的探測器面積分為10平方豪米、25平方毫米和50平方毫米三種數(shù)據(jù)類型來進行測驗。第一，半導體探測器的面積為10平方毫米，98型的半導體探測器輻射響應(yīng)特性的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3.1、3.2所示，圖中所反映出來的數(shù)據(jù)指標是偏壓為1V和3V的情況下，98型號的半導體探測器中凈計數(shù)和劑量率之間的關(guān)系；99型的半導體探測器所反饋的實驗曲線如圖3.3、3.4所示，98型半導體探測器的輻射響應(yīng)特性數(shù)據(jù)如圖3.5、3.6所示。圖中所反映出來的數(shù)據(jù)指標是偏壓為1V和3V的情況下，98型號的半導體探測器中凈計數(shù)和劑量率之間的關(guān)系。第二，當半導體探測器的面積增加到25平方毫米之后，99型的半導體探測器輻射響應(yīng)特性的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3.5、3.6所示，圖中所反映出來的數(shù)據(jù)指標是偏壓為1V和3V的情況下，99型號的半導體探測器中凈計數(shù)和劑量率之間的關(guān)系。基于系列實驗分析，當半導體探測器的面積從10平方豪米增加到25平方毫米，在遞增到50平方毫米的過程中，在不同的偏壓下，98型和99型的半導體探測器的凈計數(shù)率在0.869cGy/h點上，半導體探測器的型號和探測器偏壓的關(guān)系如表1所示。在表中，在照射量率為均為1的情況下，當半導體探測器的偏壓設(shè)定為1V時，探測面積為10平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是68.2，探測面積為25平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是104.0；探測面積為50平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是181.7，探測面積為10平方毫米的99型探測器的凈計數(shù)率是125.3。當半導體探測器的偏壓設(shè)定為3V時，探測面積為10平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是90.4，探測面積為25平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是167.6；探測面積為50平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是316.4，探測面積為10平方毫米的99型探測器的凈計數(shù)率是178.6。

4用于微電子化計量儀的半導體探測器特性的結(jié)果與討論

通過上述關(guān)于不同型號半導體探測器在不同輻射面積中輻射響應(yīng)特性等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析我們可以得出如下三個方面的結(jié)論：第一，該半導體探測器的工作電壓相對較低，對γ響應(yīng)十分敏感。當“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性研究”的實驗電壓在1V—3V單偏壓電源數(shù)據(jù)之間變動時，半導體探測器的靈敏度能夠在68-316S/(R/h)區(qū)間進行變化。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)的分析與反饋，總體來講，輻射面積為10平方毫米的99型探測器性能比輻射面積為10平方毫米的98型探測器性能優(yōu)良。在同樣的實驗條件中，用來測定DM91的輻射面積為10平方毫米的半導體探測器靈敏度情況如下：當實驗偏壓為1V時，10平方毫米的半導體探測器靈敏度為87.2；當實驗偏壓為3V時，10平方毫米的半導體探測器靈敏度是1.8。對比關(guān)于試驗偏壓和不同輻射面積的半導體探測器靈敏度的這幾組實驗數(shù)據(jù)，我們可以得出如下結(jié)論：輻射面積為10平方毫米的99型半導體探測器敏感度性能相比較國外輻射面積為10平方毫米的半導體探測器，在對γ輻射方面的靈敏度方面性能要高出很多。也就是說我們目前的輻射面積為10平方毫米的半導體探測器性能已經(jīng)達到并超出國外同類探測器的水平。第二，從噪音閾值的層面來講，本次實驗中所采用的半導體探測器噪音極小，這種小分貝的噪音數(shù)值可以顯著提升信噪比，這種情況可以促進微電子學設(shè)計工作的更好開展。這一點在微電子化計量儀的半導體探測器特性實驗中雖然是一個細節(jié)，但也應(yīng)當充分引起我們的注意和重視。第三，本次“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性”實驗中，當探測器的屏蔽材質(zhì)發(fā)生變化時，其抗干擾能力也會有明顯改變。這一現(xiàn)象表明在實驗室中，空間的電磁干擾因素需要引起實驗者的重視。

5結(jié)束語

綜上所述，半導體探測器在當前多種行業(yè)中所發(fā)揮的作用不容忽視，為了探究“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性”，筆者通過開展一項專題實驗來進行闡述與說明，在上述文段中，筆者不僅對實驗的方法進行羅列和描述，還對實驗的數(shù)據(jù)及處理進行對比分析，并有針對性地提出自己的見解。通過上述實驗的分析，筆者希望能夠喚起更多業(yè)界同行對于半導體探測器特性的關(guān)注，通過群策群力，為促進半導體探測器的運用水平貢獻力量。

作者:馬駿 單位:東華理工大學

參考文獻

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關(guān)鍵詞:化合物半導體材料;GaAs;GaN;SiC

中圖分類號:TP331文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2010)05-1238-02

On The Compound Semiconductor Materials

HAO Bin, WEN Kai

(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300160,China)

Abstract: Compound semiconductor integrated circuits with ultra-high speed, low power, multi-functional, anti-radiation properties is widely used, GaAs, GaN, SiC as the main application of compound semiconductor materials. This article describes the advantages of compound semiconductor materials, and from GaAs, GaN, SiC formed part of the device.

Key words: semiconductor materials; GaAs;GaN; SiC

目前,半導體器件已被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域中。但是隨著科技的發(fā)展,由于硅的電子移動速度使得硅電路傳輸速度慢并且難以改善。因此新型半導體材料由此產(chǎn)生,以GaAs、GaN、SiC為代表的的化合物半導體是目前應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快。

1 化合物半導體材料優(yōu)勢

化合物半導體集成電路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗輻射。以GaAs為例,通過比較可得:1化合物半導體材料具有很高的電子遷移率和電子漂移速度,因此,可以做到更高的工作頻率和更快的工作速度。2肖特基勢壘特性優(yōu)越,容易實現(xiàn)良好的柵控特性的MES結(jié)構(gòu)。3本征電阻率高,為半絕緣襯底。電路工藝中便于實現(xiàn)自隔離,工藝簡化,適合于微波電路和毫米波集成電路。4禁帶寬度大,可以在Si器件難以工作的高溫領(lǐng)域工?，F(xiàn)在化合物半導體材料已廣泛應(yīng)用:在軍事方面可用于智能化武器、航天航空雷達等方面,另外還可用于手機、光纖通信、照明、大型工作站、直播通信衛(wèi)星等商用民用領(lǐng)域。

2 化合物半導體器件

GaAs、GaN、SiC為主要應(yīng)用的化合物半導體材料。以下介紹由這三種材料構(gòu)成的部分器件。

2.1 GaAs材料

高電子遷移率晶體管(HEMT)器件實在能形成2DEG的異質(zhì)結(jié)上用類似MESFET的工藝制成的場效應(yīng)晶體管。源漏之間主要由2DEG的導電溝道提供,由勢壘層上的肖特基柵施加偏壓來改變耗盡區(qū)的厚度,從而控制溝道2DEG的濃度及器件的工作狀態(tài)(如圖1)。對這類器件若VGS=0時溝道中已有電子存在,則器件是耗盡型的;若溝道被耗盡則器件是增強型的。I-V特性為強電場下工作的耗盡型HEMT和增強型HEMT都呈現(xiàn)出平方規(guī)律的飽和特性。

AlGaAs/GaAs HEMT的制作基本工序:在半絕緣GaAs襯底上生長GaAs緩沖層 高純GaAs層 n型AlGaAs層 n型GaAs層臺面腐蝕隔離有源區(qū)制作Au/Ge合金的源、漏歐姆接觸電極干法選擇腐蝕去除柵極位置n型GaAs層淀積Ti/Pt/Au柵電極。(如圖2)

圖1 GaAs HEMT中2-DEG圖2 GaAs HEMT基本結(jié)構(gòu)圖3 PHEMT的基本結(jié)構(gòu)

隨后發(fā)現(xiàn)由于n-AlGaAs層存在一種所謂DX中心的陷阱,它能俘獲和放出電子,使得2-DEG濃度隨溫度而改變,導致閾值電壓不穩(wěn)定。為了解決這個問題,采用非摻雜的InGaAs代替非摻雜的GaAs作為2-DEG的溝道材料制成了贗高電子遷移率晶體管。InGaAs層厚度約為20nm,能吸收由于GaAs和InGaAs之間的晶格失配(約為1%)而產(chǎn)生的應(yīng)力,在此應(yīng)力作用下,InGaAs的晶格將被壓縮,使其晶格常數(shù)大致與GaAs與AlGaAs的相匹配,成為贗晶層。因為InGaAs薄層是一層贗晶層且在HEMT中起著 i CGaAs層的作用,所以成為“贗”層,這種HEMT也就相應(yīng)地成為贗HEMT。

2.2 GaN材料

2.2.1 GaN基HEMT

目前GaN基HEMT器件的主要結(jié)構(gòu)是基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的HEMT器件。由于極化效應(yīng),AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)很容易出現(xiàn)2DEG,因此有常見工藝生長的絕大部分HEMT器件是屬于耗盡型的。在盡量提高溝道2DEG濃度且保持其遷移率和速度,同時又不引起勢壘應(yīng)變弛豫的原則下,應(yīng)用于HEMT器件的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)已經(jīng)優(yōu)化到一個范圍(勢壘層的Al含量為0.2~0.3,厚度為20~30nm)。除此之外GaN基HEMT的器件還有以下特性:1) 緩沖層漏電小即緩沖層呈高阻態(tài)且缺陷密度小形成高的輸出阻抗;2) 高的擊穿電壓,對提高器件的輸出功率和功率開關(guān)的電壓承受能力非常重要;3) 跨導高且和柵壓保持良好的線性關(guān)系,這與器件的頻率特性和開關(guān)速度相關(guān);4) 好的夾斷特性; 5) 較高的截止頻率;6) 良好的散熱能力。GaN基HEMT的主要工藝為臺面刻蝕、肖特基接觸和歐姆接觸。

2.2.2 GaN基HBT

異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管器件具有寬帶隙發(fā)射區(qū),大大提高了發(fā)射結(jié)的載流子注入效率;基區(qū)可以高摻雜(可高達1020cm-3),基區(qū)電阻rb可以顯著降低,從而增加 fmax ;同時基區(qū)不容易穿通,從而厚度可以做到很薄,即不限制器件尺寸縮小;發(fā)射結(jié)濃度可以很低(約1017cm-3),從而發(fā)射結(jié)耗盡層電容大大減小,器件的 fT 增大。GaN基HBT可研發(fā)為微波功率放大器件或高壓開關(guān)器件,其目標特性為高射極注入系數(shù)、長的少子壽命、短的基區(qū)渡越時間、高擊穿電壓。

2.3 SiC材料

SiC基結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)和肖特基柵場效應(yīng)晶體管(MESFET)

SiC基MESFET和JFET的溝道載流子的等效遷移率比較高,因此SiC基MESFET主要被開發(fā)為微波功率器件,而JFET則是高壓功率開關(guān)器件。SiC基MESFET可以用于X波段以下的微波頻段,其性能優(yōu)勢為線性化程度比較理想,輸出阻抗高,從而大大降低對匹配網(wǎng)絡(luò)的要求,降低了制作和設(shè)計成本。SiC基JFET具有超低RSP,也能在較高和較低溫度以及較高頻率下工作。

3 結(jié)束語

化合物半導體集成電路和普通半導體集成電路相比具有明顯的優(yōu)勢,適合于高頻高速電路的要求。并且化合物半導體可以發(fā)光,可以實現(xiàn)光電集成。因此化合物半導體有更廣泛的發(fā)展空間。

參考文獻:

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關(guān)鍵詞：半導體制冷；帕爾帖效應(yīng)；制冷效率；熱電堆

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.23.252

0 引言

上個世紀初，人們做了很多電磁的實驗，發(fā)現(xiàn)了金屬材料的熱電效應(yīng)，但是由于這些金屬材料的熱電性能比較差，所以效率是非常低的。直到本世紀50年代之后，半導體材料發(fā)展迅速，所以致使熱電效率也大幅的增加，從而使熱電制冷也開始發(fā)展。由于半導體材料具有非常好的熱電能量轉(zhuǎn)換性質(zhì)，將它的這一性質(zhì)在熱電制冷中得到了應(yīng)用，所以把熱電制冷叫做半導體制冷；同時又由于帕爾帖效應(yīng)與溫差發(fā)電對應(yīng)，所以又叫做溫差電制冷。這種比較新型的制冷技術(shù)與傳統(tǒng)的制冷技術(shù)不同，沒有制冷劑和一些制冷設(shè)備，從而在一些特殊的領(lǐng)域中將得到十分廣闊的前景。

熱電效應(yīng)是由塞貝克、珀爾帖、湯姆遜、焦耳和富里葉五種不同的效應(yīng)組成的，其中前三種效應(yīng)電和熱能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的，另外兩種效應(yīng)的熱是不可逆效應(yīng)。

1 半導體制冷技術(shù)

1.1 半導體制冷的原理

熱電制冷裝置是由熱電制冷效率較好的，熱電效應(yīng)比較明顯的半導體熱電偶構(gòu)成的。如圖1-1所示，把一只N型半導體元件和一個P型半導體元件組合成的熱電偶，通電之后，就會在接頭處產(chǎn)生熱量的轉(zhuǎn)移和溫度差。對于N型半導體，其導電機構(gòu)是自由電子，與金屬的價電子相類似；對于P型半導體，其導電機構(gòu)是空穴，與自由電子的區(qū)別是電荷數(shù)相等而符號相反。所以，上面的接頭處是冷端，吸熱且溫度下降，電流的方向是N到P；下面的接頭處是熱端，放熱且溫度上升，電流的方向是P到N。其次借助熱交換器等各種傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環(huán)境中去不斷的吸熱降溫，這就是熱電制冷器的工作原理。

Z代表了熱點材料的一種特性。同時可以決定制冷元件所能達到的最大溫差。由上式可以得到，為了提高優(yōu)值系數(shù)Z，就要提高溫差電動勢α，降低電阻率R和導熱系數(shù)K。上式公式也說明熱電材料性能的提高還要有待于半導體材料的發(fā)展，因為金屬的熱電勢很低，而半導體靠空穴和電子可以呈現(xiàn)出非常大的溫差電動勢。

其次電偶在熱端放出的熱量：QH=Q0+Q1，其中Q1為一對電偶的消耗功率，故放熱系數(shù)ε1 = QH/Q1 = 1+ε?？梢钥闯隼脽犭娫碜鰺岜檬呛苡欣?。

1.2 多級半導體制冷

一個P型和N型半導體制冷元件與連接片串聯(lián)起來，組成的制冷單元稱為單級熱電堆。但是由于單個制冷電偶的制冷效率比較低，如果把電偶進行串聯(lián)或并聯(lián)起來組成多級熱電堆，這樣就會增大制冷溫差，所以制冷效率將會大大提高。

如下圖所示，圖1-2是常見的二級堆串聯(lián)電路，圖1-3是常見的二級堆并聯(lián)電路，圖1-4是常見的串并聯(lián)混合電路。

串聯(lián)型多級熱電堆的特點是各級的電流都相同。級與級之間需要一層電絕緣導熱層，（一般用陽級氧化鋁、氧化鈹?shù)萚1]），同時為了使每一級都處于最佳工作電流，上一級元件的長度比下一級元件的長度要略長一點，來防止上一級元件電導率增加引起的電流的偏離。對于串聯(lián)型多級熱電堆在同一溫差和承受同一負載時要比并聯(lián)型消耗較大的功率。

并聯(lián)型多級熱電堆的特點是工作電流較大，級與級之間無需電絕緣導熱層，因此級間無有害溫差。同時各級的電偶數(shù)與級數(shù)應(yīng)對應(yīng)相等，每一級的兩邊的兩個元件的截面積應(yīng)比中間的大一些。其次把并聯(lián)型多級堆各級的中間部位斷開，在級與級之間加上絕緣層之后，用導線連接起來可以成為串聯(lián)多級電堆。

串并聯(lián)多級熱電堆的特點結(jié)合串聯(lián)型多級熱電堆的特點和并聯(lián)型多級熱電堆的特點。

如前所述，熱端的散熱量比冷端產(chǎn)冷量要大很多倍，由QH = Q0 + Q1可知，為了得到較大溫差，第一級元件對數(shù)比第二級元件對數(shù)大許多倍。由于這個因素以及溫度越低熱電性能越差，所以級數(shù)不宜過多，一般2到3級為宜。

1.3 半導體制冷技術(shù)與機械壓縮制冷技術(shù)的異同

半導體制冷與機械壓縮制冷相比，在正常工作通入電流時，自由電子和空穴在電場的作用下，離開熱電堆的冷端向熱端運動，這一過程相當于制冷機中的壓縮過程，其中熱電堆起壓縮機的作用。在熱電堆的冷端，通過熱交換器吸熱，同時產(chǎn)生空穴―電子對，這一過程相當于在蒸發(fā)器中的吸熱和蒸發(fā)過程，其中冷端及其熱交換器起著蒸發(fā)器的作用。在熱電堆的熱端，發(fā)生空穴―電子對的復合，同時通過熱交換器散熱，相當于制冷劑在冷凝器的放熱和凝結(jié)，其中熱端及其熱交換器起著冷凝器的作用。

半導體制冷與機械壓縮制冷的區(qū)別在于：不使用制冷劑，有很好的環(huán)境友好型，消除了制冷劑泄漏對環(huán)境的危害，所以對一些特定的場合比較適用；沒有制冷裝置的運動部件，所以無噪音，無振動，工作可靠，維護比較方便；半導體制冷的尺寸比較小型化，在一些場合可以提現(xiàn)出它的優(yōu)勢；半導體制冷可以通過調(diào)節(jié)工作電壓來改變它的制冷量；半導體制冷一般使用直流電工作，所以對工作電壓的脈動范圍有一定的要求。

基于以上半導體制冷所表現(xiàn)出來的特點，在一些特殊的，不能使用制冷劑的情況中，以及一些小容量等一些制冷條件中，半導體制冷表現(xiàn)出了它的優(yōu)越性，同時也成為了現(xiàn)代制冷技術(shù)中的一個重要的組成部分。

2 半導體制冷技術(shù)的發(fā)展前景

2.1 半導體制冷在工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用

半導體制冷在工業(yè)上的應(yīng)用也是非常廣泛的，一些產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝及產(chǎn)品的性能的測試都離不開半導體制冷；一些變電站的除濕問題也需要通過半導體制冷解決；油等一些液體的恒溫控制，通過半導體制冷都能很方便的解決。其次半導體制冷在真空技術(shù)中也有非常重要的應(yīng)用。所以，半導體制冷技術(shù)的發(fā)展對工業(yè)技術(shù)具有非常大的意義。

2.2 半導體制冷在電子技術(shù)的應(yīng)用

半導體制冷在電子技術(shù)的發(fā)展中是一項不可缺少的先進技術(shù)，在一些大規(guī)模的集成電路，功率元件和一些設(shè)備冷卻方面，半導體都提現(xiàn)了它獨一無二的功能。同時，隨著現(xiàn)代技術(shù)的進步，對各類電子元器件的溫度性能要求越來越高，而利用熱電制冷器的正反向工作特性，就能早就一個合適的高低溫條件，而且工作容積非常小，使用方便，應(yīng)用范圍也非常廣泛。

2.3 半導體制冷在測溫技術(shù)的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代制冷技術(shù)的進步，半導體制冷技術(shù)在測溫技術(shù)方面也表現(xiàn)出了它極大的優(yōu)勢。例如半導體制冷零點儀的出現(xiàn)，改變了一般習慣上使用冰作為電熱偶測溫零度基準點的傳統(tǒng)，并且操作簡單，零點準確，在測溫技術(shù)中是一個重大的創(chuàng)新。由此可見半導體制冷在測溫技術(shù)中的應(yīng)用是其他制冷技術(shù)所不能代替的。

3 結(jié)論

（1）半導體制冷技術(shù)雖然在制冷過程中表現(xiàn)出了它獨特的優(yōu)勢，但是其制冷效率還是比較低的，所以現(xiàn)在提高半導體的優(yōu)值系數(shù)Z顯得尤為重要。

（2）相比與單級制冷熱電堆，多級制冷熱電堆可以獲得更大的溫差和更低的溫度，所以大大提高了制冷效率，同時也更加實用。

（3）半導體制冷在一些特殊行業(yè)和環(huán)境中的應(yīng)用以及考慮節(jié)能等因素，表現(xiàn)出了它的重要性，對半導體制冷技術(shù)的深入研究是非常必要的。

參考文獻：

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篇5

關(guān)鍵詞：熱敏電阻、非平衡直流電橋、電阻溫度特性

1、引言

熱敏電阻是根據(jù)半導體材料的電導率與溫度有很強的依賴關(guān)系而制成的一種器件，其電阻溫度系數(shù)一般為（-0.003~+0.6）℃-1。因此，熱敏電阻一般可以分為:

Ⅰ、負電阻溫度系數(shù)（簡稱NTC）的熱敏電阻元件

常由一些過渡金屬氧化物（主要用銅、鎳、鈷、鎘等氧化物）在一定的燒結(jié)條件下形成的半導體金屬氧化物作為基本材料制成的，近年還有單晶半導體等材料制成。國產(chǎn)的主要是指MF91~MF96型半導體熱敏電阻。由于組成這類熱敏電阻的上述過渡金屬氧化物在室溫范圍內(nèi)基本已全部電離，即載流子濃度基本上與溫度無關(guān)，因此這類熱敏電阻的電阻率隨溫度變化主要考慮遷移率與溫度的關(guān)系，隨著溫度的升高，遷移率增加，電阻率下降。大多應(yīng)用于測溫控溫技術(shù)，還可以制成流量計、功率計等。

Ⅱ、正電阻溫度系數(shù)（簡稱PTC）的熱敏電阻元件

常用鈦酸鋇材料添加微量的鈦、鋇等或稀土元素采用陶瓷工藝，高溫燒制而成。這類熱敏電阻的電阻率隨溫度變化主要依賴于載流子濃度，而遷移率隨溫度的變化相對可以忽略。載流子數(shù)目隨溫度的升高呈指數(shù)增加，載流子數(shù)目越多，電阻率越校應(yīng)用廣泛，除測溫、控溫，在電子線路中作溫度補償外，還制成各類加熱器，如電吹風等。

2、實驗裝置及原理

【實驗裝置】

FQJ—Ⅱ型教學用非平衡直流電橋，F(xiàn)QJ非平衡電橋加熱實驗裝置（加熱爐內(nèi)置MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）以及控溫用的溫度傳感器），連接線若干。

【實驗原理】

根據(jù)半導體理論，一般半導體材料的電阻率 和絕對溫度 之間的關(guān)系為

（1—1）

式中a與b對于同一種半導體材料為常量，其數(shù)值與材料的物理性質(zhì)有關(guān)。因而熱敏電阻的電阻值 可以根據(jù)電阻定律寫為

（1—2）

式中 為兩電極間距離， 為熱敏電阻的橫截面， 。

對某一特定電阻而言， 與b均為常數(shù)，用實驗方法可以測定。為了便于數(shù)據(jù)處理，將上式兩邊取對數(shù)，則有

（1—3）

上式表明 與 呈線性關(guān)系，在實驗中只要測得各個溫度 以及對應(yīng)的電阻 的值，

以 為橫坐標， 為縱坐標作圖，則得到的圖線應(yīng)為直線，可用圖解法、計算法或最小二乘法求出參數(shù) a、b的值。

熱敏電阻的電阻溫度系數(shù) 下式給出

（1—4）

從上述方法求得的b值和室溫代入式（1—4），就可以算出室溫時的電阻溫度系數(shù)。

熱敏電阻 在不同溫度時的電阻值，可由非平衡直流電橋測得。非平衡直流電橋原理圖如右圖所示，B、D之間為一負載電阻 ，只要測出 ，就可以得到 值。

當負載電阻 ，即電橋輸出處于開

路狀態(tài)時， =0，僅有電壓輸出，用 表示，當 時，電橋輸出 =0，即電橋處于平衡狀態(tài)。為了測量的準確性，在測量之前，電橋必須預(yù)調(diào)平衡，這樣可使輸出電壓只與某一臂的電阻變化有關(guān)。

若R1、R2、R3固定，R4為待測電阻，R4 = RX，則當R4R4+R時，因電橋不平衡而產(chǎn)生的電壓輸出為：

（1—5）

在測量MF51型熱敏電阻時，非平衡直流電橋所采用的是立式電橋 ， ，且 ，則

（1—6）

式中R和 均為預(yù)調(diào)平衡后的電阻值，測得電壓輸出后，通過式（1—6）運算可得R，從而求的 =R4+R。

3、熱敏電阻的電阻溫度特性研究

根據(jù)表一中MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）之電阻~溫度特性研究橋式電路，并設(shè)計各臂電阻R和 的值，以確保電壓輸出不會溢出（本實驗 =1000.0Ω， =4323.0Ω）。

根據(jù)橋式，預(yù)調(diào)平衡，將“功能轉(zhuǎn)換”開關(guān)旋至“電壓“位置，按下G、B開關(guān)，打開實驗加熱裝置升溫，每隔2℃測1個值，并將測量數(shù)據(jù)列表（表二）。

表一 MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）之電阻～溫度特性

溫度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65

電阻Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

表二 非平衡電橋電壓輸出形式（立式）測量MF51型熱敏電阻的數(shù)據(jù)

i 9 10

溫度t℃ 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4

熱力學T K 283.4 285.4 287.4 289.4 291.4 293.4 295.4 297.4 299.4 301.4

0.0 -12.5 -27.0 -42.5 -58.4 -74.8 -91.6 -107.8 -126.4 -144.4

0.0 -259.2 -529.9 -789 -1027.2 -124.8 -1451.9 -1630.1 -1815.4 -1977.9

4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.692.9 2507.6 2345.1

根據(jù)表二所得的數(shù)據(jù)作出 ～ 圖，如右圖所示。運用最小二乘法計算所得的線性方程為 ，即MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）的電阻～溫度特性的數(shù)學表達式為 。

4、實驗結(jié)果誤差

通過實驗所得的MF51型半導體熱敏電阻的電阻—溫度特性的數(shù)學表達式為 。根據(jù)所得表達式計算出熱敏電阻的電阻～溫度特性的測量值，與表一所給出的參考值有較好的一致性，如下表所示：

表三 實驗結(jié)果比較

溫度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65

參考值RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

測量值RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823

相對誤差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00

從上述結(jié)果來看，基本在實驗誤差范圍之內(nèi)。但我們可以清楚的發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，電阻值變小，但是相對誤差卻在變大，這主要是由內(nèi)熱效應(yīng)而引起的。

5、內(nèi)熱效應(yīng)的影響

在實驗過程中，由于利用非平衡電橋測量熱敏電阻時總有一定的工作電流通過，熱敏電阻的電阻值大，體積小，熱容量小，因此焦耳熱將迅速使熱敏電阻產(chǎn)生穩(wěn)定的高于外界溫度的附加內(nèi)熱溫升，這就是所謂的內(nèi)熱效應(yīng)。在準確測量熱敏電阻的溫度特性時，必須考慮內(nèi)熱效應(yīng)的影響。本實驗不作進一步的研究和探討。

6、實驗小結(jié)

通過實驗，我們很明顯的可以發(fā)現(xiàn)熱敏電阻的阻值對溫度的變化是非常敏感的，而且隨著溫度上升，其電阻值呈指數(shù)關(guān)系下降。因而可以利用電阻—溫度特性制成各類傳感器，可使微小的溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓纬纱蟮男盘栞敵觯貏e適于高精度測量。又由于元件的體積小，形狀和封裝材料選擇性廣，特別適于高溫、高濕、振動及熱沖擊等環(huán)境下作溫濕度傳感器，可應(yīng)用與各種生產(chǎn)作業(yè)，開發(fā)潛力非常大。

參考文獻：

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篇6

關(guān)鍵詞：InP；HEMT；流體力學模型；特性仿真

1 前言

InP基高電子遷移率晶體管（HEMT），相比與于傳統(tǒng)的晶體管器件，以其獨特的高遷移率、低噪聲、高增益特性，在國防航天、毫米波通信、衛(wèi)星遙感以及雷達等軍民用領(lǐng)域，擁有非常廣闊的應(yīng)用前景[3，4]。本文通過模擬仿真研究 InP基 HEMT 器件的基本特性，包括直流特性，交流特性等，對器件的工藝設(shè)計有著重要的意義。目前，國內(nèi)外對 InP 基 HEMT 進行了制備上的大量研究，但是對器件模型以及仿真平臺的研究還有大量的工作，以及其他技術(shù)和基礎(chǔ)科學上的研究有待進一步進行。

本文的工程中，采用 Sentaurus TCAD 半導體器件模擬仿真軟件，針對 InP 基HEMT 建立流體力學模型的模擬仿真平臺，通過觀察分析仿真的結(jié)果，為化合物半導體器件的進一步研究提供了理論支持。

2 InP 基 HEMT 仿真模型分析

半導體器件在仿真的時候使用的物理模型包括傳統(tǒng)的蒙特卡羅模型、傳統(tǒng)的漂移擴散模型和適合深亞微米器件的流體力學模型。出于計算效率的原因，本文主要使用了流體力學模型模擬仿真了 InP 基 HEMT 的轉(zhuǎn)移特性、輸出特性和頻率特性。并對其進行了分析研究。

3 In P基HEMT器件仿真特性研究

用Sentaurus TCAD 軟件進行InP基InGaAs/InAlAs 材料HEMT 器件的仿真，主要研究分析了其直流特性和交流特性，結(jié)果顯示該模型能夠很好的對目標器件進行特性上的仿真。

本論文所建工程中，器件上層為高摻雜帽層，以減小接觸電阻。中間為T型柵，其次為12nm厚InAlAs厚勢壘層，再加上Si材料delt 摻雜層，提供溝道層的二維電子氣。下面是 3nm 厚 In Al As 材料的隔離層。溝道層材料為InGaAs材料，厚度為15nm。下層為緩沖層和InP材料襯底。

3.1 直流特性分析

圖2和圖3分別表示不同柵槽深度器件的轉(zhuǎn)移特性，跨導，和輸出特性。從仿真結(jié)果中可以看出，柵槽越深，閾值電壓越大，而跨導值也會變大，輸出特性的值會減小。因此，柵槽深度對器件直流特性的影響相當重要，要得到較好的器件特性，應(yīng)綜合考慮柵槽深度對各種參數(shù)的影響，從而在器件的實際制作中結(jié)合工藝制作相應(yīng)的尺寸。

不同柵槽寬度對器件特性的影響可由圖 4 和圖5 顯示。根據(jù)仿真過程發(fā)現(xiàn)，柵槽寬度對器件的轉(zhuǎn)移特性和跨導有很大影響。沒有合適的柵槽寬度，會得到很不理想的特性曲線。經(jīng)過不斷的嘗試，最終得到合適的柵槽寬度。由仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，柵槽寬度對輸出特性的影響并沒有跨導那么大。仿真結(jié)果符合實際。在實際柵槽腐蝕中，柵槽寬度很難控制，往往材料在橫向上是相同的，腐蝕液很容易擴散，因此實際的腐蝕寬度很難把握，而縱向是異種材料，通過選擇腐蝕比較容易控制柵槽的縱向深度。

如圖6 所示，柵極勢壘值對轉(zhuǎn)移特性和跨導的影響僅限于增大減小閾值電壓，對跨導的大小并沒有影響。從圖7可以看出，對于輸出特性，不同勢壘值影響了其輸出值的大小，隨著Vd的增大，曲線先增大后趨于穩(wěn)定。從器件結(jié)構(gòu)可知，勢壘的不同使柵極電壓對二維電子氣的濃度的影響有所變化，因此導致了輸出Id的不同。

3.2 交流特性分析

結(jié)合實際工藝中的柵槽腐蝕，定義了不同柵槽深度，主要仿真了不同柵槽深度下的fmax和fT，分析了柵槽深度對器件交流特性的影響。

HEMT交流特性中，我們主要關(guān)注器件的頻率特性，其中最重要的兩個指標分別為截止頻率fT以及最高振蕩頻率fmax，截止頻率指的是漏極電流的增益h21下降為1時的頻率。最高振蕩頻率fmax時的是晶體管的單向化功率增益為1時的器件工作頻率，也是器件所能進行功率放大作用的最高工作頻率[5]。

從圖8和圖9仿真結(jié)果可以看出，深槽深度在3nm時的fmax和ft均大于1nm和5nm時，即表明，柵槽深度在一個合適值的時候，fmax和ft才會達到最大值，而且柵槽深度不應(yīng)該過小，也不應(yīng)該過大，應(yīng)處于一個合適的區(qū)間。這一仿真結(jié)果對實際器件研發(fā)有直到性的意義，應(yīng)綜合分析器件各特性，尋找最合適的柵槽深度。據(jù)調(diào)研，目前數(shù)字腐g這一方法可以精確刻蝕柵槽深度，因此對制造理想柵槽深度的器件很有意義。

4 結(jié)論

從仿真結(jié)果來看，所建立的InP基HEMT器件模型具有良好的半導體器件特性，適用于高頻電路。但仍需不斷優(yōu)化改良，后續(xù)的工作可進一步放在 HEMT的柵槽。應(yīng)進一步完善柵槽腐蝕的工藝，確保柵槽腐蝕更為精確，以免與實際要求差異太大而影響器件的應(yīng)用。在仿真工作中，所模擬的摻雜情況與實際器件可能有一定差異，為更精確的模擬器件，還應(yīng)該進一步研究所建立的器件模型中的摻雜分布情況，并完善SDE中的模型。

參考文獻

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篇7

1、概述

熱電制冷是具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的材料，在通過直流電時具有制冷功能，由于半導體材料具有最佳的熱電能量轉(zhuǎn)換性能特性，所以人們把熱電制冷稱為半導體制冷。由于其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性強、制冷迅速、操作簡單、容易實現(xiàn)高精度的溫度控制、無環(huán)境污染等優(yōu)點，半導體制冷的應(yīng)用范圍滲透到各個行業(yè)，尤其在制冷量不大，又要求裝置小型化的場合，更有其優(yōu)越性，甚至在某些方面，有著壓縮式無法替代的能力。

本文主要介紹半導體制冷的相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的專利申請數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、整理以及分析，總結(jié)該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的特點、現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，通過獲取國內(nèi)外該領(lǐng)域的專利申請情況，簡要分析半導體制冷技術(shù)的研究進展。

2、半導體制冷原理

半導體制冷是利用半導體材料組成P-N結(jié)，通過兩端施加直流電進行制冷， 將電能直接轉(zhuǎn)化為熱能的技術(shù)。

載流子從一種材料遷移到另一種材料形成電流，而每種材料載流子的勢能不同。因此，為了滿足能量守恒的要求，載流子通過結(jié)點時，必然與其周圍環(huán)境進行能量的交換。能級的改變是現(xiàn)象的本質(zhì)，這使構(gòu)成制冷系統(tǒng)成為可能。

如圖1把一只P型半導體元件和一只N型半導體元件聯(lián)結(jié)成熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產(chǎn)生溫差和熱量轉(zhuǎn)移。在上面的接頭處，電流方向是N P，溫度下降并吸熱，這就是冷端。而在下面的接頭處，電流方向是PN，溫度上升并放熱， 因此是熱端。

3、專利技術(shù)現(xiàn)狀分析

半導體制冷由于應(yīng)用范圍很廣泛，除主要用于制冷、通風及溫度控制的系統(tǒng)外，其他領(lǐng)域的涉及也很多。因此主要在VEN數(shù)據(jù)庫、CNABS數(shù)據(jù)庫里通過半導體制冷、熱電制冷、溫差電制冷的關(guān)鍵詞進行專利文獻的分析，以上述所有的專利文獻為研究對象，其中VEN中的文獻11666篇，CNABS中的文獻5214篇。

3.1 全球申請量的年度發(fā)展趨勢

由圖5中可以看出，從1970年起半導體制冷的專利申請逐年相對穩(wěn)定增長，我國應(yīng)用半導體制冷的第一件專利申請出現(xiàn)在1987年。世界范圍內(nèi)在1970年～1988年這段時間申請量較少，1988年以后，申請量開始逐年穩(wěn)定增長。近兩年的時間里，隨著半導體制冷材料的不斷改進，半導體制冷技術(shù)正處于一個快速發(fā)展的時期，并且由于半導體制冷技術(shù)存在著一些缺點和不足，還有很大發(fā)展的空間，從圖中也可以很明顯看出，半導體制冷領(lǐng)域的專利申請大部分都在中國，可見我國對于該領(lǐng)域給予了很高的重視。

3.2 國家和地區(qū)分布

圖6示出世界范圍內(nèi)半導體制冷領(lǐng)域?qū)＠暾埩堪磭液偷貐^(qū)的分布情況。從圖6可以看出中國的專利申請量遠遠大于其他各個國家，占據(jù)了全部專利申請量的42%，處于世界的領(lǐng)先地位。其次是美國、日本和歐洲其他發(fā)達國家。

3.3 中國申請專利分析

3.3.1 各領(lǐng)域分布情況

半導體制冷的應(yīng)用分類號的前五名為：F25B21+、F24F5+、F25D11+、G05D23+、H01S3+，其中前三個分類號為制冷、冷卻、空氣調(diào)節(jié)、通風相關(guān)領(lǐng)域，G05D23/00為溫度的控制，H01S3/00為激光器，可見除制冷、溫度控制等專業(yè)領(lǐng)域外，半導體制冷在激光器的冷卻應(yīng)用可以達到比較好的效果。另外，由于半導體制冷可應(yīng)用于各個行業(yè)，針對行業(yè)應(yīng)用情況進行統(tǒng)計，如下圖所示：

3.3.2 主要申請人

表1示出了在華申請量前20名的申請人，大部分為高校和研究所申請，還包括部分公司申請及個人申請。

可見，我國的半導體制冷領(lǐng)域大部分還停留在理論研究階段，尚未發(fā)展成熟?？梢灶A(yù)見對半導體制冷領(lǐng)域的研究將越來越深入，也會逐步的將其應(yīng)用于產(chǎn)品中。

3.4 國外專利申請分析

3.4.1各領(lǐng)域分布情況

如圖8所示，在世界范圍內(nèi)，半導體制冷領(lǐng)域多應(yīng)用于電學類，其次為機械、照明、加熱，由于半導體制冷在制冷量不大，又要求裝置小型化的場合有著明顯的優(yōu)勢，因此在電學領(lǐng)域應(yīng)用最廣也是可以預(yù)見的，從此也可以看出世界范圍內(nèi)的發(fā)展已經(jīng)達到了比較成熟的程度，可以將其廣泛的應(yīng)用于最適合的領(lǐng)域。

3.4.2 主要申請人

表2示出了世界范圍內(nèi)申請量前20名的申請人，大部分為外國企業(yè)申請，且日本申請占據(jù)大多數(shù)?？梢?，在世界范圍內(nèi)半導體制冷領(lǐng)域已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于實際應(yīng)用中，而雖然我國的申請量占據(jù)大多數(shù)，但整體實用價值不明顯。但是，現(xiàn)在正是我國半導體制冷技術(shù)發(fā)展的高峰期，隨著技術(shù)的不斷完善，將其大量的應(yīng)用于實踐也是必然的趨勢。

4、小結(jié)

中國是一個能耗大國，如何能降低能耗，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，研究和開發(fā)具有環(huán)境友好型的技術(shù)就成為一種必須。半導體制冷作為一種新興發(fā)展起來的制冷技術(shù)，是一種具有良好前景的制冷方式。由于半導體制冷具有清潔、無噪音污染和有害物質(zhì)排放、壽命長、堅固、可靠性高、穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，符合綠色環(huán)保要求，對國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，我國的半導體制冷領(lǐng)域正處于快速發(fā)展的階段，應(yīng)繼續(xù)加強對該領(lǐng)域的研究，我國企業(yè)也應(yīng)加大創(chuàng)新力度，完善優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)半導體制冷的普遍應(yīng)用。

參考文獻

篇8

與無機晶體管相比，有機薄膜晶體管具有下述主要優(yōu)點:有機薄膜的成膜技術(shù)更多、更新，如Langmuir－Blodgett（LB）技術(shù)、分子自組裝技術(shù)、真空蒸鍍、噴墨打印等，從而使制作工藝簡單、多樣、成本低；器件的尺寸能做得更小，集成度更高，分子尺度的減小和集成度的提高意味著操作功率的減小以及運算速度的提高；以有機聚合物制成的晶體管，其電性能可通過對有機分子結(jié)構(gòu)進行適當?shù)男揎椂玫綕M意的結(jié)果；有機物易于獲得，有機場效應(yīng)管的制作工藝也更為簡單，它并不要求嚴格的控制氣氛條件和苛刻的純度要求，因而能有效地降低器件的成本；全部由有機材料制備的所謂“全有機”的晶體管呈現(xiàn)出非常好的柔韌性，而且質(zhì)量輕，攜帶方便。有研究表明，對器件進行適度的扭曲或彎曲，器件的電特性并沒有顯著的改變。良好的柔韌性進一步拓寬了有機晶體管的使用范圍。

OTFT的研究歷程

OTFT遷移率和開關(guān)電流比是其兩個重要的參數(shù):晶體管的遷移率越大，實際運作速度越快;開關(guān)電流比越大，所驅(qū)動的器件的對比度越好。

1980年年初，人們將有機半導體聚噻吩引入晶體管中，開創(chuàng)了有機薄膜晶體管的研究。但令人遺憾的是當時器件的遷移率只有1×10-5 cm2/V•s，工作頻率只有1 Hz左右，開關(guān)電流比102～103。在近20年的研究過程中，為提高器件的載流子遷移率、工作頻率和降低驅(qū)動電壓，人們在尋找新的有機材料、改進器件結(jié)構(gòu)和制備工藝等方面進行了大量的工作。

1997年，人們利用并五苯作為有機材料采用層積法制作的有機薄膜場晶體管的遷移率達到了0.7 cm2/V•s，開關(guān)電流比為1×108，這足以和無定形硅薄膜晶體管（遷移率0.5 cm2/V•s，開關(guān)電流比為1×108）相媲美。2000年，Bell實驗室的J.H.Schon等人利用并四苯單晶作有源層，利用雙場效應(yīng)制成有機電注入激光器，在室溫下器件的載流子遷移率達到2 cm2/V•s，低溫下可達到1×103～1×105 cm2/V•s，開辟了新的有機器件的研究領(lǐng)域。2001年，貝爾實驗室的科學家利用高純的并五苯單晶使載流子遷移率達到3.2 cm2/V•s，開關(guān)電流比達到1×109，工作頻率達到700 kHz～11 MHz。

聚合物材料中，六噻吩是目前發(fā)現(xiàn)的遷移率最高的有機材料，利用做有機半導體制作的OTFT中，電子和空穴的遷移率分別達到0.7 cm2/V•s和1.1 cm2/V•s。1994年，利用打印法制備了全聚合物的OTFT，得到的晶體管載流子遷移率達到0.06 cm2/V•s，為OTFT的廉價和大面積制備打下了基礎(chǔ)。最近，劍橋大學和愛普生公司利用噴墨打印法，采用由于親水性和疏水性而產(chǎn)生自組織化特性的聚合物P3HT制成晶體管，器件的電極都為高分子材料，溝道長度達5～10 mm，載流子遷移率達到0.02～0.1 cm2/V•s，開關(guān)電流比達到1×105，工作頻率達到250 Hz。這使得有機薄膜場效應(yīng)晶體管的低成本、批量生產(chǎn)成為可能。目前，器件的載流子遷移率可達到1 cm2/V•s，開關(guān)電流比達到1×107。

OTFT的制作工藝

從制作方式來區(qū)分，OTFT有真空沉淀和溶液處理兩種方式。

真空沉淀技術(shù)一般用于有機小分子材料，經(jīng)常使用的方法有兩種：一種是熱蒸鍍；另一種是氣相沉淀。其中，熱蒸鍍是將有機材料置于坩鍋中，加熱至材料的升華溫度，使得材料在基板上沉淀。利用真空蒸鍍制備有機器件是目前最廣泛使用的工藝。有機材料的純度對于晶體的生長有相當大的影響，為了提高純度，可以使用熱梯度法。

而氣相沉淀與熱蒸鍍最大的差別在于利用惰性氣體為媒介氣體，將有機蒸汽帶到基板上。并且基板擺放也與熱蒸鍍相反，基板位于腔體下方，有機蒸汽經(jīng)過蒸汽噴頭由下而上至基板。

溶液處理方式可用于聚合物和可溶解的有機小分子，包括旋轉(zhuǎn)涂布和噴墨打印等方法。旋轉(zhuǎn)噴涂是將有機材料溶于有機溶劑，均勻地涂在基板上，經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)形成有機薄膜。溶液的濃度和旋轉(zhuǎn)的速度影響有機薄膜的厚度和均勻性。印刷技術(shù)包括屏幕打印、噴墨打印和接觸打印等方法。國際上，已有多個實驗室用印刷技術(shù)制備有機薄膜晶體管，其中研制印刷用試劑是關(guān)鍵，各種有機半導體或絕緣體都可按某種花樣圖案，一層一層地印制在柔性襯底上，最后成為一個完整有機薄膜晶體管。目前，研究集中在打印技術(shù)方面，其線寬可小于1 μm。其中噴墨打印法就是像打印機打字一樣將有機打印到襯底材料上。用噴墨打印頭制備的有機晶體管陣列的級延遲小于40 μs，雖無法和硅器件相比，但已經(jīng)取得了很大進展。這項技術(shù)的發(fā)展為大規(guī)模、大尺寸產(chǎn)品生產(chǎn)提供了工藝方法。

OTFT的材料

OTFT最關(guān)鍵的技術(shù)之一是有機半導體材料。有機薄膜晶體管對所用的有機半導體材料有著特殊的要求：高遷移率、低本征電導率。高遷移率是為了保證器件的開關(guān)速度，低本征電導率是為了盡可能地降低器件的漏電流，從而提高器件的開關(guān)比，增加器件的可靠性。

按照材料傳輸載流子電荷的不同，可分為N型半導體材料和P型半導體材料。N型半導體是指載流子電荷為負，即載流子為電子；P型半導體是指載流子電荷為正，即載流子為空穴。

目前用于有機薄膜晶體管的N型材料主要以富勒烯（C60）為代表。它的電荷遷移率遠高于其他N型材料，利用這種材料制備的有機薄膜晶體管的遷移率可以達到0.1 cm2/V•s，開關(guān)電流比超過105。其他材料有C70、 四羧酸類材料等，但性能并不理想。同時由于這類N型半導體材料對空氣和水比較敏感，所以制備的器件的性能不穩(wěn)定。

多數(shù)有機材料都是P型半導體，包括金屬配合物、寡聚材料、聚合物。酞菁類化合物是制備OTFT最早使用的材料，也是常用材料之一。通過取代中間的金屬，可以得到各種配位化合物，所制備的器件的遷移率在10-4～10-2 cm2/V•s的范圍內(nèi)。寡聚噻吩是寡聚材料的代表，在OTFT的研究中被大量使用，它可以通過調(diào)整分子的結(jié)構(gòu)和長度來控制載流子的傳輸，也可以通過修飾分子以改善分子的連接形式。曾被使用過的材料有并四苯、并五苯、并六苯、紅熒烯和蒽等，其中并五苯所制作的器件的特性是現(xiàn)階段最優(yōu)秀的，遷移率超過2 cm2/V•s，開關(guān)電流比達到108。聚合物也是較早使用在OTFT中的材料，包括聚吡咯、聚噻吩、聚苯酚、聚2,5噻吩乙炔等。第一個OTFT所用的半導體材料也是高分子半導體材料，但當時的載流子遷移率只有10-5 cm2/V•s。在人們的不斷改進下，聚合物器件性能不斷提高，目前利用聚合物半導體材料制備的OTFT的載流子遷移率達到了0.1 cm2/V•s。

除有機半導體材料外，絕緣層材料和電極也對OTFT的性能有重大影響。

由于半導體材料一般沉淀到絕緣層上，因此絕緣層表面的性質(zhì)對半導體材料成膜的形貌和載流子傳輸都有重要的影響。按照材料的元素不同，可分為無機絕緣材料和有機絕緣材料。無機材料包括SiO2、SiNx、Al2O3等。與無機材料相比，有機絕緣材料具有工藝簡單、成本低廉、可制作在柔性基板上等優(yōu)點，包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚酰亞胺（PI）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯基苯酚（PVP）等。對絕緣層表面進行加工和修飾也可以提高器件的性能。

選擇金屬電極材料的基本原則是電極可以與有機半導體形成很好的能級匹配。對于p型有機半導體材料，要求電極的功函數(shù)與材料的HOMO能級之間的勢壘較?。欢鴮τ趎型材料，要求電極的功函數(shù)與材料的LOMO能級之間的勢壘較小，以減少因勢壘存在而導致器件性能下降，提高載流子的注入效率。常用電極材料有金屬的鋁、金、鉑、鉻、ITO、石墨等。

OTFT的發(fā)展方向

OTFT的研究已經(jīng)廣泛地進行，但目前仍然存在許多缺點和問題：現(xiàn)有的關(guān)于半導體能帶理論是建立在無機材料的基礎(chǔ)上，對OTFT中一些現(xiàn)象無法給出合理的解釋。有機薄膜晶體管的開關(guān)速度不穩(wěn)，在晶體管的內(nèi)部可能發(fā)生擺動，從而使各種信息滯后。大多數(shù)有機材料的遷移率都很低，與無機多晶和單晶材料的遷移率相比要小得多，因而其導電性并不盡如人意。有機半導體材料大多數(shù)為p形材料，n型材料較少，類型過于單一，這也限制了有機晶體管的進一步發(fā)展。外界環(huán)境如水、氧以及光和溫度等，都對OTFT器件的穩(wěn)定性有重大的影響，導致器件性能的衰減。

篇9

關(guān)鍵詞：服務(wù)器、半導體制冷、溫控

0 引言

在專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，如大型服務(wù)器及服務(wù)集群等商業(yè)化的大規(guī)模計算服務(wù)中心，仍然需要高效的散熱及溫控技術(shù)來保證高精度的數(shù)據(jù)服務(wù)。這就需要必須采用高效的散熱技術(shù)來解決實際問題。對比常規(guī)的風冷技術(shù)、水冷技術(shù)，半導體制冷技術(shù)的優(yōu)勢在于提供了主動的制冷方式，其散熱效果是其他技術(shù)無法比擬的，并且在半導體制冷的實際應(yīng)用中，證明了主動的制冷散熱方式為服務(wù)器運行的保障是具有實際效果的。但是，對于半導體制冷技術(shù)應(yīng)用的條件很嚴格，根據(jù)其技術(shù)的基礎(chǔ)情況，要從服務(wù)器環(huán)境管理、溫度監(jiān)測及控制、輔助散熱技術(shù)等多方面技術(shù)進行綜合運用，實現(xiàn)服務(wù)器的環(huán)境管控。

1 服務(wù)器環(huán)境

1.1 服務(wù)器構(gòu)架復雜

服務(wù)器由于用途與傳統(tǒng)的計算機并不相同，所以在服務(wù)器主板與其他服務(wù)器配件都與普通的計算機有所出入，服務(wù)器內(nèi)部構(gòu)造是與其主要用途決定的，所以很多服務(wù)器并非采用傳統(tǒng)的兼容構(gòu)架，而是根據(jù)其特定用途進行設(shè)計的。例如：單一的主板對多CPU的支持，多內(nèi)存，多顯卡，多外接設(shè)備等的支持。如圖1所示。

1.2 服務(wù)器空間有限

服務(wù)器的空間是由服務(wù)器機箱規(guī)格決定的，按照1U、2U、刀片服務(wù)器等不同規(guī)格決定，由于在有限的空間中需要放置更多的設(shè)備，所以決定不能將更大面積的散熱設(shè)備至于其中，這就決定了服務(wù)器散熱必須采用高效地的設(shè)備來解決實際問題。

1.3 服務(wù)器散熱方式

傳統(tǒng)的服務(wù)器散熱方式與普通PC機基本相同，主要由風冷式散熱、水冷式散熱。其中：風冷式散熱主要由導熱片和風扇組成，導熱片多采用銅、鋁材質(zhì)的不同制程工藝制造，風扇多為帶有溫控設(shè)計。風冷散熱優(yōu)點是制造簡單、價格低廉，但由于散熱方式?jīng)Q定了其效能不高，不能滿足要求較高的環(huán)境；水冷式散熱是將風冷式的風扇替換為液體，通過液體循環(huán)傳熱體質(zhì)達到散熱效果。

2 半導體制冷技術(shù)

2.1 半導體制冷的原理

熱電制冷是具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的材料，在通過直流電時具有制冷功能，由于半導體材料具有最佳的熱電能量轉(zhuǎn)換性能特性，所以人們把熱電制冷稱為半導體制冷。詳見圖2所示。半導體制冷是建立于塞貝克效應(yīng)、珀爾帖效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)共五種熱電效應(yīng)基礎(chǔ)上的制冷新技術(shù)。其中，塞貝克效應(yīng)、帕爾貼效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)三種效應(yīng)表明電和熱能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的，另外兩種效應(yīng)是熱的不可逆效應(yīng)。

（1）塞貝克效應(yīng)， 1821年，塞貝克發(fā)現(xiàn)在用兩種不同導體組成閉合回路中，當兩個連接點溫度不同時（T1

（2）珀爾帖效應(yīng)，珀爾帖效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)的逆過程。由兩種不同材料構(gòu)成回路時，回路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。

（3）湯姆遜效應(yīng)，若電流過有溫度梯度的導體，則在導體和周圍環(huán)境之間將進行能量交換。

（4）焦耳效應(yīng)，單位時間內(nèi)由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導體電阻和電流平方的乘積。

（5）傅立葉效應(yīng)，單位時間內(nèi)經(jīng)過均勻介質(zhì)沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。

2.2 半導體制冷的效果測試

本文主要進行 CPU 在只有風扇情況下和CPU 在接入半導體制冷片時的試驗： （ 1） CPU 在只有風冷（ 風扇） 情況下的散熱： 先把半導體制冷片從整個裝置中取出，將 CPU 直接貼在散熱器上，然后給 CPU 和電扇都接通直流電源，風扇兩端電壓穩(wěn)定在 12V，CPU 兩端加電壓從 5V ～8V，每次增加 1V，用數(shù)據(jù)采集儀記錄在每個電壓下的CPU 從初始狀態(tài)到穩(wěn)態(tài)的溫度數(shù)據(jù)； （ 2） CPU 在接入半導體制冷片時的散熱： 把半導體制冷片放入裝置，冷端貼在 CPU 上，熱端貼在散熱器上，先給 CPU 和風扇接通直流電源，風扇兩端電壓仍穩(wěn)定在 12V。給 CPU 兩端加 5V 電壓，一段時間后給制冷片兩端加電壓 3V ～7V，每次增加 1V，記錄在每個制冷片輸入電壓下制冷片冷端和熱端從初態(tài)到穩(wěn)態(tài)的溫度數(shù)據(jù)，再分別給 CPU 兩端加 7 ～8V 電壓，進行相同的操作。

在進行試驗時，整個裝置除了風冷裝置以外全部放入隔熱槽中，這樣熱量只能縱向傳導，所以整個問題可以近似為一維導熱問題。

2.3 試驗結(jié)果的分析與討論

半導體制冷片的降溫效果詳見圖3 為 CPU 輸入電壓為 5. 0V 時，有無制冷片時的 CPU 溫度對比。有無制冷片時的 CPU 溫度隨時間變化曲線從圖中可明顯看出半導體制冷片對 CPU 的降溫效果明顯。不接入制冷片時，CPU 溫度從室溫上升至平衡溫度而保持穩(wěn)定。當制冷片接入時，CPU 溫度開始降低，約經(jīng)過 300s 后達到穩(wěn)定狀態(tài)。制冷片輸入電壓為 3. 0V 時，CPU 溫度從38. 7℃ 降至 25. 2℃ ，明顯低于了測量時的環(huán)境溫度。

3 總結(jié)

在計算機發(fā)展中，服務(wù)器的散熱環(huán)境是非常復雜的，對于傳統(tǒng)散熱方式與半導體制冷方式的對比可以直接反映出半導體制冷技術(shù)的優(yōu)越性。本文經(jīng)過分析，證明了半導體制冷技術(shù)在計算機服務(wù)器中的實際應(yīng)用的可行性和其價值的體現(xiàn)。

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篇10

你的電路未被采用或遭停用，原因可能有很多種，但總體而言，不外乎客戶對于產(chǎn)品品質(zhì)、可靠性、價格以及服務(wù)等需求沒有得到滿足。滿足這些需求有助于提升客戶滿意度，從而最大限度地爭取到再次合作的機會。而選擇能夠滿足客戶需求的元器件，將大幅提高產(chǎn)品的性能，進而增加重獲訂單的勝算。簡而言之，你的目標是盡一切可能，讓客戶的產(chǎn)品成為業(yè)界翹楚。

能讓客戶感到滿意的事項林林總總，至關(guān)重要的一點，則是確保產(chǎn)品在其使用壽命周期內(nèi)“零故障”運行。倘若在使用中出現(xiàn)故障，而故障歸結(jié)于你的產(chǎn)品質(zhì)量存在問題，這不僅會讓公司名譽掃地，更會讓客戶對你避之不及。

你必須確保在設(shè)計和生產(chǎn)過程中，使用高品質(zhì)、高可靠性的元器件，千萬不要采用那些來路不明的元器件。在這方面節(jié)省，其實并不劃算。一個有瑕疵的元器件，造成一件不合格產(chǎn)品，很可能會對公司聲譽造成永久損害，導致客戶和業(yè)務(wù)流失。再次強調(diào)，你的目標是盡一切可能，提高客戶產(chǎn)品品質(zhì)。

一個電路所采用的元件中，最關(guān)鍵而最容易設(shè)計錯誤或被誤用的，往往是半導體元器件。在接到的客戶投訴中，九成以上源于元器件的誤用——往往是超過一個或者多個電氣參數(shù)所允許的最大值。半導體元器件運作正常時，功效驚人，但元器件必須在額定值范圍內(nèi)操作。根據(jù)我們的經(jīng)驗，防止半導體過度損耗，設(shè)計方面需要考慮的、最重要的因素有三項：預(yù)防可能造成的電壓過大，或電流尖峰，以及交界處（Tj）過熱。尖峰可能是外部源頭反饋或元器件之間的不良互動引起的。

對可靠性嚴格標準單一PPM值的考量是非常重要的。這一級別的考量，需要對大量同一系列產(chǎn)品進行以百萬小時計的持續(xù)壽命試驗，才有可能得到結(jié)果，以保持最小的故障率。

高性能的元器件，取材于高品質(zhì)的晶圓，并且通過日積月累不斷完善設(shè)計，在封裝以及隨后的高溫穩(wěn)定性烘烤和應(yīng)用于終端產(chǎn)品的整個壽命周期內(nèi)，芯片的電氣特性保持恒久不變。

半導體參數(shù)列出了典型電氣特性以及極限和最大額定值。電路設(shè)計者必須確定半導體元器件的電壓、電流和溫度不超過最大額定值。任何電路元器件不良互動或外來作用都可能引起過高的電壓或電流尖峰，造成穿孔和交界點融化。結(jié)溫（Tj）過熱往往是由于考慮不當，限定熱阻值應(yīng)用不正確所導致。