半导体与量子力学的关系(6篇)
半导体与量子力学的关系篇1
改革开放前，我国大陆自成体系的半导体产业及其发展模式，因和国际水平差距太大而无法继续走下去。转而走类似韩国、台湾的“模仿-创新”（高强度引进消化再创造）的路子，这是一选择是有其必然性的。
中华民族有着伟大的创新竞争能力。我国两弹一星的成功是一个辉煌例证，台湾半导体的崛起也是一个例证。但20多年来，由于外部内部的种种原因，我们半导体产业的这种创造力被遏制而得不到发挥，从而在国际竞争中长期处于下风，事实上已被“锁定”在国际半导体产业链条的低端。我们面临被国际水平越拉越远的现实威胁。
按“比较优势论”，这是客观经济规律所决定的必然结果，不值得大惊小怪，更没有必要勉强“赶超”。中国面临的发展问题太多，高科技我们玩不起；老老实实遵照国际分工格局，当好小伙计也能发家致富。
我们不能指望近期就能赶上或超过美国、日本今天的微电子科技水平。中学生一般是没有实力考博士的。但这里讨论的，是我国微电子领域的“追赶”问题。逆水行舟，不进则退。所谓追赶，就是以自己现有实力为基础，努力追踪国际微电子进步潮流，力图缩小差距（至少不要再扩大），建设起自己能够控制的技术/产业体系。当今的“全球化”，是经济、科技的世界性战场，一个大国，在电子领域中连印度、新加坡都赶不上，终有一天难免被开除“球籍”。所以：
我国加速发展半导体产业的必要性——基于国家总体战略的需要；
加速发展半导体产业的可能性——台湾人也是中国人，他们能成功，我们也不孬。况且海峡两岸的半导体经济圈，正在形成。
现实的追赶战略，基本的原则还是坚持开放政策，在力求高水平的引进中，走出“模仿-创新”的发展道路。
实现追赶战略的基本条件
通过对韩国、台湾和我国大陆半导体发展经验的研究可知，尽管但后进国家（地区）面临的外部环境及条件不同，发展半导体产业的路径和机制各有不同，但要有效实现追赶战略，必须克服资金、技术（人才）、管理和市场这些共同障碍。由此，以下几个要素是必不可少的：
·政府的主导作用。对微电子的重视和实现追赶的决心，以及积极进取而合理的规划和政策，至关重要。后进国家财力有限，科研实力弱，仅靠民间企业和科研机构层次的决策，门坎过高，无力承受风险。政府的支持不仅在财力方面，也有必要在技术路线的层面参与战略规划。
·明确的技术进步目标和路线。一般来说，高强度的引进消化吸收是缩短技术差距的基本途径。人才的国际化竞争是电子行业的突出特点，需要在创业条件、企业制度、收入水平等方面实行“综合治理”，创造足以吸引人才的环境。
·进入半导体制造业，意味着大规模的风险投资，需要灵活的筹资机制和融资环境。
·要求政府运作和企业经营管理的灵活高效。在某种意义上可以说，后进国家挤进“微电子俱乐部”的竞争，是经济运行效率的竞争。
要做到这一切，决非单项措施可以奏效。需要国家意志和组织作用，需要完整的发展战略和政策，更需要各层次组织的高度经济活力。由于半导体产业的全球高度市场性和战略性，需要政府、企业功能的正确定位，以及高水平的管理。
“未来10年将是我国微电子发展的关键时期。目标是通过10年左右的努力：掌握集成电路设计、生产的关键技术和自主知识产权，大大缩短生产工艺技术水平与世界的差距，提高国内市场的自给率并积极开拓国际市场，满足国防和信息安全的需求；形成能够良性循环的科研生产体系。”[1]
若干需要在业内讨论清楚的问题
但是，由于微电子科学技术的复杂性，我们的半导体产业的发展战略，还有许多根本性的、基于专业技术判断基础上的问题，首先需要在业内讨论清楚，试举出如下几项：
市场定位问题：日本在起步时期曾把工业控制和消费类芯片作为主攻方向，韩国则把DRAM芯片的设计、制造工艺作为突破口。今天世界市场的芯片，按大类可分为消费类IC、投资类IC、通讯类IC；投资类IC又可分为专用芯片和通用芯片（DRAM/CPU）两大类。我们要自主发展半导体科技，重点主攻方向在哪里？业内的意见，多数集中在专用芯片和通信类芯片（通信产品是近年来发展最快的市场），特别是以砷化镓为基片的通讯类集成电路，我国已有一定基础，和国外水平相差不太远，是一个很好的切入点。另有相当多的人主张，不能放弃占市场2/3以上的通用芯片。这恐怕是要分清近期重点和中远期重点的。
技术路线：业内公认，预计再过10年，摩尔定律将失效，国际半导体界正在加紧新材料、新设计、新加工技术、新设备的研究。我们已经被动跟进了20年左右了。要实现追赶战略，是循现有硅技术跟进，还是走“拦截”道路（如放弃硅加工技术的追赶，从纳米技术开始）？主张放弃硅加工技术、专攻纳米级加工技术的声音在管理部门占有一定席位。但科学界很多人认为，21世纪以硅技术为中心的半导体加工技术仍占主流（见本文第二部分）。
投资体制：鉴于我国现有国家投资的先进生产线多数没有自己的控制权，是否还有必要以国家为主体投资3-5条先进生产线，包括砷化镓生产线？由于所需投资额要以百亿人民币计算，国家在“十五”期间似无此打算。但如果真是关系到全局利益，是否有必要再提出议论？等等，
实施半导体产业追赶战略的讨论
国家有关机构及业内已经就加快我国半导体产业发展制定了规划、政策，现在很多情况下是如何落实的问题。在这里，作者提出经过考虑认为是必要的措施：
需要国家层次的决心和指挥，制定积极可行的发展规划
首先要组织落实。成立代表国家意志的权威性微电子领导机构，集中负责，具体领导和协调国家组织的研发-生产全过程，重点扶持，克服地方部门分割的弊病，统筹合理使用资金和人才。
发展战略不能流于一般号召和思路，在充分论证的基础上，作好中长期微电子跨越发展的科学规划（具有前瞻性的科技规划、产业建设、市场扩张）。要提高决策水平和反应速度。半导体更新换代快，计划要求不断滚动调整，现有五年计划方法需要改进。
半导体产业与其他产业最明显不同的一个特点，是技术进步和产业应用具有相当清楚的路线图和时间表，因此，我们的微电子科技规划必须具有和产业发展规划相对应的切入点和结合点的时间表，以及明确的产业应用目标和相应的成果转化应用政策与机制。
要充分利用外商投资半导体热潮这一良机，加强引进消化，逐步提高产业的自主创新和自主发展能力。
制定切实可行的市场战略，从中低端产品起步。作为长期目标，则要有占领高端技术和产品的决心和意志，不应放弃。
要配合工艺技术的进步，自主开发关键设备、工具、仪器，最终打破在制造设备上受制于人的被动局面，建立起可以与世界前沿平等交流的技术支撑体系。
抓住当前市场机会，瞄准长期发展方向
我国目前科技水平还不具备占领高端产品的能力，宜从占领低端市场和新兴市场起步，有必要选定一组有市场前途、国际竞争压力较小的品种作为突破口。
当前微电子技术有三个清晰的发展方向：以存储器（DRAM）和微处理器（MPU）为代表的计算机芯片；以系统集成芯片为主流的专用电路（ASIC）各控制应用领域；信息传输技术。
我国目前宜立足于专用集成电路和通信市场寻求发展。尤其通讯领域还没有形成强垄断力量，国内市场潜力巨大，及时抓住民用砷化镓通讯器件及电路的机会，可占领一定的市场份额。在这两个领域积蓄起足够的力量之后，再向主流市场发起攻击，最终占领通用芯片市场。
专用集成电路因应用领域十分广泛，市场空间极大。但这也给企业寻找市场、开发适时产品又提出了严峻的挑战，对企业的营销管理和应变能力有着很高的要求。
依托我国市场优势，将半导体和整机生产结合起来。由国家组织专项重点工程，如高清晰度电视、移动通讯和PC机等，根据我国国情制定标准，建立整机业与芯片业的战略联盟。
发挥政府主导作用，贯彻产业政策
要全面提高我国半导体产业水平，将是一个大规模的系统工程，根据目前国内企业缺乏资金和技术实力的情况下，有必要通过政府作用，发掘和聚合全国有限的科技力量。由于半导体的高强度竞争性质，必须有国家的坚强领导，稍有松懈就会被淘汰。所以对政府的管理水平提出很高的要求。
·在发展规划指导下，促进半导体产业合理布局的形成。
我国半导体产业已经形成了三块主要聚集区。目前许多地方对投资半导体表示极大兴趣，纷纷提出要建设自己的“硅谷”。要协调各方面利益关系，打破部门地区封锁，促进资源的合理配置，防止各地争建“硅谷”、“新竹”，形成新的分散浪费。有必要加强调控，建设几个较集中的微电子园区。鼓励跨省投资，税收政策相应也要调整。
·组织部门地区单位间协作，官产学研联合，组织重点领域及关键设备的攻关，以及推动形成技术共享机制和企业策略联盟。
·鼓励建立区域行业协会，推动企业技术联盟的形成。
·切实落实国家已经颁布的对微电子类企业的各项优惠政策。落实增值税减免政策，提高折旧率、对进口成套设备提供特批关税和增值税豁免等。
放宽企业的融资条件，扩大风险投资基金，或政府直接建立半导体投资基金，或拨出定额的人民币及外汇贷款规模。由于投资所需资金额庞大，政府融资能力有限，要形成多渠道投融资的投资机制，允许半导体企业在国内外资本市场有限融资。给半导体生产企业优先上市权。
·适度市场保护政策。微电子作为国家的命脉，在幼稚阶段必须得到适当保护。要制定法规，涉及国家安全的电子信息系统、身份证IC卡，国家机关使用的电子系统，政府采购要优先使用国产芯片，抵制洋货（上海的公交、社保IC卡已经实行这一办法，应该全国实行），制定我国自己的技术协议及标准。
深化经济体制改革，营造公平竞争环境
处理好微电子战略性和竞争性的关系，正确发挥政府在产业发展中的作用，形成政府-企业间新型互动关系，营造一个“自主经营、自主创新、合理竞争、保障持续增长”的公开有序的市场环境和法制环境，培育灵活高效、能够激励个人和团队创造性的企业管理和激励机制。
鼓励民营、外资等各种经济形式的企业投资半导体。现半导体产业的民间投资出现良好势头，目前主要是民营芯片设计企业，也应鼓励各类经济实体投资半导体制造业，鼓励发展各种技术档次的专用集成电路生产线，占领广大的中低端半导体市场。如上海贝岭80%的产品与整机系统挂钩，效益良好；友旺原是民营Fabless公司，通过租赁国有半导体生产线获得效益，现开始投资新生产线。
促进国企改革与重组，按现代企业运行模式，在管理体制方面加大改革力度。落实企业管理、技术和市场骨干人员的待遇和期股权。
稳定队伍，大力吸引海外优秀人才
高科技人才是半导体产业的根本，要高度重视人才战略。我国十分有限的微电子人才不断外流，多有去无回，损失巨大。
从根本上说，人才战略是要建造一个有利于科技人员发挥创造力、有利于创业创新的制度环境和人文环境。要鼓励公平竞争，改革企业单位内人事制度分配制度。
要制订优惠政策，拿出足够强度的专项经费，稳定并充分发挥现有人才队伍的作用，充分重视海外华裔技术专家的作用，加强与海外技术团体的联系，大力吸引海外微电子高层技术和管理人才，采取特殊措施吸引国外微电子顶尖人才。
加强微电子科研与教育队伍的建设，重视系统设计人员、专用电路设计人员、工艺研究人员、企业管理、营销、项目管理人才的培养。高新科技园区要和人才战略结合起来。营造鼓励创业的政策环境，要突破现行体制的限制，尽快实行期股制度。
充实有关科研机构，从制度上保证半导体企业有条件留够研究开发费用。
几项具体措施的建议：
·促进业内合理分工，鼓励发展设计行业（无生产线公司）
集成电路（特别是专用电路）制造和设计是相辅相成的。IC专业生产厂和分散的无生产线（Fabless）设计公司并存与分工合作，成为世界微电子产业的通行模式。设计业投资小，与市场密切相关，只要有优惠的产业政策和好的人才政策，就可以很快发展壮大。如从专用集成电路方面突破，则大力发展设计行业就更有必要。
设计行业要以部级高档次需求和中低档次并举，建立技术共享机制。
从战略角度看，国家有必要在突破CPU和存储器为代表的核心技术方面，以及对占领市场、扶持产业发展有重大意义的高档产品设计方面（如通讯芯片），发挥组织作用。
要建立技术支援和技术共享环境。为适应系统芯片（SOC）的迅速发展，亟需组织建立部级的有知识产权的设计模块（IP）库，统一规范管理与服务，建立面向全国的调用机制，提高国内设计公司的整体水平。同时，也有必要通过区域性半导体行业协会，促进企业间技术联盟和建立技术共享机制。
·国家牵头，多方筹资，建设几条8英寸以上硅芯片生产线，并掌握其技术、市场和管理的主导权。同时以多元化模式在未来5年内建成6-10条大生产线，形成产业群。由于我国多年来全套引进和国内科研成果的积累，已经具备一定基础，不必再引进全套技术，而是引进单项关键工艺技术专利和有关高技术人才，自主创新，逐步建立自主知识产权。
·尽快建立国家微电子研发中心，加强新一代工艺、设备的研发和前瞻性科研
要摆脱在关键设备和核心工艺技术依赖外国，且一代代被动引进的局面，必须保留并大力加强自己的微电子科研能力，改变当前科研生产严重脱节、各部门间科研力量互相封闭的状态。如果不从现在开始努力加强自己的工艺技术后盾和关键设备研制能力，最终将无法在国际竞争舞台上立足。
参照美日欧行之有效的经验，国家有必要牵头建立微电子研发中心，集中有限的人力财力，把国内有优势的高效和研究所力量更好地组织起来，作为自主研发的基本骨干队伍，并为各部门科研机构。
要开发新一代核心工艺技术以及高档产品；依托现有生产线，购置部分先进设备，以最快的速度用自主科研成果提升生产线的技术，在开发新一代工艺的基础上开发关键设备。
要抓紧研发新一代关键设备。光刻机是限制我国微电子制造技术的瓶颈，要组织力量，集中投资，瞄准193纳米准分子激光投影光刻机为重点的专用设备中的关键技术并达到实用化。现有光学曝光技术已接近极限，国际上正在开展电子束和X射线光刻及新型刻蚀机的研究，我国有必要加大力量开展这一方面的技术攻关。（工程院）
同时，针对中长期我国微电子产业的需求，开展新一代系统芯片中新工艺、新器件和新结构电路的前瞻性、战略性研究，以及承担各研究机构的验证集成和中试任务，最终发展成自主知识产权的源泉。
有所为有所不为
所谓追赶战略，不会是直线式的发展，需要技术、经济实力的逐步积累。关键在于提供好的环境，促进产业生态的成长，坚持数年，积累能量，终会有爆发式的进步。
作为发展中国家，我们不可能在各个高科技领域样样去追赶，要“有所为有所不为”。但是，鉴于微电子在科技及高新技术产业中的中心地位，鉴于微电子技术对提高国民经济整体效益、增强综合国力的无可替代的的基础作用和国防意义，微电子技术/产业在“有所为”的领域中，应当和软件产业一样，是无可争议的首选。这是国家的根本性的战略问题。至于在“敌”强我弱的形势中如何保存发展自己，在一个历史时段中采取什么样的竞争策略和方式，则是战术问题。
所以，首要的问题，还是在“全球化”浪潮中，树立民族自尊心，敢于搏击国际竞争、充当强者的决心和魄力。
“创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺的不竭动力。如果自己的创新能力上不去，一味依靠技术引进，就永远难以摆脱技术落后的局面”（95年江泽民同志在全国科技大会上的讲话）。
注释：
[1]《关于加快我国微电子产业发展的建议》，2000年。
参考文献：
1《关于加快我国微电子产业发展的建议》，工程科技与发展战略报告集，2000年。
2《高技术发展报告》，中国科学院2000年。
3《中国高新技术产业发展报告》科技部1999年。
4《中国科技发展研究报告》中国科技发展研究报告课题组2000年。
5马宾：《电子信息产业的作用与发展》电子工业出版社，1995年,1997年
6许居衍：《市场竞争下的战略工业——对微电子工业的一点认识》电子展望与决策2000年第3期。
7马庆国：《我国微电子产业振兴之路》中经网，2000年。
8陈文化：《中国半导体产业的发展趋向》陈文华1998年。
9陈文鸿、朱文晖：《台湾资讯产业发展及其对中国大陆的启示》战略与管理，1997年。
10胡启立：《抓住机遇发展我国半导体产业》中经网2000年。
11曲维枝：《努力营造产业环境，加速发展我国集成电路产业》中经网2000年。
12王阳元：《21世纪微电子技术发展的主要趋势和方向》王阳元中经网2001年。
13《两岸三地信息产业发展研讨会纪要（半导体篇）》产业论坛，1998年第16期。
14林毅夫：《信息产业发展与比较优势原则》2001年。
15《微电子产业研究报告》天则研究所2001年。
半导体与量子力学的关系篇2
瞬态光伏技术（TPV）能够有效探索半导体功能材料中光生电荷的输运性质，是一种无损检测技术。简述了利用瞬态光伏技术探索半导体功能材料的光电性质，包括分析功能材料的类型、载流子的传输方向、载流子的寿命、分离效率等信息，这对我们理解半导体功能材料的各种光物理过程是非常有益的。
关键词：
瞬态光伏技术；光生电荷；光生电子-空穴对；光生载流子
瞬态光伏技术是微区扫描技术中表面光电压的一种。表面光电压就是半导体的光伏效应，当半导体的表面被大于其带隙能的光照射时，半导体价带（VB）中的电子由于吸收了光子的能量，跃迁到半导体导带（CB），价带中留下空穴，产生光生电子-空穴对，这种光生电荷的空间分离产生的电势差为光伏效应，W.G.Adams在1876年最先观察到这一现象。1948年以后，半导体领域的开拓使得光伏效应成为一种检测手段，并应用于半导体材料特征参数的表征上。不同于稳态表面光电压（SPS）检测在连续波长的光激发下的光生载流子（电子或空穴）的分离结果，瞬态光伏技术检测的是在极短的光（纳秒ns或飞秒fs级别）激发后的光生载流子的产生、分离、复合等一系列动力学行为。
1瞬态光伏技术的发展
瞬态光伏的说法源于英文Transientphotovoltage。这种检测方法也有许多其他的表达方式，如时间分辨光伏等。最早利用瞬态光伏技术的是E.O.Johanson［1］，1957年Johnson通过此技术探索了多种半导体中少数载流子的寿命。瞬态光伏技术的发展依赖检测仪器中光源的使用，Johnson采用的光源为电火花隙（Sparkgap），它的时间分辨率在微秒范围内。J.Hlavka和R.Svehla［2］使用发光二极管作为光源，将测试装置从等效电路上进行分析，得到的时间分辨率为100ns。这一技术的改进对未来瞬态光伏技术的迅速发展起到了至关重要的推动作用。随着具有超快时间分辨率的脉冲激光器作为光源，瞬态光伏的时间分辨率也逐渐提高，在各类型的半导体材料中都有应用，探索这些半导体材料的光电性质，获得了很多优异的成果。例如2004年，B.Mahrov等人研究了空穴导体CuSCN等和电子导体TiO2等的瞬态光伏，分析得知不同的半导体类型（空穴或电子导体）导致了电荷注入方式不同［3］。
在利用瞬态光伏技术作为研究手段的工作中，德国Th.Dittrich研究小组获得了令人瞩目的成绩。他们不仅检测到时间分辨率为纳秒级的光伏结果，同时研究了不同类型半导体材料的瞬态光伏性质，建立了多种模型［4］。V.Duzhko博士在低电导材料方面也做了大量的工作，从单一的Si器件到现在的复杂器件，如染料敏化的TiO2器件、量子点电池器件等［5］。此外，瑞士的AndersHagfeldt小组［6］，英国的BrianC.O'Regan小组［7］和日本的KunioAwaga小组［8］也对半导体材料的瞬态光伏性质有卓越的研究。在国内复旦大学应用表面物理国家重点实验室的侯晓远教授课题组和吉林大学光化学与光物理实验室的王德军教授领导的科研小组对瞬态光伏技术的研究都取得非常好的研究成果。侯晓远教授课题组从有机薄膜半导体等瞬态光伏结果发现了极快激子解离过程［9］。王德军教授课题组在研究功能半导体材料，如TiO2、ZnO、Fe3O4、BiVO4等新兴的半导体材料的瞬态光电性质有重要发现［10-13］。
2瞬态光伏技术的装置及获得的信息
理想的光伏测试技术可以调节不同的参数对半导体功能材料进行测试，例如，调节系统的温度、压力、气氛等一系列参数，也可以选择不同的光源（连续光源或者脉冲激光源）进行瞬态光伏（时间分辨的光电压）的测量，如图1a中所示。作为一种无损检测设备，瞬态光伏系统的搭建通常是按照图1b中的简图自组装搭建。光源为脉冲激光器，测试过程中经过衰减的激光可以通过渐变圆形中性滤光片进行调节，衰减后的激光通过反光镜直接照射到样品池中。样品池的被测信号经过信号放大器，由数字示波器进行检测记录。光生电荷的产生是一个极其快速的过程，相比之下，光生电荷载流子的分离、扩散、转移和复合则较慢，一般时间分辨率在纳秒、微秒甚至更长的时间，光生载流子在不同时间分辨率内的传输动力学行为对半导体功能材料的活性有着重要的影响。例如，半导体的光电转换效率就受到半导体光生电子空穴对的分离程度影响；光生载流子的传输方向影响功能材料的性质及其应用；同时光生载流子的寿命及其具有的能量可以决定体系的氧化还原性等。因此，通过瞬态光伏技术可以获得半导体功能材料光生电荷的分离效率、获得光生载流子（电子或空穴）的扩散方向、光生载流子的扩散寿命等微观动力学信息。通过这些信息，我们可以分析半导体功能材料的物理化学性质，以及这些性质与材料活性之间的关系，这对进一步提高和优化功能材料的性能是非常重要的。
3瞬态光伏获得材料类型和载流子传输方向
利用瞬态光伏技术可以判断功能材料的类型。例如图2所示，2a中为n型Si的瞬态光伏谱图。它显示当材料的表面受到光照以后，n型半导体的瞬态光伏信号为正，光生电子向材料的体相迁移，光生空穴向表面迁移，并在表面大量聚集，因此表现为正信号。2b中p型Si的瞬态光伏信号为负。当p型材料受到光激发以后，光生电子向材料的表面移动，光生空穴向体相移动，因此信号为负［14］。
4瞬态光伏技术比较材料的分离效率及寿命
利用瞬态光伏技术可以分析半导体功能材料的光生电荷分离效率和光生载流子的扩散寿命。在光催化应用中，光生载流子的分离效率及寿命影响着催化剂的活性。光生电子-空穴对的分离效率越高，载流子的寿命越长，说明在光催化降解过程中参与氧化还原反应的载流子越多，催化活性越高。如在C掺杂的TiO2材料（C-TiO2）中［10］，不同的煅烧温度获得的样品，由于光电性质的不同，催化活性具有明显差异。如图3a所示，瞬态光伏信号在最大值处（P2峰）归因于光生电荷载流子的扩散，与P25的瞬态光电压曲线相比，在130℃、150℃、180℃煅烧温度制备下C掺杂TiO2样品P2峰位的响应时间分别是19ms、32ms、30ms，C的掺杂使得样品的扩散光伏寿命明显延长，说明C-TiO2的光生载流子的分离效率更高，光生载流子的复合更慢，因此有更多的载流子参与光催化的氧化还原反应，催化活性更高，如图3b。
5瞬态光伏技术的未来及展望
半导体与量子力学的关系篇3
关键词：得失观;模拟电子技术;课程教研
中图分类号：G642.4文献标志码：A文章编号：1674-9324（2014）42-0189-03
得与失，得多少失几何，得失之间产生一种现象、状态、结果，不断融入在人们现实生活的思考与权衡中，是人们潜在的本能行为。模拟电子技术知识内容的教与学隐含了得失道理，这样，把得失理念贯穿在教学中，就可以把一个个抽象的知识点现实化、通俗化、直观化。
模拟电子技术知识点的细、繁、杂、广，以及教学课时的吃紧，带来了对这门课程学习的很大难度。如何在有限的时间里理解并掌握模拟电子技术课程的基本内容，是每一个致力于电子应用技术人员以及任课教师试图回答的命题。在模拟电子技术课程教学中，把模拟电子技术许多知识点的理解映射到现实生活中的得失观，有助于知识的理解、消化与掌握。
一、杂质半导体的得与失
本征半导体掺杂后就是杂质半导体，非四价原子与四价原子在形成共价键中，得到电子成为负离子，失去电子成为正离子。N型半导体就是本征半导体掺入施主杂质所形成的，一个施主杂质原子在形成一个自由电子过程中变成了一个固定而不能移动的正离子，电子则为多数载流子，而本征激发产生的空穴只是少数载流子。相反，P型半导体则是本征半导体掺入受主杂质形成的，一个受主杂质原子在形成一个空穴过程中变成了一个固定而不能移动的负离子，空穴则为多数载流子，而本征激发产生的电子只是少数载流子。
正是本征半导体掺杂后的得与失，使得杂质半导体的载流子数量有了量以及性质的改变，相对本征半导体的导电能力有了一定的提高，但并没有带来质的改变，所以，一般不会作为普通导体应用。
二、PN结的失与得
PN结就是得与失的产物。P型半导体与N型半导体的交界面因多子极型以及浓度差别，形成多子扩散运动，N区的电子扩散到P区，P区的空穴扩散到N区，在交界区域原有的电中性被破坏，P区失去空穴留下了不能移动的杂质负离子，N区失去电子留下不能移动的杂质正离子。这些不能移动的带电粒子集中在P区与N区交界面附近，形成空间电荷区。空间电荷区的逐步建立削弱了多子的扩散，而增强了少子的漂移。当多子扩散运动与少子漂移运动保持一种动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即PN结。
两种不同极型的杂质半导体在交界面失去多子的过程，得到了一种导电性能独特于杂质半导体导电能力的介质，带来了半导体导电能力质的突变，这就是PN结的单向导电性，即正向偏置导通，反向偏置截止。
复合的PN结，在制作工艺上的差别，分别有双极型晶体管与单极型晶体管。晶体管在合理偏置下导电性能表现了特有的控制性能，即电流控制型的双极型晶体管和电压控制型的单极型晶体管。
三、放大电路的得与失
晶体管器件在“合理偏置以及顺畅的交流通道”原则下就可以构建一个放大电路，一个微弱的输入信号从输入端引入，在输出端得到一个幅值足够的输出信号，表现了小幅度的模拟量通过放大电路后得到了大幅值的模拟量，淋漓尽致地表现出信号幅值放大的概念。殊不知，这种放大电路的“放大”理解是表面的，是片面的，只看到“得”的现象，而没看到“失”的本质。
在放大电路中，工作电源不仅仅只是提供合理的偏置，更主要担负着能源作用。放大电路仅仅只是一个信号幅值变换的平台，微弱的输入信号能源通过晶体管的控制作用改变着工作电源在输出负载上的能量消耗。最常见的一个事例就是人们日常使用的收音机，收音机就是一个典型的放大电路。手持式收音机没有电池，不可能发声，装上电池后就可以接收电台信号，伴随听的时间与音量的大小，电池的消耗程度或使用时间就会不同。没有收音机，人们不可能感受到空中的电磁波能量，有了收音机而没有电源也听不到悦耳的音乐，电池能耗使用殆尽了也享受不了。所以，严格意义上的放大电路是一个能源控制电路，放大电路的本质是弱小能量对大能量的控制。
放大电路表面上得到了信号的幅值增大，实质上消耗了电源电能。
四、差分电路的失与得
单级放大电路的放大能力是有限的，总期望多级放大。多级放大电路是由若干级单级放大电路所组成，这样单级放大电路之间就存在耦合关系，直接耦合是多级放大电路的典型结构形式，直接耦合的多级放大电路最突出的弊端就是零点漂移，零点漂移最核心的表现形式就是温漂，解决零点漂移最有效的手段就是差分电路。
差分电路由两个特性完全一致的单级放大电路复合而成，表现在晶体管的特性一致，晶体管偏置电路器件参数一致。差分电路从理论到实用经历了三个演变，即基本式差分电路、长尾式差分电路、带恒流源的差分电路，这三个演变唯一不变的就是基本结构不变。通过电路分析不难得出结论，差分放大电路的差模增益与单级放大电路的增益是一样的，然而，差分电路的共模增益接近零，有较大的共模抑制比，可以很好地抑制温漂，而单级放大电路就无法解决温漂问题。第一级放大电路温漂决定了多级放大电路的温漂，所以，集成运放的第一级总是差分输入级。
可见，差分电路通过“失去”硬件（增加结构等价的电路，增大电路成本），得到了对共模信号的抑制能力，而并不改变对差模信号的放大能力。
五、带宽增益积的得与失
考核放大电路的性能表现在增益、峰峰值、输入电阻、输出电阻、带宽、失真度、输出功率与效率等参数中，它们取决于放大电路组态、晶体管特性、电源以及应用的方式。在放大电路的时域分析过程中，总是期望放大电路的放大倍数越大越好，一级放大能力不够就采取多级放大，以提高放大增益;在放大电路的频域分析过程中，总是期望放大电路有很小的下限频率和很大的上限频率，频率响应范围越宽越好，即带宽值越大越好。带宽是上限频率与下限频率的差值，提高带宽的有限手段就是尽可能提高放大电路的上限频率值。通过电路的频域分析可以发现，提高上限频率与提高放大电路的增益是矛盾的，一旦当放大电路的晶体管选定之后，带宽与增益之积是一个常数，放大电路的放大倍数增大几倍，相应地该电路的带宽就会减小几倍，实际中，既要提高放大电路的增益又要扩展放大电路的带宽，总是选取基区体电阻小、发射结与集电结电容效应小的高频放大管。
可见，放大电路带宽增益积概念表现了得与失的理念，欲想得到较大的增益，必然失去频率响应的范围。
六、反馈放大电路的得与失
反馈是自动控制的一个重要概念，反馈放大电路是提高放大电路放大性能的重要手段，在电子技术应用中运用极为普遍。
负反馈放大电路中，输出信号部分或全部反送到输入端削弱输入信号，使得闭环增益相对开环增益减小了反馈深度倍，表面上损失了放大电路的增益，然而，对放大电路的其他性能技术指标得到了极大的改善，表现在增益的稳定性得到了提高;环内的噪声干扰抑制能力以及非线性失真得到了改善;电路的带宽得到了扩展;输入电阻与输出电阻得到了相应的改善。如电压串联负反馈放大电路，增大了输入电阻，有助于电压输入信号的放大;减少了输出电阻，有利于输出电压的稳定性。
正反馈放大电路中，输出信号部分或全部反送到输入端增强输入信号，闭环增益相对开环增益进一步增大，这是信号发生电路扰动起振的必然要求。信号发生器不会有输入信号或者说就是一个零输入电路，电路接通电源瞬间形成电路换路情形，通过正反馈选频网络（RC或LC选频网络）把输出端的信号有频率选择性地反送到输入端不断放大，这种无止境的放大也必然带来输出信号的非线性失真，所以在电路中为了防止输出信号的非线性失真，总是需要设置输出稳幅网络。可见，信号发生电路由放大电路、正反馈选频网络、稳幅网络三部分组成。稳幅的有效措施就是负反馈，所以，信号发生电路必须维持正反馈特性与负反馈特性的动态平衡。
负反馈放大电路失去了增益，得到了电路性能技术指标的改善;正反馈放大电路得到了增益的“膨胀”，失去了输出信号的线性度，实际中为了挽回这种“失”，再次引入负反馈特性。
七、桥式整流的得与失
小功率直流稳压电源中整流的任务就是把交流电转换成直流电，衡量整流电路性能的主要参数表现在两个方面：（1）表征整流电路质量的参数，有输出电压和脉动系数;（2）表征整流电路对整流元件要求的参数，有正向工作电流和反向峰值耐压。半波整流输出电压低，脉动系数大;全波整流输出电压高，脉动系数小。然而，全波整流不仅需要降压变压器的副边引出中间抽头，更主要对整流元件的反向耐压提出了苛刻的要求，它是半波整流对整流元件反向耐压值要求的两倍。实际中，既要提高整流输出电压并减少纹波系数，又要对整流元件反向耐压的要求不苛刻，有效的技术手段就是桥式整流，桥式整流相比全波整流，在电路结构上只是增加了两个整流元件，但输出效果等同于全波整流电路的整流;桥式整流电路对整流元件的要求等同于半波整流电路对整流元件的要求，把半波整流与全波整流各自的优势整合在一个应用电路中。
可见，桥式整流电路通过“失去”硬件（增加电路成本），得到了优于半波与全波整流电路的整流性能。
在模拟电子技术知识内容中还有许多知识点都隐含着“得失”思想，可以不断挖掘，本文仅仅想达到抛砖引玉的目的。《模拟电子技术》课程教学，内容抽象、枯燥，不仅理论性较强，而且实践性更强;不仅专业名词概念繁多，而且各专业术语之间的联系性很紧密，环环相扣;不仅局限于教本的学习，而且要有更多应用电子线路的捕猎。所以，无论是应付考试学习，还是立志电子技术应用技能的提高，重在课程知识点的理解，变抽象为具体，化枯燥为趣味，变被动为主动。人们自身的得失观是潜在而主动的，模拟电子技术知识点的理解隐含或潜在着得失理念，二者有机结合，在模拟电子技术课程教学中就可以起到画龙点睛、事半功倍的成效。
参考文献：
[1]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2013.
半导体与量子力学的关系篇4
在赵阳的带领下，美新半导体（无锡）有限公司自1999年成立至今，从初期不到10人的规模发展到如今成为全球首家将微电子系统和混合信号处理电路集成于单一芯片的惯性传感器公司。其电子微机电、微加工集成技术目前居全球最领先水平，填补了众多国内空白。赵阳花了四年时间开发了世界上第一款在标准互补金属氧化物半导体（CMOS）流程上集成的微机械系统传感器，并在此基础上研发与生产了加速度、磁感应、流量等微机电系统传感器。目前，美新半导体是全球消费类电子市场最大的微机电系统传感器供应商之一，产品广泛用于移动消费类电子产品、汽车电子与工业应用等领域，产品性能达到并部分超过国际先行水平，打破了国际跨国大公司的技术壁垒。
微机电系统传感器领域的进入门槛很高，而赵阳硬是凭借超前的理念和过硬的技术，将美新半导体打造成世界上第一家把微机电系统与标准互补的金属氧化物半导体（CMOS）共同集成在单芯片上的传感器公司。公司的电子微机电、微加工集成技术居全球领先水平，也是国内唯一具备商业量产化能力且拥有严格的质量管理体系的微机电系统产品专业公司。
从2001年公司进人正式运营期以来，美新半导体实现了快速的发展。2007年12月，美新半导体在纳斯达克上市，融资1亿美元，代码MEMS，成为全球第一家也是唯一一家将微电子机械的行业名称设为代码的企业。2008年北京奥运开幕式上，现场8万多名观众不时挥舞的能发出五种颜色的“助成捧”，就全部来自美新半导体，其核心器件就是美新在国际相关技术领域领先的微电子传感器芯片。2010年，金融危机席卷全球，但在赵阳的带领下，美新半导体借助在微机电系统技术上全球领先及持续投人创新的优势，结合美国最新技术和中美高端人才共同研发，逆势成长，2011年销售收入实现100%的增长。
2010年1月，美新半导体收购了世界知名无线传感网络方案解决商——克尔斯博科技公司（CROSSBOW），将国外最先进的无线传感网技术带人了国内。这表明美新已经从单纯的微纳传感器公司转变成物联网整套解决方案的供应商。作为拥有国际领先的传感网技术的企业，美新也将会为物联网的产业发展发挥积极的推动作用。
作为国内微机电系统行业的领军人物，赵阳一直在技术创新上不断追求，并投入大量资源开发微机电系统的新技术、新产品。美新半导体在美国波士顿设有微机电系统研发中心，在芝加哥设有模拟集成电路的设计中心，可以迅速引进国外先进科学技术和产品设计理念。同时，赵阳还创建了微纳工程技术研究中心，通过与国内外一流研究中心所的产学研密切合作，吸引了一批国内外微纳研究与产品开发一流人才，为微机电系统领域人才集群提供了坚实的平台，并孵化了一系列拥有国际领先水平的产品。
半导体与量子力学的关系篇5
关键词半导体器件半导体物理教学思考
中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1002-7661（2017）02-0058-02
随着半导体技术的发展，微电子技术已渗透到渗透到国民经济的各个领域。《半导体器件物理》是微电子技术的理论基础，是理解半导体器件内部工作原理的课程，是分析器件物理结构、材料参数与器件电学性质之间的联系，其提供了半导体物理与电子电路设计间的物理逻辑与数学联系，是基于CMOS工艺设计集成电路的必备知识。因而，在教学过程中，如何将物理图像、数学模型与电子电路设计间的关系讲解清楚，让学生从物理和集成电路设计的角度深层次理解半导体器件成为授课关键。
一、教学内容与预期
《半导体器件物理》是微电子科学与工程专业的重要专业基础课程，是在半导体物理课程基础上继续开展器件物理的分析、建模和应用，具有物理理论抽象、概念细节多、半导体物理与电路等学科知识相交叉等特点，学生学习较为困难。基于此，本课程授课以施敏先生著的《半导体器件物理》为主要教材，依据教学大纲和学生未来的工作实践，对《半导体器件物理》课程教学内容进行了调整、充实和删减。具体来说《半导体器件物理》教学内容可分为以下几部分：1）介绍半导体材料、PN结、半导体表面的特性等，2）讲解双极型、MOS型晶体管的结构和工作原理，3）分析几种有重要应用的半导体器件，如功率MOSFET、IGBT和光电器件等。[1，2]期望学生接受教学后的预期能力：1）能够深入理解半导体器件关键物理概念和能带理论；2）能够将半导体物理与半导体PN结的行为结合起来理解分析；3）能够以半导体PN结为基础理解几种不同的半导体器件；4）能够理解和提出新型半导体器件设计中的关键物理和电学问题。
二、教学方法及学生能力目标
本课程以课堂授课为主，同时引入小组和班级讨论、课后建模实践等互动教学方法，培养学生构建器件物理图像、建模和与电子电路设计综合联系的能力，独立发现、分析、解决器件问题的能力。同时基于《半导体器件物理》课程的特点，在教学手段上采用板书公式推导与多媒体器件模型演示为主，网络教学资源为辅，同时邀请集成电路产业半导体器件资深专家讲座等形式，提高学生掌握知识和设计实践的能力，提高教学质量。让学生渐进达到如下能力：（1）知道基本概念，（2）从理论上理解和解释，（3）能够根据器件理论做出计算、模拟和实际的器件应用，（4）对器件进行综合、设计、分析；（5）对器件能够从物理和电学的角度做出专业评价。
三、学生学习效果评价方式
为了客观评价每个学生的实际学习效果和激励学习兴趣，改革评价方式是十分必要的。在期末闭卷考试基础上，对成绩评价方式作如下新探索：增加平时成绩比例，每个月进行一次小测试，针对几个集成电路广泛应用的建模理论和半导体器件，要求学生从半导体物理的角度作出独立的分析报告，可以在课后查阅文献资料，并在后续课堂上进行交流讨论，增强学生独立思考与实践动手能力，培养学生深度器件分析能力。
课堂教学改革需要教师不断思考、总结与创新，即要传授知识，又要与学生互动反馈，让学生更深刻迅速的理解专业知识，并能灵活的实践运用。
参考文献：
[1]施敏等，耿莉等译.半导体器件物理[M].西安：西安交通大学出版社，2008.
[2]DonaldNeamen著.赵毅强等译.半导体物理与器件[M].北京：电子工业出版社，2013.
[3]杨虹等.面向21世纪的微电子技术人才培养-微电子技术专业本科生教学计划的制订[J]，重庆邮电大学学报，2004.
半导体与量子力学的关系篇6
关键词：MOOC教学；半导体物理导论；课程建设
中图分类号：G642文献标识码：A收稿日期：2016-04-22
一、背景介绍
近年来，随着互联网信息技术的飞速发展，MOOC平台上大量的教育资源逐渐得到世界各地学生的青睐。为了让全世界的学生都能获得公平的教育机会，MOOC平台采取免收费、低门槛的方式允许所有人进行无障碍的在线学习。
“半导体物理导论”是微电子与固体电子学、电子封装技术及其相关从业人员所必须了解及掌握的一门课程，是相关材料学、电子学、光学等学科的学科基础必修课，国内外相关专业的学科基础必修课。传统课堂教育主要以课堂授课、书本练习为主，师生互动模式较为单一。学生在学习过程中往往感到枯燥，学习兴趣不强烈，学习效果不如意，更多依赖于学生的自主性和教师强制性布置作业和考试等来督促学生进行学习和课后的巩固。MOOC平台的出现为“半导体物理导论”的高校教育带来了新的机遇和可能。
二、课程建设
1.“半导体物理导论”MOOC教学的通识性
传统的高等教育往往基于特定的学科体系对学生进行培养，而对与专业无关的课程则选择忽视，正是这种局限导致了学校培养出的学生只具备某种学科的思维，局限于某一领域，而对多元化的世界没有全面的体验。MOOC平台的出现打破了这种局限性，让学生有更多机会接触到不同学科思维，进而碰撞出更多思维的灵感和创造的火花，从而使不同学科体系的学生通过接触不同学科的熏陶，建立一种通识素养，在实现教学内容丰富化的同时，真正培养学生全面多元的复合素质。鉴于此，上海工程技术大学在开设“半导体物理导论”MOOC课程建设时，就旨在通过MOOC与传统课堂教育的双管齐下，让更多学科体系的学生有机会感受到半导体领域的学科视角。
2.“半导体物理导论”的翻转课堂
长期以来，传统教学都是教师在课堂上进行单向输入式传授。半导体物理导论作为一门专业必修课，理论性很强，对现代物理、量子力学以及微积分要求较高，连续90分钟的学习经常让学生感到理解困难、疲劳，以至于走神分心，不能集中精力。
而MOOC教学则将每个单元的教学划分成若干知识点，每个知识点可以录制一个甚至几个视频。学生在视频学习的过程中，可以通过反复观看来加强理解。而且短小精悍的视频学习也不会让学生因感到疲劳而出现走神分心的现象。
3.全学分制管理
上海工程技术大学采用全学分制教育，通过鼓励学生使用MOOC资源的学习，允许学生将所学课程的完成率转化成在校的课程学习的成绩和学分，这大大提高了学生学习的自主性和积极性。
三、结语
“半导体物理导论”的MOOC教学方式打破了传统课堂教学的局限性，为更多本专业的学生以及相关工程技术人员提供了半导体相关知识的普及教育。而且，结合各章节内容设计不同的情境案例，适当地运用视频、图片、动画等多媒体辅助资料，不仅极大地丰富了讲义内容，还让学生通过对案例的分析、讨论，使学生形象、直观地感受专业知识，加深学生对教学内容的理解，而不是片面地、“填鸭式”地强迫学生通过死记硬背获得知识。
参考文献：