半导体器件分析范文

半导体器件分析篇1

关键词：半导体；量子电子；光电子器件

半导体量子电子和光电子器件，作为近年来我国器件研制环节的前沿产品，加强对其分析与研究具有理论与实践的必要性和重要性。当今社会，半导体量子电子和光电子的迅速发展，在一定程度上是由信息技术等的广泛应用以及相关需求的不断扩大带动的；此外，随着材料制备技术的新发展，半导体量子电子和光电子器件也取得了新的发展机遇。由于半导体量子电子和光电子技术作为推动信息社会发展的重要支柱力量，加强对其分析与研究符合时展的需求。

1量子器件时展的新机遇

在开展半导体量子电子和光电子器件分析环节中，结合Moore定律研究发现，在过去的40多年时间内，表征存储技术的芯片集成度实现了两年一翻的发展速度。同时，相关工作人员依据具体的实验研究，表明当体系的对应尺度实现电子波长度一致时，就会产生量子效应。量子器件时展环节，在纳米量级的晶体管就会出现一些新现象分析，其中，电子干涉与无磁场下的附件平行电导就会出现较大的变化。此外，电导振荡周期的相关变化也出现了较大的变化，其中，共振隧穿二极管以及量子阱红外测量器等都是基于量子力学的框架基础上开展的相关讨论。对于半导体量子电子和光电子器件分析环节，纳米精度上的材料制备以及相关器件，同样，线路制作是制约器件发展的决定因素。半导体量子电子和光电子器件在过去发展的几年时间，分子束外延技术（MolecularBeamEpitaxy，MBE）和金属有机化学气相沉积（MetalOrganicChemicalVaporDeposition，MOCVD）同样被广泛地应用于半导体相关的微结构制作。在制作体系建设环节，实际可控制特征尺寸的相关要求，已经达到了精确度要求对生长方向上单个原子层的相关规定。在满足相关规定的基础上，这些相关材料的制作技术的成熟与完善，为复杂的微观结构和常规结构的部分器件制作提供了一定的环境基础。

2关于异质结构中的电子分析

在实施半导体量子电子和光电子器件分析过程中，首先需要考虑晶体的基本特征。晶体的基本特征主要表现为平移对称性，其特性在电子学以及光电子学领域也具有表现的特殊性。电子学和光电子学所涉及的半导体机构一般为金刚石结构以及闪锌矿结构，而金刚石结构和闪锌矿结构的光电性质则由其晶体结构决定。异质结构作为量子器件的一项基本机构，其组成也具有自身的特殊性，异质结构一般由两种晶格结构相似的材料组成，但是，必须要注意强调相似结构材料的异质性和不同构成。两种晶体结构的组成材料十分广泛，但是在一般情况下，异质结构的构成材料必须实现与晶格常数之间实现匹配，此外，异质结构还必须满足二元晶体或者满足三元晶体的材料要求，才能实现最理想的异制结构。在对半导体量子电子和光电子器件分析环节，实现有效质量理论来处理异质结构的问题，则主要是将异质结构看作是一个附属物，实现附加在一个均一的半导体上，并在这个附属环节，实现异质结构问题的解决。此外，量子器件一般会涉及不同维度的电子体系问题，而不同维度的电子体系之间存在的不同光学性质来源于电子体系的体态密度，为此，实现半导体量子电子和光电子器件分析的基础上，要将电子体系态密度和维度之间的关系进行分析。在分析基础上，得出态密度是单位体积，且主要是在能量附近单位能量之间隔离的电子态数，态密度的每一位量子态都可以通过向上旋转或向下旋转的不同性质的两个电子占据。

3对量子电子器件的分析

开展半导体量子电子和光电子器件分析环节，还需将量子电子器件的分析作为分析的着力点。其中，共振隧穿二级管（ResonantTunnelingDiodes，RTD）作为数字电路中最有发展潜力的一种纳米电子器件。RTD基本结构的构成是由两层禁带宽度大的半导体中间夹，半导体中间夹以禁带宽度小的半导体组合形成了双势垒，双势垒两端再用重复掺杂材料，并相互之间互相作用形成了电接触。关于对隧穿二极管的含义理解，可以从隧穿二极管的最初概念理解出发。隧穿二极管在研究最初，隧穿主要是指电子在导带和价带之间的相互作用，并通过带之间形成的跃迁。随着隧穿二极管概念发展到今天，其主要是由隧穿的势垒层即由异质的结的导带以及价带之间的不连续性构成的。经过专业人员的研究表明，许多新的量子器件的主要特性表现为电子通过异质结构形成的隧穿。当前的量子器件主要分为两类，其中一类属于三电极，其主要代表是研究电热子隧穿晶体管。电热子隧穿晶体管把异质结构的垒，作为将热电子在较短的时间内快速注入比较窄的基极路径。其在工作环节，一般情况下形成的基级散射率比较小，其形成的散射率在工作状态下，电子就会形成相当高的工作效率，并最终形成工作效率较高的集电极。其中第二类主要是两电极的器件组成的，两电极中共振隧穿，主要包括超晶格的机构以及双垒量子阱两个为主要代表。超晶格的机构和双垒量子阱，都具有较强的负极电导，其中的负电导，除了在微波领域方面得到广泛应用，还广泛地应用于数字以及光学器件中。

4对量子光电子器件的分析

关于半导体量子电子和光电子器件分析环节，还需要对量子光电子器件进行科学的分析。首先，需要对量子阱红外探测器（QuantumWellInfraredDetectors，QWIP）作出实验探索，量子的红外探测器是指，一种把红外辐射变为电子信号的相关转换器，红外探测器可以分为热探测器和光子探测器两种类别。热探测器主要是根据入射辐射的热效应引起的器件，热探测器与温度有关的参数变化值密切相关，并根据其参数的变化值来进行相关的探测活动。关于量子阱红外探测器的相关研究，早在1988年的贝尔试验，就进行了专业的报告研究。在研究报告中显示，HgCdTe为代表的窄禁带半导体探测器不同，量子阱探测器表现出其自身的特性。而宽禁带的半导体材料由于量子限制效应，其主要在导带和价带中形成相关的大量自能级。关于红外辐射响应的就是这些子能级别相互之间的跃迁。与HgCdTe不同的是，QWIP的优点主要表现为其材料的特性。QWIP的材料更具有均匀性，尤其是其器件的制作工艺比较成熟，在逐渐成熟和发展完善环节，其抗辐射能力强，且成本较低，都是其在发展环节体现的主要优势。其中，量子阱机关器则表现为其阈值的电流较小、线宽窄以及功率高等优点。

5结语

近年来，量子器件已经成为引领器件研制前沿的重要领域，其前沿领域地位的获取与信息技术的迅速发展密切相关。当前，科学技术及其信息技术的迅速发展，以及其应用范围的不断扩大，材料制备技术发展也获得了新的发展机遇。在这一环节，对性价比高、运转高速度、可靠性能高的器件追求，成为器件实现高度集成化的一项重要表现。同时，实现器件的高度集成化，当前已经成为计算机工业发展的核心问题。在实现器件时展的同时，线路中集成的器件总量也呈现出递增趋势，单个器件的维度已经实现了纳米量级的追求目标。在理性对待量子器件发展的时代前景时，还需要正视量子器件的未来发展，为更好地适应多媒体技术发展需求对芯片尺寸的更小要求。

[参考文献]

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半导体器件分析篇2

【关键词】半导体制冷；最佳特性；热端散热

1.半导体制冷最佳特性分析

半导体制冷技术，融合了多种热电效应，譬如赛贝克效应、汤姆逊效应、傅里叶效应等，基于这些热电效应下的半导体制冷最佳特性，可分别从一般工况、最大制冷量工况、最大制冷系数工况等方面进行分析。

（1）一般工况最佳特性。热电制冷是通过冷端、铜连接片、热端等，发挥吸热和放热的功能效应，在直流电源接通后，热端和冷端的温差会逐渐增大，前者温度上升而放热，后者温度下降而吸热，当两者趋于平衡状态，半导体制冷就会表现出最佳特性。在分析最佳特性时，经常需要考量包括电偶臂温差电动势率、接头绝对温度、热导率、电导率等参数，以确定微元体的热平衡与边界条件。

（2）最大制冷量工况最佳特性。在最大制冷量工况条件下，电流与冷端的温度，共同形成制冷量的函数，可藉此求解出电流偏导，当导数趋近于零，半导体制冷就会达到最大制冷量，期间所涉及的参数包括最佳工作电流、最佳工作电压、输入电功率、制冷系数等。

（3）最大制冷系数工况最佳特性。在电流变化之后，半导体制冷的制冷量，以及输入电功率等也会随着变化，当制冷量与输入电功率的比值达到最大状态后，就可以利用制冷系数求出电流导数，当导数趋近于零，制冷系数最会达到最大状态，期间涉及的参数与最大制冷量工况最佳特性分析时的参数一致。

（4）最大温差工况最佳特性。在保持半导体制冷热端与冷端等尺寸恒定的情况下，增加冷端与热端之间的温度差异，判断最大温差情况下，对电流的影响系数，以此保证出现温差时，半导体制冷最佳特性不受影响。

2.半导体制冷热端散热方式研讨

基于半导体制冷最佳特性的分析结果，我们在研讨半导体制冷热端散热方式的时候，应该在综合考虑材料和工艺等因素的情况下，重点解决半导体制冷的散热问题，以此提高制冷的系数，使得半导体制冷的功能处于最佳状态。

2.1自然对流散热

这种散热方式，适用于小型半导体制冷器，利用空气自然对流的原理，以散热片作为热交换器进行对流散热，利用冷端吸热器和空气热交换吸收热量，再经各导热层，将热量传递给热端散热器，以保证制冷的效果。在设计散热器时，我们需要确定散热器与周围空气之间的允许温差、换热系数，以及散热器等的导热系数等，然后根据散热器散热总面积、制冷器传递给散热器总热量等参数，计算出空气自然对流时，对散热器散热面积的利用程度，以此规避受到其他外界因素的干扰。除此之外，散热片的水平放置、垂直向上放置和垂直向下放置等，均可能影响散热的效果，因此我们还可以通过散热器的放置方式调整，提高散热效果控制的自由度。

2.2强迫对流散热

在构建自然对流散热系统之后，在散热片的端部，安装轴流风机，以强迫通风的方式，提高对流换热的系数。强迫对流散热在同样的散热功率条件下，需考虑到散热片的结构尺寸、空气流速和表现粗糙度等，以及缩小散热的相对面积，并利用流体动力学模拟分析的方法，减少对流散热器的电阻，较为适用于小型空调器。关于强迫通风散热系统所构成的半导体制冷模块，包括轴流风机、被致冷件、散热器、热电制冷器等构件，均是提高对流换热系数等的关键。

2.3液体冷却散热

相比于自然风冷散热，水冷换热系数更大，正常情况下，环境温度低于25℃时，制冷系统的COP为0.6，相当于强制冷风COP的2倍。一般情况下，半导体制冷模块的水冷散热器热阻，与水流动速度具有直接关系，后者速度越快，则热阻越低。液体冷却散热，主要依靠循环回路，并将水箱分隔开，形成多个流道，当冷却水经过半导体芯片热端，吸收热量后再流经散热器进行散热。其中关于热端散热器的设置，配置有一定容积的水箱，在散热器的热阻降低到0.5k・kw-1，并且电流为2.5A时，水箱达到最低温度-20℃，此时的散热效果最好。值得注意的是，液体冷却散热对水质的要求比较高，如果发现水冷却面存在结垢，则要及时清理干净，否则会影响散热器的传热性能。

2.4相变散热

相变散热主要依靠相变材料的相态变化吸收热量，适用于配置热管的散热器，同样具有较好的散热效果。相变散热可在气流速度不变的情况下，在冷端利用热虹吸管换热器，为冷端提供储冷能力了，以避免在高峰负荷状态下冷量损失太大，以及在断电时，热端的热量原路传回冷端。关于相变散热的设计，需要通过数值模拟方法，根据不同的制冷工况，掌控散热器表面的温度场分布情况，以保证传热面的均匀性，将散热效果保持在最佳状态。

3.结束语

综上所述，半导体制冷技术，融合了多种热电效应，譬如赛贝克效应、汤姆逊效应、傅里叶效应等，基于这些热电效应下的半导体制冷最佳特性，在研讨半导体制冷热端散热方式的时候，应该在综合考虑材料和工艺等因素的情况下，重点解决半导体制冷的散热问题，以此提高制冷的系数。[科]

【参考文献】

［1］杜芳莉,白大雨,房晓平.基于半导体制冷高效热回收装置的研究[J].西安航空学院学报,2014,(1):70-73.

半导体器件分析篇3

关键词：半导体冰箱；冷凝管；散热方式

中图分类号：TM925 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）29-0020-03

半导体冰箱至今未能在更广泛的领域中应用就是因为它较低的能量转化效率，将白白耗费较多的能量。根据我们项目小组的调查，目前市面上的半导体冰箱基本采用强制风冷散热的散热方式，但这种散热效果并不好，一定程度上导致了半导体冰箱制冷效率过低，最低温度过高，箱内温度只能降到低于环境温度10℃～15℃，这并不能真正满足大众的需求。本课题的研究目的就是提高半导体冰箱的制冷效率，研究方案主要是利用冷凝管对半导体冰箱散热方式进行改进，并对其整体结构进行了初步设计、半导体选择和功率计算等，最终实现对半导体冰箱制冷效率的提高。本文将对我们的研究展开论述与分析。

1 散热系统的设计

（1）工质选择：实验测得热管两端温度分别为35℃和30℃，根据公式Tv=（T1+nT2）/（1+n）（其中T1为热源温度，T2为冷源温度）可得工作温度为Tv=（35+4×30）/

5=31（其中n值取4）。通过查表可知氨的适合工作温度为-40℃～60℃，故我们选择氨作为热管工质。

（2）热管内径的确定：

一般情况下，热管的沸腾极限远远大于携带极限，因此，沸腾极限不会成为限制热管传热的控制因素。

综合分析，最终确定每根热管关键参数如表1：

2 理论分析

2.1 保温箱

Pin恒定。忽略降温过程冰箱内部气体压强变化，取：

Pin=1.013×105Pa

考虑到冰箱中摆放的物品在两种散热方式下只改变比热容，故假设冰箱中未放物品，取工作温度t=273K和t=298K下的平均比定压热容。

2.2 半导体制冷片

假设半导体片各处制冷功率相同，并正常工作。

2.3 散热器

近似取300K条件下铝片的导热系数，并假设铝片上各点的温度相同。

由于有风扇作用，假设散热器与外温温度T0的空气直接换热。

2.4 模拟计算

设冰箱内部的温度函数为T（t）。

理论结果分析：由图像可知，两种散热方式下冰箱的最低温分别为0℃和-5℃，由此可计算出正常工作时箱体实际漏热率分别为Q铝片=3.87W和Q热管=4.65W，故冰箱的制冷效率分别为COP铝片=7.74%和COP热管=9.29%，因此理论上冰箱效率提高了?COP=1.55%。

3 实验方案设计

在测定半导体制冷冰箱效率时，我们进行了两个部分的实验测试。

实验一：热管散热与散热片散热性能的定性对比。

实验过程中共使用两个温度传感器：

第一个温度传感器的一端放在半导体制冷片的冷端表面，并加以固定，以测定冷端温度。

第二个传感器放在热管散热器的翅片部分，并加以固定，以测定散热器温度。

首先，我们测定热管的散热性能。先测定室内温度，接好电源及实验设备。接通半导体制冷片。其次，测定普通铝片散热性能。先测定室内温度，接好电源及实验设备。接通半导体制冷片，记录冷热端温度。

综合以上数据，我们用绘图软件做出了热管和铝片条件下的温度变化图像，如图2所示：

实验结论：在相同条件下，热管散热效率高于铝片散热效率。

实际条件下的热管效率对比实验：

我们选用现有的铝片风冷散热半导体冰箱作为对比参照，用无线温度传感器测定在室温条件下铝片风冷散热半导体冰箱内部的温度。

在冰箱的中层放入无线温度传感器，接通冰箱电源，调至制冷档，每隔0.5min记录一次数据，得到120min的温度变化数据。

将相同冰箱的铝片拆下，换成相同大小的热管翅片散热系统，在相同的室温下重复上一步骤实验操作，得出120min热管散热的半导体冰箱制冷温度数据。

对比两组数据，使用制图软件制作出两次条件下的温度曲线如图3所示：

实验结果分析：由图像可知，相同实验条件下，两种散热方式下冰箱的最低温分别为7℃和3℃，由此可计算出正常工作时箱体实际漏热率分别为Q铝片=2.01W和Q热管=

2.63W，故冰箱的制冷效率分别为COP铝片=4.02%和COP热管=

5.26%，因此冰箱效率实际上提高了?COP=1.14%。对比理论结果，铝片和热管两种散热方式下冰箱达到最低温度都应该在50min左右，最低温度分别是0℃和-5℃。虽然实际实验并没有达到这种效果，但是实际提高的效率?COP却很接近，经过误差分析，实验结果在误差允许范围内。造成误差的原因主要有理论分析时做了一些合理假设和环境条件变化，实验材料实际上没有达到理想的性能。不过，这种误差并不影响我们的实验结论。在外界环境近似相同的情况下，采用相同的制冷片、制冷功率，保温设施进行实验，尽可能排除无关变量影响。从图像中可以看出，在将散热方式由铝片散热改为热管散热之后，冰箱的制冷速率和制冷能力均得到明显提升。对图像部分区域进行数据拟合可知，在10min之内，两种散热方式并无明显差距；但在10～20min之间，采用热管制冷可以将制冷效率提高一倍以上；对于稳定温度，热管制冷比普遍采用的铝片制冷在相同条件下低大约3℃，从而从一定程度上改善了半导体冰箱制冷能力方面的缺陷，大大增强半导体制冷冰箱的实

用性。

实验结论：在实际情况下，使用热管制冷的半导体冰箱制冷效率大于使用铝片制冷的半导体冰箱。

4 结语

本文采用了理论计算与实际实验相结合的方式，完成了基于半导体制冷的冰箱制冷效率提高的研究。其中创新性地采用了用热管散热代替散热片散热，解决了目前市面上车载半导体冰箱的难题。在设计过程中所进行的两种散热方式对比实验以及设计完成后进行的冰箱模型对比试验有说服力地证明了以我们创意方式制造的冰箱的散热和制冷效果将优于市面上的同类冰箱。该种类型产品投放市场后，必将受到大部分车市和消费者的青睐，为企业创造可观经济收益，并很好地符合了国家对于创新产品节能高效的期望，有利于受到政策的正影响。与此同时，这次对于车载冰箱制冷效率提高的研究，有利于打开研究者的眼界思路，对于日后同类研究具有很高的借鉴及参考价值。

参考文献

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[8] 雷大成.常用传热管、传热系数简化式使用的限制条

半导体器件分析篇4

【关键词】半导体材料与器件；双语教学；课程内容

0 引言

随着信息时代的发展，对光电子专业类人才的需求也越来越大。大学教育作为培养人才的重要基地，承担了越来越重要的角色；向社会输送高素质的人才，要求对光电子专业课程体系教学不断更新改革，赋予其新时代的内涵。目前，还没有一本合适的教材能满足这个要求。另外，在教学方法上也缺乏行之有效的方法。

1 课程内容的构建

半导体材料与器件这门课，应该涉及到半导体材料与半导体器件两个方面的内容，现有的教材在内容构建上往往偏重半导体材料，或是偏重半导体器件，很少能兼顾两者的材料与器件的平衡。图1为现有邓志杰等编的《半导体材料》的内容构建示意图，明显偏重于材料，对器件部分只做了简单的概述，如图1所示。类似的教材还有杨树人等编的《半导体材料》。由刘思科等编的《半导体物理学》这门课则大篇幅的介绍半导体物理相关的知识，而对半导体材料涉及较少。同样，由Dieter K. Schroder 编写的《Semiconductor Material and Device Characterization， Third Edition》则大部分内容介绍器件特性，而对材料方面的相关知识介绍很少。同样，佛罗里达大学的Franky So教授编著的《Organic Electronics Materials Processing Devices and Applications》则侧重于器件加工制备，Robert F. Pierret等编著的《Semiconductor Device Fundamentals》则侧重于器件特性原理。

基于此，本人提出了全新的内容构建策略，该策略同时兼顾了半导体材料与半导体器件两个方面的内容。该策略结构示意图如图2所示，其内容分半导体材料与半导体器件两个部分，其中半导体材料包含：元素半导体、化合物半导体、掺杂半导体和有机半导体，半导体器件部分包含三个部分的内容，分别是器件基础、二极管、三极管。

对比图1、图2不难看出，新编排的课程内容更简洁、更全面。其实，现有材料的课程内容编排上有很多的弊端，如知识点内容很相似，交叉重叠性大。如元素半导体，半导体电子材料、半导体光电子材料，在内容上有很大的交叠；非晶、有机和微结构半导体与掺杂半导体有很大的重叠，所以在新方案中将其并入掺杂半导体一章中来讲解，而前者并入到半导体一章中来讲解。可以看出，新方案更合理、简洁明了。

半导体材料与器件这么课程，其内容应该包含经典的无机半导体、新型有机半导体；器件内容应该包含经典的二极管、栅控二极管、三级管、结型场效应晶体管。其中，二极管的两个重要应用，即光伏电池、发光二极管、二极管存储器件，应该作为一个重要的章节进行介绍。

2 课程内容的组织

在课程内容的组织上，按照由易到难、循序渐进的原则，以及材料-性质-器件应用的原则，先编排材料体系，后编排器件体系。材料体系包含：有本征的p-型材料、n-型材料，非本征掺杂型的p-型材料、n-型材料，以及新型有机半导体材料，包含宽带隙主体材料、窄带隙材料。从材料最基本的物理特性，即电阻切入，围绕电阻的构成因素展开内容，过渡到绝缘体、半导体、导体的概念，以及影响因素，引入到载流子浓度、掺杂、迁移率等概念，即本征的元素半导体向化合型、掺杂型半导体的思路展开。在引入材料的功函数这一概念的基础上，引入接触电阻、界面注入势垒，沿着这一思路自然过渡到肖特基二极管，栅控二极管、三级管等基本的半导体器件等系列概念介绍。该课程内容体系的组织，遵循着从基础性质到上层器件建设的原则，系统性、逻辑性很强，可以说是环环相扣，要求学生在学习的过程中，任何一个章节的内容都不能落下来，以避免给后继的内容学习造成困难。同时，该课程也要求授课老师对课程体系的内容有深刻的理解和清楚的认识，做到思路清晰，讲解有条有理。

3 课程内容的编译

依照双语教学的原则，教材应该采用全英文编写。以往的双语教学经验表明，全英语的教材实施起来很困难，教学效果甚微，甚至比纯母语教学的效果更差。原因很简单，部分学生的外语底子薄，阅读纯英文课本很困难，尤其是专业英语教材，碰到长句、疑难复合句看不懂，专业名词更是不懂，甚至凭借网络翻译也找不到答案。确实，专业名词，尤其是半导体这门课的专业名词的翻译是比较少的。另外，有部分名词是用构词法得到的，词典里根本没有收录。这部分学生常常抱怨，中文都看不懂，还看什么英文啊！结果可想而知，什么都没学到，还不如采用中文版教材教学呢。

鉴于一门新课教材全部用英文编写的困难，可以部分章节采用中文编写，部分章节采用英文编写。对于构成半导体学科的三个基础理论，如肖特基理论、半导体能带理论、半导体导电机理、扩散理论，采用中英文对照的形式，以便于学生理解、掌握知识点。对于半导体特有的五大特性，如整流效应、光电导效应、负电阻温度效应、光生伏特效应和霍尔效应，应做详细介绍；对于重要现象的发现，如霍尔效应，可以在教材中添加“知识园地”，以增强学生学习兴趣、掌握知识点。方便学生自学。

对于半导体材料部分，如元素半导体、化合物半导体、掺杂半导体、有机半导体，可以采用中文的形式撰写。其中，元素半导体这一章内容比较难，涉及到原子在固态堆积中的排列，即晶体类型、晶格、晶胞结构等，用中文撰写更便于学生理解。同时，配合适当晶体结构模型，如经典的正四面体结构、面心立方结构、体心结构、六方体心结构、八面体结构模型，来剖析材料的微观结构特征。并且，这部分内容要求学生有一定的背景知识，如对物质结构这门课有初步的认识。接下来的两章，如化合物半导体、掺杂半导体，可以简化材料凝聚态结构的介绍。因为这两类半导体材料分子堆积结构与元素半导体类似，只是一个衍生结构。所以这两章的内容重点介绍化合方式以及掺杂形式。对于有机半导体，可以借鉴经典的元素半导体理论，所以结构部分可以简化，重在介绍有机半导体材料，包含其组成、特性与经典的制备方法。

对于半导体器件部分，其器件基础应该加以重点介绍，对于常见的半导体器件特性效应加以详细的描述，采用地道的英语教材，如Arizona State University大学的Dieter K. Schroder.编写的《Semiconductor Material and Device Characterization， Third Edition》里面的第一、二、三、四章部分内容。该教材系统阐述了半导体材料一些基本特性，如电阻率、载流子密度、掺杂、迁移率、公函、接触电阻及界面势垒。重点内容有Schottky barrier diodes，solar cell， bipolar junction transistors， light-emitting diodes， MOSFETs。

4 结论

本文针对半导体材料与器件这门课程的内容建设提出了全新的思路，重新编排了该课程内容，优化了课程内容的内涵，调整了半导体材料与半导体器件这两方面的内容比例，使内容的组织更平衡、更合理，并对课程内容的编译提出了新的思路，采用中英文对照使得知识点的阐述更清楚、母语教学更便捷，这将为电子类专业课程的双语教学提供新的参考。

【参考文献】

[1]龙国智.我国高校双语教学的现状评析[J].教育论丛，2011（2）：173-174.

[2]陈志祥.创新双语教学模式提高教学质量的若干问题探讨[J].教育与现代化，2010（1）：51-55.

半导体器件分析篇5

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.

[4]张铭，王如志，汪浩，等.基于研究性学习的半导体物理课程教学改革[J].科教文汇旬刊，2011（7）：47-48.

半导体器件分析篇6

关键词：逆变器；漏电流；共模电压；开关损耗

中图分类号：F40 文献标识码：A

早期的并网逆变器系统输出端一般安装工频隔离变压器，实现电压调整和电气隔离，以保证系统安全可靠运行。然而，工频隔离变压器体积庞大，成本高，损耗大，影响系统整机效率。若采用高频变压器实现PV和电网的电气隔离，可降低系统体积、质量和成本，但系统效率并没有明显改善，因此，非隔离光伏并网逆变器系统成为目前研究的热点，它具有效率高、体积小、质量轻和成本低等优点，但变压器的消除使得PV和电网之间有了电气连接，漏电流可能会大幅增加，带来传导和辐射干扰，增加进网电流谐波以及损耗，甚至危及设备和人员安全。因此共模电流的消除成为了非隔离式并网逆变器得以普及而必须跨越的障碍。

针对上述问题，本文研究了一种非隔离单相光伏并网逆变器，相对于文献提到的拓扑，此拓扑结构不但有效的解决漏电流问题，且具有通态损耗小、效率高、稳定性强等优点。

1新型逆变器的工作原理

1.1新型非隔离并网逆变器

对于一个光伏逆变器而言，要想做到高效率和高稳定性，必须满足以下几个要求：其一，为了提高系统的稳定性，逆变器必须避免直通问题；其二，为保证输出电流波形不发生畸变，在不导致管子损坏的情况下，应避免设死区时间；其三，共模漏电流要小；最后，在保证系统安全的情况下，尽量使用性能好的MOS管来提高系统的效率。文献提出的这种新型拓扑结构均满足上述要求，下面我将针对这种新型的拓扑做详细的分析和介绍。

图1为新型非隔离并网逆变器的结构图，它由六个开关管（S1～S6）、六个二极管（D1～D6）和两个独立的耦合电感L1和L2所构成。二极管D1～D4分别用于钳位S1～S44个开关管的压降。S5、D5和S6、D6则是用来提供续流通道，使得续流阶段直流侧与电网断开，抑制共模电压的变化。

正半周期，开关管S1、S3的驱动信号以开关频率高频动作，S5则工作在工频开关状态，而S2、S4、S6的驱动信号一直处于低电平不工作状态。负半周工作方式与之类似。具体工作方式如下：

1）工作模态1，功率处理模态，进网电流为正半周，开关管S1、S3导通，其余开关管关断。

2）工作模态2，续流模态，进网电流正半周，开关管S5导通，二极管D5导通，其余开关管关断。

3）工作模态3，功率处理模态，进网电流负半周，开关管S2、S4导通，其余开关管关断。

4）工作模态3，续流模态，进网电流负半周，开关管S6导通，二极管D6导通，其余开关管关断。

通过上述分析可知，功率传输模态，进网电流只流过两个开关管，故器件导通损耗小；由于不存在直通问题，在PWM输出瞬间或电网过零点瞬间不需要设死区时间，避免了输出波形畸变。

共模分析模型如图2所示，以电池板负端N为参考点，在电网正半周，输出点1和3对N点的电位是由开关管S1和S3所控制的，当上管S1导通时，1点对N点的电位即为直流母线电压；而下管S3开通时，3点对N的电位为零；当S1和S3关断、S5续流时，1和3对N点电位均为直流母线电压的一半。因此，光伏阵列和开关管的综合作用就可以等效为在1、N和3、N两端分别加入两个以开关管频率变化的等效方波电源，V1N的幅度大小为直流母线电压和直流母线电压的一半，V3N的幅度大小为直流母线电压的一半和零。V2N和V4N则为负半周的等效方波电源。

2两种拓扑的损耗及效率比较

为了将文献提出的H6拓扑和新型逆变器拓扑的效率进行比较，特选用相同的功率器件，IGBT型号为IRG4PH71UD，二极管则选用APT 30DQ60B。表1为两种拓扑在Upv=360V、开关频率20KHZ、PO=1000W时，器件损耗和效率的理论计算值，计算方法参考文献。

结合表1、图1以及参考文献所提的H6拓扑结构可知，H6在电网正负半周均有3只管子导通，而新型拓扑在正负半周仅有两只管子导通，且新型拓扑结构S1～S6不存在反向恢复问题。因此，在相同额定功率和电压条件下，当H6拓扑和新型拓扑均采用IGBT时，H6拓扑的通态损耗比新型拓扑高，所以效率略低于新型拓扑。而当新型拓扑采用超结MOSFET管时，效率能达到99.1%。

3 共模漏电流仿真分析

通过上述的分析，对新型非隔离并网逆变器进行仿真验证。仿真软件采用PSIM，为了方便系统仿真，将PV阵列用直流电压源代替并且VPV=400V，输入直流段的电容Cdc=100nF，寄生电容Cpv=50n，开关管频率fSW=20KHz，输出滤波电感L=0.9mH，电网频率fg=50Hz，电网电压Vg=220V，输出功率PO=1000W。

从图5可以很容易发现新型非隔离并网逆变器的共模电压恒定，共模漏电流基本恒定为零。

结语

本文介绍了一种高效率高稳定性的新型非隔离光伏并网逆变器的工作原理。对此拓扑结构建立了共模分析模型，详细分析其共模漏电流特性。并对H6拓扑和新型拓扑进行了分析和比较，发现新型非隔离并网逆变器不存在直通问题且不需设死区时间；共模漏电流小；稳定性强、效率高。

参考文献

[1]孙龙林，张兴，许颇，等. 单相非隔离型光伏并网逆变器中共模电流抑制的研究[A]. 中国电工技术学会.2008中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会论文摘要集[C].中国电工技术学会，2008：1.

[2]Bin Gu； Dominic， J.，Jih-Sheng Lai；High Reliability and Efficiency Single-Phase Transformerless Inverter for Grid-Connected Photovoltaic Systems.IEEE Terms.

[3]嵇保健，王建华，赵剑锋. 一种高效率H6结构不隔离单相光伏并网逆变器[J]. 中国电机工程学报，2012，v.32；No.42518：9-15+171.

半导体器件分析篇7

【关键词】电子镇流器；半桥逆变器；串联谐振电路；频率匹配

1.引言

电子镇流器应用广泛，是我们现在日常照明主要使用的器件，从各个环节上提高它的能效，延长它的使用寿命都至关重要。荧光灯管与高频电子镇流器的非阻抗匹配性质，导致在负载灯管一端引入电感电容，使之与电子镇流器阻抗匹配[1]。为了提高能效，提高电子镇流器的使用可靠性，在电子镇流器的设计中，电子镇流器的振荡频率与谐振电路的振荡相匹配显得非常重要。

2.半桥逆变器与谐振电路的频率分析

电路基本图如图一所示，Vdc为通过镇流器中芯片PFC控制后升压直流电压，vgs1，vgs2为半桥开关的控制信号，其中D1，D2为MOS管分立器件内部本身带的二极管。半桥逆变电路输出的方波电压可用傅里叶级数表示为直流和交流之和，而，其中f为逆变器的工作频率。半桥逆变器输出是个包含了直流项的方波电压，所以加了个隔直电容C2。方波电压的直流项在灯管点火前，使得灯上的压降包括了这个直流电压项，因此获得了更高的点火电压。点火成功后，该直流电压项不会增加灯管的压降，所以点亮后，只考虑方波电压交流成分的影响。方波电压的交流成分几乎所有的谐波项都会被谐振电路滤掉，只有基波成分在谐振电路里起作用。因此，该电路使用基波电压来近似分析。

电子镇流器的工作电路存在两种振荡频率：一种是半桥开关频率fs（简称工作频率）；另一种是灯管，限流电感（L）和启动电容（C）之间的谐振频率fr（简称谐振频率）。由于谐振电路是半桥开关电路的负载，因此，工作频率与谐振频率之间存在以下三种关系：

（1）半桥开关频率等于振荡频率（fs=fr）

当fs=fr的时候，系统呈现阻性。振荡电路电流ir与基波电压V1同相，他们之间相位角Ψ为0.图上示意了半桥振荡逆变电路理论波形。从图上看到，当ir等于0时候，Q1开启，ir从0上升，流过Q1.一旦ir再次到0，Q1关闭，Q2开启。ir电流方向变为负向，流过Q2。MOS开关管导通顺序为Q1-Q2-Q1，开关在零电流时候开和关，导致零开关损耗，能效更高。不过，在实际应用中，频率的偏差和两个开关管之间的死区时间，这样的开关状态是几乎不存在的。

（2）半桥开关频率大于振荡频率（fs＞fr）

当fs＞fr的时候，系统呈感性。ir落后于V1相位角Ψ，Ψ＞0。半导体器件导通顺序为D1-Q1-D2-Q2-D1.图上示意了半桥振荡逆变电路理论波形。当vgs2由高变为低时，Q2关闭。此时，ir是负的，并且由流经Q2流经D1。在短暂的死区时间阶段后，vgs1由低变为高。虽然这样，Q1并没有立即导通，直到ir变为0，D1关闭，然后Q1导通，ir流过Q1.在D1导通时候，S1上的压降等于D1的导通压降，约为-0.7V，因此，Q1是零电压导通。当vgs1由高变为低时，Q1关闭。此时，ir由流经Q1转为流经S2，而vs1增加，vs2减少。当vs2减少为-0.7V时候，D2导通，ir流过D2。从以上分析看到，MOS开关管的关闭是由栅极信号强制的，而开启是由对应的二极管的关断引起的。

这种模式下开关管有零电压导通的优点，因此，开关管的导通损耗接近于零。由于密勒效应没起作用，MOS开关管的输入电容不会因为密勒效应而增加，所以栅驱动能量低，开关速度快。振荡电流方向改变在低电流变化率di/dt下实现，所以二极管是自然关闭，所以一个较慢的二极管就够了，直插MOS管中自带的二极管就够了。

虽然开关管的导通损耗接近于零，可是开关管关断时候却不一样。关断时，开关管电压和电流波形却有重叠，引起了关断损耗。密勒效应也要考虑，增加了开关管的输入电容，增加了栅极驱动需要的能量，降低了关断速度。尽管如此，为了实现高效，谐振电路的谐振频率常常设置为低于开关频率。

（3）半桥开关频率小于振荡频率（fs＜fr）

当fs＜fr时候，系统呈现容性。ir相位领先V1相位角|Ψ|，其中Ψ＜0.半导体器件的导通顺序为Q1-D1-Q2-D2-Q1.图显示了半桥振荡逆变器的理论波形。当vgs1由低变为高时，Q1开启，ir是正的，由流过D2转为流过Q1。因为ir领先V1，所以在vgs1由高变为低之前，ir会变为零。当ir变为负的时候，ir会由流过Q1，转为流过D1，Q1自然关断。而S1的电压大约从1V变为-0.7V，而S2的电压仍然为Vdc.所以Q1是零电压关断，没有关断损耗。当vgs2由低变为高时，Q2开启。此时，ir由流过D1到流过Q2，S2上的电压由Vdc减少为零。Q2是在一个等于Vdc的高电压情况下开启的，因此开关导通损耗不为零。一旦过S2电流变为负，D2开启，Q2自然关闭。从以上分析看到，开关MOS管的开启是栅极信号强制的，而关闭是由对应二极管开启引起的。

一旦开关管没有做到零电压开关，就会出现这样一些危害：

a.MOS管中二极管关断时刻，其电压由-0.7V变为Vdc。二极管关断时，其上的电压变化率dv/dt很大，将会产生一个高的反向恢复电流峰值，反向恢复应力大。高电流峰值可能损坏开关管，并且引起开关损耗和噪音。

b.一般来说，每个开关管都有它的输出电容。在开关管导通前，它的输出电容充电到Vdc，因此，开关管导通时，它的输出电容放电，引起了损耗CVdc2/2。

c.因为在导通瞬间，栅极电压增加，开关管电压降低，密勒效应增大了开关管的输入电容，增加了栅极驱动充电，所以降低了开关导通速度。

3.仿真验证及结果分析

仿真原理图如图5所示，此时是对荧光灯点亮时的仿真，R9代表36WT8荧光灯点亮时的等效电阻，R1，R2，R3，R5，代表荧光灯管两头的灯丝电阻。此时谐振频率为55KHZ，而仿真电感性和电容性特征的半桥频率分别为60KHZ，40KHZ，仿真结果分别见图6、图7，其结果与前面的分析一致。

4.结论

从本文的分析和仿真可以看出，电子镇流器设计中要把半桥逆变器的频率设置为大于串联谐振电路振荡频率，提高能效，不仅能达到节能减排的目的，还能保证半桥电路开关管的使用安全。

参考文献

[1]毛兴武,祝大卫.新型电子镇流器电路原理与设计[M].北京:人民邮电出版社,2007.

致谢：本文工作受到北方工业大学信息工程学院延续型实验专项资金的支持，特此感谢。

半导体器件分析篇8

【关键词】

0 引言

半导体激光器出现于上个世纪五十年代[1-2]，随着材料与器件的各种新技术的不断发展，它的波长覆盖范围已达到从红外到紫外、输出功率也从低温毫瓦量级的脉冲输出到阵列的千瓦量级的室温连续输出，它的应用已经遍及了包括航天、制造业及科研等许多领域，并成为许多应用系统的关键器件，因而它的可靠性和寿命往往决定了整个应用系统的可靠性。而随着其输出功率的不断提高，激光器的可靠性会下降，寿命会减短[3]。对半导体激光器的质量、可靠性进行准确评估和筛选不仅可以确保整个应用系统的可靠性，同时也可以帮助改进其生产工艺、提高产品的制造水平。

20世纪90年代，本课题组提出一种新方法即电导数测试技术来筛选半导体激光器的质量和可靠性的，这种方法主要是通过测试半导体激光器的I-V、P-V，再进行相应的数据处理以得到在激射阈值处的节电压饱和情况及一些相关参数、通过相关参数的值对激光器包括结特性、漏电通道、载流子限制、欧姆接触情况等与器件质量密切相关的因素进行分析，从而实行对器件质量和可靠性进行评估和筛选[4-6]。通过电导数技术筛选和评估半导体激光器件具有便捷、无损、快速的特点。在我们从前对大量中小功率器件进行的电导数测试中，我们发现某些或全部电导数参数差的器件一定可靠性差，因此电导数方法的有效性也得以证明[4-6]。然而随着导数技术在新型的高功率半导体激光器中的应用，我们发现尚有部分可靠性差的半导体激光器不能被导数技术所筛选，因此有必要借助数学工具进行器件电导数模拟以分析不同缺陷情况对电导数参数的影响，以达到指导和完善该方法的目的，也为该方法在高功率阵列半导体激光器上的应用打下坚实的基础。

1 原理和模拟

高功率双异质结半导体激光器的等效电路图如图1，从工作原理上说要同时满足三个限制，即载流子限制，电流限制和光限制[7，8]。

图1 一般单管的等效电路图

图1中理想二极管D1、稳压二极管DZ并联后与线性电阻R1串联构成激光器主支路，其中稳压二极管DZ用以表征当注入电流大于管芯阈值电流时发生的结电压饱和现象[91]，结电压饱和阈值用Vjth表示。理想二极管D2与电阻R2串联构成激光器并联非线性泄漏支路，电阻R3代表并联线性泄漏支路。理想二极管D1、D2的结特征参量分别为m1和m2，结反向饱和电流分别为Is1、Is2。

2 计算条件和结果

我们希望通过模拟计算研究高功率半导体激光器电导数参数与其器件质量和可靠性之间的关系，对模型中各器件的取值以经验值为主，首先取Is1=Is2=10-9A，Vjth=1V，R1=1Ω，R2=10Ω，R3=100Ω，m1=m2=2进行模拟，典型单管激光器的曲线如图2。因此考虑实际情况下那些对器件质量和可靠性有不良影响的因素发生时、模型中对应的某输入值发生相应改变时，其电导数参数的变化情况。

图2 模拟的典型单管激光器曲线

通常激光器反向饱和电流与温度和有源区载流子浓度有关，当温度升高时，反向饱和电流以指数函数增加，因此高功率半导体激光器可能由于欧姆接触或外延质量的缺陷造成局部的工作温度差异，因而出现反向饱和电流的差异。表1是Is1不同的单管No.a1～a10的电导数参数计算结果，Is1变量的取值在表中，而其它参数取如上典型，其各电导数参数值随Is1变化的情况如图3。

表1 不同Is1的单管No.a1～a10的电导数参数计算结果

图3 各电导数参数值随Is1的变化情况

从图中可以看出，当Is1由5×10-10A线性变大到1.4×10-9A时，m、h、F值趋于减小，而Rs1、Ith和b值则趋向于增大，其中m、h、F、Ith值明显增大，而Rs1和b值变化较小。

外延质量、杂质复合中心浓度和结的完整性不好会所造成m1参数的变化，表2是改变输入参数m1的器件No.b1～b10的电导数参数计算结果，m1变量的取值在表中，各电导数参数值随m1变化的情况如图4。

表2 不同m1的单管No.b1～b10的电导数参数计算结果

图4 各电导数参数值随m1的变化情况

从图中可以看出，随着m1的增大激光器的m值明显增大，h、F值也明显变大，b值在约2～3mV的范围略变小，Ith减小明显，Rs1从接近0.9欧姆减小到0.81欧姆，Rs2基本不变。

激光器的欧姆接触情况及包括限制层和源区的体电阻直接与R1的值大小相关，表3是不同R1的单管No.c1～c10的电导数参数计算结果，R1变量的取值在表中，而其它参数取值为Is1=Is2=10-9A，Vjth=1V，R2=10Ω，R3=100Ω，m1=m2=2，其各电导数参数值随m1变化的情况如图5。

表3 不同R1的单管No.c1～c10的电导数参数计算结果

从图5中可以看出，随着R1的增大h值减小，但从数值上看减小的值不很大，和上面两个参数改变时不同，这里的Ith、Rs1、Rs2、b、F都随的增大而几乎线性增加，但增加的b、Ith、F、的绝对数值都不大，只有Rs1、Rs2变化很明显同时从由0.72增加到1.12，最特别的当属m，我们发现R1=R2时、m有最大值2.213，而m的值总的来说变化很小。

图5 各电导数参数值随R1的变化情况

半导体激光器的材料体系的能带结构是结电压饱和点的主要决定因素，它会影响阈值电流密度，表4是不同Vjth的单管No.d1～d10的电导数参数计算结果，其各电导数参数值随m1变化的情况如图6。

表4 不同Vjth的单管No.d1～d10的电导数参数计算结果

图6 各电导数参数值随Vjth的变化情况

从图中可以看出随着结的阈值电压Vjth的升高Ith变大，Rs1、b略变大，m值变小，Rs2几乎不变，F值不变。Vjth对器件的电导数参数所造成的影响与Is1、m1、R1这几个参数相比是最小的。

3 结论

从上面的模拟结果来看，电导数测试的各参数值大小对外延质量及结的载流子限制情况及欧姆接触情况的反映较为明显，若m、h的值较小、而Ith、Rs1、Rs2、b、F值较大说明外延质量及结的特性不好，同时欧姆接触情况也不好，若Rs1、Rs2较大、而h较小、b、Ith、F的值没有明显变化说明器件的欧姆接触质量不好而结特性正常，若Rs1、Rs2较正常，而h较小、F、 b、Ith值较大说明器件的欧姆接触质量正常而结特性不好。这和我们以前的导数测试与老化结果是基本吻合的，可以通过电导数技术得出的相关参数对器件可靠性进行筛选评价。

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