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【關(guān)鍵詞】半導(dǎo)體制冷；最佳特性；熱端散熱
1.半導(dǎo)體制冷最佳特性分析
半導(dǎo)體制冷技術(shù)，融合了多種熱電效應(yīng)，譬如賽貝克效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、傅里葉效應(yīng)等，基于這些熱電效應(yīng)下的半導(dǎo)體制冷最佳特性，可分別從一般工況、最大制冷量工況、最大制冷系數(shù)工況等方面進(jìn)行分析。
（1）一般工況最佳特性。熱電制冷是通過(guò)冷端、銅連接片、熱端等，發(fā)揮吸熱和放熱的功能效應(yīng)，在直流電源接通后，熱端和冷端的溫差會(huì)逐漸增大，前者溫度上升而放熱，后者溫度下降而吸熱，當(dāng)兩者趨于平衡狀態(tài)，半導(dǎo)體制冷就會(huì)表現(xiàn)出最佳特性。在分析最佳特性時(shí)，經(jīng)常需要考量包括電偶臂溫差電動(dòng)勢(shì)率、接頭絕對(duì)溫度、熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率等參數(shù)，以確定微元體的熱平衡與邊界條件。
（2）最大制冷量工況最佳特性。在最大制冷量工況條件下，電流與冷端的溫度，共同形成制冷量的函數(shù)，可藉此求解出電流偏導(dǎo)，當(dāng)導(dǎo)數(shù)趨近于零，半導(dǎo)體制冷就會(huì)達(dá)到最大制冷量，期間所涉及的參數(shù)包括最佳工作電流、最佳工作電壓、輸入電功率、制冷系數(shù)等。
（3）最大制冷系數(shù)工況最佳特性。在電流變化之后，半導(dǎo)體制冷的制冷量，以及輸入電功率等也會(huì)隨著變化，當(dāng)制冷量與輸入電功率的比值達(dá)到最大狀態(tài)后，就可以利用制冷系數(shù)求出電流導(dǎo)數(shù)，當(dāng)導(dǎo)數(shù)趨近于零，制冷系數(shù)最會(huì)達(dá)到最大狀態(tài)，期間涉及的參數(shù)與最大制冷量工況最佳特性分析時(shí)的參數(shù)一致。
（4）最大溫差工況最佳特性。在保持半導(dǎo)體制冷熱端與冷端等尺寸恒定的情況下，增加冷端與熱端之間的溫度差異，判斷最大溫差情況下，對(duì)電流的影響系數(shù)，以此保證出現(xiàn)溫差時(shí)，半導(dǎo)體制冷最佳特性不受影響。
2.半導(dǎo)體制冷熱端散熱方式研討
基于半導(dǎo)體制冷最佳特性的分析結(jié)果，我們?cè)谘杏懓雽?dǎo)體制冷熱端散熱方式的時(shí)候，應(yīng)該在綜合考慮材料和工藝等因素的情況下，重點(diǎn)解決半導(dǎo)體制冷的散熱問(wèn)題，以此提高制冷的系數(shù)，使得半導(dǎo)體制冷的功能處于最佳狀態(tài)。
2.1自然對(duì)流散熱
這種散熱方式，適用于小型半導(dǎo)體制冷器，利用空氣自然對(duì)流的原理，以散熱片作為熱交換器進(jìn)行對(duì)流散熱，利用冷端吸熱器和空氣熱交換吸收熱量，再經(jīng)各導(dǎo)熱層，將熱量傳遞給熱端散熱器，以保證制冷的效果。在設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，我們需要確定散熱器與周?chē)諝庵g的允許溫差、換熱系數(shù)，以及散熱器等的導(dǎo)熱系數(shù)等，然后根據(jù)散熱器散熱總面積、制冷器傳遞給散熱器總熱量等參數(shù)，計(jì)算出空氣自然對(duì)流時(shí)，對(duì)散熱器散熱面積的利用程度，以此規(guī)避受到其他外界因素的干擾。除此之外，散熱片的水平放置、垂直向上放置和垂直向下放置等，均可能影響散熱的效果，因此我們還可以通過(guò)散熱器的放置方式調(diào)整，提高散熱效果控制的自由度。
2.2強(qiáng)迫對(duì)流散熱
在構(gòu)建自然對(duì)流散熱系統(tǒng)之后，在散熱片的端部，安裝軸流風(fēng)機(jī)，以強(qiáng)迫通風(fēng)的方式，提高對(duì)流換熱的系數(shù)。強(qiáng)迫對(duì)流散熱在同樣的散熱功率條件下，需考慮到散熱片的結(jié)構(gòu)尺寸、空氣流速和表現(xiàn)粗糙度等，以及縮小散熱的相對(duì)面積，并利用流體動(dòng)力學(xué)模擬分析的方法，減少對(duì)流散熱器的電阻，較為適用于小型空調(diào)器。關(guān)于強(qiáng)迫通風(fēng)散熱系統(tǒng)所構(gòu)成的半導(dǎo)體制冷模塊，包括軸流風(fēng)機(jī)、被致冷件、散熱器、熱電制冷器等構(gòu)件，均是提高對(duì)流換熱系數(shù)等的關(guān)鍵。
2.3液體冷卻散熱
相比于自然風(fēng)冷散熱，水冷換熱系數(shù)更大，正常情況下，環(huán)境溫度低于25℃時(shí)，制冷系統(tǒng)的COP為0.6，相當(dāng)于強(qiáng)制冷風(fēng)COP的2倍。一般情況下，半導(dǎo)體制冷模塊的水冷散熱器熱阻，與水流動(dòng)速度具有直接關(guān)系，后者速度越快，則熱阻越低。液體冷卻散熱，主要依靠循環(huán)回路，并將水箱分隔開(kāi)，形成多個(gè)流道，當(dāng)冷卻水經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體芯片熱端，吸收熱量后再流經(jīng)散熱器進(jìn)行散熱。其中關(guān)于熱端散熱器的設(shè)置，配置有一定容積的水箱，在散熱器的熱阻降低到0.5k?kw-1，并且電流為2.5A時(shí)，水箱達(dá)到最低溫度-20℃，此時(shí)的散熱效果最好。值得注意的是，液體冷卻散熱對(duì)水質(zhì)的要求比較高，如果發(fā)現(xiàn)水冷卻面存在結(jié)垢，則要及時(shí)清理干凈，否則會(huì)影響散熱器的傳熱性能。
2.4相變散熱
相變散熱主要依靠相變材料的相態(tài)變化吸收熱量，適用于配置熱管的散熱器，同樣具有較好的散熱效果。相變散熱可在氣流速度不變的情況下，在冷端利用熱虹吸管換熱器，為冷端提供儲(chǔ)冷能力了，以避免在高峰負(fù)荷狀態(tài)下冷量損失太大，以及在斷電時(shí)，熱端的熱量原路傳回冷端。關(guān)于相變散熱的設(shè)計(jì)，需要通過(guò)數(shù)值模擬方法，根據(jù)不同的制冷工況，掌控散熱器表面的溫度場(chǎng)分布情況，以保證傳熱面的均勻性，將散熱效果保持在最佳狀態(tài)。
3.結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，半導(dǎo)體制冷技術(shù)，融合了多種熱電效應(yīng)，譬如賽貝克效應(yīng)、湯姆遜效應(yīng)、傅里葉效應(yīng)等，基于這些熱電效應(yīng)下的半導(dǎo)體制冷最佳特性，在研討半導(dǎo)體制冷熱端散熱方式的時(shí)候，應(yīng)該在綜合考慮材料和工藝等因素的情況下，重點(diǎn)解決半導(dǎo)體制冷的散熱問(wèn)題，以此提高制冷的系數(shù)。[科]
【參考文獻(xiàn)】
關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體物理；教學(xué)改革；教學(xué)效果
作者簡(jiǎn)介：劉德偉（1979-），男，河南濮陽(yáng)人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，講師；李濤（1977-），男，河南淮陽(yáng)人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，講師。（河南 鄭州 450002）
中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）34-0085-02
半導(dǎo)體物理是半導(dǎo)體科學(xué)的理論基礎(chǔ)，是電子科學(xué)與技術(shù)、微電子學(xué)等專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其教學(xué)質(zhì)量直接關(guān)系到后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果以及學(xué)生未來(lái)的就業(yè)和發(fā)展。然而，由于半導(dǎo)體物理的學(xué)科性很強(qiáng)，理論較為深?yuàn)W，涉及知識(shí)點(diǎn)多，理論推導(dǎo)繁瑣，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中存在一定的難度。因此，授課教師必須在充分理解半導(dǎo)體物理，熟悉半導(dǎo)體工藝和集成電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合教學(xué)實(shí)際中存在的問(wèn)題，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)手段，探索教學(xué)改革措施，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)質(zhì)量。
一、半導(dǎo)體物理課程特點(diǎn)及教學(xué)中存在的主要問(wèn)題
鄭州輕工業(yè)學(xué)院采用的教材為劉恩科主編的《半導(dǎo)體物理學(xué)》（第七版，電子工業(yè)出版社），該教材是電子科學(xué)與技術(shù)類(lèi)專(zhuān)業(yè)精品教材。[1]結(jié)合教材特點(diǎn)與教學(xué)實(shí)踐，半導(dǎo)體物理課程教學(xué)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題與不足[2]可歸納如下：
1.教材內(nèi)容知識(shí)點(diǎn)多，理論性強(qiáng)
半導(dǎo)體物理課程前五章為理論基礎(chǔ)部分，主要講述了半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)、雜質(zhì)和缺陷能級(jí)、載流子的統(tǒng)計(jì)分布、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性與非平衡載流子，在此基礎(chǔ)上闡述了電子有效質(zhì)量、費(fèi)米能級(jí)、遷移率、非平衡載流子壽命等基本概念；分析了狀態(tài)密度、分布函數(shù)、載流子濃度以及遷移率與雜質(zhì)濃度、溫度的關(guān)系。課程涉及理論知識(shí)較深，易混淆知識(shí)點(diǎn)較多，數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)復(fù)雜，很多基本概念及數(shù)學(xué)公式要求學(xué)生掌握量子力學(xué)、固體物理、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理和高等數(shù)學(xué)等多門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科的理論知識(shí)。因此，學(xué)生在前期學(xué)習(xí)中，在相關(guān)知識(shí)點(diǎn)上難以銜接，對(duì)相關(guān)理論的掌握存在一定困難。
2.傳統(tǒng)教學(xué)模式難以理論聯(lián)系實(shí)際
半導(dǎo)體物理課程后八章主要介紹了半導(dǎo)體基本器件的結(jié)構(gòu)與性能，半導(dǎo)體的光、電、熱、磁等基本性質(zhì)。如pn結(jié)電流電壓特性及電容、擊穿電壓與隧道效應(yīng)、肖特基接觸與歐姆接觸；半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)、表面電場(chǎng)對(duì)pn結(jié)性能的影響；半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體激光器等。由于這部分內(nèi)容主要闡述半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用，僅僅從課本上學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，難以理論聯(lián)系實(shí)際，對(duì)于沒(méi)有接觸過(guò)半導(dǎo)體制備工藝的學(xué)生而言，就會(huì)覺(jué)得內(nèi)容枯燥，課堂乏味。
3.教材內(nèi)容無(wú)法追蹤科技前沿
現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)日新月異，發(fā)展迅速，例如在半導(dǎo)體照明、半導(dǎo)體激光器、探測(cè)器、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域都獲得了重大研究成果，研究領(lǐng)域不斷拓展，新的理論不斷涌現(xiàn)，與化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物等學(xué)科之間的交叉和滲透越來(lái)越強(qiáng)，極大地豐富了半導(dǎo)體物理的教學(xué)內(nèi)容。而半導(dǎo)體物理教材內(nèi)容的更新相對(duì)較慢，因此，如何在有限的課時(shí)內(nèi)既要講授教材內(nèi)容，又要穿插相關(guān)科技前沿是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。
二、半導(dǎo)體物理課程教學(xué)改革措施
基于以上分析，半導(dǎo)體物理課程對(duì)授課教師要求較高，如何在有限的課堂教學(xué)過(guò)程中將大量的知識(shí)講解清楚，需要教師積極探索新的教學(xué)模式，針對(duì)課程特點(diǎn)與教學(xué)現(xiàn)狀，通過(guò)不斷實(shí)踐克服存在的問(wèn)題與不足，采用多樣化的教學(xué)手段，優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容，狠抓教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生較好地理解并掌握相關(guān)知識(shí)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。[3]
1.優(yōu)化整合教學(xué)內(nèi)容
由于現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展極為迅速，研究方向不斷拓展，相關(guān)知識(shí)更新較快。因此，授課教師應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，關(guān)注科技前沿與研究熱點(diǎn)，合理安排教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)其它課程的教學(xué)內(nèi)容，在保持課程知識(shí)結(jié)構(gòu)與整體系統(tǒng)性的同時(shí)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合理取舍，壓縮與其他課程重疊的內(nèi)容，刪除教材中相對(duì)陳舊的知識(shí)，密切跟蹤科技前沿與研究熱點(diǎn)，適當(dāng)增加新的理論，補(bǔ)充重要的半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展史，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神。例如壓縮教材中第一章固體物理課程已經(jīng)詳細(xì)講解過(guò)的能帶理論內(nèi)容，將授課時(shí)間由原來(lái)的8學(xué)時(shí)壓縮至6學(xué)時(shí)；在講解半導(dǎo)體光學(xué)特性時(shí)，結(jié)合半導(dǎo)體光電子學(xué)的研究前沿，增加該部分內(nèi)容所涉及的研究領(lǐng)域與最新技術(shù)，如半導(dǎo)體超晶格、量子阱等方面的內(nèi)容；在講述MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性時(shí)，補(bǔ)充C-V特性的研究意義，介紹半導(dǎo)體表面特性對(duì)集成芯片性能的影響，鼓勵(lì)學(xué)生查閱總結(jié)利用C-V特性研究半導(dǎo)體表面的方法；在講授半導(dǎo)體元器件的結(jié)構(gòu)及性能時(shí)，適當(dāng)補(bǔ)充半導(dǎo)體器件的制備工藝，播放一些半導(dǎo)體器件的制備視頻，讓學(xué)生結(jié)合某種半導(dǎo)體器件分析其結(jié)構(gòu)與性能；在講解半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，先讓學(xué)生了解pn結(jié)種類(lèi)，然后對(duì)比同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)的異同，最后讓學(xué)生掌握異質(zhì)結(jié)的電流電壓特性，通過(guò)增加半導(dǎo)體激光器的發(fā)展史，即從第一支同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器只能在低溫下發(fā)射脈沖激光到現(xiàn)在的異質(zhì)結(jié)激光器的優(yōu)異性能，讓學(xué)生充分認(rèn)識(shí)到半導(dǎo)體物理是現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)，是科技創(chuàng)新的力量源泉。通過(guò)介紹科技前沿與研究熱點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)文獻(xiàn)，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)面，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。
2.突出重點(diǎn)，分化難點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)基本概念與物理模型
半導(dǎo)體物理課程涉及到的基本概念和物理模型較多，僅憑教材中的定義理解這些概念和模型，學(xué)生很難完全掌握。在講解深?yuàn)W的物理模型時(shí)，教師應(yīng)運(yùn)用恰當(dāng)?shù)念?lèi)比，通過(guò)生動(dòng)形象的事例對(duì)比分析，加深學(xué)生對(duì)物理模型的理解，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如教材中半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算既是難點(diǎn)又是重點(diǎn)，學(xué)習(xí)中涉及到狀態(tài)密度、玻爾茲曼分布函數(shù)、費(fèi)密分布函數(shù)以及載流子濃度等為較容易混淆的概念。為了幫助學(xué)生理解，教師可以通過(guò)教學(xué)樓里面的學(xué)生人數(shù)與半導(dǎo)體中的電子數(shù)目進(jìn)行類(lèi)比：不同樓層的教室對(duì)應(yīng)不同的能帶，教室座位數(shù)對(duì)應(yīng)能態(tài)的數(shù)目，教室的學(xué)生人數(shù)就相當(dāng)于半導(dǎo)體中的電子數(shù)目，這樣，計(jì)算半導(dǎo)體電子濃度的問(wèn)題就與計(jì)算教室單位空間內(nèi)學(xué)生人數(shù)的問(wèn)題非常類(lèi)似。通過(guò)這種生動(dòng)形象的類(lèi)比，學(xué)生很容易明白半導(dǎo)體中的能態(tài)密度就相當(dāng)于教室單位空間的座位數(shù)，而半導(dǎo)體中的電子在能級(jí)上的占據(jù)幾率就對(duì)應(yīng)于教室內(nèi)學(xué)生的入座情況。半導(dǎo)體中的電子在能級(jí)上的占據(jù)概率需要滿(mǎn)足波爾茲曼分布函數(shù)或費(fèi)米分布函數(shù)，而分布函數(shù)的確定取決于費(fèi)米能級(jí)的位置，當(dāng)分布函數(shù)確定后，單位能量間隔內(nèi)的電子數(shù)目就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的微積分計(jì)算出來(lái)。
另外，半導(dǎo)體物理課程中理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)上的近似處理較多，繁瑣的公式推導(dǎo)增加了學(xué)生對(duì)物理模型的理解。如果教師在教學(xué)過(guò)程中能適當(dāng)?shù)匕盐锢砟Ｐ秃凸酵茖?dǎo)分開(kāi)，正確處理兩者之間的關(guān)系，分別從物理和數(shù)學(xué)兩方面尋找攻克這些難點(diǎn)的途徑，使學(xué)生在徹底理解物理模型的基礎(chǔ)上掌握理論推導(dǎo)。例如教材中有關(guān)n型半導(dǎo)體載流子濃度的內(nèi)容安排如下：首先根據(jù)雜質(zhì)半導(dǎo)體的電中性條件，推導(dǎo)出一個(gè)包含費(fèi)米能的表達(dá)式，然后根據(jù)雜質(zhì)電離情況分為低溫弱電離區(qū)、中間電離區(qū)、強(qiáng)電離區(qū)、過(guò)渡區(qū)以及高溫本征激發(fā)區(qū)，最后再根據(jù)不同電離區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行討論與近似處理。所涉及到的物理模型相對(duì)簡(jiǎn)單，但分區(qū)討論和近似處理部分篇幅較長(zhǎng)。如果運(yùn)用傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生很容易沉浸在復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)之中，難以透徹理解物理模型。如果教師在授課過(guò)程中先讓學(xué)生了解該部分內(nèi)容的整體安排，理解物理模型，再分析各溫區(qū)的主要特點(diǎn)，最后總結(jié)規(guī)律，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出結(jié)論，就能很好地提高教學(xué)效果。
3.溫故知新，適時(shí)比較，加強(qiáng)各章節(jié)之間的聯(lián)系
對(duì)于課堂上剛剛講授過(guò)的知識(shí)，學(xué)生并不一定能夠完全掌握，此時(shí)教師應(yīng)該結(jié)合半導(dǎo)體物理課程的特點(diǎn)，在教學(xué)過(guò)程中做到溫故知新，適時(shí)比較，加強(qiáng)不同章節(jié)之間知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系。例如pn結(jié)是半導(dǎo)體器件的基本單元，如日常生活中常見(jiàn)的激光器、LED、整流器、調(diào)制器、探測(cè)器、太陽(yáng)能電池等。在講授該章內(nèi)容時(shí)，如果教師以pn結(jié)為主線(xiàn)將教材中不同章節(jié)之間的內(nèi)容有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生就會(huì)從整體上進(jìn)一步了解半導(dǎo)體物理課程的教學(xué)內(nèi)容。只有在教學(xué)過(guò)程中不斷加強(qiáng)各章節(jié)知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，學(xué)生才能完全掌握半導(dǎo)體器件的基本原理，為以后從事半導(dǎo)體行業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。再如所選教材中有關(guān)半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算，分為非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體和簡(jiǎn)并半導(dǎo)體兩種情況。在講述后者時(shí)，教師通過(guò)對(duì)比分析非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體和簡(jiǎn)并半導(dǎo)體在概念上有何異同，再引導(dǎo)學(xué)生比較簡(jiǎn)并半導(dǎo)體與非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算公式，學(xué)生就會(huì)意識(shí)到二者的主要區(qū)別就是分布函數(shù)不同，在計(jì)算簡(jiǎn)并半導(dǎo)體載流子濃度時(shí)，雖然分布函數(shù)替換后導(dǎo)致積分變復(fù)雜，但只是數(shù)學(xué)處理的方法不同，兩者的物理思想?yún)s完全一致。通過(guò)這樣的比較學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體與簡(jiǎn)并半導(dǎo)體以及玻爾茲曼分布函數(shù)與費(fèi)米分布函數(shù)的理解就會(huì)更加深入。
三、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)以上教學(xué)改革措施，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高了半導(dǎo)體物理課程的課堂教學(xué)效果，為學(xué)生后續(xù)專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)：
[1]劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.
電子具有電荷和自旋兩個(gè)重要屬性，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件僅利用了電子的電荷屬性，稀磁半導(dǎo)體材料可以同時(shí)利用電子的電荷和自旋屬性，成為未來(lái)半導(dǎo)體自旋電子器件的關(guān)鍵材料之一。人們期望通過(guò)對(duì)稀磁半導(dǎo)體材料的研究獲得具有非易失、多功能、超高速和低功耗等特性的半導(dǎo)體自旋器件，這對(duì)材料和信息技術(shù)領(lǐng)域都將是一場(chǎng)質(zhì)的革命。從上世紀(jì)80年代末90年代初，人們就開(kāi)始關(guān)注Mn摻雜III—V族稀磁半導(dǎo)體材料，如（In，Mn）As和（Ga，Mn）As等，并設(shè)計(jì)出以其為基的半導(dǎo)體自旋相關(guān)概念型器件，如自旋發(fā)光二極管，自旋場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。然而在過(guò)去的幾十年中，稀磁半導(dǎo)體材料并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，其中一個(gè)主要原因是其居里溫度（TC）低于室溫。所以，探索TC高于室溫，且具有原子尺度均勻替代摻雜的本征稀磁半導(dǎo)體成為半導(dǎo)體自旋電子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)［5］。寬禁帶氧化物稀磁半導(dǎo)體由于具有高于室溫的TC和自旋與載流子分離調(diào)控的特性而受到人們廣泛關(guān)注［6―9］，但這些材料仍然存在一些科學(xué)問(wèn)題需要解決，主要有如何獲得穩(wěn)定的本征氧化物稀磁半導(dǎo)體，如何有效提高半導(dǎo)體自旋注入效率，室溫鐵磁性的來(lái)源和產(chǎn)生機(jī)制需要進(jìn)一步探索，自旋在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的輸運(yùn)、壽命和光、電等方法對(duì)自旋的操控還不是很清楚，以及以氧化物稀磁半導(dǎo)體為基的自旋電子器件原型還有待于人們?nèi)ピO(shè)計(jì)和研制等。因此，開(kāi)展氧化物稀磁半導(dǎo)體本征鐵磁性和自旋注入效率與輸運(yùn)特性的研究、磁性產(chǎn)生機(jī)制的探索以及初步應(yīng)用模型的設(shè)計(jì)等非常必要，這將為推動(dòng)稀磁半導(dǎo)體器件化提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和單元雛形。
1非補(bǔ)償p－n共摻氧化物稀磁半導(dǎo)體薄膜的本征鐵磁性
一般來(lái)說(shuō)，過(guò)渡金屬元素在氧化物半導(dǎo)體中的溶解度較小，容易形成磁性金屬原子團(tuán)簇或第二相雜質(zhì)，因此制備本征氧化物稀磁半導(dǎo)體具有很大的挑戰(zhàn)性。人們嘗試不同的氧化物材料和摻雜方法來(lái)研究稀磁半導(dǎo)體的本征磁性，但都很難排除磁性原子團(tuán)簇和第二相雜質(zhì)的影響［10］。項(xiàng)目組采用非補(bǔ)償p－n共摻的方法研究了氧化物稀磁半導(dǎo)體，有效克服了磁性原子團(tuán)簇和第二相雜質(zhì)的形成，為制備具有本征鐵磁性的稀磁半導(dǎo)體材料開(kāi)辟了新的途徑。根據(jù)熱力學(xué)理論，由于p－n離子對(duì)之間存在庫(kù)侖引力，這使摻雜離子在宿主半導(dǎo)體中形成能較低，從而有效增加了其在半導(dǎo)體中的熱力學(xué)溶解度和穩(wěn)定性。從動(dòng)力學(xué)角度分析，非平衡生長(zhǎng)時(shí)，p－n對(duì)之間的庫(kù)侖引力有利于摻雜離子越過(guò)形成勢(shì)壘，也有利于其在宿主半導(dǎo)體中從間隙位置進(jìn)入替代位置，從而增加了摻入離子在替代位的濃度?？梢?jiàn)，利用非補(bǔ)償p－n共摻可以增大摻雜離子在宿主半導(dǎo)體中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)溶解度，有效阻止過(guò)渡金屬離子的團(tuán)聚和化合，形成均相稀磁半導(dǎo)體。以ZnO薄膜為例，以Mn為p型摻雜劑，Ga，Cr和Fe為n型摻雜劑對(duì)ZnO進(jìn)行非補(bǔ)償p－n共摻，可以得到均勻單相結(jié)構(gòu)的本征ZnO稀磁半導(dǎo)體。圖1（a）為Mn／Ga共摻ZnO薄膜的高分辨透射電鏡圖，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何團(tuán)簇和第二相雜質(zhì)。由于摻雜均勻性和替代位離子濃度的提高使其鐵磁性得到明顯加強(qiáng)，如圖1（b）所示［13］。非補(bǔ)償p－n共摻的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)控制摻入p型和n型摻雜劑的摩爾比有效調(diào)控其載流子類(lèi)型和濃度，在實(shí)現(xiàn)局域自旋的同時(shí)調(diào)節(jié)載流子濃度。所以，非補(bǔ)償p－n共摻的方法既可以降低體系能量，增加過(guò)渡金屬元素的摻雜濃度，實(shí)現(xiàn)氧化物稀磁半導(dǎo)體的本征鐵磁性，同時(shí)還可以調(diào)控體系的載流子濃度和磁性大小。
2氧化物稀磁半導(dǎo)體中缺陷和載流子對(duì)磁性的貢獻(xiàn)
自從2000年Dietl等預(yù)言ZnO基稀磁半導(dǎo)體的TC可以達(dá)到室溫以來(lái)，人們已經(jīng)通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)方法在過(guò)渡金屬摻雜的氧化物稀磁半導(dǎo)體中實(shí)現(xiàn)了TC高于室溫的鐵磁性。然而，對(duì)于稀磁半導(dǎo)體的鐵磁性來(lái)源一直沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，存在較多的理論解釋?zhuān)热巛d流子誘導(dǎo)磁性理論、束縛磁極子理論［以及電荷轉(zhuǎn)移鐵磁性理論［17］等。在這些氧化物稀磁半導(dǎo)體磁性來(lái)源的理論解釋中，都分別涉及到材料的載流子濃度和缺陷。項(xiàng)目組在結(jié)合氧化物稀磁半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建雙磁極子模型，計(jì)算了兩個(gè)束縛磁極子間隔距離不同時(shí)的鐵磁穩(wěn)定化能，如圖2所示。氧空位缺陷是形成局域束縛磁極子必不可少的，而載流子則扮演著雙重作用，既能增強(qiáng)束縛磁極子的穩(wěn)定性，又能調(diào)控磁極子間產(chǎn)生長(zhǎng)程鐵磁相互作用。由此提出了載流子調(diào)控束縛磁極子間產(chǎn)生長(zhǎng)程鐵磁性的模型，這個(gè)模型綜合了載流子誘導(dǎo)和束縛磁極子模型的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)進(jìn)一步闡明氧化物稀磁半導(dǎo)體中磁性產(chǎn)生機(jī)制有一定貢獻(xiàn)。
3氧化物稀磁半導(dǎo)體的應(yīng)用
自從發(fā)現(xiàn)具有室溫鐵磁性的氧化物稀磁半導(dǎo)體以來(lái)，人們并沒(méi)有僅停留在新材料的探索和磁性機(jī)制的理解上，還初步設(shè)計(jì)了氧化物稀磁半導(dǎo)體的器件模型，以促進(jìn)其在自旋電子器件上的應(yīng)用。隧道結(jié)是研究電子自旋極化、注入與輸運(yùn)的理想模型，同時(shí)也可以在磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器、磁性傳感器及邏輯器等器件上廣泛應(yīng)用。人們已經(jīng)在氧化物稀磁半導(dǎo)體基隧道結(jié)中實(shí)現(xiàn)了較大的低溫磁電阻效應(yīng)，并且通過(guò)優(yōu)化稀磁半導(dǎo)體／勢(shì)壘層界面以及提高勢(shì)壘層結(jié)晶質(zhì)量，使隧道磁電阻效應(yīng)一直保持到室溫，實(shí)現(xiàn)了室溫下電子自旋注入。但由于非彈性隧穿電導(dǎo)的增強(qiáng)，室溫時(shí)有效自旋注入效率非常低。項(xiàng)目組在氧化物稀磁半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)和理論研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制備出一種特殊“金屬磁性納米粒子核”與“稀磁半導(dǎo)體殼”的核殼結(jié)構(gòu)，這種核殼結(jié)構(gòu)彌散在半導(dǎo)體基質(zhì)中形成一種復(fù)合薄膜，如圖3（a）所示。在這種復(fù)合薄膜中獲得高達(dá)12．3％的室溫磁電阻率和37．5％的電子自旋極化率，在室溫下實(shí)現(xiàn)了有效的自旋注入和探測(cè)，如此大的室溫磁電阻效應(yīng)可能與薄膜中“稀磁半導(dǎo)體殼”的自旋過(guò)濾效應(yīng)有關(guān)。這不僅為研究金屬／半導(dǎo)體界面自旋注入指出了新的途徑，而且為新一代室溫半導(dǎo)體自旋器件的實(shí)現(xiàn)提供了可能［23，24］。與此同時(shí)，在這種復(fù)合結(jié)構(gòu)中還可以通過(guò)改變薄膜的電阻率調(diào)節(jié)其室溫磁電阻率，實(shí)現(xiàn)自旋注入效率的宏觀調(diào)控，并且制備出的一種具有大室溫磁電阻率和高透光率的復(fù)合超薄磁性金屬／半導(dǎo)體復(fù)合薄膜有望在透明自旋電子器件中得到應(yīng)用。
4小結(jié)
1.SnO2的晶體結(jié)構(gòu)
SnO2晶體屬于四方晶系點(diǎn)群，是一種極性半導(dǎo)體，具有金紅石結(jié)構(gòu)。金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2晶胞為體心正交平行六面體。每個(gè)晶胞中包含有兩個(gè)Sn原子，分別位于2a （0， 0， 0） 和 （1/2， 1/2， 1/2）位置；四個(gè)位于4f ±（u， u， 0； u + 1/2， 1/2 ？ u， 1/2）， 且 u = 0.30561位置的O原子。每個(gè)Sn原子是由六個(gè)組成近似的八面體O原子包圍，并且組成矩形基底面的4個(gè)O原子離Sn原子的距離（2.06A °）要比位于頂點(diǎn)的2個(gè)O原子距離（2.05A °）稍微長(zhǎng)些，而每個(gè)O原子是由三個(gè)構(gòu)成等邊三角形的Sn原子包圍，形成6：3配位結(jié)構(gòu)。其晶格常數(shù)為 a=b=4.7374A°，c=3.1864A°且c/a=0.672 。
2. SnO2薄膜的材料特性
SnO2是一種寬禁帶直接半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為3.6eV，屬n型氧化物半導(dǎo)體。當(dāng)沉積溫度為300-500°C時(shí)，SnO2薄膜的電阻可達(dá)35-40Ω/，可見(jiàn)光透過(guò)率高達(dá)90%，且薄膜的電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)與結(jié)晶情況和結(jié)構(gòu)有密切的聯(lián)系。膜的結(jié)晶性越高，其導(dǎo)電率越強(qiáng)，隨著晶體的細(xì)化，其透過(guò)率也會(huì)顯著的提高。SnO2薄膜還具有較穩(wěn)定的化學(xué)特性和較強(qiáng)的耐腐蝕特性，只能被鹽酸與鋅反應(yīng)生成的初態(tài)氫所腐蝕且通過(guò)化學(xué)鍵與玻璃或者陶瓷基底結(jié)合有很強(qiáng)的附著力（200kgfcm-2）。
3. SnO2薄膜的氣敏傳感特性
氣敏傳感器的工作原理是指被檢測(cè)氣體與傳感器的表面發(fā)生物理吸附或者化學(xué)吸附，引起表面某種性質(zhì)的變化（如：電阻、電導(dǎo)、電壓、阻抗等） ，然后將這種變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過(guò)對(duì)電信號(hào)的分析，即可以得到有關(guān)氣體濃度、組分等的信息。當(dāng)某種有毒氣體的濃度超過(guò)一定值時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，安全可靠。SnO2薄膜是目前應(yīng)用最廣泛的一種氣敏材料，它具有n 型半導(dǎo)體特征。具有如下特性：（1）物理、化學(xué)穩(wěn)定性好，耐腐蝕性強(qiáng)；（2）可靠性較高，機(jī)械性能良好；（3）電阻隨濃度變化一般呈拋物線(xiàn)變化趨勢(shì) ；（4）對(duì)氣體檢測(cè)是可逆的，吸附、脫附時(shí)間短，可連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間使用；（5）節(jié)省能耗；（6）禁帶寬度雖較寬，但施主能級(jí)是適度淺能級(jí)，容易獲得適宜的電學(xué)特性；（7）費(fèi)用較低。 因此以SnO2 為主體材料制備的氣體傳感器，在金屬氧化物半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器中處于中心地位。
4.SnO2薄膜的發(fā)光特性
透明導(dǎo)電薄膜要求材料既具有較高的導(dǎo)電性，又具有對(duì)可見(jiàn)光有好的透過(guò)性和對(duì)紅外光有強(qiáng)的反射性。透明導(dǎo)電薄膜材料主要分為金屬膜和氧化物半導(dǎo)體膜兩大類(lèi)。由于金屬膜中存在著大量的自由電子，所以當(dāng)金屬薄膜很薄時(shí)仍然具有很好的導(dǎo)電性，但是當(dāng)其厚度小于20nm時(shí)，薄膜對(duì)光的透射性和反射性都比較小，常見(jiàn)的金屬透明導(dǎo)電薄膜有：金、銀、鋁等。而氧化物半導(dǎo)體薄膜是近年來(lái)發(fā)展應(yīng)用最多的材料，它要求半導(dǎo)體的禁帶寬度為3ev以上，且可以通過(guò)摻雜獲得高載流子濃度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電率。目前應(yīng)用最廣的透明導(dǎo)電薄膜為SnO2 薄膜材料，SnO2薄膜屬于寬禁帶半導(dǎo)體，禁帶寬度為3.6eV，理論上為典型的絕緣體。但是由于存在氧空位或者間隙Sn原子，在禁帶內(nèi)形成ED=0.15ev的施主能級(jí)從而表現(xiàn)為n型半導(dǎo)體；此外它還具有較高的可見(jiàn)光透過(guò)率和紅外反射率、較穩(wěn)定的化學(xué)特性和優(yōu)良的膜強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛的應(yīng)用于透明電極，液晶顯示器及光電子器件等領(lǐng)域。
SnO2的直接帶隙約為3.6-4.3eV左右，大于可見(jiàn)光光子的能量（3.1eV），故在可見(jiàn)光照射下不能引起SnO2本征激發(fā)，所以它在可見(jiàn)光區(qū)是透明的，SnO2薄膜在可見(jiàn)光區(qū)的透過(guò)率高達(dá)90%以上；同時(shí)，由于其高載流子濃度，SnO2在紅外光處（等離子邊約為3.2μm）具有較強(qiáng)的反射率；因此，利用其在可見(jiàn)光處高透過(guò)率和紅外光處高反射率的性質(zhì)，可以廣泛用于光伏器件、顯示器器件、發(fā)光器件等領(lǐng)域。而對(duì)于高載流子濃度的SnO2薄膜，尤其是摻雜薄膜，其直接帶隙會(huì)隨載流子濃度的增大而變大，在SnO2薄膜中載流子存在Moss-Burstein移動(dòng)。
Moss-Burstein移動(dòng)是由泡利不相容原理引起的。在摻雜材料中，由于費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶，從而使導(dǎo)帶底或者價(jià)帶頂?shù)哪芰恳呀?jīng)被占據(jù)，最后造成薄膜光學(xué)帶隙展寬。通常情況下，SnO2是一種很好的摻雜基質(zhì)，有較寬的禁帶寬度和較高的激子束縛能，能夠激發(fā)其摻雜物質(zhì)發(fā)光。
5.SnO2薄膜的電學(xué)特性
SnO2薄膜屬于寬禁帶n型半導(dǎo)體材料。價(jià)帶最高點(diǎn)位于布里淵區(qū)г3，導(dǎo)帶最低點(diǎn)位于布里淵區(qū)г點(diǎn)，為典型的直接帶隙半導(dǎo)體材料。由于其帶隙較寬，所以在理想情況下電子很難從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，表現(xiàn)為高阻材料。但是由于在制備薄膜材料過(guò)程中，SnO2薄膜不可能為完全純的化學(xué)計(jì)量比金紅石結(jié)構(gòu)，其中存在一些化學(xué)計(jì)量比偏差，即在晶格內(nèi)存在間隙Sn4+和O空位，而O空位在SnO2禁帶中可以形成距導(dǎo)帶底分別為0.03eV、0.15eV的兩個(gè)施主能級(jí)，從而表現(xiàn)為n型半導(dǎo)體。
在SnO2晶格中，我們采用緊束縛近似確立了一系列非過(guò)渡金屬金紅石結(jié)構(gòu)的氧化物參數(shù)，Sn原子和O原子分別屬于Ⅳ、Ⅵ族元素，外層電子結(jié)構(gòu)分別為5s25p2和2s22p4。導(dǎo)帶主要由Sn 5s和Sn 5p態(tài)組成，并伴有少量的O 2p態(tài)。-17eV能級(jí)主要是由O 2s態(tài)組成，并有少量的Sn 5s和Sn 5p態(tài)構(gòu)成；-9eV～-5eV是由于Sn 5s與O 2p態(tài)軌道耦合而成；而-5eV～-2eV是由O 2p態(tài)和一小部分Sn 5p軌道耦合而成；-2eV～0eV是由O 2p態(tài)孤立電子構(gòu)成，它對(duì)化學(xué)鍵結(jié)合的作用很小，與其他軌道耦合作用也較弱；而價(jià)帶是Sn 5s和Sn 5p以及O 2p的混合態(tài)。
一、汽車(chē)電子領(lǐng)域的半導(dǎo)體技術(shù)
大部分的汽車(chē)電子產(chǎn)品都具有ECU，并且以其為核心，處理傳感器等的輸入信息，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等的驅(qū)動(dòng)器，并以車(chē)內(nèi)LAN網(wǎng)絡(luò)(Local AreaNetwork)實(shí)施Ecu彼此之間的通信。Ecu配備有通信電路，以當(dāng)作維持與傳感器、處理開(kāi)關(guān)輸入的輸入處理回路、AD(模擬與數(shù)字)變換回路、微控制器、電源、輸出處理回路、電源部件以及其他ECU的通信手段，而組成的零件幾乎都是半導(dǎo)體。圖1為ECU方塊圖。
汽車(chē)對(duì)環(huán)境性能、安全性與舒適性的要求越來(lái)越高，為了實(shí)現(xiàn)這些要求，未來(lái)汽車(chē)電子的搭載數(shù)量將會(huì)越來(lái)越多。最近在車(chē)載傳感器方面，出現(xiàn)了使用MEMS技術(shù)的壓力傳感器以及加速度傳感器等各種傳感器，另外信號(hào)處理以及輸出處理回路等也都使用了半導(dǎo)體。此外，在驅(qū)動(dòng)器方面，比如搭載信號(hào)處理、輸出處理回路、負(fù)荷驅(qū)動(dòng)回路等的智能型驅(qū)動(dòng)器也正式實(shí)用化。
二、車(chē)用半導(dǎo)體必備的特征
汽車(chē)使用地點(diǎn)五花八門(mén)，包括熱帶、沙漠、寒冷地區(qū)等，必須具有可以抗溫度、濕度、水、鹽害、耐震的性能，使用的環(huán)境十分嚴(yán)酷。因?yàn)橐嬖谑覂?nèi)有些地方最高溫度會(huì)達(dá)到1 50℃，而最低溫度可能降至零下40℃，ECU必須在這些狀況下仍然可以動(dòng)作。此外，直接搭載在引擎上的ECU必須對(duì)抗30G的震動(dòng)。因此，須具有可以對(duì)抗電壓變動(dòng)、突波電壓(瞬間流入電路的大型電壓)、EMG(Electro MagneticCompatibility)等電氣外部干擾的性能。
如圖2所示，使用穩(wěn)壓積納二極管保護(hù)ECU的半導(dǎo)體，以免因?yàn)樨?fù)載突降等引發(fā)的高電壓造成損害，即便如此，還仍是會(huì)施加35V的電壓。也有可能會(huì)因?yàn)殪o電現(xiàn)象而施加突波電壓。
智能型驅(qū)動(dòng)器使用的半導(dǎo)體如圖3所示，可以使用芯片電容器降低靜電突波。此外，有些安裝地點(diǎn)會(huì)讓半導(dǎo)體暴露在高溫下。
半導(dǎo)體的基本特性，如同表1所示會(huì)受到溫度的影響。如果是高溫環(huán)境，PN接合的順?lè)较螂妷合陆?，逆方向漏電流則增加。溫度若是高溫，二極半導(dǎo)體的電流增幅率以及MOSFET的臨界值也會(huì)增加。使用時(shí)必須考慮這些溫度帶來(lái)的影響。
汽車(chē)使用的半導(dǎo)體必須具有以下特征。
1.不會(huì)老化，可長(zhǎng)時(shí)間使用。
2.體積小，使用容易。
3.可以復(fù)合其他不同功能的部件。
4.高精度。
5.抗噪音性。
6.驅(qū)動(dòng)使用的能源少。
7.具有自我診斷功能。
8.成本低。
車(chē)用半導(dǎo)體采用了各種不同的控制系統(tǒng)。在ECU以及智能型驅(qū)動(dòng)器中，使用了混載數(shù)字回路、模擬回路以及負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)合IC、微控制器以及分離式部件等。汽車(chē)傳感器則針對(duì)行駛、轉(zhuǎn)彎、停止、安全、舒適、環(huán)境、信息、通信的用途，搭載了可以偵測(cè)溫度、壓力、加速度、位置、角度、回轉(zhuǎn)、流量等的傳感器，并透過(guò)使用硅材料的MEMS技術(shù)極度縮小體積。
關(guān)鍵詞：光纖；半導(dǎo)體激光器；耦合方式
0 引言
半導(dǎo)體激光器自1962年問(wèn)世以來(lái)發(fā)生了極大地變化，有力的推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。半導(dǎo)體激光器具有光電轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、耗電少且價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于廣泛使用于光纖通信、激光測(cè)距、激光打印、激光掃描、激光指示器以及航空航天等重要領(lǐng)域。對(duì)于半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō)，受自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響和制約，進(jìn)而在一定程度上降低了半導(dǎo)體激光器的出射光束的質(zhì)量，不僅在垂直和平行于PN結(jié)兩個(gè)方向上的光束不對(duì)稱(chēng)，而且存在有很大的發(fā)散角，另外，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源要求比較高，進(jìn)一步增加了實(shí)際應(yīng)用的難度。對(duì)于半導(dǎo)體激光器來(lái)說(shuō)，光纖和半導(dǎo)體激光器的耦合技術(shù)能夠?qū)ζ涔馐M(jìn)行整形、準(zhǔn)直、變換，同時(shí)能夠耦合到光纖中，這樣就可以輸出對(duì)稱(chēng)并且亮度較高的光束。
1 光纖與半導(dǎo)體激光器的耦合方式
通常情況下，光纖與半導(dǎo)體激光器的耦合方式可以分為：（1）光纖與激光器不經(jīng)過(guò)任何系統(tǒng)進(jìn)行直接耦合。（2）將透鏡、棱鏡等光學(xué)零件插入激光器和光纖之間的方法，即分離透鏡耦合法。在光纖與半導(dǎo)體激光器進(jìn)行耦合的過(guò)程中，無(wú)論哪種方法，其耦合的目的都是對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出的光場(chǎng)進(jìn)行整形，進(jìn)而在一定程度上使得入射光場(chǎng)與光纖本征光場(chǎng)分布實(shí)現(xiàn)最大限度的匹配。
1.1 分離透鏡耦合
在耦合系統(tǒng)內(nèi)部，各光學(xué)零件之間與光纖以及耦合系統(tǒng)都是相互分立的，在這種情況下，對(duì)于半導(dǎo)體激光器、耦合系統(tǒng)和光纖之間的共軸準(zhǔn)直性要求比較好。在封裝的過(guò)程中，采用一些加工精度較高的支承件固定各光學(xué)零件，在一定程度上確保較好的準(zhǔn)直性，但是這樣做法增加了成本，并且尺寸比較大。在系統(tǒng)中，一般將光學(xué)零件的尺寸控制在毫米量級(jí)，進(jìn)一步減小其體積，這在無(wú)形中增加了加工的難度，同時(shí)成本比較高。但是，這類(lèi)耦合系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)精確設(shè)計(jì)和加工可以最大限度地改善光束非圓對(duì)稱(chēng)性、消除像差影響、減少反射損耗，從而實(shí)現(xiàn)高效率耦合。下面分別對(duì)分離透鏡耦合系統(tǒng)進(jìn)行介紹。
（1）單球透鏡耦合
這種耦合系統(tǒng)通常是由單個(gè)球透鏡構(gòu)成，與其他透鏡相比，由于球透鏡本身的圓對(duì)稱(chēng)性，進(jìn)而使得裝配異常簡(jiǎn)單。對(duì)于單個(gè)球透鏡來(lái)說(shuō)，由于其焦距與球差成正比，進(jìn)而在一定程度上可以通過(guò)減小球差的方式，進(jìn)一步提高耦合效率，同時(shí)這也是該耦合方法的關(guān)鍵所在。為了進(jìn)一步消除球差的影響，在這種耦合系統(tǒng)中，對(duì)球透鏡要求比較高，主要表現(xiàn)為折射率高、焦距短等。對(duì)于這種耦合方式來(lái)說(shuō)，激光器與透鏡之間的距離，以及光纖與透鏡之間的距離決定了耦合的效率。
（2）利用自聚焦透鏡
通常情況下，自聚焦透鏡是在圓柱狀玻璃基棒內(nèi)，借助離子交換技術(shù)產(chǎn)生徑向的折射率制成的，這種耦合系統(tǒng)通過(guò)折射率的漸變分布進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)聚光能力，并且透鏡長(zhǎng)度決定焦距。對(duì)于平端自聚焦透鏡來(lái)說(shuō)，由于球差較為嚴(yán)重，進(jìn)而使得聚光斑較大，通常情況下，可以將前端研磨成球面，進(jìn)而在一定程度上對(duì)透鏡的球差進(jìn)行補(bǔ)償，耦合損耗一般可以降為1 db。對(duì)于自聚焦透鏡來(lái)說(shuō)，其外形尺寸比較小，孔徑比較大，損耗比較低，但是，需要精密測(cè)量和復(fù)雜計(jì)算，才能進(jìn)一步優(yōu)化透鏡的折射率分布，并且在加工透鏡的過(guò)程中，需要精密研磨曲率球面，進(jìn)一步增加了制作難度和成本。
（3）利用組合透鏡
在許多光纖耦合系統(tǒng)中，為了進(jìn)一步提高耦合效率，通常情況下，利用球透鏡、柱透鏡、自聚焦透鏡，以及錐形光纖等進(jìn)行相互組合。通過(guò)透鏡組合可以大幅度提高耦合效率，一般超過(guò)75%。但是，在裝配過(guò)程中，需要借助專(zhuān)用精密夾具進(jìn)行精密的調(diào)整，進(jìn)而在一定程度上增加了工作的難度，同時(shí)在封裝階段要求也比較高。
1.2 光纖直接耦合
對(duì)于光纖直接耦合來(lái)說(shuō)，通常情況下，主要包括平端光纖直接耦合和對(duì)光纖進(jìn)行加工耦合兩種，例如在光纖的端面制造球形、錐形等。這種耦合系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為靈活方便，加工制作簡(jiǎn)單，并且易于集成封裝，憑借該優(yōu)勢(shì)，光纖直接耦合系統(tǒng)得到廣泛運(yùn)用。
（一）平端光纖直接耦合
所謂平端光纖直接耦合就是將經(jīng)過(guò)處理的端面平頭光纖直接對(duì)向半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面。通常情況下，光源的發(fā)光面積和光纖芯徑總面積的匹配，以及光源發(fā)散角和光纖數(shù)值孔徑角的匹配等是影響耦合效率的主要因素。對(duì)于半導(dǎo)體激光器和光纖來(lái)說(shuō)，由于彼此之間的模失配現(xiàn)象比較嚴(yán)重，所以采用平端光纖的方式進(jìn)行直接耦合，但是這種耦合方式損耗比較大，并且耦合效率低。
（二）球形端面光纖直接耦合
通常情況下，通過(guò)多種方式都可以獲得球形光纖端面，比較典型的如：（1）在光纖端面上制造一個(gè)樹(shù)脂的半球透鏡，這種方案比較簡(jiǎn)單；（2）在光纖的端面燒制特殊形狀的端球，一般可以采用電弧、氣體火焰或者大功率激光器充當(dāng)燒制的熱源，這種方案比較實(shí)用。在熱源的作用下，光纖端面熔化后經(jīng)過(guò)自然冷卻，在表面張力的作用下，進(jìn)而在一定程度上就會(huì)形成各種不同弧度的圓球形端面，并且熱源的溫度、光纖與熱源之間的距離等因素決定著圓球的曲率半徑。在耦合過(guò)程中，采用球形光纖端面一方面可以提高半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合效率，另一方面可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)光路進(jìn)行調(diào)試。
（三）錐形光纖直接耦合
腐蝕、磨削和加熱是制作錐形光纖主要方法。其中，腐蝕、磨削是通過(guò)將光纖包層制成錐體，進(jìn)而使芯徑保持不變，而加熱是通過(guò)電弧放電或者熔融拉錐機(jī)的方式進(jìn)行加熱，進(jìn)而在一定程度上使纖芯與包層一起成比例地拉伸，進(jìn)一步形成一定長(zhǎng)度和錐度的錐體。通常情況下，利用這兩種方法得到的錐形光纖系統(tǒng)，其特性存在一定的差異。而通過(guò)加熱方式制造的錐形光纖，其芯層同樣是錐形結(jié)構(gòu)，但是這種結(jié)構(gòu)的耦合效率比較高，同時(shí)通過(guò)增大錐角可以獲得更大的耦合效率，并且最佳工作距離也隨之不斷減小。
（四）錐端球面透鏡直接耦合
錐端球面微透鏡在目前所有的耦合方法中應(yīng)用范圍最廣。其制作流程為：首先將光纖端部制成錐形，進(jìn)而在一定程度上減小端面半徑，然后在錐端形成微透鏡。通常情況下，形成微透鏡的方法，主要包括：（1）直接電弧拋光、整形；（2）對(duì)錐端進(jìn)行處理，然后將其浸入到熔融高折射率玻璃中，同時(shí)對(duì)浸入的深度、時(shí)間等進(jìn)行控制，進(jìn)而得到不同大小、不同形狀的錐端高折射率微透鏡。
2 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器與光纖耦合的方法進(jìn)行研究、分析。其中，憑借自身結(jié)構(gòu)緊湊、制作簡(jiǎn)單、成本低廉，并且耦合效率高的優(yōu)勢(shì)，光纖微透鏡直接耦合技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。但是，這種耦合技術(shù)存在偏移容差最小、難于調(diào)整、缺乏穩(wěn)定性等弊端，并且在手工制作時(shí)，重復(fù)性比較差。除此之外，隨著集成光學(xué)、二元光學(xué)的不斷發(fā)展，使得獲得成本較低，同時(shí)能夠消球差特性良好的微透鏡成為可能。同時(shí)，通過(guò)對(duì)LD本身的結(jié)構(gòu)、工藝等進(jìn)行改進(jìn)，在一定程度上對(duì)其光束特性進(jìn)行改善，進(jìn)一步降低耦合損耗，進(jìn)而豐富完善了光纖和半導(dǎo)體激光器的耦合方法。
參考文獻(xiàn)：
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摘要：簡(jiǎn)要說(shuō)明了非晶硅、多晶硅和有機(jī)半導(dǎo)體用作薄膜晶體管溝道層的不足，從電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)和制備溫度等幾方面介紹了氧化物薄膜晶體管在有源陣列驅(qū)動(dòng)顯示技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)，并介紹了氧化物溝道層制備工藝的優(yōu)化和摻雜方法。最后，展望了氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：平板顯示技術(shù)；氧化物； 薄膜晶體管
中圖分類(lèi)號(hào)：TN304.055文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Research Progress On Oxide based Thin Film Transistors
ZHANG Xin-an1,2ZHANG Jing-wen1 ZHANG Wei-feng2HOU Xun1,2
(1. Key Laboratory of photonics technology for information, Shanxi province,
Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049 ,China;2. School of Physics
and Electronics, Henan University, Kaifeng 475001,China)
Abstract: We reviewed the defects of amorphous silicon, polycrystalline silicon and organic semiconductors as the active channel layer of thin film transistors. The benefits of oxide based thin film transistor in active matrix display were introduced from electical,optial and fabrication temperature aspect. Then, we reviewed the optimize and doping of oxide channel layer. At the last, we prospected the utilization of oxide based TFTs and the problems existent.
Keywords: flat panel display; oxide; thin film transistor
引言
隨著信息時(shí)代的到來(lái)，顯示器件正加速向平板化、節(jié)能化的方向發(fā)展，其中以薄膜晶體管（TFT）為開(kāi)關(guān)元件的有源陣列驅(qū)動(dòng)顯示器件成為眾多平板顯示技術(shù)中的佼佼者。TFT是一種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體器件，包括襯底、半導(dǎo)體溝道層、絕緣層、柵極和源漏電極等幾個(gè)重要組成部分，其中半導(dǎo)體溝道層對(duì)器件性能和制造工藝有至關(guān)重要的影響[1]。在近十幾年時(shí)間，以硅材料（非晶硅和多晶硅）TFT為驅(qū)動(dòng)單元的液晶顯示器件以其體積小、重量輕、品質(zhì)高等優(yōu)點(diǎn)獲得了迅速發(fā)展，并成為主流的信息顯示終端。然而，非晶硅存在場(chǎng)效應(yīng)遷移率低、光敏性強(qiáng)以及材料不透明等缺點(diǎn)，而多晶硅TFT大面積制作工藝復(fù)雜、低溫工藝難以實(shí)現(xiàn)[2]。平板顯示器的發(fā)展重新聚焦在尋求新材料、制作高遷移率的TFT、提高性能、降低成本以滿(mǎn)足技術(shù)發(fā)展的軌道上來(lái)。目前，研究比較熱門(mén)的是以并五苯等有機(jī)半導(dǎo)體材料為溝道層的有機(jī)薄膜晶體管（OTFT）和以ZnO為代表的寬帶隙氧化物半導(dǎo)體為溝道層的TFT。OTFT具有加工溫度低、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、成本大幅度降低等優(yōu)點(diǎn)，這些特點(diǎn)符合社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的趨勢(shì)。但是，目前報(bào)道的OTFT的遷移率較低（一般在1 cm2/V?s），仍停留在非晶硅TFT的水平，另外一個(gè)致命缺點(diǎn)就是OTFT的壽命低，存在嚴(yán)重的老化問(wèn)題[3]。2003年美國(guó)科學(xué)家Hoffman等[4]報(bào)道了以ZnO為溝道層的全透明TFT并指出可以將其應(yīng)用在有源矩陣驅(qū)動(dòng)顯示中，引起了人們的廣泛關(guān)注。
1氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的優(yōu)勢(shì)
氧化物半導(dǎo)體薄膜種類(lèi)很多，一般具有離子鍵強(qiáng)、熔點(diǎn)較高、無(wú)色透明和較大的禁帶寬度（Eg>3 eV）等特點(diǎn)?；瘜W(xué)計(jì)量比的偏離和點(diǎn)缺陷所引起的附加能級(jí)對(duì)其電學(xué)性質(zhì)有很大影響，因此也可通過(guò)調(diào)節(jié)制備工藝或摻雜來(lái)控制其電學(xué)性能。多年來(lái)，氧化物半導(dǎo)體薄膜作為一種傳統(tǒng)的功能半導(dǎo)體材料，在氣敏傳感、濕敏傳感、透明導(dǎo)電薄膜等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。最近，日本和韓國(guó)許多課題組嘗試用該類(lèi)材料作為T(mén)FT的溝道層，以期在有源陣列驅(qū)動(dòng)顯示技術(shù)中有出色的表現(xiàn)，包括ZnO [5]，MgZnO [6]，Zn-Sn-O (ZTO)[7]，In-Zn-O(IZO)[8], SnO2[9], Ga2O3[10], In-Ga-O (IGO) [11], In2O3 [12], In-Sn-O (ITO)[13]和In-Ga-Zn-O[14]等多種薄膜，如表1所示。采用上述材料作為T(mén)FT的溝道層有以下優(yōu)勢(shì)：
表1 幾種氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管的光電性質(zhì)
1.1良好的電學(xué)性能
氧化物半導(dǎo)體TFT有較高的遷移率和較大的電流開(kāi)關(guān)比，能夠提高顯示器的響應(yīng)速度，滿(mǎn)足高清晰、大容量終端顯示的要求，這對(duì)于需要電流驅(qū)動(dòng)的有機(jī)電致發(fā)光顯示更有重要意義。Carcia等[15]報(bào)道了制備在重?fù)诫s硅襯底上的底柵式ZnO-TFT，其中以原子層沉積法制備的HfO2薄膜為絕緣層，射頻磁控濺射法制備的ZnO薄膜為溝道層，其轉(zhuǎn)移特性和輸出特性如圖1所示。該器件工作在N溝道增強(qiáng)模式，有很好的飽和特性和夾斷效應(yīng)，表明ZnO溝道層中的電子被柵壓有效控制。進(jìn)一步計(jì)算得到其閾值電壓為2.55 V，電流開(kāi)關(guān)比為106，電子遷移率達(dá)到12.2 cm2/V?s。氧化物薄膜多為寬禁帶半導(dǎo)體材料，可以避免可見(jiàn)光照射對(duì)器件電學(xué)性能的影響，簡(jiǎn)化制備工藝，降低成本。
圖1 ZnO-TFT的電學(xué)性質(zhì)
1.2高透過(guò)率
氧化物薄膜在可見(jiàn)光范圍有很高的透過(guò)率，結(jié)合透明的襯底、絕緣層和電極材料可以制備全透明薄膜晶體管（TTFT），如將其用在有源陣列驅(qū)動(dòng)液晶顯示中，可以提高液晶顯示器的開(kāi)口率，使顯示器屏幕更清晰明亮并降低能耗。甚至可以和有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）結(jié)合實(shí)現(xiàn)全透明電子顯示器。Cheng等[16]報(bào)道了用化學(xué)溶液法制備的全透明ZnO-TFT陣列，其中ZnO-TFT采用頂柵式結(jié)構(gòu)，氮化硅為絕緣層，ITO薄膜為源、漏、柵電極，導(dǎo)電溝道寬長(zhǎng)分別為W=500μm、L=10μm。圖2是該ZnO-TFT在200 ~1,200 nm范圍的透過(guò)率，整個(gè)器件在可見(jiàn)光范圍的最高透過(guò)率達(dá)到85％，電學(xué)測(cè)試得到電子的遷移率為0.67 cm2/V?s，電流開(kāi)關(guān)比為107左右。隨著薄膜制備工藝的不斷提高，近幾年已有很多P型透明氧化物薄膜的報(bào)道，并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了P溝道的透明氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管[17]，從而為實(shí)現(xiàn)全透明的集成電子線(xiàn)路打下基礎(chǔ)，將來(lái)可以利用氧化物半導(dǎo)體 CMOS電路制作顯示陣列的驅(qū)動(dòng)電路,解決高密度引線(xiàn)困難等問(wèn)題，提高顯示器的可靠性和穩(wěn)定性。
圖2 透明ZnO-TFT陣列的透過(guò)率及實(shí)物圖
1.3低溫制備工藝
一般氧化物半導(dǎo)體薄膜的生長(zhǎng)溫度低，對(duì)襯底要求不高。襯底可以選擇廉價(jià)的玻璃或者柔韌性塑料等，這些都可以降低顯示器的成本，并為便攜式柔性顯示器件開(kāi)辟新的途徑。Carcia等[18]在PET塑料襯底上制備了TFT陣列，其中磁控濺射生長(zhǎng)的ZnO薄膜為溝道層，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)制備的SiN薄膜為絕緣層，熱蒸鍍的金屬鋁膜作為源漏電極。盡管整個(gè)制備過(guò)程在室溫條件下完成，該器件有很好的電學(xué)性能，其閾值電壓、電流開(kāi)關(guān)比和電子遷移率分別為0.1 V、105和3.4 cm2/V?s，圖3是單個(gè)器件的結(jié)構(gòu)示意圖和ZnO-TFT陣列的實(shí)物圖。
（a）單個(gè)ZnO-TFT結(jié)構(gòu)示意圖 （b）ZnO-TFT陣列實(shí)物圖
圖3 PET襯底上制備的ZnO-TFT陣列
2溝道層薄膜制備工藝的優(yōu)化和摻雜
在氧化物半導(dǎo)體薄膜晶體管中，對(duì)ZnO溝道層的研究最為廣泛。一般對(duì)溝道層材料的要求是在較低溫度下，獲得低本征載流子濃度、高遷移率、高透過(guò)率的溝道層薄膜。研究表明不同的制備技術(shù)和工藝對(duì)ZnO薄膜的電學(xué)性質(zhì)影響很大。目前，用于制備ZnO-TFT的方法主要有磁控濺射法、脈沖激光沉積技術(shù)、溶膠凝膠法等。本征載流子濃度是影響TFT開(kāi)關(guān)特性的一個(gè)重要參數(shù)，即使TFT工作在增強(qiáng)模式，低本征載流子濃度使器件在零伏柵極電壓下的源漏電流很小。相反，高的本征載流子濃度使TFT工作在耗盡模式，增強(qiáng)型晶體管可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)、降低功耗，因而較耗盡型晶體管有很大優(yōu)勢(shì)[19,20]。Fortunato等[21]報(bào)道了在室溫條件下采用磁控濺射方法制備的全透明ZnO-TFT，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)濺射功率大小可以調(diào)節(jié)ZnO薄膜的電阻和透過(guò)率。當(dāng)濺射功率為5 W/cm2時(shí)得到的ZnO薄膜的電阻最高，同時(shí)薄膜的透過(guò)率也達(dá)到最大值，作者認(rèn)為這種條件下生長(zhǎng)的ZnO薄膜具有完整的化學(xué)計(jì)量比，氧空位和鋅間隙等本征缺陷最小，因而有很好的電學(xué)性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上以ATO/ITO/Glass襯底上制備透明ZnO-TFT，其中ATO是原子層沉積交替生長(zhǎng)的Al2O3和TiO2薄膜，作為T(mén)FT的絕緣層，ITO薄膜作為柵極。其閾值電壓為21V，電流開(kāi)關(guān)比為2×105，場(chǎng)效應(yīng)遷移率為20 cm2/Vs，同時(shí)，器件在可見(jiàn)光范圍的透過(guò)率達(dá)到80％，如圖4所示。
圖4 （a）濺射功率對(duì)ZnO光電性質(zhì)的影響
（b）ZnO-TFT的透過(guò)率
除優(yōu)化薄膜制備工藝外，還可以通過(guò)摻雜的方法來(lái)控制ZnO薄膜的本證載流子濃度。我們實(shí)驗(yàn)室采用激光分子束外延法（L-MBE）在氧氣和氨氣氛圍下制備氮摻雜ZnO薄膜作為薄膜晶體管的溝道層，由于氮原子容易在ZnO薄膜中形成淺受主能級(jí)，補(bǔ)償了ZnO薄膜由于本征缺陷所形成的自由電子，使ZnO薄膜呈現(xiàn)較高的本征電阻。在此基礎(chǔ)上，以氮摻雜ZnO薄膜制備了薄膜晶體管，由于溝道層中較低的本征載流子濃度，該器件能夠很好的工作在增強(qiáng)模式,并有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)[22]。同時(shí)發(fā)現(xiàn)氮原子的摻雜對(duì)器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率影響很小，器件的電流開(kāi)關(guān)比、閾值電壓、遷移率分別達(dá)到104、5.15V和2.66cm2 /V?s,其電學(xué)性能如圖5所示。
圖5 氮摻雜ZnO-TFT的電學(xué)性質(zhì)
盡管ZnO-TFT表現(xiàn)出高遷移率、高透過(guò)率等優(yōu)點(diǎn)，但是ZnO薄膜大都是多晶結(jié)構(gòu)的模式生長(zhǎng)。晶粒不均勻性和晶粒間界的存在導(dǎo)致器件工作穩(wěn)定性及大面積制備的一致性變差。最近，非晶態(tài)氧化物半導(dǎo)體薄膜用作TFT的溝道層并取得很大成功。氧化物薄膜中摻入具有（n-1）d10ns0（n≥4）電子結(jié)構(gòu)的重金屬陽(yáng)離子后，就可以組成非晶態(tài)氧化物半導(dǎo)體。由于氧離子的2p軌道小，金屬陽(yáng)離子的ns（n為主量子數(shù)）軌道半徑大，這樣即使在非晶態(tài)情況下，相鄰的金屬陽(yáng)離子ns軌道重疊的幾率也很高，從而有較高的遷移率[23,24]。非晶金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜在具有良好均勻性的前提下，具有制備溫度低、可見(jiàn)光透過(guò)率高、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已有多篇利用非晶Zn-Sn-O、Zn-In-O和InGaZnO作為T(mén)FT溝道層的報(bào)道。Manabu等[25]在PET塑料襯底上制備了80×60的TFT陣列，其中磁控濺射制備的非晶InGaZnO為溝道層，SiON薄膜為絕緣層，每個(gè)像素大小為500 μm×500 μm。 圖5（a）是非晶InGaZnO TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)，計(jì)算得到其電流開(kāi)關(guān)比、閾值電壓、遷移率分別為106、5.8 V和5.1 cm2 /V?s。然后將E-Ink公司利用電泳技術(shù)生產(chǎn)的電子墨水顯示膜碾壓到TFT陣列上，這樣就形成了用非晶氧化物TFT驅(qū)動(dòng)的柔性電子紙張，如圖5（b）所示。上述成果顯示了非晶氧化物TFT在有源陣列顯示技術(shù)中有廣闊的應(yīng)用前景。
圖5 （a）非晶InGaZnO TFT的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)
（b）非晶InGaZnO TFT驅(qū)動(dòng)的柔性顯示器
結(jié)論和展望
總之，最近幾年以氧化物半導(dǎo)體薄膜為溝道層的TFT引起了人們的廣泛關(guān)注，并取得了很大的進(jìn)展，為開(kāi)發(fā)新一代有源驅(qū)動(dòng)顯示器件打下基礎(chǔ)。然而，目前以非晶硅和多晶硅為為主體的有源驅(qū)動(dòng)顯示吸引了大量的投資，發(fā)展十分迅速，新型材料的介入顯得十分困難。而氧化物TFT的研究處于剛起步階段，歷史上也曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)硒化隔（CdSe）、硫化隔（CdS）和碲（Te）等材料的TFT，但是由于材料性質(zhì)的限制沒(méi)有成功市場(chǎng)化，氧化物半導(dǎo)體薄膜目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)致命性的缺點(diǎn)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，氧化物TFT要取代硅基薄膜晶體管還有很長(zhǎng)的路要走，并且必須要在低成本、高性能、高兼容性、容易產(chǎn)業(yè)化等幾個(gè)方面做深入的研究。
參考文獻(xiàn)
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測(cè)量三極管好壞需要根據(jù)三極管的類(lèi)型的特性，利用三極管內(nèi)PN結(jié)的單向?qū)щ娦杂?，用儀器萬(wàn)能表，檢查各極間PN結(jié)的正反向電阻，如果相差較大說(shuō)明管子是好的，如果正反向電阻都大，說(shuō)明管子內(nèi)部有斷路或者PN結(jié)性能不好。
三極管全稱(chēng)應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，是一種控制電流的半導(dǎo)體器件。其作用是把微弱信號(hào)放大成幅度值較大的電信號(hào)，也用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。三極管是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件，三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個(gè)相距很近的PN結(jié)，兩個(gè)PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分。
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【關(guān)鍵詞】Zemax；準(zhǔn)直；非球面
0 引言
半導(dǎo)體激光器因其體積小、重量輕、閾值電流低等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于材料加工、激光通信、信號(hào)處理、醫(yī)療、軍事等相關(guān)領(lǐng)域。但由于半導(dǎo)體激光有源層在橫向和側(cè)向的尺寸不一樣，導(dǎo)致出射光束發(fā)散角較大且不均勻，嚴(yán)重影響了能量的傳播和后續(xù)的測(cè)量過(guò)程。一般常用的激光準(zhǔn)直的方法有圓柱透鏡法、非球面柱鏡法、光纖耦合法、漸變折射率透鏡法和液體透鏡法等。本文主要介紹利用兩片非球面柱透鏡的方法進(jìn)行激光準(zhǔn)直，并在zamax軟件中進(jìn)行仿真，同時(shí)提出一種對(duì)點(diǎn)光源整形為線(xiàn)光源的方法。
1 半導(dǎo)體激光光束特性
半導(dǎo)體激光的發(fā)光原理是基于受激光發(fā)射，滿(mǎn)足粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)和閾值條件，模式可分為空間模和縱模。因?yàn)樵跈M向和側(cè)向的尺寸不一樣，導(dǎo)致的衍射效應(yīng)疊加的結(jié)果也不一樣，最后形成輸出光束為橢圓高斯的光束。本文討論的是小功率半導(dǎo)體激光器，因?yàn)樗陌l(fā)光面尺寸較小，近似用基模高斯分布來(lái)分析，輸出光束的光強(qiáng)分布可用下面的公式給出：
2 非球面準(zhǔn)直透鏡組設(shè)計(jì)
2.1 非球面方程介紹
Z（r）為非球面的凹陷度；r為非球面的孔徑半徑，r2=x2+y2（若只考慮YOZ平面的話(huà)，x可以為零）；c為曲率半徑的倒數(shù)；k為圓錐系數(shù)。
2.2 非球面方程參數(shù)確定
橫向在光學(xué)設(shè)計(jì)中也可以理解為子午方向上，即YOZ平面，如下圖所示。
在準(zhǔn)直設(shè)計(jì)中會(huì)給出目標(biāo)光斑大小y以及透鏡折射率n，這樣？琢■、y、n已知，計(jì)算得到，再代入式（6）～（8）中求出橫向非球面透鏡的參數(shù)。側(cè)向的柱透鏡的非球面方程系數(shù)可通過(guò)上面過(guò)程同樣可以得到。
3 軟件仿真與整形系統(tǒng)介紹
3.1 參數(shù)計(jì)算
3.2 zemax仿真及結(jié)果對(duì)比
在非序列模式下對(duì)光源建?？梢杂密浖锩孀詭У腟ource Diode，然后設(shè)置它的子午方向和弧矢方向的發(fā)散角，兩個(gè)柱透鏡的建?？梢允褂密浖锩婕傻腂iconic Lens，然后根據(jù)本章計(jì)算得到的參數(shù)輸入到相應(yīng)的位置中，再在透鏡后的位置放置Detector面，最后對(duì)半導(dǎo)體激光光線(xiàn)進(jìn)行追跡，用接收面積為60mm*60mm的接收面在距離光源50mm、100mm和200mm處分別采集光斑圖樣，并與沒(méi)有加準(zhǔn)直透鏡的系統(tǒng)進(jìn)行比較。如下圖所示，其中（a）、（b）、（c）圖分別表示的是在50mm、100mm、200mm的光斑大小對(duì)比，最后準(zhǔn)直后的發(fā)散角近似計(jì)算得到為0.29°，準(zhǔn)直性良好，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
3.3 整形系統(tǒng)介紹
點(diǎn)激光整形為線(xiàn)激光通常使用柱面鏡、回轉(zhuǎn)棱鏡等，但是柱面鏡產(chǎn)生的是高斯光束，中心區(qū)域較兩邊能量高，直線(xiàn)亮度不均勻，而本文采用的鮑威爾棱鏡則不同，它可以產(chǎn)生光強(qiáng)均勻的線(xiàn)光。鮑威爾棱鏡是一種光學(xué)劃線(xiàn)棱鏡，入射光斑入射到鮑威爾棱鏡前面的非球面表面，然后光線(xiàn)偏折，最后在后表面折射出去，可以仿照建立非球面準(zhǔn)直的思路，對(duì)鮑威爾棱鏡在zemax軟件中建模并進(jìn)行仿真。
4 結(jié)論
本文從理論出發(fā)，設(shè)計(jì)了在橫向和側(cè)向上的兩片式非球面透鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)。在給定設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下求出非球面系數(shù)，并通過(guò)zemax軟件進(jìn)行仿真，該方法建模簡(jiǎn)單，可通過(guò)編寫(xiě)軟件后自動(dòng)計(jì)算參數(shù)，最后達(dá)到準(zhǔn)直的效果良好，有待加工出實(shí)際透鏡后做進(jìn)一步驗(yàn)證。
【參考文獻(xiàn)】