半导体材料论文
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半导体材料论文范文第1篇
关键词半导体材料量子线量子点材料光子晶体
1半导体材料的战略地位
上世纪中叶，单晶硅和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研制成功，导致了电子工业革命；上世纪70年代初石英光导纤维材料和GaAs激光器的发明，促进了光纤通信技术迅速发展并逐步形成了高新技术产业，使人类进入了信息时代。超晶格概念的提出及其半导体超晶格、量子阱材料的研制成功，彻底改变了光电器件的设计思想，使半导体器件的设计与制造从“杂质工程”发展到“能带工程”。纳米科学技术的发展和应用，将使人类能从原子、分子或纳米尺度水平上控制、操纵和制造功能强大的新型器件与电路，必将深刻地影响着世界的政治、经济格局和军事对抗的形式，彻底改变人们的生活方式。
2几种主要半导体材料的发展现状与趋势
2.1硅材料
从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。
从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smartcut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。
理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。
2.2GaAs和InP单晶材料
GaAs和InP与硅不同，它们都是直接带隙材料，具有电子饱和漂移速度高，耐高温，抗辐照等特点；在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。
目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨，其中以低位错密度的垂直梯度凝固法（VGF）和水平（HB）方法生长的2－3英寸的导电GaAs衬底材料为主；近年来，为满足高速移动通信的迫切需求，大直径（4，6和8英寸）的SI－GaAs发展很快。美国莫托罗拉公司正在筹建6英寸的SI－GaAs集成电路生产线。InP具有比GaAs更优越的高频性能，发展的速度更快，但研制直径3英寸以上大直径的InP单晶的关键技术尚未完全突破，价格居高不下。
GaAs和InP单晶的发展趋势是：
（1）。增大晶体直径，目前4英寸的SI－GaAs已用于生产，预计本世纪初的头几年直径为6英寸的SI－GaAs也将投入工业应用。
（2）。提高材料的电学和光学微区均匀性。
（3）。降低单晶的缺陷密度，特别是位错。
（4）。GaAs和InP单晶的VGF生长技术发展很快，很有可能成为主流技术。
2.3半导体超晶格、量子阱材料
半导体超薄层微结构材料是基于先进生长技术（MBE，MOCVD）的新一代人工构造材料。它以全新的概念改变着光电子和微电子器件的设计思想，出现了“电学和光学特性可剪裁”为特征的新范畴，是新一代固态量子器件的基础材料。
（1）Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料。
GaAIAs／GaAs，GaInAs／GaAs，AIGaInP／GaAs；GalnAs／InP，AlInAs／InP，InGaAsP／InP等GaAs、InP基晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当成熟，已成功地用来制造超高速，超高频微电子器件和单片集成电路。高电子迁移率晶体管（HEMT），赝配高电子迁移率晶体管（P－HEMT）器件最好水平已达fmax=600GHz，输出功率58mW，功率增益6.4db；双异质结双极晶体管（HBT）的最高频率fmax也已高达500GHz，HEMT逻辑电路研制也发展很快。基于上述材料体系的光通信用1.3μm和1.5μm的量子阱激光器和探测器，红、黄、橙光发光二极管和红光激光器以及大功率半导体量子阱激光器已商品化；表面光发射器件和光双稳器件等也已达到或接近达到实用化水平。目前，研制高质量的1.5μm分布反馈（DFB）激光器和电吸收（EA）调制器单片集成InP基多量子阱材料和超高速驱动电路所需的低维结构材料是解决光纤通信瓶颈问题的关键，在实验室西门子公司已完成了80×40Gbps传输40km的实验。另外，用于制造准连续兆瓦级大功率激光阵列的高质量量子阱材料也受到人们的重视。
虽然常规量子阱结构端面发射激光器是目前光电子领域占统治地位的有源器件，但由于其有源区极薄（～0.01μm）端面光电灾变损伤，大电流电热烧毁和光束质量差一直是此类激光器的性能改善和功率提高的难题。采用多有源区量子级联耦合是解决此难题的有效途径之一。我国早在1999年，就研制成功980nmInGaAs带间量子级联激光器，输出功率达5W以上；2000年初，法国汤姆逊公司又报道了单个激光器准连续输出功率超过10瓦好结果。最近，我国的科研工作者又提出并开展了多有源区纵向光耦合垂直腔面发射激光器研究，这是一种具有高增益、极低阈值、高功率和高光束质量的新型激光器，在未来光通信、光互联与光电信息处理方面有着良好的应用前景。
为克服PN结半导体激光器的能隙对激光器波长范围的限制，1994年美国贝尔实验室发明了基于量子阱内子带跃迁和阱间共振隧穿的量子级联激光器，突破了半导体能隙对波长的限制。自从1994年InGaAs／InAIAs／InP量子级联激光器（QCLs）发明以来，Bell实验室等的科学家，在过去的7年多的时间里，QCLs在向大功率、高温和单膜工作等研究方面取得了显着的进展。2001年瑞士Neuchatel大学的科学家采用双声子共振和三量子阱有源区结构使波长为9.1μm的QCLs的工作温度高达312K，连续输出功率3mW.量子级联激光器的工作波长已覆盖近红外到远红外波段（3－87μm），并在光通信、超高分辨光谱、超高灵敏气体传感器、高速调制器和无线光学连接等方面显示出重要的应用前景。中科院上海微系统和信息技术研究所于1999年研制成功120K5μm和250K8μm的量子级联激光器；中科院半导体研究所于2000年又研制成功3.7μm室温准连续应变补偿量子级联激光器，使我国成为能研制这类高质量激光器材料为数不多的几个国家之一。
目前，Ⅲ－V族超晶格、量子阱材料作为超薄层微结构材料发展的主流方向，正从直径3英寸向4英寸过渡；生产型的MBE和M0CVD设备已研制成功并投入使用，每台年生产能力可高达3.75×104片4英寸或1.5×104片6英寸。英国卡迪夫的MOCVD中心，法国的PicogigaMBE基地，美国的QED公司，Motorola公司，日本的富士通，NTT，索尼等都有这种外延材料出售。生产型MBE和MOCVD设备的成熟与应用，必然促进衬底材料设备和材料评价技术的发展。
（2）硅基应变异质结构材料。
硅基光、电器件集成一直是人们所追求的目标。但由于硅是间接带隙，如何提高硅基材料发光效率就成为一个亟待解决的问题。虽经多年研究，但进展缓慢。人们目前正致力于探索硅基纳米材料（纳米Si／SiO2），硅基SiGeC体系的Si1－yCy/Si1－xGex低维结构，Ge／Si量子点和量子点超晶格材料，Si／SiC量子点材料，GaN／BP／Si以及GaN／Si材料。最近，在GaN／Si上成功地研制出LED发光器件和有关纳米硅的受激放大现象的报道，使人们看到了一线希望。
另一方面，GeSi／Si应变层超晶格材料，因其在新一代移动通信上的重要应用前景，而成为目前硅基材料研究的主流。Si/GeSiMODFET和MOSFET的最高截止频率已达200GHz，HBT最高振荡频率为160GHz，噪音在10GHz下为0.9db，其性能可与GaAs器件相媲美。
尽管GaAs／Si和InP／Si是实现光电子集成理想的材料体系，但由于晶格失配和热膨胀系数等不同造成的高密度失配位错而导致器件性能退化和失效，防碍着它的使用化。最近，Motolora等公司宣称，他们在12英寸的硅衬底上，用钛酸锶作协变层（柔性层），成功的生长了器件级的GaAs外延薄膜，取得了突破性的进展。
2.4一维量子线、零维量子点半导体微结构材料
基于量子尺寸效应、量子干涉效应，量子隧穿效应和库仑阻效应以及非线性光学效应等的低维半导体材料是一种人工构造（通过能带工程实施）的新型半导体材料，是新一代微电子、光电子器件和电路的基础。它的发展与应用，极有可能触发新的技术革命。
目前低维半导体材料生长与制备主要集中在几个比较成熟的材料体系上，如GaAlAs／GaAs，In（Ga）As／GaAs，InGaAs／InAlAs／GaAs，InGaAs／InP，In（Ga）As／InAlAs／InP，InGaAsP／InAlAs／InP以及GeSi／Si等，并在纳米微电子和光电子研制方面取得了重大进展。俄罗斯约飞技术物理所MBE小组，柏林的俄德联合研制小组和中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组等研制成功的In（Ga）As／GaAs高功率量子点激光器，工作波长lμm左右，单管室温连续输出功率高达3.6～4W.特别应当指出的是我国上述的MBE小组，2001年通过在高功率量子点激光器的有源区材料结构中引入应力缓解层，抑制了缺陷和位错的产生，提高了量子点激光器的工作寿命，室温下连续输出功率为1W时工作寿命超过5000小时，这是大功率激光器的一个关键参数，至今未见国外报道。
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半导体材料研究的新进展
在单电子晶体管和单电子存贮器及其电路的研制方面也获得了重大进展，1994年日本NTT就研制成功沟道长度为30nm纳米单电子晶体管，并在150K观察到栅控源－漏电流振荡；1997年美国又报道了可在室温工作的单电子开关器件，1998年Yauo等人采用0.25微米工艺技术实现了128Mb的单电子存贮器原型样机的制造，这是在单电子器件在高密度存贮电路的应用方面迈出的关键一步。目前，基于量子点的自适应网络计算机，单光子源和应用于量子计算的量子比特的构建等方面的研究也正在进行中。
与半导体超晶格和量子点结构的生长制备相比，高度有序的半导体量子线的制备技术难度较大。中科院半导体所半导体材料科学重点实验室的MBE小组，在继利用MBE技术和SK生长模式，成功地制备了高空间有序的InAs／InAI（Ga）As／InP的量子线和量子线超晶格结构的基础上，对InAs／InAlAs量子线超晶格的空间自对准（垂直或斜对准）的物理起因和生长控制进行了研究，取得了较大进展。
王中林教授领导的乔治亚理工大学的材料科学与工程系和化学与生物化学系的研究小组，基于无催化剂、控制生长条件的氧化物粉末的热蒸发技术，成功地合成了诸如ZnO、SnO2、In2O3和Ga2O3等一系列半导体氧化物纳米带，它们与具有圆柱对称截面的中空纳米管或纳米线不同，这些原生的纳米带呈现出高纯、结构均匀和单晶体，几乎无缺陷和位错；纳米线呈矩形截面，典型的宽度为20－300nm，宽厚比为5－10，长度可达数毫米。这种半导体氧化物纳米带是一个理想的材料体系，可以用来研究载流子维度受限的输运现象和基于它的功能器件制造。香港城市大学李述汤教授和瑞典隆德大学固体物理系纳米中心的LarsSamuelson教授领导的小组，分别在SiO2／Si和InAs／InP半导体量子线超晶格结构的生长制各方面也取得了重要进展。
低维半导体结构制备的方法很多，主要有：微结构材料生长和精细加工工艺相结合的方法，应变自组装量子线、量子点材料生长技术，图形化衬底和不同取向晶面选择生长技术，单原子操纵和加工技术，纳米结构的辐照制备技术，及其在沸石的笼子中、纳米碳管和溶液中等通过物理或化学方法制备量子点和量子线的技术等。目前发展的主要趋势是寻找原子级无损伤加工方法和纳米结构的应变自组装可控生长技术，以求获得大小、形状均匀、密度可控的无缺陷纳米结构。
2.5宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材主要指的是金刚石，III族氮化物，碳化硅，立方氮化硼以及氧化物（ZnO等）及固溶体等，特别是SiC、GaN和金刚石薄膜等材料，因具有高热导率、高电子饱和漂移速度和大临界击穿电压等特点，成为研制高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路的理想材料；在通信、汽车、航空、航天、石油开采以及国防等方面有着广泛的应用前景。另外，III族氮化物也是很好的光电子材料，在蓝、绿光发光二极管（LED）和紫、蓝、绿光激光器（LD）以及紫外探测器等应用方面也显示了广泛的应用前景。随着1993年GaN材料的P型掺杂突破，GaN基材料成为蓝绿光发光材料的研究热点。目前，GaN基蓝绿光发光二极管己商品化，GaN基LD也有商品出售，最大输出功率为0.5W.在微电子器件研制方面，GaN基FET的最高工作频率（fmax）已达140GHz，fT=67GHz，跨导为260ms／mm；HEMT器件也相继问世，发展很快。此外，256×256GaN基紫外光电焦平面阵列探测器也已研制成功。特别值得提出的是，日本Sumitomo电子工业有限公司2000年宣称，他们采用热力学方法已研制成功2英寸GaN单晶材料，这将有力的推动蓝光激光器和GaN基电子器件的发展。另外，近年来具有反常带隙弯曲的窄禁带InAsN，InGaAsN，GaNP和GaNAsP材料的研制也受到了重视，这是因为它们在长波长光通信用高T0光源和太阳能电池等方面显示了重要应用前景。
以Cree公司为代表的体SiC单晶的研制已取得突破性进展，2英寸的4H和6HSiC单晶与外延片，以及3英寸的4HSiC单晶己有商品出售；以SiC为GaN基材料衬低的蓝绿光LED业已上市，并参于与以蓝宝石为衬低的GaN基发光器件的竟争。其他SiC相关高温器件的研制也取得了长足的进步。目前存在的主要问题是材料中的缺陷密度高，且价格昂贵。
II－VI族兰绿光材料研制在徘徊了近30年后，于1990年美国3M公司成功地解决了II－VI族的P型掺杂难点而得到迅速发展。1991年3M公司利用MBE技术率先宣布了电注入（Zn，Cd）Se／ZnSe兰光激光器在77K（495nm）脉冲输出功率100mW的消息，开始了II－VI族兰绿光半导体激光（材料）器件研制的。经过多年的努力，目前ZnSe基II－VI族兰绿光激光器的寿命虽已超过1000小时，但离使用差距尚大，加之GaN基材料的迅速发展和应用，使II－VI族兰绿光材料研制步伐有所变缓。提高有源区材料的完整性，特别是要降低由非化学配比导致的点缺陷密度和进一步降低失配位错和解决欧姆接触等问题，仍是该材料体系走向实用化前必须要解决的问题。
宽带隙半导体异质结构材料往往也是典型的大失配异质结构材料，所谓大失配异质结构材料是指晶格常数、热膨胀系数或晶体的对称性等物理参数有较大差异的材料体系，如GaN／蓝宝石（Sapphire），SiC／Si和GaN／Si等。大晶格失配引发界面处大量位错和缺陷的产生，极大地影响着微结构材料的光电性能及其器件应用。如何避免和消除这一负面影响，是目前材料制备中的一个迫切要解决的关键科学问题。这个问题的解泱，必将大大地拓宽材料的可选择余地，开辟新的应用领域。
目前，除SiC单晶衬低材料，GaN基蓝光LED材料和器件已有商品出售外，大多数高温半导体材料仍处在实验室研制阶段，不少影响这类材料发展的关键问题，如GaN衬底，ZnO单晶簿膜制备，P型掺杂和欧姆电极接触，单晶金刚石薄膜生长与N型掺杂，II－VI族材料的退化机理等仍是制约这些材料实用化的关键问题，国内外虽已做了大量的研究，至今尚未取得重大突破。
3光子晶体
光子晶体是一种人工微结构材料，介电常数周期的被调制在与工作波长相比拟的尺度，来自结构单元的散射波的多重干涉形成一个光子带隙，与半导体材料的电子能隙相似，并可用类似于固态晶体中的能带论来描述三维周期介电结构中光波的传播，相应光子晶体光带隙（禁带）能量的光波模式在其中的传播是被禁止的。如果光子晶体的周期性被破坏，那么在禁带中也会引入所谓的“施主”和“受主”模，光子态密度随光子晶体维度降低而量子化。如三维受限的“受主”掺杂的光子晶体有希望制成非常高Q值的单模微腔，从而为研制高质量微腔激光器开辟新的途径。光子晶体的制备方法主要有：聚焦离子束（FIB）结合脉冲激光蒸发方法，即先用脉冲激光蒸发制备如Ag/MnO多层膜，再用FIB注入隔离形成一维或二维平面阵列光子晶体；基于功能粒子（磁性纳米颗粒Fe2O3，发光纳米颗粒CdS和介电纳米颗粒TiO2）和共轭高分子的自组装方法，可形成适用于可光范围的三维纳米颗粒光子晶体；二维多空硅也可制作成一个理想的3－5μm和1.5μm光子带隙材料等。目前，二维光子晶体制造已取得很大进展，但三维光子晶体的研究，仍是一个具有挑战性的课题。最近，Campbell等人提出了全息光栅光刻的方法来制造三维光子晶体，取得了进展。
4量子比特构建与材料
随着微电子技术的发展，计算机芯片集成度不断增高，器件尺寸越来越小（nm尺度）并最终将受到器件工作原理和工艺技术限制，而无法满足人类对更大信息量的需求。为此，发展基于全新原理和结构的功能强大的计算机是21世纪人类面临的巨大挑战之一。1994年Shor基于量子态叠加性提出的量子并行算法并证明可轻而易举地破译目前广泛使用的公开密钥Rivest，Shamir和Adlman（RSA）体系，引起了人们的广泛重视。
所谓量子计算机是应用量子力学原理进行计的装置，理论上讲它比传统计算机有更快的运算速度，更大信息传递量和更高信息安全保障，有可能超越目前计算机理想极限。实现量子比特构造和量子计算机的设想方案很多，其中最引人注目的是Kane最近提出的一个实现大规模量子计算的方案。其核心是利用硅纳米电子器件中磷施主核自旋进行信息编码，通过外加电场控制核自旋间相互作用实现其逻辑运算，自旋测量是由自旋极化电子电流来完成，计算机要工作在mK的低温下。
这种量子计算机的最终实现依赖于与硅平面工艺兼容的硅纳米电子技术的发展。除此之外，为了避免杂质对磷核自旋的干扰，必需使用高纯（无杂质）和不存在核自旋不等于零的硅同位素（29Si）的硅单晶；减小SiO2绝缘层的无序涨落以及如何在硅里掺入规则的磷原子阵列等是实现量子计算的关键。量子态在传输，处理和存储过程中可能因环境的耦合（干扰），而从量子叠加态演化成经典的混合态，即所谓失去相干，特别是在大规模计算中能否始终保持量子态间的相干是量子计算机走向实用化前所必需克服的难题。
5发展我国半导体材料的几点建议
鉴于我国目前的工业基础，国力和半导体材料的发展水平，提出以下发展建议供参考。
5.1硅单晶和外延材料硅材料作为微电子技术的主导地位
至少到本世纪中叶都不会改变，至今国内各大集成电路制造厂家所需的硅片基本上是依赖进口。目前国内虽已可拉制8英寸的硅单晶和小批量生产6英寸的硅外延片，然而都未形成稳定的批量生产能力，更谈不上规模生产。建议国家集中人力和财力，首先开展8英寸硅单晶实用化和6英寸硅外延片研究开发，在“十五”的后期，争取做到8英寸集成电路生产线用硅单晶材料的国产化，并有6～8英寸硅片的批量供片能力。到2010年左右，我国应有8～12英寸硅单晶、片材和8英寸硅外延片的规模生产能力；更大直径的硅单晶、片材和外延片也应及时布点研制。另外，硅多晶材料生产基地及其相配套的高纯石英、气体和化学试剂等也必需同时给以重视，只有这样，才能逐步改观我国微电子技术的落后局面，进入世界发达国家之林。
5.2GaAs及其有关化合物半导体单晶材料发展建议
GaAs、InP等单晶材料同国外的差距主要表现在拉晶和晶片加工设备落后，没有形成生产能力。相信在国家各部委的统一组织、领导下，并争取企业介入，建立我国自己的研究、开发和生产联合体，取各家之长，分工协作，到2010年赶上世界先进水平是可能的。要达到上述目的，到“十五”末应形成以4英寸单晶为主2－3吨／年的SI－GaAs和3－5吨／年掺杂GaAs、InP单晶和开盒就用晶片的生产能力，以满足我国不断发展的微电子和光电子工业的需术。到2010年，应当实现4英寸GaAs生产线的国产化，并具有满足6英寸线的供片能力。
5.3发展超晶格、量子阱和一维、零维半导体微结构材料的建议
（1）超晶格、量子阱材料从目前我国国力和我们已有的基础出发，应以三基色（超高亮度红、绿和蓝光）材料和光通信材料为主攻方向，并兼顾新一代微电子器件和电路的需求，加强MBE和MOCVD两个基地的建设，引进必要的适合批量生产的工业型MBE和MOCVD设备并着重致力于GaAlAs／GaAs，InGaAlP／InGaP，GaN基蓝绿光材料，InGaAs／InP和InGaAsP／InP等材料体系的实用化研究是当务之急，争取在“十五”末，能满足国内2、3和4英寸GaAs生产线所需要的异质结材料。到2010年，每年能具备至少100万平方英寸MBE和MOCVD微电子和光电子微结构材料的生产能力。达到本世纪初的国际水平。
宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。
（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。
半导体材料论文范文第2篇
《投资者报》：尽管公司认为从半导体转入光伏领域是由于两者技术共通，但有投资者认为公司要么是盲目跟风，要么是原来的半导体产业做得不好了，你认为公司是被迫转型还是顺势而为？
安艳清：公司转型看上去很突然，但背后的逻辑是，IC半导体材料和光伏硅材料同属半导体材料，是同种物质的两种用途存在方式。公司1988年就已经开始从事太阳能级半导体材料的生产制造，因此公司只是将光伏领域的太阳能半导体材料实施了放大。而且，由于用于芯片的IC半导体材料在技术方面的要求远高于用于太阳能电池的硅材料，因此在光伏领域有着技术方面的先天优势。
另外，公司专注于半导体硅材料的研发、生产和制造，是公司的主业，IC半导体材料不但没有做不下去，而且做得非常好。在全球范围内我们的区熔单晶硅（FZ）综合实力排名前三，2010年我们的市场份额为12%至18%，2011年底我们占全球区熔单晶硅（FZ）市场份额约为20%。
《投资者报》：国内做半导体的企业不少，为何是中环率先掌握最领先的技术，你认为中环技术上的优势主要来自于哪些方面？
安艳清：一方面来自公司这些年在半导体材料领域上的技术积淀。早在2002年，环欧公司在国内率先采用多线切割技术切割半导体及太阳能硅片。2007年至2009年期间，环欧公司采用国内领先的晶体生长模拟技术开始研发新一代的太阳能晶体生长技术及设备。
另一方面，也离不开公司总经理沈浩平和技术团队多年的潜心研究。沈总1983年物理系毕业时，毕业论文就是关于薄膜电池的研究，并在重量级学术刊物上刊载，此后沈总一直在中环旗下全资子公司环欧公司从事技术研发，即便后来担任环欧公司副总经理，他也一直在一线工作，坚持在一线工作19年。并带出一大批技术骨干，形成了有着核心竞争力的团队，这才是中环技术不断创新和升级的最重要源泉。
《投资者报》：目前光伏行业一片惨淡，中环股份受到的冲击有多大？你如何看待这次光伏行业调整？
安艳清：这个行业前期是一窝蜂式涌入的跟风行业，只要有资金，各行各业的人都可以进入，不管是专业的还是非专业的，大家都能赚到钱。在这样的时候，像我们这样拥有技术优势但规模不太大的企业是体现不出优势的，只有那些大规模生产的企业才有优势。但这样一个人人参与人人赚钱的行业一定是不正常的，调整和洗牌是必然的。
现在中环一半的利润贡献来自光伏，当然不可能不受影响，但我们主要做单晶硅，而且是品质较高的高端产品，影响相对较小。2011年下半年，30%的企业处于停产和半停产状态，70%的处于产闭状态。但我们目前一直处于满产状态。
《投资者报》：公司受影响小的原因是什么？
安艳清：我们受影响小的原因是这个行业经历一轮疯狂发展后，下游客户的需求发生了变化，前两年是需求大供方少，上游厂商生产什么样的产品都有市场，但现在下游客户变得理性了，也变得挑剔了，需求开始向高端发展，那些产品品质好的、有信誉的而高端需求在向高端企业靠拢，我们这种有长久技术实力，有市场资源和和管理资源的企业才会胜出。
但在这个洗牌过程中，无论是资本市场的人，还是行业外的人，分不清哪个是真李逵哪个是假李逵，在这种情况下，对我们公司有质疑是可以理解的，我们也希望通过我们的业绩说话，通过市场表现说话。
《投资者报》：一项新技术的应用过程比较复杂，得先试生产，再小批量生产，最后才能达到工业生产里面的大规模生产。公司直拉区熔技术正式应用到光伏领域并转化为规模生产？对公司业绩的贡献有多少？
安艳清：公司CFZ技术的大规模生产不存在任何的瓶颈，因为CFZ产品技术是公司CZ技术和FZ技术两种技术的融合，而且公司CZ和FZ的规模化生产历史超过20年。
我们不会担心市场，公司的产品都是以市场为导向的，事实上，是因为当前时点已经有了客户资源，我们才宣布要规模化生产的。对公司的业绩会有大的贡献。
《投资者报》：是因为资金有限还是担心行业低谷产品市场受限？
安艳清：目前公司CFZ没有实现大规模化生产的真正瓶颈来自于资金，我们的计划不是一次性投资之后一次性投产，而是循序渐进，一边增加投入一边扩大产能。
关于行业低谷产品市场受限的问题，我个人认为，如同手机市场中的苹果，没有人能阻挡苹果手机的市场。
《投资者报》：从2009年开始，中环股份的管理层也作了调整理，现在看来，新的管理层为公司带来了哪些变化？
安艳清：2009年我们七个高管中新上任四个，而且来自不同的行业，我认为对公司经营和管理注入了一些活力，这些人不仅仅追求稳定，也属于“折腾型”的高管，喜欢多做些事。从业务层面看，一方面依托公司此前的技术和市场优势，将半导体材料产业规模放大了，通过中环领先项目实现了从材料到器件的枢纽，也布局了新能源项目，这三年里产业转型与布局基本完成，并步入一个良性的发展通道。
《投资者报》：在经营层面和市值管理方面，公司有何近期和中长期的战略规划？
安艳清：目标是至2015年力争实现过百亿的规模，市值达到五百亿至一千亿。
半导体材料论文范文第3篇
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，除选用经典的国家级规划教材――《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.
半导体材料论文范文第4篇
关键词：半导体光电；研究型；实践；教学探索
中图分类号：G42 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）07-0123-02
近几年来，随着半导体电子产业和光学专业的快速发展，半导体光电正逐渐成为一门新兴的学科。半导体光电技术是集现代半导体技术、电子学技术和光学信息处理技术等学科于一体的综合性学科，要求学生具有扎实的半导体物理、光电子、数学和计算机等基础知识。该学科作为光、机、电、算、材一体的交叉学科，专科课程较多，涉及知识面较广，有其自身的课程特点：既要讲授半导体相关的专业知识，又要补充光电专业的知识，还要加强数理基础理论教学；既要围绕半导体光电专业核心，又要涉足其他专业领域；既要重视教学方法，提高教学质量，又要加强前沿知识的学习和科研，不断更新知识体系，将最新的行业信息灌输给学生。同时，随着近年来固态半导体LED照明技术、半导体激光、太阳能光伏和半导体探测器等高新行业的蓬勃发展，需要大量的具有创新研究能力的技术人才来从事半导体光电材料、器件以及系统的研究和开发。这就需要高校培养具有动手能力强，基础知识扎实，综合分析能力优秀的研究型人才。但是目前高校半导体光电学科的教学普遍停留在理论层面，缺乏实践性内容的提升。因而作为一门实用性很强的专业，应着重加强理论与实践相结合的全面教学，逐步开展研究性课程的教学探索，打破传统的教学理念，以形成学生在课程学习中主动思考探索并重视创新叉研究的积极教学模式，为半导体光电学科建立一个全新的培养方式。
一、理论教学中创设前沿性课题，引导学生进行探究性学习
在传统的教学模式中，专业课程的讲授主要依靠讲解概念、分析原理、推导公式、得出结论。而学生就是按部就班地记笔记、做习题、应付考试。课堂教学效果完全取决于教师的教学经验，最终学生所接受的知识也仅仅停留在课本的层面，这完全达不到迅猛发展的高新的半导体光电学科的培养要求。这就需要教师打破传统的教学理念，开展研究性的教学方式。研究性教学是以学生的探究性学习为基础，教师提出一些创新性的问题，以及与专业相关的一些前沿性科技专题报道，学生在创新性的问题中，借助课本提供的基础理论和教师提供的相关资料，借鉴科学研究的方法，或独立探索、或协作讨论，通过探究学习、合作学习、自主学习等方式最终找到解决问题的方案，甚至提出更具有创新性的思路。因此，在教学过程中，我们应尝试减少课堂讲授时间、增加课堂讨论时间，有意识地提出一些较深层次的问题：如提高太阳能电池的光电转换效率的方法、新型的半导体材料制作光电器件的优异性等，有针对性地组织专题讨论。考核方式以课程设计或者专题论文的形式进行，以培养学生的思考和创新研究能力。此外，要重视阶段性总结和检查工作，培养学生综合素质和能力。教师在注重教学方式改进的同时，也要重视学生学习效果的阶段性检查和总结。传统的课堂教学是以作业为考察标准，这种考察的弊端是给学生提供了抄袭作业的机会，学习效果不佳。因此应考虑采取多元化的检查方式，增加检查手段。可以让学生将多媒体课件与教材和参考书相结合，根据教师在课堂教学中指出的难点和重点，单独总结出学习笔记，并进行定期检查。
二、建立半导体专业与光电专业协同的教学环境
半导体光电从理论上来讲是研究半导体中光子与电子的相互作用、光能与电能相互转换的一门科学，涉及量子力学、固体物理、半导体物理等一些基础学科；从实践层面来讲，也关联着半导体光电材料、光电探测器、异质结光电器件及其相关系统的研究。因此，在理论上应鼓励教师根据教学情况，编写有针对性的，并且包含基础物理学、半导体电子学、光学和系统设计等具有交叉性理论的教材和讲义，提升学生在半导体光电交叉领域的理论基础。同时需要组织和调动各层次教师，建设教学研究中心。结合老教师的经验和青年教师的创意，共同进行教学改革探索。另外，实现半导体光电学科的教学探索，不仅需要专业教师改进和完善课堂教学措施，提升教学水平和质量，同时也需要专业的半导体光电材料生长、器件制备和检测设备，以及专业设计软件供教学和科研使用。该学科的性质决定了教学的内容不能仅仅局限于理论方面，还需要实验方面的补充和实践，从而可以从软件和硬件双方面实现协同的教学环境。在具体的操作过程中，以光谱分析为例，传统的光谱分析光源采用的是一些气体激光器，我们可以在教学中利用新型的半导体固体激光器来替代传统的气体激光器，将半导体光电器件和光学系统有机结合起来，提供两者协同的新型设备。指导学生在实验中分析新型的光谱系统和传统系统的优劣性，以及如何在现有的基础上改进系统，提高系统的使用性能，在教学中锻炼学生的协同学科的技能性训练。进一步可以引入显微镜成像技术，采用简易的一些光学元器件，在实验室内让学生动手搭建显微成像设备，锻炼学生对光学系统的整体认知能力，并且可以提升传统设备的应用范围。这一系列交叉协同教学实验的建立有利于打破教学和研究的界限，打破学科的界限，突出半导体光电学科的交叉性特点，促进学生知识的全面性掌握，为研究型的教学模式开辟新的途径。
三、建立前沿性半导体光电专业实验教学平台
半导体光电涉及的领域很广泛，单纯的理论教学不能满足学生对于高新的工程应用的直观认识，许多设备和器件只阐述其工作原理，概念比较抽象，学生不易理解。因而需要重视研究型实践教学。在条件允许的情况的，将半导体材料生长和器件制造设备引入课堂，让学生深刻掌握器件的制造流程。同时可以引入先进的光电检测设备，让学生开展一些器件的检测实验，在实验过程中熟悉器件和光电系统的工作原理，可以起到事半功倍的作用。同时还可以让学生在实践中不断思考和探索一些前瞻性的科学研究问题。以半导体LED光电器件为例：由于LED材料和器件制造设备较为精密、价格昂贵、不易获取。在理论课程后，可以引用适当的LED材料生长设备MOCVD的一些生长过程的实物图片和视频，以及半导体器件制备的薄膜沉积、光刻制作和刻蚀工艺的流程图和视频，让学生尽可能地将抽象的理论与具体实践联系起来。此外，购置现成的LED器件和光电检测设备，利用光电测试设备对LED器件开展一些电学和光学性能的检测，在测试过程中让学生对LED光电转换基本原理和不同测试条件对器件光电性能影响的物理机制开展探索性研究。对于阻碍LED发展的一些前沿性难题进行深刻的思考和分析，提出合理的改进和解决方案。基于学科的科研实验条件，我们还可以提出项目教学法，把教学内容通过“实践项目”的形式进行教学，为了能够一个半导体和光电专业相协同的实验平台，可以设置一个系统的实验项目包含多门课程的知识。项目教学是在教师的指导下，将相对独立的教学内容相关的项目交由学生自己处理。信息的收集，方案的设计，项目实施及最终评价报告，都由学生负责完成，学生通过该项目的进行，了解并把握实验制造和检测得整个过程及每一个环节的基本要求，教师在整个过程中主要起引导作用。以此来培养学生的实践性、研究性学习能力，让学生扮演项目研究者的角色，在研究项目情景的刺激下及教师的指导下主动开展探究活动，并在探究过程中掌握知识和学习分析问题、解决问题的方法，从而达到提高分析问题、解决问题能力的目的。这样才具备一门前沿性的学科所应该达到的理想效果。
四、建立专业校企合作基地
半导体光电专业需结合地域经济发展特点，建立专业的校企合作基地。校企合作是高校培养高素质技能型人才的重要模式，是实现高校培养目标的基本途径。以江南大学为例，可以依据无锡当地工业的发展中心，与半导体光电类企业，如无锡尚德太阳能股份有限公司、江苏新广联LED器件制造企业、LED照明企业实益达、万润光子等公司进行深入合作，建立企业实训创新基地及本科生、研究生工作站。定期组织学生去企业进行参观，了解半导体光电类产品的产线制造过程。还可以安排有兴趣的学生在学有余力的同时进入企业进行实习，使学生能够将课堂的理论知识应用到实际的应用生产中，并且可以利用理论知识来解决实际生产中所遇到的一些问题。以实际产线的需求分析为基础，结合理论教学的要求，建立以工作体系为基础的课程内容体系；实施综合化、一体化的课程内容，构建以合作为主题的新型课堂模式，做到教室、实验室和生产车间三者结合的教学场所。最终积累一定的合作经验后，校企可以合作开发教材，聘请行业专家和学校专业教师针对课程的特点，结合课堂基础和生产实践的要求，结合学生在相关企业实训实习的进展，编写出符合高校教学和企业生产需求的新型校企双用教材。
综上所述，要开展研究型半导体光电类课程的教学探索，首先要突破传统的理论教学模式，根据课堂教学需求，改善课堂教学措施，形成有创意、有个性化的课堂特色，旨在培养学生的创新思维能力。
参考文献：
半导体材料论文范文第5篇
【关键词】半导体器件 模式转换 冷暖空调 温度调节
1 引言
利用半导体调温技术对室内进行温度调节是一种新型温度调节技术，与现有的常规压缩式制冷机相比，具有重量轻、寿命长，工作起来无噪声等优点，同时由于不必使用气体冷却剂工质，所以也不会构成对环境污染，成为了名副其实的“绿色”空调。目前应用半导体温度调节技术的场所已经来越多，已经广泛应用于汽车，医疗等部门。但是由于半导体器件的特性，其P-N结的固定结构使得半导体空调的制冷和制热之间的转换比较困难，所以一般由半导体致冷器制成的空调器都是单一的制冷空调机，而这种单纯制冷空调尚不能满足市场的商业需求。如何改变现有的半导体调温结构，实现半导体制冷和制热模式的有效转换，已经是当今半导体调温技术进一步发展的难题，也是真正让半导体调温技术实现商业化价值的关键。
本论文提出一种利用半导体调温器件模块化设置，通过模块转动方式实现半导体制冷和制热模式的有效转换，到达利用半导体调温器件既能制冷又能制热的目的，通过半导体冷暖空调结构设计，使得半导体冷暖空调能满足市场的商业需求，实现“绿色”空调的商业化应用。
2 半导体冷暖空调原理
半导体温度调节都是通过半导体调温片来实现的，所谓半导体调温片采用的就是具有P-N结的热电偶对，采取直流供电，利用直流电流通过P-N结时所产生的不同温度效应来实现热交换，这种效应也就是一种热电效应。通常都认为这种热电效应是建立在珀尔帕效应基础上实现的，但实际上这种效应是建立在五种不同的效应组成的基础上的，这就是通常所说的赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应，以及富里叶效应。这五种效应的基本原理和作用如下：
2.1 赛贝克效应
所谓赛贝克效应是由俄罗斯科学家赛贝克于19世纪所发现的一种温度效应，即两种不同导体（或半导体）所组成的闭合回路中，如果两个接头具有不同的温度，则会在线路中产生电流，这种电流称被为温差电流，这个闭合回路便构成温差电偶，产生电流的电动势称为温差电动势，温差电动势的数值只与两个接头的温度有关。这种温度效应称为塞贝克效应（图1）。
2.2 珀尔帖效应
法国科学家珀尔贴发现了热电致冷和致热现象-即温差电效应，所谓温差电效应就是在电流通过两种不同导体形成的回路时，在两种不同导体所形成回路的结点处，随着电流方向的不同会分别出现吸热或放热的效应现象，这种效应现象就称之为珀尔帖效应。珀尔帖效应的原理如图2所示。
2.3 汤姆逊效应
所谓汤姆逊效应实质就是一种温度梯度的效应。1856年英国物理学家W.汤姆孙发现当电流流过不同温度的导体时，也会产生吸热或放热的效应现象，这种效应现象是由英国物理学家W.汤姆孙发现的，所以称之为汤姆逊效应，汤姆逊效应的原理如图3所示。
2.4 焦耳效应
所谓焦耳效应就是指当电流流过导体时所引起温度变化的一种现象，而且这种效应是一种不可逆的效应，同时也不属于温差电效应，但现在经常将焦耳效应与焦汤效应结合起来考虑。
2.5 傅里叶效应
所谓傅付里叶效应就是指单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比效应，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。
综合上述五种效应组合，可以看出所谓半导体调温就是利用半导体材料，当电流流经不同的导体，尤其是半导体材料所形成的结点回路时，在结点处会产生放热或吸热（制冷）现象而实现调温的。
但是现有的半导体调温技术之所以难以推广，主要是两个问题，其一是功效较低，难以与传统的制冷剂空调抗衡；其二是现有半导体的调温材料如何进行冷热转换的问题。这其中第一个问题在新的高效半导体热电元件诞生后已经基本得到解决，目前的高效半导体热电元件的优值系数已经超过13×10-3K-1，在温差50℃时，高效半导体热元件的制冷系数大于3，制冷效率甚至高于压缩机制冷。而第二个问题正是当前所需要解决的主要问题，当前认为半导体的冷热转换可以直接通过改变电流的方向实现，但实际应用中发现采取这样的冷热转换方式不利于半导体的调温材性能的利用。众所周知，半导体主要是为N型元件和P型元件二种材料组合，其中N型元件通过电子载流子进行导电，而P型元件通过空穴载流子进行导，在N型元件接入直流电正极，P型元件接入负极时，N型元件中的电子在电场作用下将由上向下移动，并在下端与电源的正电荷聚合，在聚合时还会放热；而P型元件中的空穴在电场作用下将也会向下移动，并在下端与电源的负电荷发生聚合，聚合时也会放热；同时，N型元件的电子与P型元件的空穴在上端分离，分离时会吸收热量。但是N型元件和P型元件对于吸热和放热的性能是不一样的，而且制冷或制热之间的转换如果长期通过电流改变容易造成器件损坏；为了有效利用N型元件和P型元件的性能我们现在都只是利用半导体的N型元件和P型元件来进行制冷，这也是当前的半导体调温主要只是用于做半导体制冷的主要原因。
通过上面的分析可以得知，采用简单的电流换向实现半导体调温器件的冷热模式的转变是不理想的，因此本设计主要通过结构的改进来实现半导体调温器件的冷热模式的转变，将半导体调温器件设计成一种模块，并将此模块安装在一个带有冷热腔室的壳体内，通过半导体调温器件模块的转动来实现半导体调温器件的冷热模式的转变，结构原理如图4。
通过图4可以看出，本设计的主要原理是将半导体调温器件设计成一种可以在壳体内转动的模块，将半导体调温器件模块通过一个转轴安装在空调的壳体内，根据半导体P-N结的调温特性，在需要对室内进行降温时，将半导体P-N结制冷的一面面对室内；在需要对室内升温时，将半导体P-N结发热的一面面对室内，通过转轴的转换即可实现在壳体内的半导体调温器件的冷热模式的转变。采用这种冷热模式的转变方法，可以不改变原半导体调温器件的电流方向，保持半导体调温器件P-N结的各自优势，只需通过器件的面向改变实现冷热模式的转变。
3 半导体冷暖空调结构设计
根据上述的设计思路，本设计所提出的结构设计方案主导思想就是将半导体调温组件模块化，并达到能在一定空间能转动，其设计过程如下：
3.1 半导体调温组件结构设计
采用高效半导体热电元件堆叠成块，使每个元件相连接的都是不同导电类型的元件，串联起来形成大功率的半导体调温组件，并在调温组件的两面分别加装散热翅片，形成一个圆筒状体，在圆筒状体组件的两端设置转轴，并在转轴的一端设置半导体调温组件的N型元件导电环和P型元件导电环，这样就形成了半导体调温组件（图5）。
半导体调温组件制冷时，将冷端面置于室内吸热，热端面置于面向室外，并通过风扇将热端面的热量吹到室外，以达到降低室内温度的目的；而在冬季需要给室内升温时，则通过调整半导体调温组件的转向来改变半导体调温组件的冷热位置关系；将半导体调温组件方向转变180度，此时半导体调温组的冷端面就变成了面向室外吸热了，而热端面变成了面向室内放热，从而达到加热室内温度的空调目的。
其中，半导体调温组件的上下面均采用陶瓷片，并经过掺杂处理，以此提高导热性能，主要成分是95%氧化铝。在它的表面烧结有金属化涂层。
与陶瓷片连接的是散热翅片，散热翅片纵向排列，主要起导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的金属化涂层上。
上下导流片之间是半导体致冷元件，它的主要成分是碲化G，是半导体调温组件的主功能部件，分N型元件和P型元件，通过锡焊接在导流片上。
3.2 整体空调结构设计
在设计好半导体调温组件后，在整体结构设计上主要应考虑半导体调温组件的安装、通风的方式，以及半导体调温组件模块的转动控制几部分。整个空调器的结构如附图6和图7所示。
从上图可以看出，半导体空调的整体包括一个箱体，箱体内分为前箱体和后箱体两部分，前箱体面向室内，后箱体紧贴着墙壁；在前箱体和后箱体两部分之间设有用于制冷或发热的半导体器件板，通过半导体器件板将前箱体和后箱体两部分分开，分别形成室内换热腔体和室外换热腔体，通过室内换热腔体和室外换热腔体与半导体器件板的换热实现室内的空气调节；所述半导体器件板通过转轴安装在前箱体和后箱体两部分之间隔离区间内，转轴设置在隔墙内，并在转轴的一端设有用于翻转半导体器件板的旋转装置，通过旋转装置将半导体器件板绕转轴翻转，以此实现半导体器件板对室内的换热或制冷转换，达到制冷或加热的空调目的。
其中，室内换热腔体是在前箱体一端设有室内入风口，内入风口安装有室内风扇，另一端设有室内出风口，室内入风口与室内出风口通过半导体器件板一侧的室内流道连通，室内风扇吹出的风经过室内流道，进入另一端，再通过室内出风口排出。前箱体整个下前角部分设有室内出风流道，室内出风口的风是经由室内出风流道排出的。室外换热腔体是在后箱体的两端分别设有与室外相通的室外入风口和室外出风口，室外入风口和室外出风口的一部分分别嵌入墙体内，且面向室外，室外入风口和室外出风口通过位于半导体器件板另一侧的室外流道连通，形成后箱体换热腔体，在室外入风口处设有室外风扇，室外风扇将室外空气引入，通过室外流道，再从室外出风口排出。室外入风口位于室外风扇之前的风道上设有空气过滤网，通过空气过滤网对室外进入后箱体的空气进行过滤，防止杂物进入。
本设计的主要特点在于半导体器件板的旋转装置为电动翻转装置或手动翻转装置都可以；采用电动翻转装置时，在转轴的端部连接有翻转电机，通过电机带动转轴翻转，从而实现半导体器件板的翻转；采用手动翻转装置时，直接通过一个转盘就可以进行翻转。
为了提高热胶换效率，在半导体器件板的两面都带有散热翅片，散热翅片分别深入到室内流道和室外流道中，使得经过室内流道和室外流道的风能更加加快热交换的效果。同时，为了防止室外的空气与室内交流，在室外流道与箱体之间设有保温层，防止室外换热腔体内的温度传到室内。
4 半导体冷暖空调结构分析
采用上述结构的半导体空调，通过一个可转动的半导体器件板，实现半导体器件板对室内制冷或加热之间的转换，并直接将整个箱体分为前箱体和后箱体两个部分，直接将整个空调器箱体安装在室内的墙壁上，分别通过室外换热腔体和室内换热腔体进行热交换，达到空气调节的目的，这样有几大好处：
（1）冷热转换模式通过模块式结构转动实现转换，不采用电源反接，可以避免电源反接所给半导体器件的反向冲击，防止半导体器件出现“崩溃”现象，可以完全利用半导体N型元件和P型元件的各自优势，实现制冷和制热。
（2）可以完全省去室外机部分，只需通过一个进风口和一个排风口，两个风口就可以将换热腔体的热交换空气与室外空气进行交换，避免了室外机造成安全隐患的因素；
（3）方便安装，将室外换热腔体和室内换热腔体统一设置在室内的壳体内，安装时不用操作人员再到室外进行安装作业，完全杜绝了空调安装的室外作业事故发生；
（4）Y构简单，不需要制冷剂的交换，因此也就没有连接管道，便于维修和养护，安装容易。
（5）可连续工作，使用安静无噪音，直接通过半导体器件进行热交换，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，没有压缩机运转的噪音；
（6）环保绿色运行，本发明采取半导体换热，取代了常规的压缩机技术，不需要任何制冷剂，也就避免了常规制冷剂对环境的污染。
（7）半导体制冷片采用高效半导体热电元件，具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1[6]。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。
（8）半导体制冷片采用电流换能型片件，以输入电流的方式实施控制，可实现高精度的温度调节，并通过温度检测和控制手段，实现遥控、程控、计算机等控制，便于形成自动控制系统。
（9）半导体调温的温差范围，可从+90℃到-130℃任意调节。
5 结论
本文设计了一种通过半导体调温组件模块转动，实现半导体调温器件的冷热模式的转变的半导体冷暖空调。文中详细描述了半导体调温组件模块转动方式的半导体冷暖空调的结构，并对半导体调温组件模块转动方式作了详细的设计说明，由于采用直流电环供电，且转动的速度较低，因此在转动中的通电不会受到任何影响，可以有效改变现有半导体空调难以实现冷热模式转换的问题，具有很好的商业实用价值，从而实现真正的“绿色”空调。
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