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信息科学与工程学院
《半导体物理》
课程辅导教案
信息科学与工程学院
关于教案的几点说明：
教案的基本内容：包括课程的课程重点、课程难点、基本概念、基本要求、参考资料、思考题和自测题、教学进度及学时分配。
计划学时：本专业有两个专业方向，光电子技术方向72学时，微电子技术90学时。
教学内容：根据光电子、微电子两个专业方向后续课程的需要及参加研究生入学资格考试应掌握的基本知识，两个专业方向的教学内容及学时分配有所不同，第一章至第七章及第十二章，微电子用75学时，光电子用60学时。第八章微电子15学时，第九、十章光电子12学时。
教材：采用高等学校工科电子类（电子信息类）规划教材《半导体物理学》，由刘思科、朱秉升、罗晋生等编写。本教材多次获奖，如全国高等学校优秀教材奖、电子类专业优秀教材特等奖、普通高等学校教材全国特等奖。
参考资料（书目）
叶良修（北大）《半导体物理学》
刘文明（吉大）《半导体物理学》
顾祖毅（清华）《半导体物理学》
格罗夫（美）A.S.Grove《半导体器件物理与工艺》
王家骅（南开）《半导体器件物理》
施敏（Sze.S.M美）《半导体器件物理》
施敏（Sze.S.M美）《现代半导体器件物理》
半导体中的电子状态 光14学时 微14学时
半导体中杂质和缺陷能级 光4学时
半导体中载流子的统计分布 光10学时 微12学时
半导体的导电性（载流子的输运现象） 光6学时
非平衡载流子 光10学时 微13学时
p－n结 光7学时
金属和半导体接触 光6学时
半导体表面和MIS结构 微15学时
异质结 光4学时
半导体的光学性质和光电与发
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-> 半导体气敏传感器
1)&&semiconductor gas sensor
半导体气敏传感器
Aging and sudden "damage" maybe disable a semiconductor gas sensor.
半导体气敏传感器的老化与意外“伤害”可能致使传感器失效,为提高检测的可靠性,提出了一种新的的传感器故障诊断方法。
In order to reduce the disaster accidents occurred by the gas explosion in small and medium mines in China,the N type semiconductor gas sensor with SnO2 as the main basic material had an excellent sensitive feature of the methane and other easy combusted and easy explosive gas.
为了减少我国中小型煤矿因瓦斯爆炸而引发的灾难事故,利用以SnO2为主要基体材料的N型半导体气敏传感元件对甲烷等易燃易爆气体具有良好的敏感特性,采用QM-N5型半导体气敏传感器,检测该传感器在不同瓦斯浓度下输出电阻值的变化,并设计了以AT89C51数字芯片为核心的电路处理硬件结构,对输入电阻值进行逻辑判断和分析,从而实现对瓦斯浓度超限的监控与报警。
2)&&oxide semiconductoring gas sensor
氧化物半导体气敏传感器
3)&&semiconductor gas sensor
半导体气体传感器
Programmable calibration system for semiconductor gas sensors;
用于半导体气体传感器的程控标定系统
An automated test system for semiconductor gas sensors is constructed in this thesis.
本文组建了一套用于半导体气体传感器的自动测试系统。
In this design,a simple and cheap gas leakage detector is designed to correctly test the dangerous gas leakage,which is based on the semiconductor gas sensor,combining with the 7805 and LM324 chips.
以半导体气体传感器为核心,结合7805和LM324,设计了一种简易廉价并且能够准确检测泄漏气体的危险气体泄漏报警器。
4)&&organic semiconductor gas transducer [sensor]
有机半导体气体传感器
5)&&semiconductor sensor
半导体传感器
6)&&semiconductor sensors
半导体传感器
补充资料：半导体压力传感器
&&&&　　由半导体压力敏感元件构成的传感器。对压力、应变等机械量进行信息处理的必要条件是把机械量转换成电学量,这种机-电变换装置就是压力传感器。半导体压力传感器可分为两类，一类是根据半导体PN结（或肖特基结）在应力作用下,I-υ特性发生变化的原理制成的各种压敏二极管或晶体管。这种压力敏感元件的性能很不稳定，未得到很大的发展。另一类是根据半导体压阻效应构成的传感器，这是半导体压力传感器的主要品种。早期大多是将半导体应变片粘贴在弹性元件上，制成各种应力和应变的测量仪器。60年代，随着半导体集成电路技术的发展，出现了由扩散电阻作为压阻元件的半导体压力传感器。这种压力传感器结构简单可靠，没有相对运动部件，传感器的压力敏感元件和弹性元件合为一体，免除了机械滞后和蠕变，提高了传感器的性能。　　　　半导体的压阻效应 　半导体具有一种与外力有关的特性，即电阻率（以符号ρ 表示）随所承受的应力而改变，称为压阻效应。单位应力作用下所产生的电阻率的相对变化，称为压阻系数,以符号π表示。以数学式表示为　　墹ρ/ρ＝πσ　　式中σ 表示应力。半导体电阻承受应力时所产生的电阻值的变化(墹R/R)，主要由电阻率的变化所决定，所以上述压阻效应的表达式也可写成　　墹R/R＝πσ　　在外力作用下,半导体晶体中产生一定的应力(σ)和应变(ε)，它们之间的相互关系，由材料的杨氏模量(Y)决定，即　　　　　　　　　　　　Y＝σ/ε　　若以半导体所承受的应变来表示压阻效应，则是　　　　　　　　　　　　墹R/R＝Gε　　G 称为压力传感器的灵敏因子，它表示在单位应变下所产生的电阻值的相对变化。　　　　压阻系数或灵敏因子是半导体压阻效应的基本物理参数。它们之间的关系正如应力与应变之间的关系一样，由材料的杨氏模量决定，即　　　　　　　　　　　　　G＝πY　　由于半导体晶体在弹性上各向异性，杨氏模量和压阻系数随晶向而改变。半导体压阻效应的大小，还与半导体的电阻率密切有关，电阻率越低灵敏因子的数值越小。扩散电阻的压阻效应由扩散电阻的晶体取向和杂质浓度决定。杂质浓度主要是指扩散层的表面杂质浓度。　　　　压力传感器的结构 　常用的半导体压力传感器选用N 型硅片作为基片。先把硅片制成一定几何形状的弹性受力部件，在此硅片的受力部位，沿不同的晶向制作四个P型扩散电阻,然后用这四个电阻构成四臂惠斯登电桥，在外力作用下电阻值的变化就变成电信号输出。这个具有压力效应的惠斯登电桥是压力传感器的心脏，通常称作压阻电桥（图1）。压阻电桥的特点是：①电桥四臂的电阻值相等（均为R0）；②电桥相邻臂的压阻效应数值相等、符号相反；③电桥四臂的电阻温度系数相同，又始终处于同一温度下。图中R0为室温下无应力时的电阻值;墹RT为温度变化时由电阻温度系数(α)所引起的变化；墹Rδ为承受应变(ε)时引起的电阻值变化；电桥的输出电压为　　u＝I0墹Rδ＝I0RGδ　 (恒流源电桥)　　式中I0为恒流源电流，　　或　　　 　 (恒压源电桥)　　式中 E为恒压源电压。压阻电桥的输出电压直接与应变(ε)成正比，与电阻温度系数引起的RT无关,这使传感器的温度漂移大大减小。　　　　半导体压力传感器中应用最广的是一种检测流体压力的传感器。其主要结构是全部由单晶硅材料构成的膜盒（图2）。膜片制成杯状,杯底是承受外力的部分，压力电桥就制作在杯底上面。用同样的硅单晶材料制成圆环台座，然后把膜片粘结在台座上。这种压力传感器具有灵敏度高、体积小、固体化等优点，已在航空、宇宙航行、自动化仪表和医疗仪器等方面得到广泛应用。　　 　　
说明：补充资料仅用于学习参考，请勿用于其它任何用途。这是个机器人猖狂的时代，请输一下验证码，证明咱是正常人~半导体器件的建模、仿真与分析:大功率LED器件与半导体压阻器件的研究--《复旦大学》2014年博士论文
半导体器件的建模、仿真与分析:大功率LED器件与半导体压阻器件的研究
【摘要】：本论文主要研究两种半导体器件(大功率LED和有机半导体压阻器件)的仿真和分析技术：第一部分关于大功率LED器件的建模、仿真和热分析技术的解决方案；第二部分关于有机半导体器件的模型研究和计算仿真。其中第一部分的相关工作围绕大功率LED器件的结构—模型—散热问题展开实验和仿真开展工作,形成系统的器件分析方法和参数化仿真工具,并对器件散热问题进行研究。主要研究工作包括： (1)LED体系散热的理论研究,初步分析影响器件散热的材料、工艺等因素； (2)基于材料分析实验方法,分析和研究对大功率LED器件工艺,并且建立了适合跨尺度研究的器件分析和参数提取方案； (3)针对大功率LED器件的工艺因素—散热性能关系研究,基于开源软件开发了针对LED散热模型的参数化有限元仿真工具； (4)基于(3)中建立的数值仿真工具,分析了大功率LED器件中材料、工艺和缺陷等因素对LED散热的影响。具体包括对以下四个方面的研究：1.LED器件中散热问题的理论分析。在文献调研的基础上,根据LED器件封装的知识,我们对其散热机制进行了一般性理论分析。基于热阻网络模型,讨论了工艺界面因素在其中的重要影响,分析表明一些键合界面构成了LED散热体系的主要导热通道,而界面的几何缺陷可能使整体的热阻明显升高。应用正交网格的差分迭代法建立了含缺陷的2D界面的热传导模型,计算了缺陷对体系热阻上升的影响,结果表明热阻上升主要取决于缺陷的横向尺度和缺陷邻接区域的热阻。2.结构分析和参数提取解决方案。利用材料微分析手段,我们建立了一套系统的从无损分析到有损分析,从宏观(厘米尺度)到微观(微米尺度)的器件分析流程。基于该套方法,我们对一系列大功率LED器件进行分析,提取了结构参数、材料参数等,并且比较了不同产品工艺之间的异同。分析认为大功率LED器件结构中的键合界面可能对器件最终的散热能力有较大影响。实验中我们观察到金锡焊料键合界面存在的缺陷(Kirkendal缺陷),可能对器件整体散热性能有较大的影响。这部分研究中提取了一个典型LED器件的有关参数,是后续有限元热学仿真计算的数据基础。3.参数化有限元数值仿真解决方案。在比较了开源软件和商用软件的特点和差异后,我们选择拓展功能较好的开源软件二次开发。利用Python文本处理和回调技术实现了对类似LED器件多层(含薄膜)结构进行快速、准确地参数化建模,并对有限元求解器文档接口进行了定制,兼容了参数化计算。通过设计文件接口、控制求解流程,并建立了一套参数化有限元热分析解决方案的程序包。我们分析了参数化方法中的数值问题(稳定性、准确性和收敛性)以及物理参数对收敛行为的影响,并提出了变步长迭代法改进了LED器件恒流源下瞬态热传导模型的计算效率和数值稳定性的方法,计算结果表明变步长的迭代方法具有数值稳定性、收敛性和较高的计算效率。4.LED器件工艺与散热问题的仿真研究。基于第一部分的理论分析、第二部分的实验研究和第三部分的计算工具,我们对一个具有复杂工艺结构的倒装型大功率LED器件散热性能的研究(该器件的参数源于第二部分的实验研究)。研究认为(1)金凸点工艺的几何尺寸对器件整体散热能力相对有限； (2)研究了器件/外热沉之间硅脂导热和金属焊接方式下,不同散热鳍片数量等因素对器件结温的影响。计算结果表明,两种界面处理方式下,鳍片从12片到48片都能产生10度左右的结温降低；而采用金属焊接键合方式比导热硅脂粘结方式可以使结温降低10K甚至更多。 (3)金锡焊料界面中的缺陷可能在较大输入功率情况下对结温的提升有较大影响(4w时结温提升可达10度以上)。第二部分工作研究了有机半导体压阻器件的压阻特性。我们将通过纳米压痕实验测量和压阻测试获取Alq3和MEH-PPV的实验数据进行分析,发现压力增加导致有机半导体材料的电流饱和的现象。我们扩展了Miller-Abrahams模型,建立电流-应变(应力)方程分析了电学和力学等因素的影响。具体工作包括：1.物理建模。基于Miller-Abrahams模型,并在合理界面假设的情况下推广至界面处的载流子迁移行为,得到了具有电流饱和特性的电流-应变曲线以及相应的物理方程。该方程具有两种渐进行为,分别代表两种电流输运机制主导模式。当压力增加时,界面电荷注入能力受限,并且影响了附近的载流子分布,限制了电流继续增大,最终导致了电流饱和行为。2.薄膜的力学性质表征。即引入薄膜力学表征结果对压阻数据进行转换。我们利用测得的薄膜力学特性将压阻实验测得的电流-应力曲线转换为电流-应变曲线。分析认为薄膜自身的应力-应变性质的非线性性质不足以产生压阻薄膜的电流饱和现象。3.数值仿真。利用Monte Carlo数值仿真方法验证了压阻薄膜的电流-应变曲线。计算表明了在外压较高的情况下,能量不确定性不足以改变对数电流-应变曲线的线性特征。4.参数拟合。应用推导出的电流应变关系对实验数据进行参数拟合,结果表明实验与理论吻合度较好。
【关键词】：
【学位授予单位】：复旦大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2014【分类号】：TN312.8【目录】：
摘要8-11Abstract11-141 前言14-37 1.1 大功率LED器件简介14-28
1.1.1 LED简史14-16
1.1.2 LED器件的发光原理与制造工艺16-24
1.1.3 大功率LED器件热分析研究进展24-26
1.1.4 器件分析技术和数值计算方法26-28
1.1.5 界面问题28 1.2 有机半导体压阻器件28-30
1.2.1 背景和简介28-29
1.2.2 影响有机半导体电荷输运和压阻灵敏度的界面因素29
1.2.3 有机半导体压阻器件的研究方法29-30 1.3 研究内容和论文结构30-32 1.4 参考文献32-372 LED器件散热的理论分析37-56 2.1 热分析理论和物理模型37-39 2.2 热传导问题的一般方程39-40 2.3 影响LED结温的因素的理论分析40-48
2.3.1 结构因素40-42
2.3.2 非结构因素42-43
2.3.3 界面因素43-46
2.3.4 外部散热因素46-48 2.4 含缺陷界面的二维模型48-52
2.4.1 计算原理、方法和工具48-51
2.4.2 计算结果和讨论51-52 2.5 结论52-54 2.6 参考文献54-563 器件结构分析和参数提取解决方案56-88 3.1 材料表征技术简介56-58 3.2 大功率LED器件分析流程设计58-62 3.3 实验与分析62-84
3.3.1 大功率LED器件63-73
3.3.2 半导体激光二极管73-81
3.3.3 其他LED器件81-84 3.4 结论84-86 3.5 参考文献86-884 参数化有限元仿真解决方案88-128 4.1 有限元法简介89-96
4.1.1 有限元法基本思想和计算流程89-90
4.1.2 有限元软件90-92
4.1.3 有限元法求解热传导问题92-95
4.1.4 其他研究工具95-96 4.2 功能模块的设计与实现96-97 4.3 解决方案的整体设计97-107
4.3.1 计算环境的搭建98-101
4.3.2 建模器的参数化101-104
4.3.3 任务调度、程序接口以及解决方案的其他功能的设计104-107 4.4 数值特性的验证与分析107-117
4.4.1 收敛性验证108-112
4.4.2 迭代算法的影响112-114
4.4.3 变步长迭代对结果的影响114-117 4.5 LED器件参数化仿真中的计算问题117-125
4.5.1 材料参数的影响118-121
4.5.2 局部网格尺度差异的影响121-125 4.6 结论125-127
4.6.1 解决方案的软件优势和不足125
4.6.2 解决方案的数值特性125-126
4.6.3 解决方案的改进空间126-127 4.7 参考文献127-1285 大功率LED器件有限元热分析128-149 5.1 大功率LED器件的热仿真分析研究进展128-129 5.2 实验与仿真计算方法129-133 5.3 实验结果与讨论133-145
5.3.1 原始参数仿真与实测结果的比较133-134
5.3.2 网格收敛性验证134-135
5.3.3 核心功率的影响135-136
5.3.4 外部热沉的鳍片数量和外部键合方式的影响136-138
5.3.5 金凸点工艺的影响138-139
5.3.6 金锡焊料界面的影响139-141
5.3.7 金锡焊料层界面中缺陷的影响141-145 5.4 总结145-146 5.5 参考文献146-1496 有机半导体的压阻特性的建模与仿真149-171 6.1 研究背景149-151 6.2 器件结构和制备151-152 6.3 理论研究和计算方法152-161
6.3.1 Miller-Abrahams模型152-155
6.3.2 随机载流子仿真的Monte Carlo方法155-157
6.3.3 力学-电学耦合模型与界面注入限制157-161 6.4 器件的力学性质(纳米压痕实验)161-162 6.5 结果和讨论162-167
6.5.1 能量无序度对压阻特性的影响162-163
6.5.2 压阻器件的电流饱和效应163-167 6.6 结论167-168 6.7 参考文献168-1717 总结和展望171-1758 后记175-1779 附录177-218 9.1 大功率LED器件参数化有限元仿真解决方案的有关代码177-204
Ⅰ 参数化解决方案文档模板177
Ⅱ 参数化有限元软件解决方案主要源代码177-199
Ⅲ 第二章缺陷2D模型差分法计算Octave源代码199-204 9.2 有机压阻器件有关代码204-217
I 电流饱和特性的模拟204-205
II 计算能量无序度对压阻特性影响的程序源代码205-216
III 配置文件示例216-217 9.3 已发表SCI/EI等学术论文和其他学术成果217-218
I 第一作者论文217
II 其他论文217
III 有关专利217-218
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