关健词：Z-元件、光敏Z-元件、磁敏Z-元件、传感器
一、前言
光敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中[3]重要品种之一。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件也具有应用电路极其简单、体积小、输出幅值大、灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强等特点。能提供模拟、开关和脉冲频率三种输出信号供用户选择。用它开发出的三端数字传感器，不需要前置放大器、A/D或V/F变换器，就能与计算机直接通讯。该元件的技术参数符合QJ/HN002-1998的有关规定。
磁敏Z-元件是Z-半导体敏感元件产品系列中[3]第三个重要品种。它具有与温敏Z-元件相似的伏安特性，该元件体积小，应用电路极其简单，在磁场的作用下，能输出模拟信号、开关信号和脉冲频率信号，而且输出信号的幅值大、灵敏度高、抗干扰能力强。
光敏、磁敏Z-元件及其三端数字传感器，通过光、磁的作用，可实现对物理参数的测量、控制与报警。
二、光敏Z-元件及其技术参数
图1电路符号与伏安特性
1．光敏Z-元件的结构、电路符号及命名方法
光敏Z-元件是一种经过重掺杂而形成的特种PN结，是一种正、反向伏安特性不对称的两端有源元件。
表1、光敏Z-元件的分档代号与技术参数
名称
符号
单位
阈值电压分档代号
测试条件
T=20°C或25°C
10
20
30
31
阈值电压
Vth
V
<10
10~20
20~30
>30
RL=5kW
阈值电流
Ith
mA
£1
£15
£2
£3
RL=5kW
导通电压
Vf
V
£5
£10
£15
£20
RL=5kW
反向电流
IR
mA
£45
£45
£45
£45
E=25V
允许功耗
PM
mW
100
100
100
100
转换时间
t
ms
20
20
20
20
阈值灵敏度
Sth
mV/100lx
-80
-120
-150
-200
RL=5kW
阈值灵敏度温漂
DTth
%/100lx×°C×FS
>-4
RL=5kW
M1区灵敏度
SM1
mV/100lx
200
250
300
350
RL=Vth/Ith
M1区灵敏度温漂
DTM1
%/100lx×°C×FS
>-3
RL=Vth/Ith
反向灵敏度
SR
mV/100lx
>800
E=25V
反向灵敏度温漂
DTR
%/100lx×°C×FS
>-1
RL=510kW
图1（a）为结构示意图，图1（b）为电路符号。元件引脚有标记的或尺寸较长的为“+”极。
该元件的命名方法分国内与国际两种：
国内命名法：
国际命名法
响应波长代号：
1—0.4~1.2mm
2—0.2~1.2mm。
2．光敏Z-元件的伏安特性曲线
图1（d）为光敏Z-元件的的伏安特性曲线。在第一象限，OP段M1区为高阻区（几十千欧~几百千欧）。pf段M2区为负阻区，fm段M3区为低阻区（几十千欧~几百千欧）。其中Vth叫阈值电压，表示在T(℃)时Z-元件两端电压的最大值。Ith叫阈值电流，是Z-元件与Vth对应的电流。Vf叫导通电压，是M3区电压的最小值。If叫导通电流，是对应Vf的电流，也是M3区电流的最小值。在第三象限为反向特性，反向电流IR是在无光照时反向电压VR为25V时测量的，其值（微安级）很小。
3．光敏Z-元件的分档代号与技术参数
光敏Z-元件的分档代号与技术参数见表1。其分档代号按Vth值的大小排列。型号分二种，按其响应波长分。目前产品波长代号皆为1。
三、光敏Z-元件的光敏特性
1．无光照时光敏Z-元件正、反向伏安特性的测量
用遮光罩把光敏Z-元件罩上，即在无光照的情况下，利用图1(c)特性测量电路测量其正、反向伏安特性，测量电路与方法与温敏Z-元件相同[6]。
2．光敏Z-元件正向光敏特性
把Z-元件接在正向特性测量电路上，Z-元件放置在可变照度的光场中。测量时照度由小到大，每次递增100lx，用数字照度计校准，然后测量Z-元件的正向特性，记录不同照度时的Vth、Ith、Vf。从测试可知，光敏Z-元件的阈值点P(Vth,Ith)随着照度的增加，一直向左偏上方向移动如图2(a)，Vth随光照增加而增大，Vf变化较小。Vth、Ith与照度L的关系参看图3。
光敏Z-元件的正向特性还具有光生伏特现象，Z-元件的“正”极即光生伏特的“+”极。目前，光生伏特饱和电动势为200mV左右，短路电流随光照增强而增大。当照度为100lx~5000lx时短路电流为几微安至几十微安。
3．光敏Z-元件反向光敏特性
把Z-元件连接在反向特性测量电路中，并把Z-元件置于可变光场中。改变光场照度，用数字照度计校准，测量其反向特性，即反向电压VR与反向电流IR的关系。其特性如图2（b）。可以看出其反向电阻随照度增加而减小，反向电流随光照增强而变大。
四、光敏Z-元件的应用电路
光敏Z-元件有与温敏Z-元件相似的正、反向伏安特性，温敏Z-元件的应用电路，在理论上都适用于光敏Z-元件。考虑到光敏Z-元件的Vth、Ith、IR有一定的温漂，因此在光开关电路中，应当有抗温度干扰的余量，在模拟应用电路中，应采用具有抗温漂自动补偿电路。
1．M1M3转换，输出负阶跃开关信号电路［3］，［4］
负阶跃开关信号输出电路示于图4（a），工作过程的图解示于图4（b）。在无光照时，OP1为光敏Z-元件M1区特性，阈值点为P1（Vth1，Ith1），E为电源电压，以负载电阻值RL和电源电压E确定的直线（E，E/RL）交电压轴为E，交电流轴为E/RL。Q1为无光照时的工作点其坐标为Q1（VZ1，IZ1），输出电压VO1＝VZ1＝E-IZ1RL。我们选择合适的电路参数，使在照度为E2时，阈值点P1移至P2，并刚好在直线（E，E/RL）上，这时Q2与P2重合。光敏Z-元件开始进入了负阻M2区，Q2点在几微秒之内即达到了f点［5］，其坐标为f（Vf，If）。此时输出电压为VO2＝VOL＝Vf，输出端输出一个负阶跃开关信号。为了得到一个负阶跃开关信号，在照度为L2时，工作点Q2与阈值点Vth2重合，电路中各参数必须满足的条件可用下述状态方程描述：
E＝Vth2＋Ith2RL（1）
其中，负载电阻值RL一般为1~2kW，选择原则是，当在照度L2时，Z-元件工作在M3区，工作点Q2的电压为VZ2＝Vf，电流为IZ2＝If，电压与电流之积为VfIf＝P，并且P≤PM≤50mW。即在功耗不大于50mW的情况下，选择较小的RL，这个开关信号的振幅为DVO：
DVO＝Vth2-Vf（2）
公式（1）告诉我们为了要得到负阶跃开关信号，E、Vth2、Ith2三者之间的关系。这时还要考虑以下几个问题：
（1）从图3（a）知道照度L越大，Vth越小，Ith越大，IthRL也越大，DVO将下降，以至会发生因振幅过小满足不了要求的情况；另一方面，过大的照度也是不经济的。也就是说，照度选择要适当。
（2）在应用的范围内，在无光照不输出负阶跃开关信号的情况下，工作点Q1选择应尽量偏右，这样有利于减小监控或报警照度。
（3）供电的直流电源应是一个小功率可调电源。在照度L2监控或报警时，其值应与（1）式计算值相等。
2．反向应用输出模拟电压信号
Z-元件反向电流极小，呈现一个高电阻(1~6MW)，这个电阻具有负的光照系数，并在较高电压(30~40V)下，不发生击穿现象。图5为反向应用电路及工作状态解析图。可以看出在无光照时，L1=0，工作点为Q1（VZ1，IZ1），输出电压为VO1，则：
VO1=E-VZ1=E-IZ1RL
当光照为L2时，伏安特性上移，工作点由Q1移至Q2（VZ2，IZ2），输出电压为VO2，则：
VO2=E-VZ2=E-IZ2RL
反向光电压灵敏度用SR(mV/100lx)表示：
(3)
3．M1M3，M3M1相互转换，输出脉冲频率信号
该电路仅需三个元件，用一个小电容器与Z-元件并联，再串联一负载电阻RL，即可构成光频转换器，如图6所示，达到了用光敏Z-元件实现光控脉冲频率的目的。与温敏Z-元件脉冲频率电路相同，在无光照时，电源通过RL对电容器充电，当VC<Vth时，Z-元件工作在M1区，当VC≥Vth时，Z-元件迅速由M1区经M2区工作在M3区。M3区是低阻区，电容器迅速通过Z-元件放电，当放电至VC≤Vf时，Z-元件脱离M3区回到M1的高阻区，电源通过RL重新对电容器充电，如此周而复始重复上述过程，由输出端输出后沿触发的脉冲频率信号。信号频率用f表示：
(4)
t≈RLC
从式(4)可以看出，光照越强，Vth越小，而Vf基本不变，因而频率上升的越高。在弱光和强光下，Vth灵敏度较低，所以频率灵敏度也较低，在300~1000lx有较高频率灵敏度。RL值选择范围是8.2kW~20kW，C选择范围是0.01mF~0.22mF，E应为(1.5~1.8)Vth。数值小的电容器振荡频率较高，也有较高的频率灵敏度，电源电压的范围较窄；数值较大的电容器振荡频率较低，频率灵敏度也较低，但电源电压范围宽。
五、光敏Z-元件特性与应用电路总结
光敏Z-元件的伏安特性与温敏Z-元件的伏安特性是极为相近的，前者的光特性与后者的温度特性也非常相似［6］。
Z-元件的特性及应用电路可以概括为：一个特殊的点，即阈值点P（Vth，Ith），该点的电压灵敏度为负，电流灵敏度为正。有二个稳定的工作区，即高阻M1区，和低阻M3区。在VZ<Vth时，工作在高阻M1区，在VZ≥Vth时，迅速越过负阻M2区，工作在低阻M3区，当VZ≤Vf时，又恢复到高阻M1区。有三个基本应用电路，即开关电路，反向模拟电路和脉冲频率电路。有四个主要参数：即Vth、Ith、Vf、IR。
上述三个基本应用电路参看表2-1、表2-2、表2-3。表2-4是表2-1中RL与Z-元件互换位置后构成的正阶跃开关电路与输出信号波形；表2-5是表2-2中RL与Z-元件互换位置后构成的NTC电路。
光敏Z-元件的电参数中Vf的温度系数稍小，Vth、Ith、IR三个参数的温度系数稍大。在要求较高的场合，应当采用电路补偿或元件补偿，使之满足设计要求。
六、光敏Z-元件应用示例
2009年，我国芯片产值较2008年增长25%，达到23亿元；LED封装产值为204亿元；半导体照明应用在摆脱金融危机的影响后，逆势增长30%以上，达到600亿元。2009年我国LED产业总规模共计827亿元！ 2009年是我国半导体照明产业内外环境发生变化的一年。从产业环境来看，国内外影响产业环境的大事件不断，半导体照明与当今世界的社会和经济发展联系愈加紧密，机遇和挑战并存；从产业本身来看，国内外技术不断突破，新的应用迅速发展，相关扶持政策逐步出台，产业竞争在技术、市场、产品等层面均出现了新的形态；从产业发展趋势来看，我国半导体照明产业发展机遇明显大于挑战，整体产业环境和产业竞争进一步完善，产业发展前景更加明朗。 2009年也是我国半导体照明产业发展波动较大的一年。第一季度，受到2008年金融危机导致出口下降的持续影响，产业发展缓慢，部分企业经营困难甚至倒闭。从第二季度开始，随着我国“十城万盏”应用示范工程的推进和国内外市场形势的好转，半导体照明产业开始企稳回升，成为最先摆脱金融危机影响的产业之一。下半年，我国半导体照明产业形势继续好转，在节能减排和低碳经济概念的推动下，半导体照明开始成为热点产业。 2009年，受到芯片需求快速增加的影响，我国外延芯片产能增加迅速。据统计，国内从事LED芯片生产的企业超过40家，企业的MOCVD拥有量超过150台，其中已经安装的生产型GaNMOCVD超过135台，生产型四元系MOCVD18台左右，国内科研院所的研究型设备也有所增加。各企业的外延芯片投资计划进一步加快，据初步统计，计划中的设备在100台左右，其发展大大超出2009年初预计。 2009年，我国芯片产值增长25%达到23亿元，与2008年的26%的增速基本持平。2009年国产GaN芯片产能增加非常突出，较2008年增长60%，达到22.4亿只/月，而实际年产量增加40%，达到182亿只，国产率也提升到了46%。国产芯片的性能得到较大提升，在显示屏、信号灯、户外照明、中小尺寸背光等高端应用获得认可，大功率芯片的性能和产量也得到很大提升。2009年，随着金融危机的影响逐步减弱和企业经营状况的迅速好转，国内芯片企业在2009年获得了一个较好的经营环境，预计未来几年，国内芯片产能和企业经营状况仍将处于一个快速的提升过程之中。 2009年，我国LED封装产值达到204亿元，较2008年的185亿元增长10%；产量则由2008年的940亿只增加10%，达到1056亿只，其中高亮LED产值达到186亿元，占LED总销售额的90%。同时从产品和企业结构来看国内也有较大改善，SMD和大功率LED封装增长较快。 2009年，我国半导体照明应用在摆脱金融危机的影响后取得了较快的增长，整体增长30%以上，产值达到600亿元。LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明、消费类电子背光、信号、指示等作为主要应用领域，增长较为平稳。在LED-TV加速应用的背景下，我国LED大尺寸背光应用取得了重要进展，主要电视品牌均推出了LED背光电视，并作为今后几年的重点开发和推广产品。在我国“十城万盏”应用示范工程的带动下，LED路灯等道路照明、LED射灯等室内照明应用发展迅速。LCD背光和照明在2009年的增长明显，正在逐步成为我国半导体照明的主要应用领域。2009年半导体照明应用构成如下表所示。
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]Donald Neamen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.
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：
【关键词】半导体物理学；教学模式改革；教学方法创新
【Abstract】Based on the considering of present teaching mode for semiconductor physics and the feedback of teaching effect，we present several conceptions about the reformation and innovation in the education of semiconductor physics.Blending the experimental teaching into theory course， useing multi-media and numerical simulation software，replacing the force-feeding teaching mode with research teaching model，to improve students' learning interest and efficiency and train the capacity of solving the practical problem by applying the knowledge of semiconductor physics.
【Key words】Semiconductor physics；Teaching mode reform；Teaching method innovation
自第一块基于半导体材料设计的晶体管从贝尔实验室诞生以来，人们借助半导体器件已经设计出了各种各样的微电子器件满足人们生产、生活的各种需求，人类从此进入了飞速发展的微电子时代。随着半导体物理的发展和加工技术的进步，微电子器件在尺寸上更加小型化和功能上更加多元化，集成电路上可容纳的微电子元件每18个月可以翻一番，这一规律也被人们称之为“摩尔定律”[1]。在半体材料和功能器件飞速发展的今天，人们对半导体物理的基础知识学习显得更加重要。因此，国内大多数理工科高等院校都开设了半导体物理学课程，为学生将来走进以半导体物理为基础的公司和企业工作打下理论基础。然而，半导体物理学课程由于其涉及内容范围广、知识点甚多、公式推导复杂以及内容系统性强等原因使得学生在学习过程中会产生恐惧、厌学等情绪。另外，由于该学科领域是国际科学研究热点之一，研究领域不断扩展，知识快速更新，新的理论和知识不断涌现。因此，教授半导体物理学课程的教师应该在教材内容的基础上，采取更直接、形象的教学方法向学生阐释半导体物理的基础知识，并结合当今该领域的科学研究前沿向学生展现该领域的发展趋势，提高学生对半导体物理学的学习兴趣，促进学生知识的积累和思维的发展，培养学生利用半导体材料设计电子器件、搭建集成电路的技能。笔者结合近一年来对半导体物理学课程的讲授与教学效果的反馈提出几点关于半导体物理学课堂教学改革和创新的构想。
1 半导体物理学课堂教学的现状
1.1 理论与实验课程结合不充分
目前，大多数高等院校所开设的半导体物理学理论课程与实验课程是相分离的并由不同任课教师讲授。另外，理论课程与实验课程在开课的时间上也不一致，通常是理论课程的老师讲授完所有相关课程以后，学生再去实验室随实验指导教师完成实验学习，理论与实验课程在时间上一般相差半个学期。这样的安排会导致两方面的问题：第一，理论课程与实验课程教师的不统一。理论课程的教师仅仅完成理论部分的教学任务，不能从学生的角度考虑实验教学对理论基础的补充对学生理解理论内容的作用。同时，实验指导教师也仅仅考虑自己在实验教学过程中应该完成的教学任务，并不能与理论课程教师进行很好地沟通，在教学效果上不能产生合力作用。第二，理论课程与实验课程时间的不统一。理论课程的教学时间与实验课程的教学时间相差半个学期导致学生在理论学习过程中所产生的疑问和想法很难及时的在实验中解决和证实。学生很难将学到的知识及时运用到实际的应用中，这不仅降低了学生学习的兴趣也影响了学习的效率。
1.2 多媒体教学工具运用不充分
半导体物理学课程因具有理论性强，物理概念抽象，物理过程难以观察等特点。因此，授课教师应该设计一些课程动画以让学生直观感受半导体材料中难以观察到的物理过程，深刻理解物理概念。然而，很多高等院校虽然开设了半导体物理课程，但是大多数教师依然是网上搜索下载别人的课件，或者仅仅是复制一些课本上的文字内容以及少数的图表内容，很少有授课教师花时间将一些半导体物理过程，如载流子浓度、费米能级随温度及掺杂浓度的变化等用动画形式向学生展示。笔者了解到，半导体物理学课程授课教师以课件向学生展示文字和图表信息和以板书形式向学生展示物理公式推导过程所得到的教学效果并不理想。老师花了很多时间推导公式，讲解公式得到的结论和物理意义，然而学生往往不能透彻理解和体会，得到的教学效果往往事倍功半，学生的学习兴趣也可想而知。
关键词 半导体器件物理 应用型本科院校 课程改革
中图分类号：G420 文献标识码：A
Semiconductor Device Physics Curriculum
Reform in Applied Undergraduate Institute
XU Mingkun
(Department of Physics and Electronics, Caohu University, Caohu, Anhui 238000)
Abstract The semiconductor device physics is a very important course of the microelectronics professional. Departure from the practice of classroom teaching, for the problems in the current teaching process, combine the characteristics of applied undergraduate college students, explore the reform "Physics of Semiconductor Devices" classroom teaching, stimulate students' enthusiasm for active learning; and effectively, make students in the classroom for better learning results, and lay a good foundation for subsequent courses. Practice shows that our exploration has achieved good teaching effect.
Key words semiconductor device physics; applied undergraduate institute; curriculum reform
0 引言
自从第一个半导体点接触式晶体管发明以来，以集成电路（IC）为核心的微电子技术得到了迅速发展，开创了人类的硅文明时代。由于微电子技术发展迅速，对专业人才的培养提出了新的要求。①《半导体器件物理》是微电子学及电子科学与技术专业必修的一门专业基础课，讨论半导体器件的结构、基本工作原理、电学特性、器件的特殊效应以及器件的基本分析方法。通过该课程学习，可为学生后续专业课如《集成电路设计》以及《集成电路工艺》等的学习打下理论基础，是学习本专业其他专业课程以及从事IC设计工作的基础。
1 教学中遇到的问题
半导体器件物理特点为理论性强、枯燥、晦涩难懂，而且要求学生对前期知识尤其是对半导体物理基本知识熟练掌握。对于应用型本科院校来说，学生基础相对薄弱，自学能力也相对不足。因此使得教学过程中教师“教”与学生“学”之间不能实现良好的衔接。在教授基本理论的同时应该更重视学生实践能力的培养。传统的教学理念以教师讲课为主，实行的是“填鸭式”的灌输教育，教学手段单一僵化，完全无视学生的学习主动性和个体特点，加上大部分学生对理论性很强的专业课热情不足，很难取得预想的教学效果。现代半导体器件发展迅速，但是半导体器件物理教材仅仅有基本原理和基本特性，不能覆盖该行业最新的发展动态，也很难引起学生学习的兴趣。鉴于此，有必要对半导体器件物理课程进行改革。
2 半导体器件物理教学改革初探
2.1 教师的相关知识储备
现代高校教师应该具有“基础精深，专业宽新”的教学理念，即要求教师对该课程及相关课程有深厚的知识储备，对该课程的理论体系有系统的掌握。同时对与该课程相关的科技前沿有足够的了解和认识，并且对学生先期的知识储备情况有充分的了解。能根据学生的具体情况对课程内容进行处理。在基本理论的讲解上要详细透彻，对重难点反复讲解。例如能带在整个半导体器件中的作用非常重要，这就要求学生能够熟练掌握各个半导体器件的能带图。因此，在半导体器件的各个章节都重点强调能带的作用。并且把每种器件的能带图作为重点内容反复强调。在专业课教学中，更应在理论知识够用的前提下，着重培养学生的实践能力，使学生对于本专业领域具有扎实的理论基础、广阔的知识面和较强的实践能力。为了增强学生的学习兴趣,在绪论部分可以增加对晶体管发明历史的介绍，讲述电子器件从电子管到晶体管的发现，新器件产生的辩证发展过程。并融入一些科学研究方法，同时在课程教学中可以穿插介绍一些科学家的轶闻趣事，以知识性和趣味性增加学生对本课程历史的认识、对半导体器件的感性和理性认识，提高学生对本课程学习的兴趣。②
2.2 引入多媒体教学开发教学动画课件
随着计算机技术的发展，多媒体教学已成为现在学校必不可少的教学手段。比起以往的黑板粉笔教学有着独特的效果，多媒体教学可以形象直观地把所讲内容展现给每一个学生，有利于学生对知识的掌握。因此，运用多媒体技术上课是大势所趋。上课过程中可以播放一些和教材内容相关的视频讲座来提高学生的学习兴趣，还可以让学生了（下转第218页）（上接第209页）解最新的科技前沿。
半导体器件内部机制变化非常抽象复杂，利用Flas可以形象直观地把这些抽象的变化过程反映出来。③将抽象理论知识动起来，加深学生对理论知识的深刻理解。例如制作PN结的形成过程、PN结能带形成的动画、双极型晶体管载流子的传输以及各电流形成的Flas、MOS结构中多子的积累、耗尽、弱反型、强反型等形成的动画等。能使学生在视觉上直观感受其物理过程所发生的变化，还能进一步加深对该过程中一些物理量的理解。
2.3 结合最新科技前沿引入讨论课
在讲解基本理论的同时，结合自己的科研成果，把当前最新的科学技术成果介绍给学生，还可以就某一学生感兴趣的课题进行讨论。同时介绍科技论文的查阅方式和方法，让学生课外通过互联网等各种渠道获取一些新近发展状况。专门安排讨论课，让学生对自己掌握的信息进行交流讨论。比如，在讲解场效应管时，可以让学生查阅此类半导体器件最新的技术、发展瓶颈和发展趋势，并就此类问题进行讨论。在讲授太阳能电池时，可以让学生收集日常生活中应用较为广泛的太阳能电池实例，并就当前的环境污染、能源危机等话题展开讨论，从而让学生对太阳能技术有更深刻的认识。在讲授发光二极管时，可就当前热门的LED背光源电视与传统的LCD电视比较，找出其特点及优点。但是要强调现在的LED背光源电视与真正的LED电视还有相当大的差距，让学生根据此类问题收集相关资料，并进行讨论。这样的教学不但锻炼了学生的自学能力，激发兴趣，做到与时俱进，还可以让学生了解到最新的科技前沿，为其以后的发展打下良好的基础。
2.4 拓展实验课程
半导体器件物理是实验和理论相结合的课程。通过开设实验课程，可以让学生自己动手把所学到的理论知识运用到实践中来。同时还可以把一些简单的验证性实验拓展为综合性设计性实验。例如四探针测量方块电阻的同时让学生自己结合所学知识设计计算掺杂浓度，晶体管特性参数及曲线测试实验中，为学生提供一些不合格的晶体管，让学生自己判断分析晶体管的缺陷。半导体器件仿真是现代半导体技术中非常重要的组成部分，由于大三学生已经学过MATLAB相关课程，因此可以开设半导体器件仿真实验，让学生自己编写程序对各种器件进行简单的仿真。虽然许多计算也可以借助另外的数学工具软件来完成，但是从MATLAB应用的广泛程度而言， 熟练掌握MATLAB对学生的进一步深造或就业等都将是非常有益的。这样不仅验证理论知识，还拓展了课堂内容。既激发了学生学习该课程的兴趣，还提高了学生的分析问题解决问题的能力。
3 总结
半导体器件物理是微电子专业非常重要的课程，本文从课堂教学实践出发，针对目前教学过程中存在的问题与不足，结合应用型本科院校学生特点，探索改革“半导体器件物理”课堂教学，激发学生主动学习的积极性；并有效地多渠道、多方面使学生在课堂中获得较好的学习效果，为后续课程的学习打下良好的基础。实践表明，我们的探索取得了良好的教学效果。
注释
① 汪慧兰.微电子技术课程设置与改革初探[J].内蒙古电大学刊,2008(11):100-101.
关键词：
制冷半导体；泡沫金属；交叉风道；制冷系统
中图分类号：
TB
文献标识码：A
文章编号：16723198（2013）21019702
0引言
随着电子集成技术的快速发展，电子器件也朝着小型化、轻量化、智能化方向迈进。然而，集成电子器件的小型化在增加功率密度的同时其散热量也越来越大，传统的冷却技术已很难满足其冷却要求，所以研究高热流密度的电子元件散热尤为重要。本文提出一种风冷散热方法，即在半导体制冷技术的基础上，结合泡沫金属散热器，设计制冷系统并通过实验模型对其制冷效果进行测试。
1理论基础与实验装置
半导体制冷片是一个热传递工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻，当电流经过时会产生热量，影响热传递。两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，两种热传递的量相等时，正逆向热传递相互抵消，此时冷热端的温度就不会继续发生变化。因此为了达到更低的温度，可采取散热等方式降低热端温度。
泡沫金属是孔隙度达到90%以上，具有一定强度和刚度的多孔金属材料。这类金属材料透气性高，孔隙表面积大，材料容重小。当气流穿过时拥有较大接触面积，利于换热。
制冷由半导体制冷片实现，考虑到半导体制冷片冷面与散热对象不能直接接触，且冷面的冷量向空气的自然对流传热效果不显著，故将其贴于泡沫金属表面，增加换热面积，达到强化冷量交换效果。制冷半导体和泡沫金属之间由硅脂粘结，减小接触热阻。部分气流带走冷量，形成冷风并对目标散热，热面也同样由气流带走热量排入环境。
实验用交叉连接双风道，其中一个用于导出冷风，一个用于导出热风。在冷热风道入口各对接风机以提供气流，并在加工风道时留下必要的测量空、安装孔等。
制冷半导体通电时产生温差，经过冷面的空气流被冷却成为冷风，经过热面的空气流对其降温并由热风道排出。热面温度越低，冷面温度则越低，冷却效果越好。冷风道出口处布有4个对称温度测点（实验中记为T5，T6，T7，T8，单位℃），4个风温计对称布置测出口风温，而进口风温由环境温度确定。安置风速仪进行出口处风速测量。另外与半导体冷面接触的泡沫金属表面布置中心对称的4个测点，将4个热电偶点焊在铜板上，用于测量泡沫金属底面所焊铜板温度，通过吉士利数据采集系统进行采集，采集100次，并分别取平均（实验中记为T1，T2，T3，T4，单位℃），用于计算制冷的相对换热系数。
此模型的冷风道温度场数值模拟结果：环境温度为298K（25℃），其中在400mm*100mm*40mm的模拟冷风道内，半导体制冷片工作在12V，6A的额定条件下，泡沫金属材料为铜，尺寸为100mm*100mm*40mm，且为5个ppi。从结果中可以肯定制冷的理论效果。
2实验过程
2.1实验器材
有机玻璃交叉风道1个，全铜芯80W调速离心风机2个，制冷半导体（额定工作条件12V，6A）50mm*50mm个，电子风速仪2个，电子风温计4支，玻璃温度计1支，铜质泡沫金属若干，PC机，铜康铜热电偶，冰瓶，吉士利2700数据采集系统，数据采集卡，线性稳压电源等。
2.3实验步骤
按设计搭建试验台，读取室温Ts（℃），为26.5℃。
风机由220V电源带动，制冷半导体由线性稳压电源供电，风速仪分别位于冷、热风道出风口处，测得风速V1（m/s），V2（m/s）。
保持热风道风机风速V2不变，调节制冷半导体的工作电压U或电流I，调节冷风道风机风速V1，依次读取T1～T8；再改变V2，调节制冷半导体的工作电压或电流，调节冷风道风机风速V1，依次读取T1～T8；如上重复，其中V2分别为0.5m/s，1.0m/s，2.0m/s，3.0m/s，4.0m/s，V1分别为0.5m/s，1.0m/s，1.5m/s，2.0m/s，2.5m/s，3.0m/s，3.5m/s，4.0m/s，（U，I）分别为（1.4V，1.0A），（3.1V，2.0A），（46V，3.0A），（6.3V，4.0A），（8.2V，5.0A）..
冷风道出口平均温度Tb=（T5+T6+T7+T8）/4，半导体冷面接触的泡沫金属底面铜板平均温度Ta=（T1+T2+T3+T4）/4；由公式h*ΔTa*S=Q=Cp*（m/t）*ΔTb，计算制冷功率Q及相对换热系数h，其中等式左边为冷面换热功率，右边为由空气冷却算出的制冷功率。S–泡沫金属底面面积，ΔTa=Ts-Ta，h为以S为换热面积的实际换热系数，Cp为空气室温下比热，取1.004KJ/
从图2～图4中得出，随着冷风道风速越低，出口风温越低，冷却效果越好。制冷片功率的越高，冷风道出口风温越低，但当功率达到实验最大时冷风道出口风温又会升高，因为热面的散热条件有限，温度升高，冷面的温度也相应回升。
由于实验受仪器、环境等影响，曲线虽有一定波动，但总体结论为随热风道风速V2的上升，冷风道出口风温Tb下降，冷却效果好。
经过实验数据计算，可得到以S为换热面积的冷面实际换热系数h，制冷功率Q，制冷半导体功率W。对数据分析得知，当仅改变冷风道出口风速流量，即q增大，则出口风温上升，制冷功率Q上升；当仅改变冷半导体功率，即W增大，则出口风温下降，制冷功率Q上升；当仅改变热风道风速，即V2增大，则出口风温下降，制冷功率Q上升。以S为换热面积的冷面实际换热系数h，h随V1增大而增大，随V2增大而增大；但当制冷半导体功率W增大，h逐渐减小。
实验中制冷功率Q最高值是在V2=3m/s，U=6.3V，I=4A，V1=4m/s状态下测得，证明制冷功率需综合考虑散热条件是否满足所对应功率、气流质量流量大小、散热风速等各种因素。
4结论
本文设计了运用泡沫金属半导体制冷系统的实验原型，根据实验效果，统计分析数据，得出如下结论：
（1）相同情况下，冷风风速越低，出口风温越低；制冷半导体电功率越高，出口风温越低；热风道风速上升，冷风道出口风温下降。
（2）相同情况下，冷风道出口风速增大，出口风温上升，制冷功率Q上升；冷半导体功率W增大，出口风温下降，制冷功率上升；热风道风速增大，出口风温下降，制冷功率上升。
（3）以S为换热面积的冷面实际换热系数h随V1增大而增大，随V2增大而增大；制冷半导体功率增大，h逐渐减小。
（4）对于较低制冷功率，可选择较低的冷风风速，较高的热风风速和电功率；对于较高制冷功率，则选择较高的冷风风速及热风速，较高电功率。
参考文献
[1]杨建敏.冷散热半导体制冷系统性能分析及实验研究[D].南昌：南昌大学，2009.
[2]唐应茂.泡沫金属矩形通道中对流换热的实验和模拟[J].中国电机工程学报，2010，30（14）.
[3]刘晓丹，冯妍卉，杨雪飞，张欣欣.泡沫金属矩形通道中对流换热的实验和模拟[J].中国电机工程学报，2010，（14）.
20世纪80年代后期，他在江苏油田高级技校（江苏石油学校、江苏油田技师学院）组织“向导教学法”课堂教学改革实验，提倡“学生是主体，教师为向导”新教育指导思想，1992年教改实验报告呈江苏省劳动厅。
目睹我国八十年代后期出现贫困青少年失学严峻态势，1996年张俊杰建议国家教委王明达副主任创办新型半工半读教育，论文《半工半读学校是我国失学青少年的希望》转基础教育司传阅。
为全面推进素质教育，1998年张俊杰返江苏油田技校制定《向导教育实验方案》，力促扩大和深化学校整体教改实验。30余篇教改论文相继发表，其中《新世纪教育构想》在CIES网页展示，应邀请赴华盛顿出席“北美国际与比较教育学会第45届年会”并被安排发言；《向导教学法初探》也为WCCE采用，2001应邀请赴韩国教育大学出席“第11届世界比较教育大会”与各国学者交流论文，并受到联合国亚太地区主任周南照教授接见，详阅其半工半读自力求学文章。
张俊杰2001年7月返西安植物园同秦官属教授商议筹办新型半工半读学校，2002年应邀出席北师大“世界比较教育论坛”，得到唐山朋友李良、刘炳星和北师大博导郭齐家教授帮助，向全国人大和政协提交《西部开发在老少山边穷地区通过半工半读自力求学优先实现普及中等职业技术教育》议案，继在强国论坛、中华网论坛、虹桥论坛、（苏州）教育在线论坛、千乡万才论坛、中国教育在线论坛、人民教育杂志论坛等国内外数十家网站论坛，广泛宣传新型半工半读教育并与学者和教师展开讨论。
这是一项惠及发展中国家广大民众功德无量的好事，不仅关系我国农村剩余劳动力转移和三农问题解决，而且是现代化教育“产学研”相结合的必由之路。所以张俊杰建议李博士联络朋友领衔在欧洲组建“海外中华半工半读自力求学基金会”，宣传和募集华人捐款以促进我国西部进而援助亚非拉地区发展新型半工半读教育事业。
2005年10月28日国务院关于《大力发展职业教育的决定》明确规定：“逐步建立和完善半工半读制度，在部分职业院校中开展学生通过半工半读实现免费接受职业教育的试点，取得经验后逐步推广”。
张俊杰退休后进一步探索研究西部开发和普及职业技术教育课题，为全民教育和向导教育的理论和实践开拓做出贡献。旨在宣传现代教育新观念，团结国内外志同道合的朋友，为救助西部失学青少年和普及职业技术教育，创办新型半工半读学校，探索实现“产、学、研”相结合的有效途径，致力科教扶贫和建设现代生态农业。
他2005年春江苏退休赴西部试点办学受阻，遂发起汉中科教扶贫服务社开展科教扶贫活动，建立中国科教扶贫网（），立足秦巴山区面向国内外朋友，主张物质救助与智力扶持相结合，“东西连手、城乡互助、企校合作、正规与非正规教育并举”，募捐图书衣物开展“1助1”结对助学，推动新型半工半读教育试点总结经验不断发展，筹建千乡万村阅览室形成农村科技文化学习社区，通过救助失学青少年和普及职业技术教育，促成农村自主经济互助合作实现集约化规模化生产，加快生态农林资源开发走向繁荣家乡共同富裕道路。
现在南郑县协税镇科教扶贫基地发展情况：圆周图书馆一个、周边村阅览室7个，爱心超市1个，电脑教室1个。城管镇青年路春蕾图书室1个，碑坝镇、湘水镇、黄官镇朝阳村、青树镇冉家营村、勉县武侯镇先后独立或者合作筹建爱心超市，为协税镇6所学校8次联系捐赠图书，2010年12月与美网快乐帮合作助学，去年冬已经在南郑勉县宁强洋县等县区实现500结对助学，美网快乐帮企业家有意扩大10000以上结对助学。
2010年8月得到社会各界支持，他在南郑县协税镇中心小学开展“诵经典献爱心，学习好人李远洲”活动，进而向周边学校介绍和推动。2012年建议各县局将“学雷锋诵经典献爱心”列入议事日程，学校团队师生和义工携手结对助学扶贫济困，结合思想品德教育通过团队活动开展为人民服务核心价值观教育，为建设和谐社会走共同富裕道路，彻底消除因经济困难而失学现象不懈努力！
【关键词】微电子化计量仪；半导体探测器；特性研究；试验方法
半导体技术近年来被运用于多种领域，尤其是在核辐射探测器方面的运用，将半导体技术的优势发挥得淋漓尽致，为社会经济发展做出了巨大贡献。近年来，细数将半导体技术引入核辐射探测器领域的过程，我国的相关科研单位耗费了大量的人力、财力和物力。随着时代的发展，深化半导体材料和技术在核辐射探测器的运用研究将继续为我国的科技发展提供重要支持。结合本文研究方向，拟从半导体探测器特性的实验研究层面展开，利用实验数据进行相关讨论。
1半导体探测器的内涵
半导体探测器以其高效、实用、成本低、性能稳定等特性，目前在各个领域的应用十分广泛。明确半导体探测器的内涵概念，能够深化我们对半导体探测器的了解，为接下来的更深入的探究工作打下坚实基础。接下来笔者就从半导体探测器的概念及发展历程两个方面来粗浅剖析半导体探测器的内涵：1.1半导体探测器的概念。顾名思义，半导体探测器就是利用半导体材料和特点研发的探测设备。结合原理分析，半导体探测器是一种通过锗、硅等半导体材料物理属性、并利用其作为探测介质的辐射探测器。由于半导体探测器的工作原理和气体电离室有诸多相似之处，因此半导体探测器也被称之为固体电离室。从技术原理的层面来讲，半导体探测器的工作原理是在半导体探测器的灵敏体积内带电粒子产生“电子——空穴对”，之后“电子——空穴对”在外电场环境下做出漂移继而产生并输出信号。经过大量科学家的研究，半导体探测器诞生至今，经过不断的技术概念和材料改良，目前性能和效用已经十分优良。1.2半导体探测器的发展历程。半导体技术在核辐射探测器方面的应用分为几个阶段：第一个阶段是八十年代之前。当时的探测器受到技术技术条件和认知的影响，最为常见的探测器是GM计数管探测器。这种GM计数管探测器的产品性能和效果并不理想。随着技术的不断更新和科学家探索的深入。第二个阶段是九十年代之后，在法国、德国出现了用半导体材料作探测器的小型剂量仪器。至此，半导体技术正式被应用于探测器领域。这种半导体探测器具有体积小、工作电压低、耗能少等优势，这些特点为半导体探测器的应用空间和范围奠定了良好基础。
2用于微电子化计量仪的半导体探测器特性的实验方法
为了进一步地探究半导体探测器的特性，更明确地了解并认知其优势，笔者通过一组实验来进行说明。在这一实验中笔者所用的半导体测试器是目前业界内比较新型的设备，它是笔者单位和某原子能科学研究院合理研发的。实验中与半导体探测器相连接的电力属于微电子学混合电路。下面笔者对实验方法（如图2.1所示）作详细的论述与分析：图2.1实验示意图考虑到夜晚的干扰信号比白天小很多，因此我们在做此实验时选择在了晚上的时间段。为了处理好半导体探测器特性实验中噪音大的问题，本次实验所选择的单道阈值是0.21V。在实验中，主放大倍数为50积分、微分常数为0.5μs。定标器的工作方式为积分，脉冲为正脉冲方式。基于上述这些情况，我们的“用于微电子化计量仪的半导体探测器特性”实验研究正式开始。
3用于微电子化计量仪的半导体探测器特性的实验数据及处理
关于特性研究实验过程中的实验数据及处理方式，笔者对其进行了详细的记录。笔者将半导体的探测器面积分为10平方豪米、25平方毫米和50平方毫米三种数据类型来进行测验。第一，半导体探测器的面积为10平方毫米，98型的半导体探测器辐射响应特性的数据结果如图3.1、3.2所示，图中所反映出来的数据指标是偏压为1V和3V的情况下，98型号的半导体探测器中净计数和剂量率之间的关系；99型的半导体探测器所反馈的实验曲线如图3.3、3.4所示，98型半导体探测器的辐射响应特性数据如图3.5、3.6所示。图中所反映出来的数据指标是偏压为1V和3V的情况下，98型号的半导体探测器中净计数和剂量率之间的关系。第二，当半导体探测器的面积增加到25平方毫米之后，99型的半导体探测器辐射响应特性的数据结果如图3.5、3.6所示，图中所反映出来的数据指标是偏压为1V和3V的情况下，99型号的半导体探测器中净计数和剂量率之间的关系。基于系列实验分析，当半导体探测器的面积从10平方豪米增加到25平方毫米，在递增到50平方毫米的过程中，在不同的偏压下，98型和99型的半导体探测器的净计数率在0.869cGy/h点上，半导体探测器的型号和探测器偏压的关系如表1所示。在表中，在照射量率为均为1的情况下，当半导体探测器的偏压设定为1V时，探测面积为10平方毫米的98型探测器的净计数率是68.2，探测面积为25平方毫米的98型探测器的净计数率是104.0；探测面积为50平方毫米的98型探测器的净计数率是181.7，探测面积为10平方毫米的99型探测器的净计数率是125.3。当半导体探测器的偏压设定为3V时，探测面积为10平方毫米的98型探测器的净计数率是90.4，探测面积为25平方毫米的98型探测器的净计数率是167.6；探测面积为50平方毫米的98型探测器的净计数率是316.4，探测面积为10平方毫米的99型探测器的净计数率是178.6。
4用于微电子化计量仪的半导体探测器特性的结果与讨论
通过上述关于不同型号半导体探测器在不同辐射面积中辐射响应特性等相关数据的分析我们可以得出如下三个方面的结论：第一，该半导体探测器的工作电压相对较低，对γ响应十分敏感。当“用于微电子化计量仪的半导体探测器特性研究”的实验电压在1V—3V单偏压电源数据之间变动时，半导体探测器的灵敏度能够在68-316S/(R/h)区间进行变化。结合实验数据的分析与反馈，总体来讲，辐射面积为10平方毫米的99型探测器性能比辐射面积为10平方毫米的98型探测器性能优良。在同样的实验条件中，用来测定DM91的辐射面积为10平方毫米的半导体探测器灵敏度情况如下：当实验偏压为1V时，10平方毫米的半导体探测器灵敏度为87.2；当实验偏压为3V时，10平方毫米的半导体探测器灵敏度是1.8。对比关于试验偏压和不同辐射面积的半导体探测器灵敏度的这几组实验数据，我们可以得出如下结论：辐射面积为10平方毫米的99型半导体探测器敏感度性能相比较国外辐射面积为10平方毫米的半导体探测器，在对γ辐射方面的灵敏度方面性能要高出很多。也就是说我们目前的辐射面积为10平方毫米的半导体探测器性能已经达到并超出国外同类探测器的水平。第二，从噪音阈值的层面来讲，本次实验中所采用的半导体探测器噪音极小，这种小分贝的噪音数值可以显著提升信噪比，这种情况可以促进微电子学设计工作的更好开展。这一点在微电子化计量仪的半导体探测器特性实验中虽然是一个细节，但也应当充分引起我们的注意和重视。第三，本次“用于微电子化计量仪的半导体探测器特性”实验中，当探测器的屏蔽材质发生变化时，其抗干扰能力也会有明显改变。这一现象表明在实验室中，空间的电磁干扰因素需要引起实验者的重视。
5结束语
综上所述，半导体探测器在当前多种行业中所发挥的作用不容忽视，为了探究“用于微电子化计量仪的半导体探测器特性”，笔者通过开展一项专题实验来进行阐述与说明，在上述文段中，笔者不仅对实验的方法进行罗列和描述，还对实验的数据及处理进行对比分析，并有针对性地提出自己的见解。通过上述实验的分析，笔者希望能够唤起更多业界同行对于半导体探测器特性的关注，通过群策群力，为促进半导体探测器的运用水平贡献力量。
作者:马骏 单位:东华理工大学
参考文献
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[2]蔡志猛,周志文,李成,赖虹凯,陈松岩.硅基外延锗金属-半导体-金属光电探测器及其特性分析[J].光电子.激光,2008(05):587-590.
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