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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】
关键词：半导体物理；教学改革；教学效果
作者简介：刘德伟（1979-），男，河南濮阳人，郑州轻工业学院物理与电子工程学院，讲师；李涛（1977-），男，河南淮阳人，郑州轻工业学院物理与电子工程学院，讲师。（河南 郑州 450002）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）34-0085-02
半导体物理是半导体科学的理论基础，是电子科学与技术、微电子学等专业重要的专业基础课，其教学质量直接关系到后续课程的学习效果以及学生未来的就业和发展。然而，由于半导体物理的学科性很强，理论较为深奥，涉及知识点多，理论推导繁琐，学生在学习的过程中存在一定的难度。因此，授课教师必须在充分理解半导体物理，熟悉半导体工艺和集成电路设计的基础上，结合教学实际中存在的问题，优化整合教学内容，丰富教学手段，探索教学改革措施，培养学生的学习兴趣，提高半导体物理课程的教学质量。
一、半导体物理课程特点及教学中存在的主要问题
郑州轻工业学院采用的教材为刘恩科主编的《半导体物理学》（第七版，电子工业出版社），该教材是电子科学与技术类专业精品教材。[1]结合教材特点与教学实践，半导体物理课程教学过程中存在的主要问题与不足[2]可归纳如下：
1.教材内容知识点多，理论性强
半导体物理课程前五章为理论基础部分，主要讲述了半导体中的电子状态、杂质和缺陷能级、载流子的统计分布、半导体的导电性与非平衡载流子，在此基础上阐述了电子有效质量、费米能级、迁移率、非平衡载流子寿命等基本概念；分析了状态密度、分布函数、载流子浓度以及迁移率与杂质浓度、温度的关系。课程涉及理论知识较深，易混淆知识点较多，数学公式推导复杂，很多基本概念及数学公式要求学生掌握量子力学、固体物理、热力学统计物理和高等数学等多门基础学科的理论知识。因此，学生在前期学习中，在相关知识点上难以衔接，对相关理论的掌握存在一定困难。
2.传统教学模式难以理论联系实际
半导体物理课程后八章主要介绍了半导体基本器件的结构与性能，半导体的光、电、热、磁等基本性质。如pn结电流电压特性及电容、击穿电压与隧道效应、肖特基接触与欧姆接触；半导体表面与MIS结构、表面电场对pn结性能的影响；半导体异质结构及半导体激光器等。由于这部分内容主要阐述半导体的实际应用，仅仅从课本上学习相关知识，难以理论联系实际，对于没有接触过半导体制备工艺的学生而言，就会觉得内容枯燥，课堂乏味。
3.教材内容无法追踪科技前沿
现代半导体技术日新月异，发展迅速，例如在半导体照明、半导体激光器、探测器、太阳能电池等领域都获得了重大研究成果，研究领域不断拓展，新的理论不断涌现，与化学、医学、生物等学科之间的交叉和渗透越来越强，极大地丰富了半导体物理的教学内容。而半导体物理教材内容的更新相对较慢，因此，如何在有限的课时内既要讲授教材内容，又要穿插相关科技前沿是一个值得深入探讨的问题。
二、半导体物理课程教学改革措施
基于以上分析，半导体物理课程对授课教师要求较高，如何在有限的课堂教学过程中将大量的知识讲解清楚，需要教师积极探索新的教学模式，针对课程特点与教学现状，通过不断实践克服存在的问题与不足，采用多样化的教学手段，优化整合教学内容，狠抓教学环节，使学生较好地理解并掌握相关知识，为后续课程的学习打下良好的基础。[3]
1.优化整合教学内容
由于现代半导体技术发展极为迅速，研究方向不断拓展，相关知识更新较快。因此，授课教师应与时俱进，关注科技前沿与研究热点，合理安排教学内容。结合电子科学与技术专业其它课程的教学内容，在保持课程知识结构与整体系统性的同时，对教学内容进行合理取舍，压缩与其他课程重叠的内容，删除教材中相对陈旧的知识，密切跟踪科技前沿与研究热点，适当增加新的理论，补充重要的半导体技术发展史，激发学生的学习热情，培养学生的科学精神。例如压缩教材中第一章固体物理课程已经详细讲解过的能带理论内容，将授课时间由原来的8学时压缩至6学时；在讲解半导体光学特性时，结合半导体光电子学的研究前沿，增加该部分内容所涉及的研究领域与最新技术，如半导体超晶格、量子阱等方面的内容；在讲述MIS结构的C-V特性时，补充C-V特性的研究意义，介绍半导体表面特性对集成芯片性能的影响，鼓励学生查阅总结利用C-V特性研究半导体表面的方法；在讲授半导体元器件的结构及性能时，适当补充半导体器件的制备工艺，播放一些半导体器件的制备视频，让学生结合某种半导体器件分析其结构与性能；在讲解半导体异质结构时，先让学生了解pn结种类，然后对比同质结与异质结的异同，最后让学生掌握异质结的电流电压特性，通过增加半导体激光器的发展史，即从第一支同质结半导体激光器只能在低温下发射脉冲激光到现在的异质结激光器的优异性能，让学生充分认识到半导体物理是现代半导体技术发展的理论基础，是科技创新的力量源泉。通过介绍科技前沿与研究热点，指导学生查阅相关文献，扩大学生的知识面，提高学生学习的积极主动性。
2.突出重点，分化难点，强调基本概念与物理模型
半导体物理课程涉及到的基本概念和物理模型较多，仅凭教材中的定义理解这些概念和模型，学生很难完全掌握。在讲解深奥的物理模型时，教师应运用恰当的类比，通过生动形象的事例对比分析，加深学生对物理模型的理解，增加学生的学习兴趣。例如教材中半导体载流子浓度的计算既是难点又是重点，学习中涉及到状态密度、玻尔兹曼分布函数、费密分布函数以及载流子浓度等为较容易混淆的概念。为了帮助学生理解，教师可以通过教学楼里面的学生人数与半导体中的电子数目进行类比：不同楼层的教室对应不同的能带，教室座位数对应能态的数目，教室的学生人数就相当于半导体中的电子数目，这样，计算半导体电子浓度的问题就与计算教室单位空间内学生人数的问题非常类似。通过这种生动形象的类比，学生很容易明白半导体中的能态密度就相当于教室单位空间的座位数，而半导体中的电子在能级上的占据几率就对应于教室内学生的入座情况。半导体中的电子在能级上的占据概率需要满足波尔兹曼分布函数或费米分布函数，而分布函数的确定取决于费米能级的位置，当分布函数确定后，单位能量间隔内的电子数目就可以通过简单的微积分计算出来。
另外，半导体物理课程中理论推导和数学上的近似处理较多，繁琐的公式推导增加了学生对物理模型的理解。如果教师在教学过程中能适当地把物理模型和公式推导分开，正确处理两者之间的关系，分别从物理和数学两方面寻找攻克这些难点的途径，使学生在彻底理解物理模型的基础上掌握理论推导。例如教材中有关n型半导体载流子浓度的内容安排如下：首先根据杂质半导体的电中性条件，推导出一个包含费米能的表达式，然后根据杂质电离情况分为低温弱电离区、中间电离区、强电离区、过渡区以及高温本征激发区，最后再根据不同电离区的特点进行讨论与近似处理。所涉及到的物理模型相对简单，但分区讨论和近似处理部分篇幅较长。如果运用传统教学模式，学生很容易沉浸在复杂的数学公式推导之中，难以透彻理解物理模型。如果教师在授课过程中先让学生了解该部分内容的整体安排，理解物理模型，再分析各温区的主要特点，最后总结规律，通过数学推导得出结论，就能很好地提高教学效果。
3.温故知新，适时比较，加强各章节之间的联系
对于课堂上刚刚讲授过的知识，学生并不一定能够完全掌握，此时教师应该结合半导体物理课程的特点，在教学过程中做到温故知新，适时比较，加强不同章节之间知识点的联系。例如pn结是半导体器件的基本单元，如日常生活中常见的激光器、LED、整流器、调制器、探测器、太阳能电池等。在讲授该章内容时，如果教师以pn结为主线将教材中不同章节之间的内容有机联系起来，学生就会从整体上进一步了解半导体物理课程的教学内容。只有在教学过程中不断加强各章节知识点之间的联系，学生才能完全掌握半导体器件的基本原理，为以后从事半导体行业打下坚实的基础。再如所选教材中有关半导体载流子浓度的计算，分为非简并半导体和简并半导体两种情况。在讲述后者时，教师通过对比分析非简并半导体和简并半导体在概念上有何异同，再引导学生比较简并半导体与非简并半导体载流子浓度的计算公式，学生就会意识到二者的主要区别就是分布函数不同，在计算简并半导体载流子浓度时，虽然分布函数替换后导致积分变复杂，但只是数学处理的方法不同，两者的物理思想却完全一致。通过这样的比较学习，学生对非简并半导体与简并半导体以及玻尔兹曼分布函数与费米分布函数的理解就会更加深入。
三、结束语
通过以上教学改革措施，培养了学生的学习兴趣，增加了学生的学习积极性，提高了半导体物理课程的课堂教学效果，为学生后续专业课程的学习奠定了扎实的基础。
参考文献：
[1]刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2011.
电子具有电荷和自旋两个重要属性，传统的半导体器件仅利用了电子的电荷属性，稀磁半导体材料可以同时利用电子的电荷和自旋属性，成为未来半导体自旋电子器件的关键材料之一。人们期望通过对稀磁半导体材料的研究获得具有非易失、多功能、超高速和低功耗等特性的半导体自旋器件，这对材料和信息技术领域都将是一场质的革命。从上世纪80年代末90年代初，人们就开始关注Mn掺杂III—V族稀磁半导体材料，如（In，Mn）As和（Ga，Mn）As等，并设计出以其为基的半导体自旋相关概念型器件，如自旋发光二极管，自旋场效应晶体管等。然而在过去的几十年中，稀磁半导体材料并没有得到广泛应用，其中一个主要原因是其居里温度（TC）低于室温。所以，探索TC高于室温，且具有原子尺度均匀替代掺杂的本征稀磁半导体成为半导体自旋电子学领域的一个难点和热点［5］。宽禁带氧化物稀磁半导体由于具有高于室温的TC和自旋与载流子分离调控的特性而受到人们广泛关注［6―9］，但这些材料仍然存在一些科学问题需要解决，主要有如何获得稳定的本征氧化物稀磁半导体，如何有效提高半导体自旋注入效率，室温铁磁性的来源和产生机制需要进一步探索，自旋在半导体结构中的输运、寿命和光、电等方法对自旋的操控还不是很清楚，以及以氧化物稀磁半导体为基的自旋电子器件原型还有待于人们去设计和研制等。因此，开展氧化物稀磁半导体本征铁磁性和自旋注入效率与输运特性的研究、磁性产生机制的探索以及初步应用模型的设计等非常必要，这将为推动稀磁半导体器件化提供重要的实验依据和单元雏形。
1非补偿p－n共掺氧化物稀磁半导体薄膜的本征铁磁性
一般来说，过渡金属元素在氧化物半导体中的溶解度较小，容易形成磁性金属原子团簇或第二相杂质，因此制备本征氧化物稀磁半导体具有很大的挑战性。人们尝试不同的氧化物材料和掺杂方法来研究稀磁半导体的本征磁性，但都很难排除磁性原子团簇和第二相杂质的影响［10］。项目组采用非补偿p－n共掺的方法研究了氧化物稀磁半导体，有效克服了磁性原子团簇和第二相杂质的形成，为制备具有本征铁磁性的稀磁半导体材料开辟了新的途径。根据热力学理论，由于p－n离子对之间存在库仑引力，这使掺杂离子在宿主半导体中形成能较低，从而有效增加了其在半导体中的热力学溶解度和稳定性。从动力学角度分析，非平衡生长时，p－n对之间的库仑引力有利于掺杂离子越过形成势垒，也有利于其在宿主半导体中从间隙位置进入替代位置，从而增加了掺入离子在替代位的浓度。可见，利用非补偿p－n共掺可以增大掺杂离子在宿主半导体中的热力学和动力学溶解度，有效阻止过渡金属离子的团聚和化合，形成均相稀磁半导体。以ZnO薄膜为例，以Mn为p型掺杂剂，Ga，Cr和Fe为n型掺杂剂对ZnO进行非补偿p－n共掺，可以得到均匀单相结构的本征ZnO稀磁半导体。图1（a）为Mn／Ga共掺ZnO薄膜的高分辨透射电镜图，没有发现任何团簇和第二相杂质。由于掺杂均匀性和替代位离子浓度的提高使其铁磁性得到明显加强，如图1（b）所示［13］。非补偿p－n共掺的另一个优点是可以通过控制掺入p型和n型掺杂剂的摩尔比有效调控其载流子类型和浓度，在实现局域自旋的同时调节载流子浓度。所以，非补偿p－n共掺的方法既可以降低体系能量，增加过渡金属元素的掺杂浓度，实现氧化物稀磁半导体的本征铁磁性，同时还可以调控体系的载流子浓度和磁性大小。
2氧化物稀磁半导体中缺陷和载流子对磁性的贡献
自从2000年Dietl等预言ZnO基稀磁半导体的TC可以达到室温以来，人们已经通过各种实验方法在过渡金属掺杂的氧化物稀磁半导体中实现了TC高于室温的铁磁性。然而，对于稀磁半导体的铁磁性来源一直没有形成统一的认识，存在较多的理论解释，比如载流子诱导磁性理论、束缚磁极子理论［以及电荷转移铁磁性理论［17］等。在这些氧化物稀磁半导体磁性来源的理论解释中，都分别涉及到材料的载流子浓度和缺陷。项目组在结合氧化物稀磁半导体实验研究的基础上，通过构建双磁极子模型，计算了两个束缚磁极子间隔距离不同时的铁磁稳定化能，如图2所示。氧空位缺陷是形成局域束缚磁极子必不可少的，而载流子则扮演着双重作用，既能增强束缚磁极子的稳定性，又能调控磁极子间产生长程铁磁相互作用。由此提出了载流子调控束缚磁极子间产生长程铁磁性的模型，这个模型综合了载流子诱导和束缚磁极子模型的优点，对进一步阐明氧化物稀磁半导体中磁性产生机制有一定贡献。
3氧化物稀磁半导体的应用
自从发现具有室温铁磁性的氧化物稀磁半导体以来，人们并没有仅停留在新材料的探索和磁性机制的理解上，还初步设计了氧化物稀磁半导体的器件模型，以促进其在自旋电子器件上的应用。隧道结是研究电子自旋极化、注入与输运的理想模型，同时也可以在磁性随机存储器、磁性传感器及逻辑器等器件上广泛应用。人们已经在氧化物稀磁半导体基隧道结中实现了较大的低温磁电阻效应，并且通过优化稀磁半导体／势垒层界面以及提高势垒层结晶质量，使隧道磁电阻效应一直保持到室温，实现了室温下电子自旋注入。但由于非弹性隧穿电导的增强，室温时有效自旋注入效率非常低。项目组在氧化物稀磁半导体实验和理论研究基础上，设计并制备出一种特殊“金属磁性纳米粒子核”与“稀磁半导体壳”的核壳结构，这种核壳结构弥散在半导体基质中形成一种复合薄膜，如图3（a）所示。在这种复合薄膜中获得高达12．3％的室温磁电阻率和37．5％的电子自旋极化率，在室温下实现了有效的自旋注入和探测，如此大的室温磁电阻效应可能与薄膜中“稀磁半导体壳”的自旋过滤效应有关。这不仅为研究金属／半导体界面自旋注入指出了新的途径，而且为新一代室温半导体自旋器件的实现提供了可能［23，24］。与此同时，在这种复合结构中还可以通过改变薄膜的电阻率调节其室温磁电阻率，实现自旋注入效率的宏观调控，并且制备出的一种具有大室温磁电阻率和高透光率的复合超薄磁性金属／半导体复合薄膜有望在透明自旋电子器件中得到应用。
4小结
1.SnO2的晶体结构
SnO2晶体属于四方晶系点群，是一种极性半导体，具有金红石结构。金红石结构的SnO2晶胞为体心正交平行六面体。每个晶胞中包含有两个Sn原子，分别位于2a （0， 0， 0） 和 （1/2， 1/2， 1/2）位置；四个位于4f ±（u， u， 0； u + 1/2， 1/2 ？ u， 1/2）， 且 u = 0.30561位置的O原子。每个Sn原子是由六个组成近似的八面体O原子包围，并且组成矩形基底面的4个O原子离Sn原子的距离（2.06A °）要比位于顶点的2个O原子距离（2.05A °）稍微长些，而每个O原子是由三个构成等边三角形的Sn原子包围，形成6：3配位结构。其晶格常数为 a=b=4.7374A°，c=3.1864A°且c/a=0.672 。
2. SnO2薄膜的材料特性
SnO2是一种宽禁带直接半导体材料，室温下禁带宽度为3.6eV，属n型氧化物半导体。当沉积温度为300-500°C时，SnO2薄膜的电阻可达35-40Ω/，可见光透过率高达90%，且薄膜的电学与光学性质与结晶情况和结构有密切的联系。膜的结晶性越高，其导电率越强，随着晶体的细化，其透过率也会显著的提高。SnO2薄膜还具有较稳定的化学特性和较强的耐腐蚀特性，只能被盐酸与锌反应生成的初态氢所腐蚀且通过化学键与玻璃或者陶瓷基底结合有很强的附着力（200kgfcm-2）。
3. SnO2薄膜的气敏传感特性
气敏传感器的工作原理是指被检测气体与传感器的表面发生物理吸附或者化学吸附，引起表面某种性质的变化（如：电阻、电导、电压、阻抗等） ，然后将这种变化转变为电信号，通过对电信号的分析，即可以得到有关气体浓度、组分等的信息。当某种有毒气体的浓度超过一定值时会自动报警，安全可靠。SnO2薄膜是目前应用最广泛的一种气敏材料，它具有n 型半导体特征。具有如下特性：（1）物理、化学稳定性好，耐腐蚀性强；（2）可靠性较高，机械性能良好；（3）电阻随浓度变化一般呈抛物线变化趋势 ；（4）对气体检测是可逆的，吸附、脱附时间短，可连续长时间使用；（5）节省能耗；（6）禁带宽度虽较宽，但施主能级是适度浅能级，容易获得适宜的电学特性；（7）费用较低。 因此以SnO2 为主体材料制备的气体传感器，在金属氧化物半导体电阻式气体传感器中处于中心地位。
4.SnO2薄膜的发光特性
透明导电薄膜要求材料既具有较高的导电性，又具有对可见光有好的透过性和对红外光有强的反射性。透明导电薄膜材料主要分为金属膜和氧化物半导体膜两大类。由于金属膜中存在着大量的自由电子，所以当金属薄膜很薄时仍然具有很好的导电性，但是当其厚度小于20nm时，薄膜对光的透射性和反射性都比较小，常见的金属透明导电薄膜有：金、银、铝等。而氧化物半导体薄膜是近年来发展应用最多的材料，它要求半导体的禁带宽度为3ev以上，且可以通过掺杂获得高载流子浓度进而实现高导电率。目前应用最广的透明导电薄膜为SnO2 薄膜材料，SnO2薄膜属于宽禁带半导体，禁带宽度为3.6eV，理论上为典型的绝缘体。但是由于存在氧空位或者间隙Sn原子，在禁带内形成ED=0.15ev的施主能级从而表现为n型半导体；此外它还具有较高的可见光透过率和红外反射率、较稳定的化学特性和优良的膜强度等优点，近年来被广泛的应用于透明电极，液晶显示器及光电子器件等领域。
SnO2的直接带隙约为3.6-4.3eV左右，大于可见光光子的能量（3.1eV），故在可见光照射下不能引起SnO2本征激发，所以它在可见光区是透明的，SnO2薄膜在可见光区的透过率高达90%以上；同时，由于其高载流子浓度，SnO2在红外光处（等离子边约为3.2μm）具有较强的反射率；因此，利用其在可见光处高透过率和红外光处高反射率的性质，可以广泛用于光伏器件、显示器器件、发光器件等领域。而对于高载流子浓度的SnO2薄膜，尤其是掺杂薄膜，其直接带隙会随载流子浓度的增大而变大，在SnO2薄膜中载流子存在Moss-Burstein移动。
Moss-Burstein移动是由泡利不相容原理引起的。在掺杂材料中，由于费米能级进入导带或价带，从而使导带底或者价带顶的能量已经被占据，最后造成薄膜光学带隙展宽。通常情况下，SnO2是一种很好的掺杂基质，有较宽的禁带宽度和较高的激子束缚能，能够激发其掺杂物质发光。
5.SnO2薄膜的电学特性
SnO2薄膜属于宽禁带n型半导体材料。价带最高点位于布里渊区г3，导带最低点位于布里渊区г点，为典型的直接带隙半导体材料。由于其带隙较宽，所以在理想情况下电子很难从价带跃迁到导带，表现为高阻材料。但是由于在制备薄膜材料过程中，SnO2薄膜不可能为完全纯的化学计量比金红石结构，其中存在一些化学计量比偏差，即在晶格内存在间隙Sn4+和O空位，而O空位在SnO2禁带中可以形成距导带底分别为0.03eV、0.15eV的两个施主能级，从而表现为n型半导体。
在SnO2晶格中，我们采用紧束缚近似确立了一系列非过渡金属金红石结构的氧化物参数，Sn原子和O原子分别属于Ⅳ、Ⅵ族元素，外层电子结构分别为5s25p2和2s22p4。导带主要由Sn 5s和Sn 5p态组成，并伴有少量的O 2p态。-17eV能级主要是由O 2s态组成，并有少量的Sn 5s和Sn 5p态构成；-9eV～-5eV是由于Sn 5s与O 2p态轨道耦合而成；而-5eV～-2eV是由O 2p态和一小部分Sn 5p轨道耦合而成；-2eV～0eV是由O 2p态孤立电子构成，它对化学键结合的作用很小，与其他轨道耦合作用也较弱；而价带是Sn 5s和Sn 5p以及O 2p的混合态。
一、汽车电子领域的半导体技术
大部分的汽车电子产品都具有ECU，并且以其为核心，处理传感器等的输入信息，驱动马达等的驱动器，并以车内LAN网络(Local AreaNetwork)实施Ecu彼此之间的通信。Ecu配备有通信电路，以当作维持与传感器、处理开关输入的输入处理回路、AD(模拟与数字)变换回路、微控制器、电源、输出处理回路、电源部件以及其他ECU的通信手段，而组成的零件几乎都是半导体。图1为ECU方块图。
汽车对环境性能、安全性与舒适性的要求越来越高，为了实现这些要求，未来汽车电子的搭载数量将会越来越多。最近在车载传感器方面，出现了使用MEMS技术的压力传感器以及加速度传感器等各种传感器，另外信号处理以及输出处理回路等也都使用了半导体。此外，在驱动器方面，比如搭载信号处理、输出处理回路、负荷驱动回路等的智能型驱动器也正式实用化。
二、车用半导体必备的特征
汽车使用地点五花八门，包括热带、沙漠、寒冷地区等，必须具有可以抗温度、湿度、水、盐害、耐震的性能，使用的环境十分严酷。因为引擎在室内有些地方最高温度会达到1 50℃，而最低温度可能降至零下40℃，ECU必须在这些状况下仍然可以动作。此外，直接搭载在引擎上的ECU必须对抗30G的震动。因此，须具有可以对抗电压变动、突波电压(瞬间流入电路的大型电压)、EMG(Electro MagneticCompatibility)等电气外部干扰的性能。
如图2所示，使用稳压积纳二极管保护ECU的半导体，以免因为负载突降等引发的高电压造成损害，即便如此，还仍是会施加35V的电压。也有可能会因为静电现象而施加突波电压。
智能型驱动器使用的半导体如图3所示，可以使用芯片电容器降低静电突波。此外，有些安装地点会让半导体暴露在高温下。
半导体的基本特性，如同表1所示会受到温度的影响。如果是高温环境，PN接合的顺方向电压下降，逆方向漏电流则增加。温度若是高温，二极半导体的电流增幅率以及MOSFET的临界值也会增加。使用时必须考虑这些温度带来的影响。
汽车使用的半导体必须具有以下特征。
1.不会老化，可长时间使用。
2.体积小，使用容易。
3.可以复合其他不同功能的部件。
4.高精度。
5.抗噪音性。
6.驱动使用的能源少。
7.具有自我诊断功能。
8.成本低。
车用半导体采用了各种不同的控制系统。在ECU以及智能型驱动器中，使用了混载数字回路、模拟回路以及负载驱动电路的复合IC、微控制器以及分离式部件等。汽车传感器则针对行驶、转弯、停止、安全、舒适、环境、信息、通信的用途，搭载了可以侦测温度、压力、加速度、位置、角度、回转、流量等的传感器，并透过使用硅材料的MEMS技术极度缩小体积。
关键词：光纤；半导体激光器；耦合方式
0 引言
半导体激光器自1962年问世以来发生了极大地变化，有力的推动了现代科学技术的发展。半导体激光器具有光电转换效率高、体积小、重量轻、耗电少且价格低等优点，因而广泛应用于广泛使用于光纤通信、激光测距、激光打印、激光扫描、激光指示器以及航空航天等重要领域。对于半导体激光器来说，受自身结构特点的影响和制约，进而在一定程度上降低了半导体激光器的出射光束的质量，不仅在垂直和平行于PN结两个方向上的光束不对称，而且存在有很大的发散角，另外，对驱动电源要求比较高，进一步增加了实际应用的难度。对于半导体激光器来说，光纤和半导体激光器的耦合技术能够对其光束进行整形、准直、变换，同时能够耦合到光纤中，这样就可以输出对称并且亮度较高的光束。
1 光纤与半导体激光器的耦合方式
通常情况下，光纤与半导体激光器的耦合方式可以分为：（1）光纤与激光器不经过任何系统进行直接耦合。（2）将透镜、棱镜等光学零件插入激光器和光纤之间的方法，即分离透镜耦合法。在光纤与半导体激光器进行耦合的过程中，无论哪种方法，其耦合的目的都是对半导体激光器输出的光场进行整形，进而在一定程度上使得入射光场与光纤本征光场分布实现最大限度的匹配。
1.1 分离透镜耦合
在耦合系统内部，各光学零件之间与光纤以及耦合系统都是相互分立的，在这种情况下，对于半导体激光器、耦合系统和光纤之间的共轴准直性要求比较好。在封装的过程中，采用一些加工精度较高的支承件固定各光学零件，在一定程度上确保较好的准直性，但是这样做法增加了成本，并且尺寸比较大。在系统中，一般将光学零件的尺寸控制在毫米量级，进一步减小其体积，这在无形中增加了加工的难度，同时成本比较高。但是，这类耦合系统的优点是，通过精确设计和加工可以最大限度地改善光束非圆对称性、消除像差影响、减少反射损耗，从而实现高效率耦合。下面分别对分离透镜耦合系统进行介绍。
（1）单球透镜耦合
这种耦合系统通常是由单个球透镜构成，与其他透镜相比，由于球透镜本身的圆对称性，进而使得装配异常简单。对于单个球透镜来说，由于其焦距与球差成正比，进而在一定程度上可以通过减小球差的方式，进一步提高耦合效率，同时这也是该耦合方法的关键所在。为了进一步消除球差的影响，在这种耦合系统中，对球透镜要求比较高，主要表现为折射率高、焦距短等。对于这种耦合方式来说，激光器与透镜之间的距离，以及光纤与透镜之间的距离决定了耦合的效率。
（2）利用自聚焦透镜
通常情况下，自聚焦透镜是在圆柱状玻璃基棒内，借助离子交换技术产生径向的折射率制成的，这种耦合系统通过折射率的渐变分布进一步实现聚光能力，并且透镜长度决定焦距。对于平端自聚焦透镜来说，由于球差较为严重，进而使得聚光斑较大，通常情况下，可以将前端研磨成球面，进而在一定程度上对透镜的球差进行补偿，耦合损耗一般可以降为1 db。对于自聚焦透镜来说，其外形尺寸比较小，孔径比较大，损耗比较低，但是，需要精密测量和复杂计算，才能进一步优化透镜的折射率分布，并且在加工透镜的过程中，需要精密研磨曲率球面，进一步增加了制作难度和成本。
（3）利用组合透镜
在许多光纤耦合系统中，为了进一步提高耦合效率，通常情况下，利用球透镜、柱透镜、自聚焦透镜，以及锥形光纤等进行相互组合。通过透镜组合可以大幅度提高耦合效率，一般超过75%。但是，在装配过程中，需要借助专用精密夹具进行精密的调整，进而在一定程度上增加了工作的难度，同时在封装阶段要求也比较高。
1.2 光纤直接耦合
对于光纤直接耦合来说，通常情况下，主要包括平端光纤直接耦合和对光纤进行加工耦合两种，例如在光纤的端面制造球形、锥形等。这种耦合系统的优势主要表现为灵活方便，加工制作简单，并且易于集成封装，凭借该优势，光纤直接耦合系统得到广泛运用。
（一）平端光纤直接耦合
所谓平端光纤直接耦合就是将经过处理的端面平头光纤直接对向半导体激光器的发光面。通常情况下，光源的发光面积和光纤芯径总面积的匹配，以及光源发散角和光纤数值孔径角的匹配等是影响耦合效率的主要因素。对于半导体激光器和光纤来说，由于彼此之间的模失配现象比较严重，所以采用平端光纤的方式进行直接耦合，但是这种耦合方式损耗比较大，并且耦合效率低。
（二）球形端面光纤直接耦合
通常情况下，通过多种方式都可以获得球形光纤端面，比较典型的如：（1）在光纤端面上制造一个树脂的半球透镜，这种方案比较简单；（2）在光纤的端面烧制特殊形状的端球，一般可以采用电弧、气体火焰或者大功率激光器充当烧制的热源，这种方案比较实用。在热源的作用下，光纤端面熔化后经过自然冷却，在表面张力的作用下，进而在一定程度上就会形成各种不同弧度的圆球形端面，并且热源的温度、光纤与热源之间的距离等因素决定着圆球的曲率半径。在耦合过程中，采用球形光纤端面一方面可以提高半导体激光器与光纤的耦合效率，另一方面可以通过实验光路进行调试。
（三）锥形光纤直接耦合
腐蚀、磨削和加热是制作锥形光纤主要方法。其中，腐蚀、磨削是通过将光纤包层制成锥体，进而使芯径保持不变，而加热是通过电弧放电或者熔融拉锥机的方式进行加热，进而在一定程度上使纤芯与包层一起成比例地拉伸，进一步形成一定长度和锥度的锥体。通常情况下，利用这两种方法得到的锥形光纤系统，其特性存在一定的差异。而通过加热方式制造的锥形光纤，其芯层同样是锥形结构，但是这种结构的耦合效率比较高，同时通过增大锥角可以获得更大的耦合效率，并且最佳工作距离也随之不断减小。
（四）锥端球面透镜直接耦合
锥端球面微透镜在目前所有的耦合方法中应用范围最广。其制作流程为：首先将光纤端部制成锥形，进而在一定程度上减小端面半径，然后在锥端形成微透镜。通常情况下，形成微透镜的方法，主要包括：（1）直接电弧抛光、整形；（2）对锥端进行处理，然后将其浸入到熔融高折射率玻璃中，同时对浸入的深度、时间等进行控制，进而得到不同大小、不同形状的锥端高折射率微透镜。
2 结论
本文通过对实现半导体激光器与光纤耦合的方法进行研究、分析。其中，凭借自身结构紧凑、制作简单、成本低廉，并且耦合效率高的优势，光纤微透镜直接耦合技术得到广泛的应用。但是，这种耦合技术存在偏移容差最小、难于调整、缺乏稳定性等弊端，并且在手工制作时，重复性比较差。除此之外，随着集成光学、二元光学的不断发展，使得获得成本较低，同时能够消球差特性良好的微透镜成为可能。同时，通过对LD本身的结构、工艺等进行改进，在一定程度上对其光束特性进行改善，进一步降低耦合损耗，进而丰富完善了光纤和半导体激光器的耦合方法。
参考文献：
[1] 韦朝炅，查开德，王新宏.尖锥端光纤和半导体激光器的耦合[J].中国激光，1998（01）.
[2] 王田虎.半导体激光器和光纤耦合的实现方法[J].新乡师范高等专科学校学报，2007（09）.
摘要：简要说明了非晶硅、多晶硅和有机半导体用作薄膜晶体管沟道层的不足，从电学性质、光学性质和制备温度等几方面介绍了氧化物薄膜晶体管在有源阵列驱动显示技术中的优势，并介绍了氧化物沟道层制备工艺的优化和掺杂方法。最后，展望了氧化物半导体薄膜晶体管应用前景。
关键词：平板显示技术；氧化物； 薄膜晶体管
中图分类号：TN304.055文献标识码：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
随着信息时代的到来，显示器件正加速向平板化、节能化的方向发展，其中以薄膜晶体管（TFT）为开关元件的有源阵列驱动显示器件成为众多平板显示技术中的佼佼者。TFT是一种场效应半导体器件，包括衬底、半导体沟道层、绝缘层、栅极和源漏电极等几个重要组成部分，其中半导体沟道层对器件性能和制造工艺有至关重要的影响[1]。在近十几年时间，以硅材料（非晶硅和多晶硅）TFT为驱动单元的液晶显示器件以其体积小、重量轻、品质高等优点获得了迅速发展，并成为主流的信息显示终端。然而，非晶硅存在场效应迁移率低、光敏性强以及材料不透明等缺点，而多晶硅TFT大面积制作工艺复杂、低温工艺难以实现[2]。平板显示器的发展重新聚焦在寻求新材料、制作高迁移率的TFT、提高性能、降低成本以满足技术发展的轨道上来。目前，研究比较热门的是以并五苯等有机半导体材料为沟道层的有机薄膜晶体管（OTFT）和以ZnO为代表的宽带隙氧化物半导体为沟道层的TFT。OTFT具有加工温度低、工艺过程简单、成本大幅度降低等优点，这些特点符合社会发展和技术进步的趋势。但是，目前报道的OTFT的迁移率较低（一般在1 cm2/V・s），仍停留在非晶硅TFT的水平，另外一个致命缺点就是OTFT的寿命低，存在严重的老化问题[3]。2003年美国科学家Hoffman等[4]报道了以ZnO为沟道层的全透明TFT并指出可以将其应用在有源矩阵驱动显示中，引起了人们的广泛关注。
1氧化物半导体薄膜晶体管的优势
氧化物半导体薄膜种类很多，一般具有离子键强、熔点较高、无色透明和较大的禁带宽度（Eg>3 eV）等特点。化学计量比的偏离和点缺陷所引起的附加能级对其电学性质有很大影响，因此也可通过调节制备工艺或掺杂来控制其电学性能。多年来，氧化物半导体薄膜作为一种传统的功能半导体材料，在气敏传感、湿敏传感、透明导电薄膜等领域有广泛的应用。最近，日本和韩国许多课题组尝试用该类材料作为TFT的沟道层，以期在有源阵列驱动显示技术中有出色的表现，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]等多种薄膜，如表1所示。采用上述材料作为TFT的沟道层有以下优势：
表1 几种氧化物半导体薄膜晶体管的光电性质
1.1良好的电学性能
氧化物半导体TFT有较高的迁移率和较大的电流开关比，能够提高显示器的响应速度，满足高清晰、大容量终端显示的要求，这对于需要电流驱动的有机电致发光显示更有重要意义。Carcia等[15]报道了制备在重掺杂硅衬底上的底栅式ZnO-TFT，其中以原子层沉积法制备的HfO2薄膜为绝缘层，射频磁控溅射法制备的ZnO薄膜为沟道层，其转移特性和输出特性如图1所示。该器件工作在N沟道增强模式，有很好的饱和特性和夹断效应，表明ZnO沟道层中的电子被栅压有效控制。进一步计算得到其阈值电压为2.55 V，电流开关比为106，电子迁移率达到12.2 cm2/V・s。氧化物薄膜多为宽禁带半导体材料，可以避免可见光照射对器件电学性能的影响，简化制备工艺，降低成本。
图1 ZnO-TFT的电学性质
1.2高透过率
氧化物薄膜在可见光范围有很高的透过率，结合透明的衬底、绝缘层和电极材料可以制备全透明薄膜晶体管（TTFT），如将其用在有源阵列驱动液晶显示中，可以提高液晶显示器的开口率，使显示器屏幕更清晰明亮并降低能耗。甚至可以和有机发光二极管（OLED）结合实现全透明电子显示器。Cheng等[16]报道了用化学溶液法制备的全透明ZnO-TFT阵列，其中ZnO-TFT采用顶栅式结构，氮化硅为绝缘层，ITO薄膜为源、漏、栅电极，导电沟道宽长分别为W=500μm、L=10μm。图2是该ZnO-TFT在200 ~1,200 nm范围的透过率，整个器件在可见光范围的最高透过率达到85％，电学测试得到电子的迁移率为0.67 cm2/V・s，电流开关比为107左右。随着薄膜制备工艺的不断提高，近几年已有很多P型透明氧化物薄膜的报道，并已经实现了P沟道的透明氧化物场效应晶体管[17]，从而为实现全透明的集成电子线路打下基础，将来可以利用氧化物半导体 CMOS电路制作显示阵列的驱动电路,解决高密度引线困难等问题，提高显示器的可靠性和稳定性。
图2 透明ZnO-TFT阵列的透过率及实物图
1.3低温制备工艺
一般氧化物半导体薄膜的生长温度低，对衬底要求不高。衬底可以选择廉价的玻璃或者柔韧性塑料等，这些都可以降低显示器的成本，并为便携式柔性显示器件开辟新的途径。Carcia等[18]在PET塑料衬底上制备了TFT阵列，其中磁控溅射生长的ZnO薄膜为沟道层，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备的SiN薄膜为绝缘层，热蒸镀的金属铝膜作为源漏电极。尽管整个制备过程在室温条件下完成，该器件有很好的电学性能，其阈值电压、电流开关比和电子迁移率分别为0.1 V、105和3.4 cm2/V・s，图3是单个器件的结构示意图和ZnO-TFT阵列的实物图。
（a）单个ZnO-TFT结构示意图 （b）ZnO-TFT阵列实物图
图3 PET衬底上制备的ZnO-TFT阵列
2沟道层薄膜制备工艺的优化和掺杂
在氧化物半导体薄膜晶体管中，对ZnO沟道层的研究最为广泛。一般对沟道层材料的要求是在较低温度下，获得低本征载流子浓度、高迁移率、高透过率的沟道层薄膜。研究表明不同的制备技术和工艺对ZnO薄膜的电学性质影响很大。目前，用于制备ZnO-TFT的方法主要有磁控溅射法、脉冲激光沉积技术、溶胶凝胶法等。本征载流子浓度是影响TFT开关特性的一个重要参数，即使TFT工作在增强模式，低本征载流子浓度使器件在零伏栅极电压下的源漏电流很小。相反，高的本征载流子浓度使TFT工作在耗尽模式，增强型晶体管可以简化电路设计、降低功耗，因而较耗尽型晶体管有很大优势[19,20]。Fortunato等[21]报道了在室温条件下采用磁控溅射方法制备的全透明ZnO-TFT，发现调节溅射功率大小可以调节ZnO薄膜的电阻和透过率。当溅射功率为5 W/cm2时得到的ZnO薄膜的电阻最高，同时薄膜的透过率也达到最大值，作者认为这种条件下生长的ZnO薄膜具有完整的化学计量比，氧空位和锌间隙等本征缺陷最小，因而有很好的电学性质。在此基础上以ATO/ITO/Glass衬底上制备透明ZnO-TFT，其中ATO是原子层沉积交替生长的Al2O3和TiO2薄膜，作为TFT的绝缘层，ITO薄膜作为栅极。其阈值电压为21V，电流开关比为2×105，场效应迁移率为20 cm2/Vs，同时，器件在可见光范围的透过率达到80％，如图4所示。
图4 （a）溅射功率对ZnO光电性质的影响
（b）ZnO-TFT的透过率
除优化薄膜制备工艺外，还可以通过掺杂的方法来控制ZnO薄膜的本证载流子浓度。我们实验室采用激光分子束外延法（L-MBE）在氧气和氨气氛围下制备氮掺杂ZnO薄膜作为薄膜晶体管的沟道层，由于氮原子容易在ZnO薄膜中形成浅受主能级，补偿了ZnO薄膜由于本征缺陷所形成的自由电子，使ZnO薄膜呈现较高的本征电阻。在此基础上，以氮掺杂ZnO薄膜制备了薄膜晶体管，由于沟道层中较低的本征载流子浓度，该器件能够很好的工作在增强模式,并有优异的电学性质[22]。同时发现氮原子的掺杂对器件的场效应迁移率影响很小，器件的电流开关比、阈值电压、迁移率分别达到104、5.15V和2.66cm2 /V・s,其电学性能如图5所示。
图5 氮掺杂ZnO-TFT的电学性质
尽管ZnO-TFT表现出高迁移率、高透过率等优点，但是ZnO薄膜大都是多晶结构的模式生长。晶粒不均匀性和晶粒间界的存在导致器件工作稳定性及大面积制备的一致性变差。最近，非晶态氧化物半导体薄膜用作TFT的沟道层并取得很大成功。氧化物薄膜中掺入具有（n-1）d10ns0（n≥4）电子结构的重金属阳离子后，就可以组成非晶态氧化物半导体。由于氧离子的2p轨道小，金属阳离子的ns（n为主量子数）轨道半径大，这样即使在非晶态情况下，相邻的金属阳离子ns轨道重叠的几率也很高，从而有较高的迁移率[23,24]。非晶金属氧化物半导体薄膜在具有良好均匀性的前提下，具有制备温度低、可见光透过率高、均匀性好等优点，目前已有多篇利用非晶Zn-Sn-O、Zn-In-O和InGaZnO作为TFT沟道层的报道。Manabu等[25]在PET塑料衬底上制备了80×60的TFT阵列，其中磁控溅射制备的非晶InGaZnO为沟道层，SiON薄膜为绝缘层，每个像素大小为500 μm×500 μm。 图5（a）是非晶InGaZnO TFT的转移特性曲线，计算得到其电流开关比、阈值电压、迁移率分别为106、5.8 V和5.1 cm2 /V・s。然后将E-Ink公司利用电泳技术生产的电子墨水显示膜碾压到TFT阵列上，这样就形成了用非晶氧化物TFT驱动的柔性电子纸张，如图5（b）所示。上述成果显示了非晶氧化物TFT在有源阵列显示技术中有广阔的应用前景。
图5 （a）非晶InGaZnO TFT的转移特性曲线
（b）非晶InGaZnO TFT驱动的柔性显示器
结论和展望
总之，最近几年以氧化物半导体薄膜为沟道层的TFT引起了人们的广泛关注，并取得了很大的进展，为开发新一代有源驱动显示器件打下基础。然而，目前以非晶硅和多晶硅为为主体的有源驱动显示吸引了大量的投资，发展十分迅速，新型材料的介入显得十分困难。而氧化物TFT的研究处于刚起步阶段，历史上也曾经出现过硒化隔（CdSe）、硫化隔（CdS）和碲（Te）等材料的TFT，但是由于材料性质的限制没有成功市场化，氧化物半导体薄膜目前还没有发现致命性的缺点。可以预见，氧化物TFT要取代硅基薄膜晶体管还有很长的路要走，并且必须要在低成本、高性能、高兼容性、容易产业化等几个方面做深入的研究。
参考文献
[1] Klauk H, Gundlach DJ, Jackson TN. Fast organic thin-film transistor circuits [J]. Ieee Electron Device Letters, 1999, 20: 289-291.
[2] Miyasaka M, Stoemenos J. Excimer laser annealing of amorphous and solid-phase-crystallized silicon films [J]. Journal Of Applied Physic, 1999, 86: 5556-5565.
测量三极管好坏需要根据三极管的类型的特性，利用三极管内PN结的单向导电性用，用仪器万能表，检查各极间PN结的正反向电阻，如果相差较大说明管子是好的，如果正反向电阻都大，说明管子内部有断路或者PN结性能不好。
三极管全称应为半导体三极管，是一种控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。三极管是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件，三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分。
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【关键词】Zemax；准直；非球面
0 引言
半导体激光器因其体积小、重量轻、阈值电流低等特点已被广泛应用于材料加工、激光通信、信号处理、医疗、军事等相关领域。但由于半导体激光有源层在横向和侧向的尺寸不一样，导致出射光束发散角较大且不均匀，严重影响了能量的传播和后续的测量过程。一般常用的激光准直的方法有圆柱透镜法、非球面柱镜法、光纤耦合法、渐变折射率透镜法和液体透镜法等。本文主要介绍利用两片非球面柱透镜的方法进行激光准直，并在zamax软件中进行仿真，同时提出一种对点光源整形为线光源的方法。
1 半导体激光光束特性
半导体激光的发光原理是基于受激光发射，满足粒子数翻转和阈值条件，模式可分为空间模和纵模。因为在横向和侧向的尺寸不一样，导致的衍射效应叠加的结果也不一样，最后形成输出光束为椭圆高斯的光束。本文讨论的是小功率半导体激光器，因为它的发光面尺寸较小，近似用基模高斯分布来分析，输出光束的光强分布可用下面的公式给出：
2 非球面准直透镜组设计
2.1 非球面方程介绍
Z（r）为非球面的凹陷度；r为非球面的孔径半径，r2=x2+y2（若只考虑YOZ平面的话，x可以为零）；c为曲率半径的倒数；k为圆锥系数。
2.2 非球面方程参数确定
横向在光学设计中也可以理解为子午方向上，即YOZ平面，如下图所示。
在准直设计中会给出目标光斑大小y以及透镜折射率n，这样？琢■、y、n已知，计算得到，再代入式（6）～（8）中求出横向非球面透镜的参数。侧向的柱透镜的非球面方程系数可通过上面过程同样可以得到。
3 软件仿真与整形系统介绍
3.1 参数计算
3.2 zemax仿真及结果对比
在非序列模式下对光源建模可以用软件里面自带的Source Diode，然后设置它的子午方向和弧矢方向的发散角，两个柱透镜的建模可以使用软件里面集成的Biconic Lens，然后根据本章计算得到的参数输入到相应的位置中，再在透镜后的位置放置Detector面，最后对半导体激光光线进行追迹，用接收面积为60mm*60mm的接收面在距离光源50mm、100mm和200mm处分别采集光斑图样，并与没有加准直透镜的系统进行比较。如下图所示，其中（a）、（b）、（c）图分别表示的是在50mm、100mm、200mm的光斑大小对比，最后准直后的发散角近似计算得到为0.29°，准直性良好，满足设计要求。
3.3 整形系统介绍
点激光整形为线激光通常使用柱面镜、回转棱镜等，但是柱面镜产生的是高斯光束，中心区域较两边能量高，直线亮度不均匀，而本文采用的鲍威尔棱镜则不同，它可以产生光强均匀的线光。鲍威尔棱镜是一种光学划线棱镜，入射光斑入射到鲍威尔棱镜前面的非球面表面，然后光线偏折，最后在后表面折射出去，可以仿照建立非球面准直的思路，对鲍威尔棱镜在zemax软件中建模并进行仿真。
4 结论
本文从理论出发，设计了在横向和侧向上的两片式非球面透镜准直系统。在给定设计参数的情况下求出非球面系数，并通过zemax软件进行仿真，该方法建模简单，可通过编写软件后自动计算参数，最后达到准直的效果良好，有待加工出实际透镜后做进一步验证。
【参考文献】