半导体与量子力学的关系篇1
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，除选用经典的部级规划教材――《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.
半导体与量子力学的关系篇2
关键词：半导体照明；人才培养；产学研合作
中图分类号：G642.0文献标志码：a文章编号：1674-9324（2014）23-0090-02
一、引言
改革开放三十几年，我国建成一大批新型城镇，各城市的亮化工程以及居民如火如荼的家装工程都推动着照明产业的迅猛发展。随着全球对发展低碳经济取得共识，在照明产业方面，传统的白炽灯、气体放电灯等照明设备因能耗高逐步被新兴半导体照明替代。半导体照明是使用LeD作为光源的照明。作为目前全球新一代光源，LeD因其节能、环保、显色性好、寿命长等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。我国的LeD产业在国家政策扶持和引导下，实现快速发展。据国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSa）统计，我国各类LeD相关规模企业已超过6000家，从业人员超过300万人。其中封装、应用类企业总数已超过5000家，2011年国内总产值已超过1500亿元，十二五期间将超过5000亿元。
二、半导体照明产业人力资源存在问题分析
半导体照明作为国家战略性新兴产业，是一个学科跨度大、产业链长、技术和应用更新快的行业，人才需求量巨大。十二五期间，我国半导体照明产业人力资源需求总量新增将超过200万人。其中，复合型高端产业领军人才的需求约5千人，高级技术和管理人才约5万人，专业技术和研发人才需求约20万人。预计到2015年，我国半导体照明产业的从业人员将超过400万人。然而，由于LeD半导体照明技术尚属于新兴技术，涉及的专业门类比较繁多，包含了材料学、物理学、化学、微电子、光学、热学、机械等诸多方面，我国高校尚没有相应对口的专业设置，因此当前我国半导体照明企业技术人才严重不足。
人才紧缺是当前我国半导体照明产业最为突出的问题之一[1]。就半导体照明产业而言，人才资源存在的问题主要表现在以下几个方面：（1）产业人力资源配置、人才供应不足，无法满足产业不断增长的人才需求。（2）产业链高端的核心技术人才匮乏，制约了产业的技术创新与进步。（3）教育资源的不足与职业训练体系的缺位，限制了人才引进以及从业人员的能力素质提高。（4）企业人力资源管理水平较低，导致企业综合成本提高，制约企业的长期发展。从宏观上看，企无人则止[2]。半导体照明行业缺少企业的发展和支持就失去了发展的推动力，因此必须要找到解决行业人才短缺的办法。
三、构建产业联盟-企业-高校人才培养生态系统
人才培养的出路在于要内培外训，坚持培养，半导体照明产业业内多名专家和学者已经达成共识：半导体照明产业的发展必须走产学研结合的道路，LeD产业人才培养也只有在产学研合作的框架下才能满足企业需求。因此，为应对半导体照明产业人力资源短缺的难题，作为半导体照明产业人才开发体系的建设者、相关政策制定的推动者的国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSa）联合300余家会员企业与国内多所高校及研究机构开展产学研合作，在LeD封装、芯片制备、LeD产品测试、照明产品光学设计等领域展开全方位的研究与探索。在人才培养方面，国家半导体照明工程研发及产业联盟在深圳大学、桂林电子科技大学、五邑大学、杭州中为光电等具备LeD研究设备和研发能力的单位建立了11个半导体照明培训认证基地，培养半导体照明产业急需的专业人才。搭建如图所示半导体照明产业人才培养生态系统：
左图所示的人才培养生态系统实际上是基于半导体照明产业产学院合作框架简历的人才培养系统。整个系统围绕人才培养核心任务，CaS产业联盟作为企业和高校联系的桥梁和纽带，通过在高校和企业建立的人才培养基地从高校选择学生培养后输送到企业，也从企业选拔员工进行技能提高培训后反哺到企业，可以源源不断地为行业输送专业人才。与此同时企业通过联盟与高校及研究所对应的学院和研究团队开展LeD研发、测试、产品应用等方面的合作，既提升了企业的研究水平，又能促进科研机构的研究产业化。笔者作为桂林电子科技大学半导体照明产业人才培养基地的骨干教师，负责了三期一共160名学员参加的半导体照明封装及应用工程师培训、认证及就业推介工作，三期学员在联盟从高校、企业、研究所聘请的半导体照明专家的带领下系统学习了LeD产品生产、研发、测试、应用相关知识，在通过联盟认证考核后获得了半导体照明工程师资格证书，并被深圳瑞丰光电子股份有限公司、深圳聚飞光电股份有限公司、深圳雷曼光电科技股份有限公司、厦门华联电子有限公司、宁波升谱光电半导体有限公司、东莞勤上光电股份有限公司、北京宇极芯光光电技术有限公司等国内知名半导体照明企业录用，走上了LeD研发和应用研究的工作岗位。
结合桂电人才培训基地的成功为行业培养160余名研究人才实际情况来看，CaS产业联盟联合高校、企业、科研机构建立的11个半导体照明产业人才培训基地确实为半导体照明产业输送了大批研究人才，缓解了企业研究人才短缺的局面。笔者相信随着CaS产业联盟在全国更多研究机构和企业建立更大规模和更多数量的人才培养基地，随着高校及企业更加坚定走产学研合作道路的信念，随着高校陆续开设LeD相关专业，企业加大研究人才的培养和培训力度，定可大大缓解并最终解决半导体照明产业研究人才短缺的问题。
四、结论
半导体照明行业人才培养尚处在探索和研究阶段，半导体照明行业作为快速发展的多学科交叉、新兴技术行业对人才有大量需求，为了适应产业的发展，必须结合产业背景，充分发挥产业联盟、科研机构、高校和企业产学研结合的优势，才能培养出适应产业发展需求的高水平复合型人才。
参考文献：
[1]陈燕生.LeD人才培养切忌急功近利[n].中国电子报，2012，（4）.
半导体与量子力学的关系篇3
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]Donaldneamen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.
半导体与量子力学的关系篇4
瞬态光伏技术（tpV）能够有效探索半导体功能材料中光生电荷的输运性质，是一种无损检测技术。简述了利用瞬态光伏技术探索半导体功能材料的光电性质，包括分析功能材料的类型、载流子的传输方向、载流子的寿命、分离效率等信息，这对我们理解半导体功能材料的各种光物理过程是非常有益的。
关键词：
瞬态光伏技术；光生电荷；光生电子-空穴对；光生载流子
瞬态光伏技术是微区扫描技术中表面光电压的一种。表面光电压就是半导体的光伏效应，当半导体的表面被大于其带隙能的光照射时，半导体价带（VB）中的电子由于吸收了光子的能量，跃迁到半导体导带（CB），价带中留下空穴，产生光生电子-空穴对，这种光生电荷的空间分离产生的电势差为光伏效应，w.G.adams在1876年最先观察到这一现象。1948年以后，半导体领域的开拓使得光伏效应成为一种检测手段，并应用于半导体材料特征参数的表征上。不同于稳态表面光电压（SpS）检测在连续波长的光激发下的光生载流子（电子或空穴）的分离结果，瞬态光伏技术检测的是在极短的光（纳秒ns或飞秒fs级别）激发后的光生载流子的产生、分离、复合等一系列动力学行为。
1瞬态光伏技术的发展
瞬态光伏的说法源于英文transientphotovoltage。这种检测方法也有许多其他的表达方式，如时间分辨光伏等。最早利用瞬态光伏技术的是e.o.Johanson［1］，1957年Johnson通过此技术探索了多种半导体中少数载流子的寿命。瞬态光伏技术的发展依赖检测仪器中光源的使用，Johnson采用的光源为电火花隙（Sparkgap），它的时间分辨率在微秒范围内。J.Hlavka和R.Svehla［2］使用发光二极管作为光源，将测试装置从等效电路上进行分析，得到的时间分辨率为100ns。这一技术的改进对未来瞬态光伏技术的迅速发展起到了至关重要的推动作用。随着具有超快时间分辨率的脉冲激光器作为光源，瞬态光伏的时间分辨率也逐渐提高，在各类型的半导体材料中都有应用，探索这些半导体材料的光电性质，获得了很多优异的成果。例如2004年，B.mahrov等人研究了空穴导体CuSCn等和电子导体tio2等的瞬态光伏，分析得知不同的半导体类型（空穴或电子导体）导致了电荷注入方式不同［3］。
在利用瞬态光伏技术作为研究手段的工作中，德国th.Dittrich研究小组获得了令人瞩目的成绩。他们不仅检测到时间分辨率为纳秒级的光伏结果，同时研究了不同类型半导体材料的瞬态光伏性质，建立了多种模型［4］。V.Duzhko博士在低电导材料方面也做了大量的工作，从单一的Si器件到现在的复杂器件，如染料敏化的tio2器件、量子点电池器件等［5］。此外，瑞士的andersHagfeldt小组［6］，英国的BrianC.o'Regan小组［7］和日本的Kunioawaga小组［8］也对半导体材料的瞬态光伏性质有卓越的研究。在国内复旦大学应用表面物理国家重点实验室的侯晓远教授课题组和吉林大学光化学与光物理实验室的王德军教授领导的科研小组对瞬态光伏技术的研究都取得非常好的研究成果。侯晓远教授课题组从有机薄膜半导体等瞬态光伏结果发现了极快激子解离过程［9］。王德军教授课题组在研究功能半导体材料，如tio2、Zno、Fe3o4、BiVo4等新兴的半导体材料的瞬态光电性质有重要发现［10-13］。
2瞬态光伏技术的装置及获得的信息
理想的光伏测试技术可以调节不同的参数对半导体功能材料进行测试，例如，调节系统的温度、压力、气氛等一系列参数，也可以选择不同的光源（连续光源或者脉冲激光源）进行瞬态光伏（时间分辨的光电压）的测量，如图1a中所示。作为一种无损检测设备，瞬态光伏系统的搭建通常是按照图1b中的简图自组装搭建。光源为脉冲激光器，测试过程中经过衰减的激光可以通过渐变圆形中性滤光片进行调节，衰减后的激光通过反光镜直接照射到样品池中。样品池的被测信号经过信号放大器，由数字示波器进行检测记录。光生电荷的产生是一个极其快速的过程，相比之下，光生电荷载流子的分离、扩散、转移和复合则较慢，一般时间分辨率在纳秒、微秒甚至更长的时间，光生载流子在不同时间分辨率内的传输动力学行为对半导体功能材料的活性有着重要的影响。例如，半导体的光电转换效率就受到半导体光生电子空穴对的分离程度影响；光生载流子的传输方向影响功能材料的性质及其应用；同时光生载流子的寿命及其具有的能量可以决定体系的氧化还原性等。因此，通过瞬态光伏技术可以获得半导体功能材料光生电荷的分离效率、获得光生载流子（电子或空穴）的扩散方向、光生载流子的扩散寿命等微观动力学信息。通过这些信息，我们可以分析半导体功能材料的物理化学性质，以及这些性质与材料活性之间的关系，这对进一步提高和优化功能材料的性能是非常重要的。
3瞬态光伏获得材料类型和载流子传输方向
利用瞬态光伏技术可以判断功能材料的类型。例如图2所示，2a中为n型Si的瞬态光伏谱图。它显示当材料的表面受到光照以后，n型半导体的瞬态光伏信号为正，光生电子向材料的体相迁移，光生空穴向表面迁移，并在表面大量聚集，因此表现为正信号。2b中p型Si的瞬态光伏信号为负。当p型材料受到光激发以后，光生电子向材料的表面移动，光生空穴向体相移动，因此信号为负［14］。
4瞬态光伏技术比较材料的分离效率及寿命
利用瞬态光伏技术可以分析半导体功能材料的光生电荷分离效率和光生载流子的扩散寿命。在光催化应用中，光生载流子的分离效率及寿命影响着催化剂的活性。光生电子-空穴对的分离效率越高，载流子的寿命越长，说明在光催化降解过程中参与氧化还原反应的载流子越多，催化活性越高。如在C掺杂的tio2材料（C-tio2）中［10］，不同的煅烧温度获得的样品，由于光电性质的不同，催化活性具有明显差异。如图3a所示，瞬态光伏信号在最大值处（p2峰）归因于光生电荷载流子的扩散，与p25的瞬态光电压曲线相比，在130℃、150℃、180℃煅烧温度制备下C掺杂tio2样品p2峰位的响应时间分别是19ms、32ms、30ms，C的掺杂使得样品的扩散光伏寿命明显延长，说明C-tio2的光生载流子的分离效率更高，光生载流子的复合更慢，因此有更多的载流子参与光催化的氧化还原反应，催化活性更高，如图3b。
5瞬态光伏技术的未来及展望
半导体与量子力学的关系篇5
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。
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）器件研制的高潮。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。
半导体与量子力学的关系篇6
在赵阳的带领下，美新半导体（无锡）有限公司自1999年成立至今，从初期不到10人的规模发展到如今成为全球首家将微电子系统和混合信号处理电路集成于单一芯片的惯性传感器公司。其电子微机电、微加工集成技术目前居全球最领先水平，填补了众多国内空白。赵阳花了四年时间开发了世界上第一款在标准互补金属氧化物半导体（CmoS）流程上集成的微机械系统传感器，并在此基础上研发与生产了加速度、磁感应、流量等微机电系统传感器。目前，美新半导体是全球消费类电子市场最大的微机电系统传感器供应商之一，产品广泛用于移动消费类电子产品、汽车电子与工业应用等领域，产品性能达到并部分超过国际先行水平，打破了国际跨国大公司的技术壁垒。
微机电系统传感器领域的进入门槛很高，而赵阳硬是凭借超前的理念和过硬的技术，将美新半导体打造成世界上第一家把微机电系统与标准互补的金属氧化物半导体（CmoS）共同集成在单芯片上的传感器公司。公司的电子微机电、微加工集成技术居全球领先水平，也是国内唯一具备商业量产化能力且拥有严格的质量管理体系的微机电系统产品专业公司。
从2001年公司进人正式运营期以来，美新半导体实现了快速的发展。2007年12月，美新半导体在纳斯达克上市，融资1亿美元，代码memS，成为全球第一家也是唯一一家将微电子机械的行业名称设为代码的企业。2008年北京奥运开幕式上，现场8万多名观众不时挥舞的能发出五种颜色的“助成捧”，就全部来自美新半导体，其核心器件就是美新在国际相关技术领域领先的微电子传感器芯片。2010年，金融危机席卷全球，但在赵阳的带领下，美新半导体借助在微机电系统技术上全球领先及持续投人创新的优势，结合美国最新技术和中美高端人才共同研发，逆势成长，2011年销售收入实现100%的增长。
2010年1月，美新半导体收购了世界知名无线传感网络方案解决商——克尔斯博科技公司（CRoSSBow），将国外最先进的无线传感网技术带人了国内。这表明美新已经从单纯的微纳传感器公司转变成物联网整套解决方案的供应商。作为拥有国际领先的传感网技术的企业，美新也将会为物联网的产业发展发挥积极的推动作用。
作为国内微机电系统行业的领军人物，赵阳一直在技术创新上不断追求，并投入大量资源开发微机电系统的新技术、新产品。美新半导体在美国波士顿设有微机电系统研发中心，在芝加哥设有模拟集成电路的设计中心，可以迅速引进国外先进科学技术和产品设计理念。同时，赵阳还创建了微纳工程技术研究中心，通过与国内外一流研究中心所的产学研密切合作，吸引了一批国内外微纳研究与产品开发一流人才，为微机电系统领域人才集群提供了坚实的平台，并孵化了一系列拥有国际领先水平的产品。
半导体与量子力学的关系篇7
关键词：得失观;模拟电子技术;课程教研
中图分类号：G642.4文献标志码：a文章编号：1674-9324（2014）42-0189-03
得与失，得多少失几何，得失之间产生一种现象、状态、结果，不断融入在人们现实生活的思考与权衡中，是人们潜在的本能行为。模拟电子技术知识内容的教与学隐含了得失道理，这样，把得失理念贯穿在教学中，就可以把一个个抽象的知识点现实化、通俗化、直观化。
模拟电子技术知识点的细、繁、杂、广，以及教学课时的吃紧，带来了对这门课程学习的很大难度。如何在有限的时间里理解并掌握模拟电子技术课程的基本内容，是每一个致力于电子应用技术人员以及任课教师试图回答的命题。在模拟电子技术课程教学中，把模拟电子技术许多知识点的理解映射到现实生活中的得失观，有助于知识的理解、消化与掌握。
一、杂质半导体的得与失
本征半导体掺杂后就是杂质半导体，非四价原子与四价原子在形成共价键中，得到电子成为负离子，失去电子成为正离子。n型半导体就是本征半导体掺入施主杂质所形成的，一个施主杂质原子在形成一个自由电子过程中变成了一个固定而不能移动的正离子，电子则为多数载流子，而本征激发产生的空穴只是少数载流子。相反，p型半导体则是本征半导体掺入受主杂质形成的，一个受主杂质原子在形成一个空穴过程中变成了一个固定而不能移动的负离子，空穴则为多数载流子，而本征激发产生的电子只是少数载流子。
正是本征半导体掺杂后的得与失，使得杂质半导体的载流子数量有了量以及性质的改变，相对本征半导体的导电能力有了一定的提高，但并没有带来质的改变，所以，一般不会作为普通导体应用。
二、pn结的失与得
pn结就是得与失的产物。p型半导体与n型半导体的交界面因多子极型以及浓度差别，形成多子扩散运动，n区的电子扩散到p区，p区的空穴扩散到n区，在交界区域原有的电中性被破坏，p区失去空穴留下了不能移动的杂质负离子，n区失去电子留下不能移动的杂质正离子。这些不能移动的带电粒子集中在p区与n区交界面附近，形成空间电荷区。空间电荷区的逐步建立削弱了多子的扩散，而增强了少子的漂移。当多子扩散运动与少子漂移运动保持一种动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即pn结。
两种不同极型的杂质半导体在交界面失去多子的过程，得到了一种导电性能独特于杂质半导体导电能力的介质，带来了半导体导电能力质的突变，这就是pn结的单向导电性，即正向偏置导通，反向偏置截止。
复合的pn结，在制作工艺上的差别，分别有双极型晶体管与单极型晶体管。晶体管在合理偏置下导电性能表现了特有的控制性能，即电流控制型的双极型晶体管和电压控制型的单极型晶体管。
三、放大电路的得与失
晶体管器件在“合理偏置以及顺畅的交流通道”原则下就可以构建一个放大电路，一个微弱的输入信号从输入端引入，在输出端得到一个幅值足够的输出信号，表现了小幅度的模拟量通过放大电路后得到了大幅值的模拟量，淋漓尽致地表现出信号幅值放大的概念。殊不知，这种放大电路的“放大”理解是表面的，是片面的，只看到“得”的现象，而没看到“失”的本质。
在放大电路中，工作电源不仅仅只是提供合理的偏置，更主要担负着能源作用。放大电路仅仅只是一个信号幅值变换的平台，微弱的输入信号能源通过晶体管的控制作用改变着工作电源在输出负载上的能量消耗。最常见的一个事例就是人们日常使用的收音机，收音机就是一个典型的放大电路。手持式收音机没有电池，不可能发声，装上电池后就可以接收电台信号，伴随听的时间与音量的大小，电池的消耗程度或使用时间就会不同。没有收音机，人们不可能感受到空中的电磁波能量，有了收音机而没有电源也听不到悦耳的音乐，电池能耗使用殆尽了也享受不了。所以，严格意义上的放大电路是一个能源控制电路，放大电路的本质是弱小能量对大能量的控制。
放大电路表面上得到了信号的幅值增大，实质上消耗了电源电能。
四、差分电路的失与得
单级放大电路的放大能力是有限的，总期望多级放大。多级放大电路是由若干级单级放大电路所组成，这样单级放大电路之间就存在耦合关系，直接耦合是多级放大电路的典型结构形式，直接耦合的多级放大电路最突出的弊端就是零点漂移，零点漂移最核心的表现形式就是温漂，解决零点漂移最有效的手段就是差分电路。
差分电路由两个特性完全一致的单级放大电路复合而成，表现在晶体管的特性一致，晶体管偏置电路器件参数一致。差分电路从理论到实用经历了三个演变，即基本式差分电路、长尾式差分电路、带恒流源的差分电路，这三个演变唯一不变的就是基本结构不变。通过电路分析不难得出结论，差分放大电路的差模增益与单级放大电路的增益是一样的，然而，差分电路的共模增益接近零，有较大的共模抑制比，可以很好地抑制温漂，而单级放大电路就无法解决温漂问题。第一级放大电路温漂决定了多级放大电路的温漂，所以，集成运放的第一级总是差分输入级。
可见，差分电路通过“失去”硬件（增加结构等价的电路，增大电路成本），得到了对共模信号的抑制能力，而并不改变对差模信号的放大能力。
五、带宽增益积的得与失
考核放大电路的性能表现在增益、峰峰值、输入电阻、输出电阻、带宽、失真度、输出功率与效率等参数中，它们取决于放大电路组态、晶体管特性、电源以及应用的方式。在放大电路的时域分析过程中，总是期望放大电路的放大倍数越大越好，一级放大能力不够就采取多级放大，以提高放大增益;在放大电路的频域分析过程中，总是期望放大电路有很小的下限频率和很大的上限频率，频率响应范围越宽越好，即带宽值越大越好。带宽是上限频率与下限频率的差值，提高带宽的有限手段就是尽可能提高放大电路的上限频率值。通过电路的频域分析可以发现，提高上限频率与提高放大电路的增益是矛盾的，一旦当放大电路的晶体管选定之后，带宽与增益之积是一个常数，放大电路的放大倍数增大几倍，相应地该电路的带宽就会减小几倍，实际中，既要提高放大电路的增益又要扩展放大电路的带宽，总是选取基区体电阻小、发射结与集电结电容效应小的高频放大管。
可见，放大电路带宽增益积概念表现了得与失的理念，欲想得到较大的增益，必然失去频率响应的范围。
六、反馈放大电路的得与失
反馈是自动控制的一个重要概念，反馈放大电路是提高放大电路放大性能的重要手段，在电子技术应用中运用极为普遍。
负反馈放大电路中，输出信号部分或全部反送到输入端削弱输入信号，使得闭环增益相对开环增益减小了反馈深度倍，表面上损失了放大电路的增益，然而，对放大电路的其他性能技术指标得到了极大的改善，表现在增益的稳定性得到了提高;环内的噪声干扰抑制能力以及非线性失真得到了改善;电路的带宽得到了扩展;输入电阻与输出电阻得到了相应的改善。如电压串联负反馈放大电路，增大了输入电阻，有助于电压输入信号的放大;减少了输出电阻，有利于输出电压的稳定性。
正反馈放大电路中，输出信号部分或全部反送到输入端增强输入信号，闭环增益相对开环增益进一步增大，这是信号发生电路扰动起振的必然要求。信号发生器不会有输入信号或者说就是一个零输入电路，电路接通电源瞬间形成电路换路情形，通过正反馈选频网络（RC或LC选频网络）把输出端的信号有频率选择性地反送到输入端不断放大，这种无止境的放大也必然带来输出信号的非线性失真，所以在电路中为了防止输出信号的非线性失真，总是需要设置输出稳幅网络。可见，信号发生电路由放大电路、正反馈选频网络、稳幅网络三部分组成。稳幅的有效措施就是负反馈，所以，信号发生电路必须维持正反馈特性与负反馈特性的动态平衡。
负反馈放大电路失去了增益，得到了电路性能技术指标的改善;正反馈放大电路得到了增益的“膨胀”，失去了输出信号的线性度，实际中为了挽回这种“失”，再次引入负反馈特性。
七、桥式整流的得与失
小功率直流稳压电源中整流的任务就是把交流电转换成直流电，衡量整流电路性能的主要参数表现在两个方面：（1）表征整流电路质量的参数，有输出电压和脉动系数;（2）表征整流电路对整流元件要求的参数，有正向工作电流和反向峰值耐压。半波整流输出电压低，脉动系数大;全波整流输出电压高，脉动系数小。然而，全波整流不仅需要降压变压器的副边引出中间抽头，更主要对整流元件的反向耐压提出了苛刻的要求，它是半波整流对整流元件反向耐压值要求的两倍。实际中，既要提高整流输出电压并减少纹波系数，又要对整流元件反向耐压的要求不苛刻，有效的技术手段就是桥式整流，桥式整流相比全波整流，在电路结构上只是增加了两个整流元件，但输出效果等同于全波整流电路的整流;桥式整流电路对整流元件的要求等同于半波整流电路对整流元件的要求，把半波整流与全波整流各自的优势整合在一个应用电路中。
可见，桥式整流电路通过“失去”硬件（增加电路成本），得到了优于半波与全波整流电路的整流性能。
在模拟电子技术知识内容中还有许多知识点都隐含着“得失”思想，可以不断挖掘，本文仅仅想达到抛砖引玉的目的。《模拟电子技术》课程教学，内容抽象、枯燥，不仅理论性较强，而且实践性更强;不仅专业名词概念繁多，而且各专业术语之间的联系性很紧密，环环相扣;不仅局限于教本的学习，而且要有更多应用电子线路的捕猎。所以，无论是应付考试学习，还是立志电子技术应用技能的提高，重在课程知识点的理解，变抽象为具体，化枯燥为趣味，变被动为主动。人们自身的得失观是潜在而主动的，模拟电子技术知识点的理解隐含或潜在着得失理念，二者有机结合，在模拟电子技术课程教学中就可以起到画龙点睛、事半功倍的成效。
参考文献：
[1]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础模拟部分（第五版）[m].北京：高等教育出版社，2013.
半导体与量子力学的关系篇8
1物理复习专题设计的原则
①科学性原则，即体现学科特点，遵循教育心理学原理、符合逻辑学的方法，这是传统的备教材、备教法、备学生的三个基本程序的体现。物理学有哪些特点呢？它是一门以实验为基础的科学；是一门严密的理论科学；是一门定量的精密科学；也是一门带有方法论性质的科学。因此，在专题设计时要充分考虑专题所涵盖的知识体系、逻辑结构以及物理方法的运用。同时要考虑第一轮复习中学生所暴露的问题及学生已有的认知结构来设计专题。复习的过程也要遵循皮亚杰的关于图式、同化、顺应、平衡的四个认知过程。专题复习就是要解决新的认知平衡问题。如果将专题复习课堂视为一个开放系统，则按照耗散结构理论，复习中只有充分开放，才能使学生从无序走向有序，从而形成稳定的结构。按照遗忘规律设计，热学、光学、原子物理学及实验的复习由于识记的内容偏多，所以应放在所有专题的后面。
②系统性原则，即在教科书和《考试大纲》的范围内，不局限知识单元，而是考虑知识的体系和结构，从学科思想和方法上进行归纳，帮助学生构建新的物理框架。这不是知识的堆积，而是知识的综合，更是思想的综合。设计的重点应放在系统掌握知识的内在联系上，放在掌握分析问题的方法和解决问题的能力上。例如，能的转化和守恒定律贯穿于物理学的始终，是研究自然科学的重要思想方法。能量守恒的具体形式在力、热、电、光、原各知识单元中均有呈现，作为一个专题进行复习，能使学生进一步理解有关知识，更重要的是培养学生一种独立的思考和解决问题的习惯或能力。
③最优化原则，专题设计的方案具有多样性，根据知识结构可以设计为大的专题，也可以设计为小的专题。如力和运动的关系，在力学和电磁学中均有广泛的应用。应用在力学范围就有力与直线运动的关系以及力与曲线运动的关系；应用在电磁学范围有带电粒子在电场中的运动，带电粒子在磁场中的运动，电磁感应现象中的杆类问题等等。显然这样的专题太大，可以设计为如力与直线运动、力与曲线运动、带电粒子在复合场中的运动、电磁感应现象中的力学问题等四个小专题。总之复习时间有限，应当努力追求复习效益的最大化。
④可行性原则，专题设计要考虑学生的实际，选择教辅书上的专题应在复习课时保证的前提下，注意专题的时效性、针对性和可操作性。
2物理复习专题设计的依据
专题设计是通过对高考研究所获取的信息为依据。高考研究包括《考试大纲》的研究和近几年高考试题的研究。《考试大纲》是国家考试中心制定的带有法定性的文件，是命题的依据。《考试大纲》每年均有少部分调整或变动，只要比较新大纲和老大纲就能了解哪些地方作了调整或变动。教师需要考虑的是大纲调整的意图是什么？为什么作这样的调整？在试题的设计上怎样体现？还有《考试大纲》题型示例的研究，例如2007年较2006年在题型示例中增加了6道小题，研究后发现增加的目的是强调试题的基础性、应用性和实践性，体现新课程的理念。
每年的高考试题，既保持稳定，又不断创新；既重视基础，又考查能力；既关注教材，又联系实际。近年的高考试题，特别是全国试卷，是最规范的，也最有规律。考试中心近三年共编制了9份理科综合试卷，其中2004年4套，2005年3套，2006年2套．几乎不变的命题组成员，其命题风格和思路也基本稳定。受到《考试大纲》的约束，命题范围狭窄，物理学科的题量有限，这就为我们分析研究高考，提供了空间。此外，专题设计时必须分析学生在进入学习过程前所具有的一般特征，必须确定学生的初始状态，注意学生的认知结构和学习者的准备状况。
3设计示例-带电粒子在复合场中的运动
复习专题设计的内容一般包括三个部分，即知识梳理、例题精析、训练板块。知识梳理是对知识的综合，例题精析是对思想的综合，训练板块是对专题的反馈。因此例题的选择尤为重要．限于篇幅，设计示例只列出标题或主要知识点，例题只选两道，训练板块略去。
3.1复合场
3.1.1概念：同时存在电场、磁场和重力场的区域或其中的两个场的区域，均称为复合场。广义地说，解题过程中凡涉及两个场或三个场的分析的问题，均属于复合场的问题。
3.1.2三种场力的特点
3.1.3关于微观粒子和普通带电微粒重力取舍的原则
3.2带电粒子在复合场中的运动性质
3.2.1带电粒子在复合场中无约束情况下的运动性质
（1）带电微粒在三种场共存区域中做直线运动。当其速度始终平行于磁场时，不受洛伦兹力，因此可能做匀速运动也可能做匀变速运动；当其速度垂直于磁场时，只能做匀速运动。
（2）带电微粒在三种场共同作用下做匀速圆周运动。必然是电场力和重力平衡，而洛伦兹力充当向心力。
（3）当带电粒子所受合外力的大小、方向均在不断变化时，粒子将做非匀变速曲线运动。
3.2.2带电粒子在复合场中有约束情况下的运动性质
3.2.3带电粒子在交替场中的运动性质
3.3带电粒子在复合场中运动的分析方法
带电粒子在复合场中运动的分析方法和力学问题的分析方法基本相同，不同之处是增加了电场力和洛伦兹力。要知道电场力和洛伦兹力的特点，灵活运用力的观点、能量的观点处理有关问题。
3.4带电粒子在复合场中运动的实际应用
3.4.1速度选择器（滤速器）：利用相互正交的匀强磁场和匀强电场选择具有一定速度粒子的器件。
3.4.2磁流体发电：利用等离子体喷射入磁场，在磁场中的两块金属板上聚集电荷，产生电压的一种新型发电技术。
3.4.3质谱仪：测量带电粒子的质量和分析同位素的重要工具。
3.4.4电磁流量计：测量液体流量的仪器。
3.4.5回旋加速器：一种高能粒子加速器。
例1有人设想用如图1所示的装置来选择密度相同、大小不同的球状纳米粒子。粒子在电离室中电离后带正电，电量与其表面积成正比。电离后，粒子缓慢通过小孔o1进入极板间电压为U的水平加速电场区域i，再通过小孔o2射入相互正交的恒定匀强电场、磁场区域Ⅱ，其中磁场的磁感应强度大小为B，方向如图1。收集室的小孔o3与o1、o2在同一条水平线上。半径为r0的粒子，其质量为m0、电量为q0，刚好能沿o1o3直线射入收集室．不计纳米粒子重力。
（1）试求图中区域Ⅱ的电场强度；
（2）试求半径为r的粒子通过o2时的速率；
（3）讨论半径r≠r0的粒子刚进入区域Ⅱ时向哪个极板偏转。
命题目的带电粒子在复合场中的实际应用，突出了理论和实际的联系。高中物理新课程标准特别强调物理学与技术的结合，新教材力求展示物理学的应用性、实践性以及对经济、社会的影响。因此联系生产、生活、社会、科技为背景的命题思想将会更加凸现和强化。
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思路分析(1)设半径为r0的粒子加速后的速度为v0，则
评析新情景的问题，要求考生有较强的应变能力、建模能力和迁移能力。本题实际上就是考查对速度选择器的原理的理解。教材上出现的如质谱议、回旋加速器、磁流体发电机、电磁流量计、速度选择器等，要真正理解它们的工作原理。
例2半导体材料硅中掺砷后成为n型半导体，它的自由电子的浓度大大增加，导电能力也大大增加．一块n型半导体的样品的体积为a×b×c，a′、C、a、C′为其四个侧面，如图2所示。已知半导体样品单位体积中参与定向运动的自由电子数为n，电阻率为ρ，电子的电荷量为e。将半导体样品放在匀强磁场中，磁场方向沿z轴正方向，并沿x方向通有电流i。求：
（1）半导体a′a两个侧面之间的电压是多少？
（2）若测得CC′两面的电势差为U，匀强磁场的磁感应强度是多少？
命题目的本题是根据大学教材中霍耳效应的内容设计的。霍耳效应为研究半导体载流子浓度的变化提供了重要的方法。近年来霍耳效应已在科学技术的许多领域（如测量技术、电子技术、自动化技术等）中开始得到应用。主要用途有以下几方面：测量磁场；测量直流或交流电路中的电流和功率；转换信号等。作为新技术的应用，以此材料为背景命题，试题情景新颖，要求考生具有较强的获取信息并处理信息的能力，能联系中学实际构建模型，运用学过的知识解决新的问题。考生的这种素质，是高校选拔人才的需要，也是进一步学学课程的需要。
思路分析（1）电流流经半导体材料沿x方向的电阻为R=ρcab
由欧姆定律，知加在a、a′的电压为
评析中学教材没有介绍霍耳效应，但可用洛伦兹力来解释。解答所用的物理模型是带电粒子在电场和磁场中的受力平衡。考查的知识点是考试大纲所要求的。从试题的立意设计看，中学复习中采用的题海战术不适用高校的选拔性考试；从试题的知识要求看，关注生活、社会、科技，夯实基础，理解知识的形成过程，掌握学科体系和知识结构，理论联系实际，是提高复习效益的有效途径。从试题的能力要求上看，理解能力是其它能力的基础，获取信息并处理信息的能力、构建物理模型的能力、迁移能力等是考生解决新情景试题必须具备的能力。根据学生情况可适当拓展提出新的问题：如何测量磁感应强度？
总之，在高考物理专题复习时，综合不仅是知识的综合，更应该要有思想上的综合。从知识综合升华到思想综合，进而形成学科智慧，这就是专题复习的三维目标。
参考文献：
［1］石中英等编教学设计．北京：教育科学出版社，2001.9
［2］周中权等编物理教学论．江西：江西教育出版社，1989.9
半导体与量子力学的关系篇9
关键词：mooC教学；半导体物理导论；课程建设
中图分类号：G642文献标识码：a收稿日期：2016-04-22
一、背景介绍
近年来，随着互联网信息技术的飞速发展，mooC平台上大量的教育资源逐渐得到世界各地学生的青睐。为了让全世界的学生都能获得公平的教育机会，mooC平台采取免收费、低门槛的方式允许所有人进行无障碍的在线学习。
“半导体物理导论”是微电子与固体电子学、电子封装技术及其相关从业人员所必须了解及掌握的一门课程，是相关材料学、电子学、光学等学科的学科基础必修课，国内外相关专业的学科基础必修课。传统课堂教育主要以课堂授课、书本练习为主，师生互动模式较为单一。学生在学习过程中往往感到枯燥，学习兴趣不强烈，学习效果不如意，更多依赖于学生的自主性和教师强制性布置作业和考试等来督促学生进行学习和课后的巩固。mooC平台的出现为“半导体物理导论”的高校教育带来了新的机遇和可能。
二、课程建设
1.“半导体物理导论”mooC教学的通识性
传统的高等教育往往基于特定的学科体系对学生进行培养，而对与专业无关的课程则选择忽视，正是这种局限导致了学校培养出的学生只具备某种学科的思维，局限于某一领域，而对多元化的世界没有全面的体验。mooC平台的出现打破了这种局限性，让学生有更多机会接触到不同学科思维，进而碰撞出更多思维的灵感和创造的火花，从而使不同学科体系的学生通过接触不同学科的熏陶，建立一种通识素养，在实现教学内容丰富化的同时，真正培养学生全面多元的复合素质。鉴于此，上海工程技术大学在开设“半导体物理导论”mooC课程建设时，就旨在通过mooC与传统课堂教育的双管齐下，让更多学科体系的学生有机会感受到半导体领域的学科视角。
2.“半导体物理导论”的翻转课堂
长期以来，传统教学都是教师在课堂上进行单向输入式传授。半导体物理导论作为一门专业必修课，理论性很强，对现代物理、量子力学以及微积分要求较高，连续90分钟的学习经常让学生感到理解困难、疲劳，以至于走神分心，不能集中精力。
而mooC教学则将每个单元的教学划分成若干知识点，每个知识点可以录制一个甚至几个视频。学生在视频学习的过程中，可以通过反复观看来加强理解。而且短小精悍的视频学习也不会让学生因感到疲劳而出现走神分心的现象。
3.全学分制管理
上海工程技术大学采用全学分制教育，通过鼓励学生使用mooC资源的学习，允许学生将所学课程的完成率转化成在校的课程学习的成绩和学分，这大大提高了学生学习的自主性和积极性。
三、结语
“半导体物理导论”的mooC教学方式打破了传统课堂教学的局限性，为更多本专业的学生以及相关工程技术人员提供了半导体相关知识的普及教育。而且，结合各章节内容设计不同的情境案例，适当地运用视频、图片、动画等多媒体辅助资料，不仅极大地丰富了讲义内容，还让学生通过对案例的分析、讨论，使学生形象、直观地感受专业知识，加深学生对教学内容的理解，而不是片面地、“填鸭式”地强迫学生通过死记硬背获得知识。
参考文献：
半导体与量子力学的关系篇10
关键词超晶格；量子阱；激子；能级宽度
中图分类号o471文献标识码a文章编号1673-9671-(2012)062-0218-03
1969年，江崎和朱兆祥提出由两种不同的超薄层来构成一维周期性结构，于是开始了对人工半导体超晶格量子阱的研究。超晶格量子阱是一种新型的人工结构晶体，它是由不同超薄材料或者不同导电类型的相同超薄材料交替生长而成的并且具有周期排列的单层厚度通常为几个或几十个分子（原子）层，比通常晶体的晶格尺寸大得多。半导体超晶格量子阱材料的出现可以说是近几十年来半导体物理学及材料学中的一个重大突破。这种完全由人工合成的新结构显示了天然晶体中所不存在的许多新现象，从而给予半导体物理的基础研究以新的刺激。
1理论计算
1.1能量测不准公式
当一粒子沿着一轨道加速（或减速）运动时，在保守场中波包中心的轨迹即是粒子运动轨道，波包动量的平均值就是粒子在经典意义下的动量，而且粒子的动能和势能在不断变化中。设势能的算符为ep，粒子动能的算符为ek，能为量的算符e=ek+ep。由量子力学测不准关系
Δek，Δep分别为动能、势能测不准量。假定（2.2）式等号近似成立。与（2.2）类似，同样有
由于[e，ek]=[ep，ek]，[e，ep]=[ek，ep]，（2.3）、（2.4）相乘，利用（2.2）式取其中等号能量测不准量为
由于动能算符与势能算符不对易，即[ek，ep]≠0，对于可用轨道来描述的粒子，波包中心沿轨道作经典运动，一般情况下
因此可利用上式来估算能量的测不准量，同时我们已经证明上式在本征态时为零，而在叠加态时一般不为零。
1.2超晶格量子阱中二维激子轨道方程
激子之间的电荷引力是有心力作用，因而两电荷始终在一平面内运动，满足轨道微分方程即比耐公式
其中：，，F为引力取负，为斥力取正。
激子之间作用力为电荷引力，
，其中
代入（2.6）式得
令
则（2.7）式变为
此微分方程的形式与谐振动方程完全一样，所以它的解是
即
上式中a及θ0是两个积分常数，如果把极轴转动一个角度，可使；即（2.9）式可简化为
（2.10）式即为我们所求激子轨道方程。如果把它和在极坐标系的标准圆锥曲线方程：
相比较，知轨道是原点在焦点上的圆锥曲线，力心位于焦点上，且p=h2/k2，ah2/k2=ap=e，p为圆锥曲线正焦弦长度的一半，e为偏心率，θ应从焦点至准线所作的垂线量起。
激子间作用力是有心力，因此机械能守恒
（2.12）
因此激子能量在平面极坐标系中为
作下列变换
解出，并分离变量，得
（2.14）式与（2.11）式比较得
因此只要知道激子能量e和角动量（或是e），则轨道形状可以完全确定。
1.3超晶格中二维激子能量测不准公式
在平面极坐标中，椭圆曲线方程为：
其中动能算符与势能算符对易关系为：
（2.18）
动能算符，势能算符在平面极坐标系分别为：
其中m为电子有效质量，ε为材料介电常数，q为电子电量。
则（2.18）式可化为：
则上式变为：
在平面极坐标系中的动量算符为：
代入（2.22）式得
（2.24）
可以得到：
波包不很大时，上式积分主要在θ0附近，上式可以略等于：
（2.25）
上面ψ是归一化波函数，积分在整个空间进行。θ0是极轴与波包中心和平面极坐标中心的连线的夹角。
利用（2.16）式得到：
（2.26）
应用准经典理论e=ek+ep，其中e是激子束缚能，ek是动能，ep是势能，代入椭圆轨道的曲线，即认为经典动量与波包动量略等于即
其中：
所以在e确定的情况下，在任何一点的p02也能确定。
所以能量测不准量为
（2.28）
其中，，。
2数值模拟与分析
下面我们考虑在Gaas材料中的情况，并运用已有的实验数据结合（2.28）式，选取参数
m=0.067m0，ε=13.1ε0
其中m0为电子静止时质量，ε0为在真空中介电常数，取激子束缚能e为-8.6mev。公式（2.16）中Δe为测不准能量，即为能量的半峰高全宽度。假设激子能量分布线型是洛仑兹型，记为gi（e，e0，Δe(θi)），其归一化函数为：
（2.29）
当θi取不同角度时，Δe为测不准能量，其中e0为激子能量。其叠加的最终结就近认为仍是洛仑型，即
（2.30）
n为分成的份数，q为粒子相对几率。
近似用经典的方法确定激子在任一范围的几率，即激子作经典运动在此范围停留的时间与激子处于任一范围的几率成正比。由于激子沿椭圆的轨道运动时在单位时间内通过的面积相等。即
（2.31）
其中c为一正数。由此可得，激子在该角度角速度与在某一角
度的几率与成反比。相对几率为。
由以上数据就可以得到当e=0.04时，激子半峰高全宽度为2.42mev；当e=0.09时，激子半峰高全宽度为3.63mev；同时发现当椭圆的轨道的偏心率e=0.35时，测得激子半峰高全宽度为8.70mev，此时能量测不准量大于激子束缚能e，因此激子已经离解。
对于激子的寿命可以利用公式计算，其中Δe为谱
线半峰高全宽度。最后就得出，当e=0.04时，τ=0.27ps；e=0.09时，τ=0.18ps；e=0.35时，τ=75.4fs。在（2.28）式中，我们利用dΔe（θi）/dθi=0，可以求出能量测不准量Δe（θi）的极值。即当
时，能量测不准量Δe（θi）为极大值，θ0=π时，能量测不
准量Δe（θi）为极小值。这实际上也很好解释，在椭圆轨道运动中，电子在轨道最远端（θ0=π）时，其运动的速度最小，即动能和势能的转换比较慢，因此，能量就较容易测准，即能量的测不
准量最小；当电子在与椭圆轨道的焦点垂直（）时，运动
速度最大，即动能和势能的转换比较快，因此，能量的测不准量最大。
3结果
因此通过上述公式和数值模拟得到如下结论：在介观系统中，具有椭圆的轨道激子偏心率很小，其轨道近似于圆；对于偏心率较大的激子就非常容易离解，寿命就非常短，存在几率也非常小。
参考文献
[1]D.a.Bmilleretal.phys.Rev.32,1985:1043.
[2]付方正.电场对量子阱中激子能级宽度的影响[J].光谱学与光谱分析,2001,21(6):749-751.
[3]夏建白.超晶格物理[m].科学出版社,1995.
[4]陈亚孚.超晶格量子阱物理,北京希望电子出版社,2002.