時間：2023-06-02 09:59:40
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇半導體材料設計，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關(guān)鍵詞：半導體材料；教學內(nèi)容；教學方法；實踐教學
中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）10-0085-02
材料是人類文明的里程碑，其中半導體材料更是現(xiàn)代高科技的基礎(chǔ)材料。近年來，半導體材料在國民經(jīng)濟和前沿科學研究中扮演越來越重要的角色，引起了社會的廣泛關(guān)注。半導體材料作為材料科學與工程專業(yè)的核心專業(yè)課，主要是通過研究學習Si、Ge、砷化鎵等為代表的半導體材料的性質(zhì)、功能，內(nèi)容涉及晶體生長、化學提純、區(qū)熔提純等半導體材料的生長制備方法及半導體材料的結(jié)構(gòu)、缺陷和性能的分析和控制原理。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，該學科也更新?lián)Q代加快，形成了一些新的理論和概念。為了進一步提高對半導體材料課程的教學質(zhì)量，我們借鑒國內(nèi)外大學先進的教學理念，對該課程存在的問題進行了總結(jié)，并提出了新的教學改革。
一、課程存在的問題
在半導體材料課程的教學實踐過程中，存在諸多的問題，例如該課程教材包含的內(nèi)容非常寬泛，理論強且概念多而抽象；部分內(nèi)容與其他課程的重復性相對較高，使得學生缺乏學習興趣；更主要的是教材內(nèi)容大多注重理論，而忽視了實踐的重要性，缺少對前沿科學知識的相關(guān)介紹。此外，目前傳統(tǒng)的課堂教學方法主要是簡單的教師講述或者板書課件的展示形式，學生被動地接受知識，部分學生只能通過死記硬背的方式來記住教師所傳授的基礎(chǔ)理論知識，長此以往，只會加重學生對該課程的厭學情緒。此等只會與因材施教背道而馳，扼殺學生的個性和學習的自主性，不利于培養(yǎng)創(chuàng)造新型科學性專業(yè)型人才。
二、課程改革的必要性
《半導體材料》課程以介紹半導體材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論為目的，從常見半導體的性質(zhì)，揭示不同半導體材料性能和制備工藝之間的關(guān)系，全面闡述各半導體材料的共性基礎(chǔ)知識與其各自適應用于的領(lǐng)域。在當今信息時代科技的飛速發(fā)展中，只有結(jié)合理論和實踐才能發(fā)揮半導體的最大效用，才能更有效地掌握其深度和廣度，這些對后續(xù)課程的實施也有著一定的影響。作為材料科學與工程專業(yè)的重要專業(yè)課程之一，除了讓學生學習理論知識，更重要的是培養(yǎng)學生的科學實踐能力和職業(yè)技能，以適應當今社會的發(fā)展。針對以上存在的問題，半導體材料的教學改革迫在眉睫。由此才可以改變學生的學習現(xiàn)狀，調(diào)動和提高學生的學習興趣，提高教學質(zhì)量，使得我們所學知識真正為我們所用。
三、教學內(nèi)容的改革
1.內(nèi)容的改革。對傳統(tǒng)的半導體材料教學內(nèi)容的改革，從根本上來看最重要的是引入前沿知識，實現(xiàn)內(nèi)容的創(chuàng)新，并且使得理論聯(lián)系實際。下圖是目前我校的半導體材料的基本內(nèi)容，如下：
目前我校的半導體材料課程內(nèi)容主要由以上幾個部分組成，其中A、B兩部分的內(nèi)容為重要部分，整個學期都在學習；而C部分相對來說比較次要，在學習過程中大概講述一至兩種半導體材料，剩下的部分屬于自學部分，也不在考試范圍內(nèi)；至于專業(yè)課的實驗，也相對較少且沒有代表性。該課程是在大三上學期開設的，對于處于這個階段的學生來說，面臨這考研或就業(yè)的選擇與準備過程中。所以作為一門專業(yè)課，除了注重半導體材料的特性、制備和應用方面的知識外，更重要的是半導體材料的應用領(lǐng)域和研究現(xiàn)狀相結(jié)合，增加其實用性，不管對考研，還是就業(yè)的同學來說，都有一定的幫助。對于改革后的教學內(nèi)容，除了增加對圖1中C部分的重視度，其次，應增加各模塊：目前半導體材料的熱點應用領(lǐng)域及研究現(xiàn)狀。還有圖1中的A、B部分可適當?shù)販p少，因為在其他的專業(yè)課程都有學習過，對于重復的知識鞏固即可，沒必要再重點重復學習。對于實驗課，相對于實驗室來說，能夠操作的實驗往往沒有多大的挑戰(zhàn)性，有條件的話能夠進入相關(guān)企業(yè)觀摩，身臨其境的感受有意義得多。
在實際的課程教學過程中，除了學習常見半導體材料的發(fā)展歷史和研究方法外，介紹一些新型的半導體材料及其應用領(lǐng)域，例如半導體納米材料、光電材料、熱電材料、石墨烯、太陽能電池材料等，使學生能夠區(qū)分不同半導體各自的優(yōu)缺點；除了介紹晶體生長、晶體缺陷類型的判定及控制的理論知識外，介紹幾種生產(chǎn)和科研中常見的材料檢測方法，如X射線衍射、掃描電子顯微鏡、紅外光譜儀、熒光光譜等。此外，還可以介紹當前國內(nèi)外的半導體行業(yè)的現(xiàn)狀和科技前沿知識，讓學生清楚半導體行業(yè)存在的一些問題需要他們?nèi)ネ瓿桑约ぐl(fā)學生的使命感和責任感。在講授各種外延生長的設備和原理時，應介紹一些相關(guān)的科學研究工作，如真空鍍膜、磁控濺射等。另外，可以以專題的形式，介紹一些前沿內(nèi)容，如半導體納米材料、石墨烯方面的研究進展和應用前景等，拓寬學生的知識面，以激發(fā)學生的研究興趣和培養(yǎng)創(chuàng)新意識。
2.教材參考書的選擇。《半導體材料》課程內(nèi)容較多，不同的教材的側(cè)重點不一樣，所以僅僅學習教材上的內(nèi)容往往不夠，所以根據(jù)課程的改革要求和《半導體材料》課程自身的特點，需要與本課程密切相關(guān)的、配套齊全的參考教程，例如半導體器件物理（第二版）、微電子器件與IC設計基礎(chǔ)（第二版）、半導體器件原理等。
四、教學方法的改革
由于傳統(tǒng)的教學觀念的影響，半導體材料課程的仍是以板書課件為主的傳統(tǒng)的教學方法。這種單一枯燥的教學方式忽視了學生的學習興趣和學習的主觀能動性，極大地阻礙了對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，該課程的考核方式單一，以期末考試為主，一定程度使學生養(yǎng)成了為考試而學的心態(tài)，對所學知識死記硬背，沒有做到真正的融會貫通、學以致用的目的。大部分學生以修學分為目的，期末考試后對所學知識所知無幾，學一門丟一門的心態(tài)，嚴重影響了教學效果，更重要的對學生今后的研究和工作沒有任何的幫助。可見，對這種灌輸知識的教學方式和考核機制的改革迫在眉睫。在教學過程中采用小組式討論，網(wǎng)絡教學平臺，專題式講解，實驗教學等多種教學方式，將有益于改善教學效果。
1.小組討論式教學。為了充分發(fā)揚學生的個性特點和體現(xiàn)教學的人性化，使得學生真正成為主體，必須提供新穎、易于討論的課程環(huán)境，從而培養(yǎng)學生自主創(chuàng)新的意識和能力。小組討論式教學模式就很好地體現(xiàn)了這一點，在小組討論中，可以使學生發(fā)表自己所思所想，相互學習，集思廣益，取長補短。教師在教學過程中應鼓勵學生質(zhì)疑的精神，使其敢于突破傳統(tǒng)，思維獨到，鼓勵學生在錯誤中積累寶貴經(jīng)驗；給予學生正能量，引起學生的學習熱情和興趣，營造輕松、積極的課堂環(huán)境。
2.網(wǎng)絡教學平臺。在多媒體盛行的時代，開放式、多媒體式教學方式備受關(guān)注，即建設一個融入教師教和學生學為一體的、便于師生互動的網(wǎng)絡教學平臺。在網(wǎng)絡教學平臺上可以提供各種學習輔助資料和學習支持服務。例如一對一的視頻輔導、課堂直播、網(wǎng)上答疑、學習論壇、名師講解等形式。學生可根據(jù)自身的學習愛好和學習習慣自主選擇學習時間。通過這種便利的人機交互學習，為學習者提供了一個針對性強、輔助有利、溝通及時、互動充分、獨立自主的學習環(huán)境，同時提供了豐富的學習資源。
3.專題式講解。半導體材料課程包含的內(nèi)容很廣泛，有許多的分支；由于教學內(nèi)容的增多，往往會給學生造成錯亂，理不清思緒。專題式講解是更系統(tǒng)的學習，使學習過程有條不紊。專題式講解既可以由教師主講，也可以由學生自己學習整理，再以PPT的形式將所學所思講給同學聽。既鍛煉了學生的自學能力，又鍛煉了學生的口語和實踐能力。
4.實驗教學。實驗是一種提高學生感性認識的有效手段，實驗教學將有助于學生深入理解所學理論知識，并在實驗中應用相關(guān)理論，為學生獲得新的理論知識打下良好的基礎(chǔ)。例如，可以通過實踐教學方法來傳授半導體材料的生長制備、結(jié)構(gòu)表征、性能測試以及應用等方面的知識。合理安排實驗，通過在實驗設計過程中制定實驗方案、實驗操作、實驗報告或論文撰寫等環(huán)節(jié)，不僅提高了學生的動手能力，對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)也起到極大的促進作用。對實驗過程中出現(xiàn)的實驗偏差、操作失誤、環(huán)境改變等對實驗結(jié)果的影響分析，為將來的科研工作打下堅實的基礎(chǔ)。此外，建立校企合作新機制，依托企業(yè)、行業(yè)、地方政府在當?shù)亟⒍鄠€學生教學實習基地，為加強實踐教學提供有力支撐，讓學生有實地模擬學習的機會，提高教學效果，增強學習興趣。
五、結(jié)論
《半導體材料》課程是材料科學與工程專業(yè)的重要專業(yè)課程。半導體材料課程的教學改革，對提高材料專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量具有一定的意義。依據(jù)科學技術(shù)的發(fā)展，及時更新教學內(nèi)容改革教學方法，因材施教。同時在教學實踐中，我們將半導體材料的新理論、新應用和一些科學研究成果引入到教學內(nèi)容當中，處理好基礎(chǔ)性和創(chuàng)新性、先進性、經(jīng)典和現(xiàn)代的關(guān)系，加強理論聯(lián)系實際的教學環(huán)節(jié)建設，有利于提高教學質(zhì)量，加強學生的學習效果，培養(yǎng)出具有扎實理論基礎(chǔ)、較強的實踐能力的應用技術(shù)型人才和一定科研能力的研究型人才。
參考文獻：
一、開設半導體材料及光伏技術(shù)方向的必要性
由于我校已經(jīng)有材料與化學工程學院，開設了高分子、化工類材料、金屬材料等專業(yè)，應用物理、物理學專業(yè)的方向就只有往半導體材料及光伏技術(shù)方向靠，而半導體材料及光伏技術(shù)與物理聯(lián)系十分緊密。因此，我們物理系開設半導體材料及光伏技術(shù)有得天獨厚的優(yōu)勢。首先，半導體材料的形成原理、制備、檢測手段都與物理有關(guān);其次，光伏技術(shù)中的光伏現(xiàn)象本身就是一種物理現(xiàn)象，所以只有懂物理的人，才能將物理知識與這些材料的產(chǎn)生、運行機制完美地聯(lián)系起來，進而有利于新材料以及新的太陽能電池的研發(fā)。從半導體材料與光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈條來看，硅原料的生產(chǎn)、硅棒和硅片生產(chǎn)、太陽能電池制造、組件封裝、光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行等，這些過程都包含物理現(xiàn)象和知識。如果從事這個職業(yè)的人懂得這些現(xiàn)象，就能夠清晰地把握這些知識，將對行業(yè)的發(fā)展起到很大的推動作用。綜上所述，不僅可以在我校的應用物理學專業(yè)開設半導體材料及光伏技術(shù)方向，而且應該把它發(fā)展為我校應用物理專業(yè)的特色方向。
二、專業(yè)培養(yǎng)方案的改革與實施
(一)應用物理學專業(yè)培養(yǎng)方案改革過程
我校從2004年開始招收應用物理學專業(yè)學生，當時只是粗略地分為光電子方向和傳感器方向，而課程的設置大都和一般高校應用物理學專業(yè)的設置一樣，只是增設了一些光電子、傳感器以及控制方面的課程，完全沒有自己的特色。隨著對學科的深入研究，周邊高校的互訪調(diào)研以及自貢和樂山相繼成為國家級新材料基地，我們逐步意識到半導體材料及光伏技術(shù)應該是一個應用物理學專業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的方向。結(jié)合我校的實際情況，我們從2008年開始修訂專業(yè)培養(yǎng)方案，用半導體材料及光伏技術(shù)方向取代傳感器方向，成為應用物理學專業(yè)方向之一。在此基礎(chǔ)上不斷修改，逐步形成了我校現(xiàn)有的應用物理專業(yè)的培養(yǎng)方案。我們的培養(yǎng)目標:學生具有較扎實的物理學基礎(chǔ)和相關(guān)應用領(lǐng)域的專業(yè)知識;并得到相關(guān)領(lǐng)域應用研究和技術(shù)開發(fā)的初步訓練;具備較強的知識更新能力和較廣泛的科學技術(shù)適應能力，使其成為具有能在應用物理學科、交叉學科以及相關(guān)科學技術(shù)領(lǐng)域從事應用研究、教學、新技術(shù)開發(fā)及管理工作的能力，具有時代精神及實踐能力、創(chuàng)新意識和適應能力的高素質(zhì)復合型應用人才。為了實現(xiàn)這一培養(yǎng)目標，我們在通識教育平臺、學科基礎(chǔ)教育平臺、專業(yè)教育平臺都分別設有這方面的課程，另外還在實踐教育平臺也逐步安排這方面的課程。
(二)專業(yè)培養(yǎng)方案的實施
為了實施新的培養(yǎng)方案，我們從幾個方面來入手。首先，在師資隊伍建設上。一方面，我們引入學過材料或凝聚態(tài)物理的博士，他們在半導體材料及光伏技術(shù)方面都有自己獨到的見解;另一方面，從已有的教師隊伍中選出部分教師去高校或相關(guān)的工廠、公司進行短期的進修培訓，使大家對半導體材料及光伏技術(shù)有較深的認識，為這方面的教學打下基礎(chǔ)。其次，在教學改革方面。一方面，在課程設置上，我們準備把物理類的課程進行重新整合，將關(guān)系緊密的課程合成一門。另一方面，我們將應用物理學專業(yè)的兩個方向有機地結(jié)合起來，在光電子技術(shù)方向的專業(yè)課程設置中，我們有意識地開設了一些課程，讓半導體材料及光伏技術(shù)方向的學生能夠去選修這些課程，讓他們能夠?qū)夥a(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、檢測、裝備有更全面的認識。最后，在實踐方面。依據(jù)學校資源共享的原則，在材料與化學工程學院開設材料科學實驗和材料專業(yè)實驗課程，使學生對材料的生產(chǎn)、檢測手段有比較全面的認識，并開設材料科學課程設計，讓學生能夠把理論知識與實踐聯(lián)系起來，為以后在工作崗位上更好地工作打下堅實的基礎(chǔ)。
三、總結(jié)
半導體材料及光伏行業(yè)是我國大力發(fā)展的新興行業(yè)，受到國家和各省市的大力扶持，符合國家節(jié)能環(huán)保的主旋律，發(fā)展前景十分看好。由于我們國家缺乏這方面的高端人才和行業(yè)指揮人，在這個行業(yè)還沒有話語權(quán)。我們的產(chǎn)品大都是初級產(chǎn)品或者是行業(yè)的上游產(chǎn)品，沒有進行深加工。目前行業(yè)正處在發(fā)展的困難時期，但也正好為行業(yè)的后續(xù)發(fā)展提供調(diào)整。只要我們能夠提高技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，并積極拓展國內(nèi)市場，這個行業(yè)一定會有美好的前景。要提高技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量，就需要有這方面的技術(shù)人才，而高校作為人才培養(yǎng)的主要基地，有責任肩負起這個重任。由于相關(guān)人才培養(yǎng)還沒有形成系統(tǒng)模式，這就更需要高校和企業(yè)緊密聯(lián)系，共同努力，為半導體材料及光伏產(chǎn)業(yè)的人才培養(yǎng)探索出一條可持續(xù)發(fā)展的光明大道，也為我國的新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出自己的貢獻。
作者：王永華 單位：四川理工學院
關(guān)鍵詞：微電子半導體制造封裝技術(shù)
中圖分類號：TN405文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2019）09（c）-0070-02
微電子技術(shù)作為當今工業(yè)信息社會發(fā)展最快、最重要的技術(shù)之一，是電子信息產(chǎn)業(yè)的“心臟”。而微電子技術(shù)的重要標志，正是半導體集成電路技術(shù)的飛速進步和發(fā)展。多年來，隨著我國對微電子技術(shù)的重視和積極布局投入，結(jié)合社會良好的創(chuàng)新發(fā)展氛圍，我國的微電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展和進步。目前我國自主制造的集成芯片在射頻通信、雷達電子、數(shù)字多媒體處理器中已經(jīng)得到了廣泛應用。但總體來看，我國的核心集成電路基礎(chǔ)元器件的研發(fā)水平、制造能力等還和發(fā)展較早的發(fā)達國家存在一定差距，唯有繼續(xù)積極布局，完善創(chuàng)新體系，才能逐漸與世界先進水平接軌。集成電路技術(shù)，主要包括電路設計、制造工藝、封裝檢測幾大技術(shù)體系，隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的深入發(fā)展，制造和封裝技術(shù)已經(jīng)成為微電子產(chǎn)業(yè)的重要支柱。本文將對微電子技術(shù)的制造和封裝技術(shù)的發(fā)展和應用進行簡要說明與研究。
1微電子制造技術(shù)
集成電路制造工藝主要可以分為材料工藝和半導體工藝。材料工藝包括各種圓片的制備，包括從單晶拉制到外延的多個工藝，傳統(tǒng)Si晶圓制造的主要工藝包括單晶拉制、切片、研磨拋光、外延生長等工序，而GaAs的全離子注入工藝所需要的是拋光好的單晶片（襯底片），不需要外延。半導體工藝總體可以概括為圖形制備、圖形轉(zhuǎn)移和擴散形成特征區(qū)等三大步。圖形制備是以光刻工藝為主，目前最具代表性的光刻工藝制程是28nm。圖形轉(zhuǎn)移是將光刻形成的圖形轉(zhuǎn)移到電路載體，如介質(zhì)、半導體和金屬中，以實現(xiàn)集成電路的電氣功能。注入或擴散是通過引入外來雜質(zhì)，在半導體某些區(qū)域?qū)崿F(xiàn)有效摻雜，形成不同載流子類型或不同濃度分布的結(jié)構(gòu)和功能。
從歷史進程來看，硅和鍺是最早被應用于集成電路制造的半導體材料。隨著半導體材料和微電子制造技術(shù)的發(fā)展，以GaAs為代表的第二代半導體材料逐漸被廣泛應用。直到現(xiàn)在第三代半導體材料GaN和SiC已經(jīng)憑借其大功率、寬禁帶等特性在迅速占據(jù)市場。在這三代半導體材料的迭展中，其特征尺寸逐漸由毫米縮小到當前的14納米、7納米水平，而在當前微電子制造技術(shù)的持續(xù)發(fā)展中，材料和設備正在成為制造能力提升的決定性因素，包括光刻設備、掩模制造技術(shù)設備和光刻膠材料技術(shù)等。材料的研發(fā)能力、設備制造和應用能力的提升直接決定著當下和未來微電子制造水平的提升。
總之，推動微電子制造技術(shù)發(fā)展的動力來自于應用設計需求和其自身的發(fā)展需要。從長遠看，新材料的出現(xiàn)帶來的優(yōu)越特性，是帶動微電子器件及其制造技術(shù)的提升的重要表現(xiàn)形式。較為典型的例子是GaN半導體材料及其器件的技術(shù)突破直接推動了藍光和白光LED的誕生，以及高頻大功率器件的迅速發(fā)展。作為微電子器件服務媒介，信息技術(shù)的發(fā)展需求依然是微電子制造技術(shù)發(fā)展的重要動力。信號的生成、存儲、傳輸和處理等在超高速、高頻、大容量等技術(shù)要求下飛速發(fā)展，也會持續(xù)推動微電子制造技術(shù)在加工技術(shù)、制造能力等方面相應提升。微電子制造技術(shù)發(fā)展的第二個主要表現(xiàn)形式是自身能力的提升，其主要來自于制造設備技術(shù)、應用能力的迅速發(fā)展和相應配套服務材料技術(shù)的同步提升。
2微電子封裝技術(shù)
微電子封裝的技術(shù)種類很多，按照封裝引腳結(jié)構(gòu)不同可以分為通孔插裝式和表面安裝式。通常來說集成電路封裝技術(shù)的發(fā)展可以分為三個階段：第一階段，20世紀70年代，當時微電子封裝技術(shù)主要是以引腳插裝型封裝技術(shù)為主。第二階段，20世紀80年代，SMT技術(shù)逐漸走向成熟，表面安裝技術(shù)由于其可適應更短引腳節(jié)距和高密度電路的特點逐漸取代引腳直插技術(shù)。第三階段，20世紀90年代，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及集成電路技術(shù)的不斷進步，對于微電子封裝技術(shù)的要求越來越高，促使出現(xiàn)了BGA、CSP、MCM等多種封裝技術(shù)。使引腳間距從過去的1.27mm、0.635mm到目前的0.5mm、0.4mm、0.3mm發(fā)展，封裝密度也越來越大，CSP的芯片尺寸與封裝尺寸之比已經(jīng)小于1.2。
目前，元器件尺寸已日益逼近極限。由于受制于設備能力、PCB設計和加工能力等限制，元器件尺寸已經(jīng)很難繼續(xù)縮小。但是在當今信息時代，依然在持續(xù)對電子設備提出更輕薄、高性能的需求。在此動力下，依然推動著微電子封裝繼續(xù)向MCM、SIP、SOC封裝繼續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)IC封裝和板級電路組裝這兩個封裝層次的技術(shù)深度融合將是目前發(fā)展的重點方向。
芯片級互聯(lián)技術(shù)是電子封裝技術(shù)的核心和關(guān)鍵。無論是芯片裝連還是電子封裝技術(shù)都是在基板上進行操作，因此這些都能夠運用到互聯(lián)的微技術(shù)，微互聯(lián)技術(shù)是封裝技術(shù)的核心，現(xiàn)在的微互聯(lián)技術(shù)主要包含以下幾個：引線鍵合技術(shù)，是把半導體芯片與電子封裝的外部框架運用一定的手段連接起來的技術(shù)，工藝成熟，易于返工，依然是目前應用最廣泛的芯片互連技術(shù)；載體自動焊技術(shù)，載體自動焊技術(shù)可通過帶盤連續(xù)作業(yè)，用聚合物做成相應的引腳，將相應的晶片放入對應的鍵合區(qū)，最后通過熱電極把全部的引線有序地鍵合到位置，載體自動焊技術(shù)的主要優(yōu)點是組裝密度高，可互連器件的引腳多，間距小，但設備投資大、生產(chǎn)線長、不易返工等特性限制了該技術(shù)的應用。倒裝芯片技術(shù)是把芯片直接倒置放在相應的基片上，焊區(qū)能夠放在芯片的任意地方，可大幅提高I/O數(shù)量，提高封裝密度。但凸點制作技術(shù)要求高、不能返工等問題也依然有待繼續(xù)研究，芯片倒裝技術(shù)是目前和未來最值得研究和應用的芯片互連技術(shù)。
總之，微電子封裝技術(shù)經(jīng)歷了從通孔插裝式封裝、表面安裝式封裝、窄間距表面安裝焊球陣列封裝、芯片級封裝等發(fā)展階段。目前最廣泛使用的微電子封裝技術(shù)是表面安裝封裝和芯片尺寸封裝及其互連技術(shù)，隨著電子器件體積繼續(xù)縮小，I/O數(shù)量越來越多，引腳間距越來越密，安裝難度越來越大，同時，在此基礎(chǔ)上，以及高頻高密度電路廣泛應用于航天及其他軍用電子，需要適應的環(huán)境越來越苛刻，封裝技術(shù)的可靠性問題也被擺上了新的高度。
關(guān)鍵詞 LED芯片；光學模擬；Tacacepro
中圖分類號TU7 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2014）113-0126-02
0引言
目前科學技術(shù)日益進步，人民的生活水平不斷的提高。人們對家具生活得舒適程度也要求越來越高。現(xiàn)在國內(nèi)外一些發(fā)展快速的城市的住宅用的燈具、景觀燈已經(jīng)大馬路上面用的照明路燈已經(jīng)大部分都開始采用新型的LED節(jié)能燈了。但是由于LED燈的制作成本較高，導致LED在市場占領(lǐng)方面略顯遲緩。目前國內(nèi)外著名學者和一些研究機構(gòu)以及一些大型的企業(yè)正在夜以繼日的不斷探索，希望可以研究出一些新型的LED材料，減小LED制作的成本，使得LED燈的普及率更加高些。
1 LED燈的發(fā)光原理和LED的光學參數(shù)
1.1 LED燈的發(fā)光原理
Light emitting diode的英文縮寫就是LED。LED的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是在一小片的發(fā)光半導體材料上面，放置一個電極的引線架子，接著在架子的周圍用環(huán)氧樹脂固定并密封。這樣子可以起到保護電機芯線和半導體的作用，這樣子制作出來的LED抗震性非常好，且具有一定的防水作用。
LED發(fā)光二極管的主要部分是有由兩片N型的半導體和P型半導體背對背制作而成的芯片。因為P型半導體材料和P型半導體材料上面都帶了載流子，這兩種不同的半導體的交界面之間會形成一個空間電荷存儲區(qū)間。也就是我們常說的PN結(jié)。在給半導體材料的正負極之間加上電壓的情況下，PN結(jié)之間就會形成電場，PN結(jié)中的空子和電子就會在電子的作用下發(fā)生運動，并結(jié)合在一起。在空子和電子的結(jié)合過程中，會產(chǎn)生多余的能量，則這些能量會以發(fā)光的方式釋放出來。最終實現(xiàn)電能向光能的轉(zhuǎn)換。LED的發(fā)光原理圖圖1所示。給LED加上正向電壓，也就在半導體的P極接上正極，在半導體的N極接上負極。在LED的兩極之間就會形成電流，電流從正極流向負極，這樣子在空穴跟電子的結(jié)合過程之間就會發(fā)出不同顏色的光。LED間通的電流大小決定了Led的發(fā)光亮度。而LED的發(fā)光顏色主要是由半導體材料里面參雜的熒光粉的材料來控制的。
1.2 LED的光學參數(shù)
為了鑒別一個LED的好壞，經(jīng)常會有一些參數(shù)來描述LED。常用的LED的光學參數(shù)有光通量、發(fā)光強度、亮度、色溫、顯色性以及光效等參數(shù)。
光通量是指在正常情況下人眼可以感覺到的光的輻射功率。它等于在單位時間里面一束光的輻射的能量與該束光所對應的相對視率的成績。由于人眼對不同的光的靈敏度不一樣，所以當光的輻射功率相等的時候，并不能代表光通量也是相同的。發(fā)光強度又叫光強，它是指發(fā)光體在一個固定的立體單元里面?zhèn)鬏數(shù)墓馔颗c該立體單元的面積的商，這個商就代表了單位體積的光通量。亮度是指光源在給定的一個方向里面單位體積上面的光束的發(fā)光強度。而光效而是指光源的發(fā)光效率。也就是光源的總光通量與該發(fā)光體所消耗的能量的商。發(fā)光體的發(fā)光效率越高，代表了該照明設備將電能轉(zhuǎn)化成光能的能力越強。也代表了在同能的能量的情況下，該設備的照明性能越強，也就是該設備所能達到的亮度越大。顯色性是指光源對物體顏色的分辨程度。也就是對顏色的逼真效果。發(fā)光設備的顯色性能越高，則該設備對顏色的在線能力越強，而我們看到的顏色也就越接近于其本來的顏色。而顯色性能較差的設備，則對顏色的能力在線能力越差，我們所看到顏色也與越來的顏色相差越大。
盡管LED燈功率小，占用空間小，易于調(diào)色，顏色可操作性強。但是LED光源也存在一些缺陷。主要缺陷表現(xiàn)在以下幾個方面：LED發(fā)光功率小、LED的成本價格太高、制作工藝要求高。
2 LED芯片的測試
由于LED技術(shù)發(fā)展迅速，LED市場也發(fā)展快速。目前不少企業(yè)正逐漸把大量的資金都投入到LED行業(yè)當中，并成立的相應的企業(yè)。然而當中卻存在一些唯利是圖的商人，他們利用人們對LED技術(shù)的缺乏的弱點，都宣稱自己企業(yè)的生產(chǎn)的LED燈的壽命可以達到60000小時以上，有的商家甚至說明自己的產(chǎn)品可以達到110000小時以上。為此如何才能正確的區(qū)分出那些產(chǎn)品是合格產(chǎn)品，那些產(chǎn)品的質(zhì)量真的就像商人所描述的那樣子，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸成為一個困擾使用者的巨大問題。為此，本文提供一個簡單的測試辦法：測試方案的電路圖如下圖2.首先，我們采用積分球來記錄相應LED二極管在正向?qū)ǖ那闆r下的導通壓降。接著根據(jù)這個導通壓降和電路的電流，確定和相對應二極管電路回路電阻值的大小。以確保二極管不被燒壞。接著在測試之前，對二極管進行校準，確保二極管壽命測試的準確性。然后測量每個二極管在不同的工作電流下的發(fā)光量是多大以及正向?qū)▔航凳嵌啻螅⑼ㄟ^光譜分析儀器來確定每個二極管的最初光譜是什么。為了保證測量的精度，對每個二極管都測試5次以上，并取平均值。最后記錄該數(shù)據(jù)。最后在每個月的固定時間段對每一顆的LED都進行測試，測試其的光通量，并給LED同上三種不同的電流，并記錄此時的LED的光通量，根據(jù)不同電流下的LED的光通量值繪制出相應二極管的光通量變化曲線。根據(jù)繪制的二極管的光通量變化曲線就可以大致的計算出二極管的實際工作時間。通過二極管的頻譜分析儀可以知道二極管的色度漂移情況。
3 LED芯片及LED燈具的光學模擬
傳統(tǒng)的LED燈的照明設計都是通過大量實驗得到的，盡管所測得的結(jié)果比較準確，但是這個測試結(jié)果只有在燈具的外觀已經(jīng)制作完成以后才可以進行大量實驗。要是測試的結(jié)果不能和原先設計的一樣，就需要重新設計LED的外觀，浪費大量的人力和財力。本文以Tacacepro光學模擬軟件為核心，對LED燈具的外觀不斷修改，對LED燈的數(shù)量和陣列方式不斷的改進，通過模擬的方式，并進行了大量的仿真，終于得出了LED燈排列方式對LED燈總體發(fā)光效率以及空間照明的影響規(guī)律。并最終設計出了一種發(fā)光效率高，節(jié)約能源的LED燈具。LED的模擬過程如下;首先運用Tacacepro對LED燈具進行建模，所建的模型如圖3。并通過軟件設置LED芯片的光源屬性等參數(shù)。接著定義LED燈具的各種材料特性。并定義光源的波長以及光源的閥值等不同的參數(shù)。最后運用軟件對LED的光學設計模型模擬。
參考文獻
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中文摘要----------------------------------------------------------2
英文摘要----------------------------------------------------------2
第1章 前言----------------------------------------------------3 第3章 單元電路設計--------------------------------------------7 第4章 制作與調(diào)試---------------------------------------------14 4.1 制作----------------------------------------------14 4.2 調(diào)試----------------------------------------------15
第5章 結(jié)論與前景---------------------------------------------16第6章 結(jié)束語-------------------------------------------------17
汽車冷熱兩用恒溫箱
半導體制冷/制熱電路主要用到半導體溫差制冷組件。半導體溫差制冷制熱組件一般由若干個溫差電偶器件組成，它們在電氣上是串聯(lián)的,電流依次通過各個溫差電偶器件。這些溫差電偶在熱交換上是并聯(lián)的,通過改變流經(jīng)溫差電偶的電流來實現(xiàn)加熱和降溫，正是半導體溫差制冷/制熱組件具有逆運用功能，可以方便地實現(xiàn)制冷與制熱的轉(zhuǎn)換。
[關(guān)鍵詞] 恒溫箱；測溫電路；溫控電路；珀爾帖效應；熱敏電阻
The Cold Hot Dual Thermostat The semiconductorrefrigeration or system hot electric circuit mainly uses thesemiconductor temperature difference to refrigerate the module. The semiconductor temperature difference refrigeration system hotmodule generally is composed by certain thermo couple component, theyon the electricity are series connected, the electric current passeseach thermo couple component in turn. These thermos couple in the heatchange are parallel, through changes the variable current to realizeafter the thermo couple electric current heats up with the temperaturedecrease, is precisely the semiconductor temperature differencerefrigeration/system hot module has counter uses the function, mayconveniently realize the refrigeration and the system hottransformation.
[KeyWords] The thermostat;measured the warm electric circuit;warm controls heelectric;circuit,pearl's card effect;the thermistor
第 1 章 前 言
在當今高速發(fā)展的社會，汽車已經(jīng)成為人們的必備的交通工具，而又在這競爭激烈的社會，想在汽車這個市場上獨占鰲頭，就必需在汽車的整體質(zhì)量和服務方面下功夫。汽車的內(nèi)部性能指標這需要進行長期的研究，但服務方面我們可以比較容易著手，現(xiàn)在很多家庭都自己開車去旅游,想在旅途中享受冷飲(夏天)或是保溫食物(冬天),大多數(shù)人很容易想到在車里裝個小型冰箱和微波爐。但大家想想這樣占了很大的空間而又不經(jīng)濟實惠。現(xiàn)在就讓我們來解決這問題吧。這個課題正是冷熱兩用恒溫箱的設計,一舉兩得,當然還經(jīng)濟實惠。 恒溫箱的應用越來越廣, 生產(chǎn)、科研對它的要求也越來越高。要求它的性能價格比更高, 使用壽命更長, 使用費用更少(省電) , 響應速度更快。汽車冷熱兩用恒溫箱采用半導體制冷技術(shù),既可制冷,又可以制熱,箱內(nèi)溫度可以在0~50℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié),并具有自動恒溫控制功能，無污染，無噪聲，綠色環(huán)保。半導體制冷技術(shù)用途非常廣泛,并且發(fā)展空間很大,在這領(lǐng)域今后必將飛速發(fā)展,對社會的發(fā)展起重要的作用。
第2章 系統(tǒng)設計
2.2系統(tǒng)設計方案
2.2.1設計思路
汽車冷熱兩用恒溫箱的電路一般由測溫電路,溫控電路,制冷制熱電路三大部分組成。各部分分別獨立設計完成，然后再系統(tǒng)連接起來就達到了恒溫的作用。其中溫控電路部分采用了集成塊電路,溫控電路和制冷制熱組件之間也用了反饋電路。
2.2.2系統(tǒng)組成框圖及原理圖
溫度反饋
圖2.1 系統(tǒng)原理框圖
圖2.2 系統(tǒng)原理圖
2.2.3系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)工作原理：汽車冷熱兩用恒溫箱電路由測溫電路,控制電路,半導體制冷/制熱組件等部分構(gòu)成，來實現(xiàn)箱內(nèi)的自動恒溫的作用。半導體制冷/制熱組件是利用半導體的珀爾帖效應實現(xiàn)電制冷的一種器件, 由半導體溫差電偶器件，導流片，導熱板等組成。一對P，N型半導體材料即構(gòu)成一個溫差電偶器件，當電流從P型半導體流向N型半導體時，P-N接頭處會吸收熱量；當電流從N型半導體流向P型半導體時，N-P接頭處會釋放熱量, 半導體溫差電制冷制熱組件一般由若干個溫差電偶器件組成，它們在電氣上是串聯(lián)的,電流依次通過各個溫差電偶器件。而這些溫差電偶器件在熱交換上是并聯(lián)的,正是通過改變流經(jīng)溫差電偶器件的電流流向,從而使半導體溫差電制冷組件具有逆運用功能,可以方便地實現(xiàn)制冷與制熱的轉(zhuǎn)換。
先由測溫電路把溫度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳淖柚档淖兓簿褪前褱囟鹊谋容^轉(zhuǎn)化為了三極管NPN前面的a和b號腳的電位高低的比較，當a號腳處為高電平時，即此時箱內(nèi)溫度高于所需要要的溫度，由溫控電路而使A1組件處于制冷工作狀態(tài)，而制冷到一定時候，使得a號腳為低電平時，A1組件就停止制冷，不工作。當b號腳處為高電平時，即此時箱內(nèi)溫度低于所需要要的溫度，由控溫電路而使A1組件處于制熱工作狀態(tài)，而制熱到一定時候，使得b號腳為低電平時，A1組件就停止制熱，不工作。這樣使得設計能達到自動恒溫的作用，可以實現(xiàn)制冷與制熱的轉(zhuǎn)換，即達到了本設計的目的。
第3章 單元電路設計
3.1測溫電路（circuit of temperature survey）設計
測溫電路有很多,包括二階式電橋電路,集成式半導體傳感器電路,基于單片機的溫度控制器等等方案。
二階式電橋電路法這種溫度推測器精度可達0.1℃以上, 傳統(tǒng)的不平衡電橋作為電阻溫度變送器的測量電路，在溫度測量和控制中起著極其重要的作用。這種電路也經(jīng)常作為單片機的一種前向通道接口使用，進而構(gòu)成智能化測量控制儀表，但是，不平衡電橋中存在的非線性特性一直是人們需要徹底解決的問題。除此之外，在設計中，還要考慮自熱溫升、引線電阻、零點遷移等因素。所以此設計不采用。
綜合上述設計中存在的優(yōu)缺點,本設計采用鉑電阻測溫電路方案。 熱電阻和熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)過程自動化最常用的兩種溫度傳感器。熱電阻由于在測量的靈敏度、線性度等諸多方面均優(yōu)于熱電偶，因此，在中低溫區(qū)得到了更廣泛的應用。
圖3.1測溫電路
鉑電阻測溫電路原理:通過三個集成運算放大器LM2902和一個三極管等組成控制電路,PT1000鉑電阻測溫范圍0～50℃,RT為正溫度系數(shù)熱敏電阻,TW1為可調(diào)電阻,為設定溫度調(diào)節(jié)電位器,通過來調(diào)節(jié)電阻從而達到調(diào)節(jié)所需要的溫度。電路的a和b輸出需要高低電平來表示此時對應箱內(nèi)溫度與所調(diào)節(jié)所需溫度的比較。當a為高電平時表示箱內(nèi)溫度高于調(diào)節(jié)所需要的溫度；當b為高電平時表示箱內(nèi)溫度低于調(diào)節(jié)所需要的溫度。
當S置于"制冷"擋時,電路為制冷工作狀態(tài)。當RT的溫度高于設定的溫度,即RT的電阻大于TW1+R3,也就是3號腳電位高于4號腳, 6號輸出高電平。這樣直接使三極管NPN導通，組件A1通電制冷。當箱內(nèi)溫度下降到設定溫度以下時,RT的電阻小于TW1+R3，即3號腳電位低于4號腳，6號輸出低電平。三極管NPN截止。組件A1停止制冷。調(diào)節(jié)TW1可以改變制冷設定溫度。 3.2 溫控電路（control circuit of temperature）設計
溫控電路也有很多實現(xiàn)的方案,分析之后,采用了如下方案,電路原理圖為
圖3.2 溫控電路
本溫度控制電路這里采用電平的高低來控制三極管的導通與截止，最后來調(diào)節(jié)電流的流向，從而使半導體電偶組件處于不同的工作狀態(tài)。 當S置于“制冷”檔時，電路為制冷工作狀態(tài)，電壓比較器的輸出端不經(jīng)D3的反相就直接控制三極管的導通與截止。當箱內(nèi)溫度高于設定的溫度時，RT阻值變小，電壓比D3較器輸出為高電平，三極管導通，電偶組件A1處于制冷狀態(tài)，雙色發(fā)光二極管發(fā)綠光；當箱內(nèi)溫度低于設定的溫度時，RT阻值變大，電壓比較器輸出為低電平，三極管截止，組件A1停止制冷，綠燈熄滅。調(diào)節(jié)TW1可以改變制冷的設定溫度。
3.3 制冷/制熱電路( circuit of refrigeration and heating )設計
熱電制冷又稱半導體制冷或溫差電制冷。具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的材料,在通過直流電時有制冷功能,因此而得名熱電制冷。由于半導體材料具有最佳的熱電能量轉(zhuǎn)換特性,它的應用才真正使熱電制冷實用化,為此人們又把熱電制冷稱為半導體制冷。至于溫差電制冷名稱的由來,是由于人們發(fā)現(xiàn)了材料的溫差電動勢之后再發(fā)現(xiàn)其反效應,即具有制冷功能的珀爾帖效應,與溫差發(fā)電對應,把后者稱為溫差電制冷。
本世紀50年代以后,半導體材料在各個技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應用,發(fā)展非常迅速。熱電性能較好的半導體材料使熱電效應的效率大大提高,從而使熱電發(fā)電和熱電制冷進入工程實踐領(lǐng)域。早期出現(xiàn)的半導體熱電制冷器大多是各種小型低溫器件和恒溫器,應用在電子醫(yī)療器械,真空冷阱,顯微鏡物臺,電子器件冷卻,熱電制冷儀器和小型冰箱等方面。以后又在核潛艇上研制了熱電空調(diào)系統(tǒng)和熱電冷庫。目前,熱電制冷器已在國防,工業(yè),農(nóng)業(yè),醫(yī)療,商業(yè),日常生活等領(lǐng)域中獲得了廣泛應用。
珀爾帖效應就是把載流子從一種材料到另一種材料的遷移當作電流來看,則每種材料載流子的勢能不同,因此,為滿足能量守恒的要求,載流子通過結(jié)點時,必然與其周圍環(huán)境進行能量交換。能級的改變是現(xiàn)象的本質(zhì),這使構(gòu)成制冷系統(tǒng)成為可能。舉個例子,來更清楚的認識珀爾帖效應。看圖3.3:
圖3.3 兩種不同的熱電材料片之間的冷熱結(jié)點
N型材料有多余的電子,有負溫差電勢。P型材料電子不足,有正溫差電勢。當電子從P型穿過結(jié)點到N型時,其能量必然增加,而且增加的能量相當于結(jié)點所消耗的能量。這一點可用溫度降低來證明。相反,當電子從N型流到P型材料時,結(jié)點的溫度就升高。
金屬熱電偶的珀爾帖效應，可以用接觸電位差現(xiàn)象定性的說明。由于接觸電位差的存在，使通過接頭的電子經(jīng)歷電位突變，當接觸電位差與外電場同向時，電場力做功使電子能量增加。同時，電子與晶體點陣碰撞將此能量變?yōu)榫w內(nèi)能的增量。結(jié)果使接頭的溫度升高，并釋放出熱量。當接觸電位差與外電場反向時，電子反抗電場力做功，其能量來自接頭處的晶體點陣。結(jié)果使接頭的溫度下降，并從周圍環(huán)境吸收熱量。
本設計熱電制冷采用半導體制冷/制熱組件。它是利用半導體的珀爾帖效應實現(xiàn)電制冷的一種器件,其原理結(jié)構(gòu)如圖3.4所示,
圖3.4 半導體制冷制熱組件
由半導體溫差電偶器件，導流片，導熱板等組成。一對P，N型半導體材料即構(gòu)成一個溫差電偶器件，當電流從P型半導體流向N型半導體時，P-N接頭處會吸收熱量；當電流從N型半導體流向P型半導體時，N-P接頭處會釋放熱量，如圖所示。
圖3.5 吸熱放熱圖
半導體溫差電制冷制熱組件一般由若干個溫差電偶器件(圖 3.4中所示為4個)組成，它們在電氣上是串聯(lián)的,電流依次通過各個溫差電偶器件。 3.4 元器件的選擇
熱電制冷器是一種不用制冷劑、沒有運動件的電器。它的熱電堆起著普通制冷壓縮機的作用,冷端及其熱交換器相當于普通制冷裝置的蒸發(fā)器,而熱端及其熱交換器則相當于冷凝器。通電時,自由電子和空穴在外電場的作用下,離開熱電堆的冷端運動,相當于制冷劑在制冷壓縮機中的壓縮過程。在熱電堆的冷端,通過交換器吸熱,同時產(chǎn)生電子-空穴對,這相當于制冷劑在蒸發(fā)器中的吸熱和蒸發(fā)。在熱電堆的熱端,發(fā)生電子-空穴對的復合,同時通過熱交換器散熱,相當于制冷劑在冷凝器的放熱和凝結(jié)。
在本設計中A1半導體制冷/制熱組件是能否達到恒溫的關(guān)鍵部分。先來比較下兩種不同的制冷系統(tǒng)。機械壓縮式制冷與熱電制冷系統(tǒng)間存在著一些類似的地方，各對應部位見圖3.6。
機械壓縮式制冷系統(tǒng) 1——冷劑流
2——密閉管路
3——壓縮機
4——冷凝器
5——蒸發(fā)器
6——節(jié)流閥
熱電制冷系統(tǒng) 1——電子流
2——電路
3——電流
4——熱端
5——冷端
6——能級
圖3.6 兩種制冷系統(tǒng)的比較
每個系統(tǒng)中，最重要的是熱邊和冷邊內(nèi)能改變的方法。對于蒸發(fā)壓縮循環(huán)，節(jié)流閥是使能量變化的設備。當制冷劑離開冷凝器時，它是處在高壓和中等溫度下的飽和液體，當制冷劑通過節(jié)流閥時，它絕熱等焓膨脹。因此，制冷劑是作為低壓、低溫、低質(zhì)量的蒸氣而離開節(jié)流閥，而且處于最低的能級狀態(tài)。這使制冷劑在蒸發(fā)過程中能吸收大量的熱。沒有節(jié)流閥，壓力就不變，制冷劑的焓就不變，也就不會出現(xiàn)“抽熱”。在熱電制冷系統(tǒng)中的類似部分是P型和N型半導體材料中電子能量的差，假若整個系統(tǒng)電子能級相同，也就不會出現(xiàn)“抽熱”。通過對比，熱電制冷系統(tǒng)優(yōu)于機械壓縮式制冷系統(tǒng)。所以本方案采用熱電制冷系統(tǒng)。 第4章 制作與調(diào)試
4.1 制作整個箱內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，所有元器件都安裝在恒溫箱的箱蓋中。
圖4.1 恒溫箱
圖 4.2 恒溫箱外形
4.2調(diào)試
半導體制冷的熱面溫度不應超過60℃，否則就有損壞的可能。若在額定的工作電壓（12V）下，一般的散熱風扇根本無法為制冷片提供足夠的散熱能力，容易造成制冷片過熱損壞。同時千萬不要在無散熱器的情況下為致冷器長時間通電，否則會造成致冷器內(nèi)部過熱而燒毀。
為了使溫度調(diào)節(jié)的誤差減小，我們需要多測試幾次。測試比較簡單，所有元器件安裝在保溫瓶蓋中，正式測試時，將插頭插入汽車點煙器插座（12V），把一個氣溫計（－10～60℃）放入恒溫箱中測量箱內(nèi)溫度，多調(diào)節(jié)幾次旋鈕，即多測幾次溫度，記錄下來。再關(guān)掉電源，讓恒溫箱完全達到室溫（大約二十分鐘），再接上電源，繼續(xù)測溫。這樣反復測三四次，求出平均值。然后在調(diào)溫旋鈕旁相應地標上溫度數(shù)值。這樣就實現(xiàn)了汽車冷熱恒溫箱設計的目的。
第5章 結(jié)論和前景
到這里汽車冷熱兩用恒溫箱的設計就基本完成了，此恒溫箱的優(yōu)點就是既可制冷,又可以制熱,箱內(nèi)溫度可以在0~50℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié),并具有自動恒溫控制功能，無污染，無噪聲，綠色環(huán)保。操作起來更方便，只要調(diào)節(jié)所需要溫度就行。但恒溫箱的制冷系數(shù)不高，由于散熱的問題，使得恒溫箱工作時間不能過長，還有雖放在汽車內(nèi)占空間不大，但有些小汽車空間有限，放了之后有點擁擠。建議把恒溫箱放在前排座位中間后點的位置，也就是汽車檔位控制后點的位置。當然恒溫箱在家庭房屋中一樣適用的。
在當今高速發(fā)展的社會,人們的精神生活要求也越來越高,普通的冰箱和微波爐達不到人們的要求,恒溫箱剛好解決了問題,即可制冷,又可制熱，還經(jīng)濟實惠，不占很多空間，必定是將來發(fā)展的趨勢，在這個領(lǐng)域?qū)⒂泻軓V的發(fā)展空間。很可能就像電視一樣，以后就是每家每戶都捅用。當然現(xiàn)在設計存在的一些問題要大家去研究解決，這樣才能真正的發(fā)揮恒溫箱的優(yōu)勢。
這里制冷運用的是半導體珀爾帖效應制冷技術(shù), 在各個技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應用,發(fā)展非常迅速。熱電性能較好的半導體材料使熱電效應的效率大大提高,從而使熱電發(fā)電和熱電制冷進入工程實踐領(lǐng)域。早期出現(xiàn)的半導體熱電制冷器大多是各種小型低溫器件和恒溫器,應用在電子醫(yī)療器械,真空冷阱,顯微鏡物臺,電子器件冷卻,熱電制冷儀器和小型冰箱等方面。以后又在核潛艇上研制了熱電空調(diào)系統(tǒng)和熱電冷庫。目前,熱電制冷器已在國防,工業(yè),農(nóng)業(yè),醫(yī)療,商業(yè),日常生活等領(lǐng)域中獲得了廣泛應用。
第6章 結(jié)束語
在這里，我要感謝我的老師和同學們，順利的完成此畢業(yè)設計和他們的指導和幫助是離不開的。通過完成畢業(yè)設計，使自己以前學到的理論知識運用于實踐，更加鞏固了課本上的知識，鍛煉了自己動手能力，掌握了一些以前沒有接觸到的知識領(lǐng)域。汽車冷熱兩用恒溫箱在今后應用會更廣泛，在家庭房屋中也是實用的，因為它能自動恒溫，無污染、無噪聲、綠色環(huán)保，還經(jīng)濟實惠。這里設計的恒溫箱是利用半導體制冷技術(shù)來完成的,目前，半導體制冷技術(shù)已在國防,工業(yè),農(nóng)業(yè),醫(yī)療,商業(yè),日常生活等領(lǐng)域中獲得了廣泛應用。
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【關(guān)鍵詞】微電子化計量儀；半導體探測器；特性研究；試驗方法
半導體技術(shù)近年來被運用于多種領(lǐng)域，尤其是在核輻射探測器方面的運用，將半導體技術(shù)的優(yōu)勢發(fā)揮得淋漓盡致，為社會經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻。近年來，細數(shù)將半導體技術(shù)引入核輻射探測器領(lǐng)域的過程，我國的相關(guān)科研單位耗費了大量的人力、財力和物力。隨著時代的發(fā)展，深化半導體材料和技術(shù)在核輻射探測器的運用研究將繼續(xù)為我國的科技發(fā)展提供重要支持。結(jié)合本文研究方向，擬從半導體探測器特性的實驗研究層面展開，利用實驗數(shù)據(jù)進行相關(guān)討論。
1半導體探測器的內(nèi)涵
半導體探測器以其高效、實用、成本低、性能穩(wěn)定等特性，目前在各個領(lǐng)域的應用十分廣泛。明確半導體探測器的內(nèi)涵概念，能夠深化我們對半導體探測器的了解，為接下來的更深入的探究工作打下堅實基礎(chǔ)。接下來筆者就從半導體探測器的概念及發(fā)展歷程兩個方面來粗淺剖析半導體探測器的內(nèi)涵：1.1半導體探測器的概念。顧名思義，半導體探測器就是利用半導體材料和特點研發(fā)的探測設備。結(jié)合原理分析，半導體探測器是一種通過鍺、硅等半導體材料物理屬性、并利用其作為探測介質(zhì)的輻射探測器。由于半導體探測器的工作原理和氣體電離室有諸多相似之處，因此半導體探測器也被稱之為固體電離室。從技術(shù)原理的層面來講，半導體探測器的工作原理是在半導體探測器的靈敏體積內(nèi)帶電粒子產(chǎn)生“電子——空穴對”，之后“電子——空穴對”在外電場環(huán)境下做出漂移繼而產(chǎn)生并輸出信號。經(jīng)過大量科學家的研究，半導體探測器誕生至今，經(jīng)過不斷的技術(shù)概念和材料改良，目前性能和效用已經(jīng)十分優(yōu)良。1.2半導體探測器的發(fā)展歷程。半導體技術(shù)在核輻射探測器方面的應用分為幾個階段：第一個階段是八十年代之前。當時的探測器受到技術(shù)技術(shù)條件和認知的影響，最為常見的探測器是GM計數(shù)管探測器。這種GM計數(shù)管探測器的產(chǎn)品性能和效果并不理想。隨著技術(shù)的不斷更新和科學家探索的深入。第二個階段是九十年代之后，在法國、德國出現(xiàn)了用半導體材料作探測器的小型劑量儀器。至此，半導體技術(shù)正式被應用于探測器領(lǐng)域。這種半導體探測器具有體積小、工作電壓低、耗能少等優(yōu)勢，這些特點為半導體探測器的應用空間和范圍奠定了良好基礎(chǔ)。
2用于微電子化計量儀的半導體探測器特性的實驗方法
為了進一步地探究半導體探測器的特性，更明確地了解并認知其優(yōu)勢，筆者通過一組實驗來進行說明。在這一實驗中筆者所用的半導體測試器是目前業(yè)界內(nèi)比較新型的設備，它是筆者單位和某原子能科學研究院合理研發(fā)的。實驗中與半導體探測器相連接的電力屬于微電子學混合電路。下面筆者對實驗方法（如圖2.1所示）作詳細的論述與分析：圖2.1實驗示意圖考慮到夜晚的干擾信號比白天小很多，因此我們在做此實驗時選擇在了晚上的時間段。為了處理好半導體探測器特性實驗中噪音大的問題，本次實驗所選擇的單道閾值是0.21V。在實驗中，主放大倍數(shù)為50積分、微分常數(shù)為0.5μs。定標器的工作方式為積分，脈沖為正脈沖方式。基于上述這些情況，我們的“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性”實驗研究正式開始。
3用于微電子化計量儀的半導體探測器特性的實驗數(shù)據(jù)及處理
關(guān)于特性研究實驗過程中的實驗數(shù)據(jù)及處理方式，筆者對其進行了詳細的記錄。筆者將半導體的探測器面積分為10平方豪米、25平方毫米和50平方毫米三種數(shù)據(jù)類型來進行測驗。第一，半導體探測器的面積為10平方毫米，98型的半導體探測器輻射響應特性的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3.1、3.2所示，圖中所反映出來的數(shù)據(jù)指標是偏壓為1V和3V的情況下，98型號的半導體探測器中凈計數(shù)和劑量率之間的關(guān)系；99型的半導體探測器所反饋的實驗曲線如圖3.3、3.4所示，98型半導體探測器的輻射響應特性數(shù)據(jù)如圖3.5、3.6所示。圖中所反映出來的數(shù)據(jù)指標是偏壓為1V和3V的情況下，98型號的半導體探測器中凈計數(shù)和劑量率之間的關(guān)系。第二，當半導體探測器的面積增加到25平方毫米之后，99型的半導體探測器輻射響應特性的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3.5、3.6所示，圖中所反映出來的數(shù)據(jù)指標是偏壓為1V和3V的情況下，99型號的半導體探測器中凈計數(shù)和劑量率之間的關(guān)系。基于系列實驗分析，當半導體探測器的面積從10平方豪米增加到25平方毫米，在遞增到50平方毫米的過程中，在不同的偏壓下，98型和99型的半導體探測器的凈計數(shù)率在0.869cGy/h點上，半導體探測器的型號和探測器偏壓的關(guān)系如表1所示。在表中，在照射量率為均為1的情況下，當半導體探測器的偏壓設定為1V時，探測面積為10平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是68.2，探測面積為25平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是104.0；探測面積為50平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是181.7，探測面積為10平方毫米的99型探測器的凈計數(shù)率是125.3。當半導體探測器的偏壓設定為3V時，探測面積為10平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是90.4，探測面積為25平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是167.6；探測面積為50平方毫米的98型探測器的凈計數(shù)率是316.4，探測面積為10平方毫米的99型探測器的凈計數(shù)率是178.6。
4用于微電子化計量儀的半導體探測器特性的結(jié)果與討論
通過上述關(guān)于不同型號半導體探測器在不同輻射面積中輻射響應特性等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析我們可以得出如下三個方面的結(jié)論：第一，該半導體探測器的工作電壓相對較低，對γ響應十分敏感。當“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性研究”的實驗電壓在1V—3V單偏壓電源數(shù)據(jù)之間變動時，半導體探測器的靈敏度能夠在68-316S/(R/h)區(qū)間進行變化。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)的分析與反饋，總體來講，輻射面積為10平方毫米的99型探測器性能比輻射面積為10平方毫米的98型探測器性能優(yōu)良。在同樣的實驗條件中，用來測定DM91的輻射面積為10平方毫米的半導體探測器靈敏度情況如下：當實驗偏壓為1V時，10平方毫米的半導體探測器靈敏度為87.2；當實驗偏壓為3V時，10平方毫米的半導體探測器靈敏度是1.8。對比關(guān)于試驗偏壓和不同輻射面積的半導體探測器靈敏度的這幾組實驗數(shù)據(jù)，我們可以得出如下結(jié)論：輻射面積為10平方毫米的99型半導體探測器敏感度性能相比較國外輻射面積為10平方毫米的半導體探測器，在對γ輻射方面的靈敏度方面性能要高出很多。也就是說我們目前的輻射面積為10平方毫米的半導體探測器性能已經(jīng)達到并超出國外同類探測器的水平。第二，從噪音閾值的層面來講，本次實驗中所采用的半導體探測器噪音極小，這種小分貝的噪音數(shù)值可以顯著提升信噪比，這種情況可以促進微電子學設計工作的更好開展。這一點在微電子化計量儀的半導體探測器特性實驗中雖然是一個細節(jié)，但也應當充分引起我們的注意和重視。第三，本次“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性”實驗中，當探測器的屏蔽材質(zhì)發(fā)生變化時，其抗干擾能力也會有明顯改變。這一現(xiàn)象表明在實驗室中，空間的電磁干擾因素需要引起實驗者的重視。
5結(jié)束語
綜上所述，半導體探測器在當前多種行業(yè)中所發(fā)揮的作用不容忽視，為了探究“用于微電子化計量儀的半導體探測器特性”，筆者通過開展一項專題實驗來進行闡述與說明，在上述文段中，筆者不僅對實驗的方法進行羅列和描述，還對實驗的數(shù)據(jù)及處理進行對比分析，并有針對性地提出自己的見解。通過上述實驗的分析，筆者希望能夠喚起更多業(yè)界同行對于半導體探測器特性的關(guān)注，通過群策群力，為促進半導體探測器的運用水平貢獻力量。
作者:馬駿 單位:東華理工大學
參考文獻
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[2]蔡志猛,周志文,李成,賴虹凱,陳松巖.硅基外延鍺金屬-半導體-金屬光電探測器及其特性分析[J].光電子.激光,2008(05):587-590.
關(guān)鍵詞：熱敏電阻、非平衡直流電橋、電阻溫度特性
1、引言
熱敏電阻是根據(jù)半導體材料的電導率與溫度有很強的依賴關(guān)系而制成的一種器件，其電阻溫度系數(shù)一般為（-0.003~+0.6）℃-1。因此，熱敏電阻一般可以分為:
Ⅰ、負電阻溫度系數(shù)（簡稱NTC）的熱敏電阻元件
常由一些過渡金屬氧化物（主要用銅、鎳、鈷、鎘等氧化物）在一定的燒結(jié)條件下形成的半導體金屬氧化物作為基本材料制成的，近年還有單晶半導體等材料制成。國產(chǎn)的主要是指MF91~MF96型半導體熱敏電阻。由于組成這類熱敏電阻的上述過渡金屬氧化物在室溫范圍內(nèi)基本已全部電離，即載流子濃度基本上與溫度無關(guān)，因此這類熱敏電阻的電阻率隨溫度變化主要考慮遷移率與溫度的關(guān)系，隨著溫度的升高，遷移率增加，電阻率下降。大多應用于測溫控溫技術(shù)，還可以制成流量計、功率計等。
Ⅱ、正電阻溫度系數(shù)（簡稱PTC）的熱敏電阻元件
常用鈦酸鋇材料添加微量的鈦、鋇等或稀土元素采用陶瓷工藝，高溫燒制而成。這類熱敏電阻的電阻率隨溫度變化主要依賴于載流子濃度，而遷移率隨溫度的變化相對可以忽略。載流子數(shù)目隨溫度的升高呈指數(shù)增加，載流子數(shù)目越多，電阻率越小。應用廣泛，除測溫、控溫，在電子線路中作溫度補償外，還制成各類加熱器，如電吹風等。
2、實驗裝置及原理
【實驗裝置】
FQJ—Ⅱ型教學用非平衡直流電橋，F(xiàn)QJ非平衡電橋加熱實驗裝置（加熱爐內(nèi)置MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）以及控溫用的溫度傳感器），連接線若干。
【實驗原理】
根據(jù)半導體理論，一般半導體材料的電阻率 和絕對溫度 之間的關(guān)系為
（1—1）
式中a與b對于同一種半導體材料為常量，其數(shù)值與材料的物理性質(zhì)有關(guān)。因而熱敏電阻的電阻值 可以根據(jù)電阻定律寫為
（1—2）
式中 為兩電極間距離， 為熱敏電阻的橫截面， 。
對某一特定電阻而言， 與b均為常數(shù)，用實驗方法可以測定。為了便于數(shù)據(jù)處理，將上式兩邊取對數(shù)，則有
（1—3）
上式表明 與 呈線性關(guān)系，在實驗中只要測得各個溫度 以及對應的電阻 的值，
以 為橫坐標， 為縱坐標作圖，則得到的圖線應為直線，可用圖解法、計算法或最小二乘法求出參數(shù) a、b的值。
熱敏電阻的電阻溫度系數(shù) 下式給出
（1—4）
從上述方法求得的b值和室溫代入式（1—4），就可以算出室溫時的電阻溫度系數(shù)。
熱敏電阻 在不同溫度時的電阻值，可由非平衡直流電橋測得。非平衡直流電橋原理圖如右圖所示，B、D之間為一負載電阻 ，只要測出 ，就可以得到 值。
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當負載電阻 ，即電橋輸出處于開
路狀態(tài)時， =0，僅有電壓輸出，用 表示，當 時，電橋輸出 =0，即電橋處于平衡狀態(tài)。為了測量的準確性，在測量之前，電橋必須預調(diào)平衡，這樣可使輸出電壓只與某一臂的電阻變化有關(guān)。
若R1、R2、R3固定，R4為待測電阻，R4 = RX，則當R4R4+R時，因電橋不平衡而產(chǎn)生的電壓輸出為：
（1—5）
在測量MF51型熱敏電阻時，非平衡直流電橋所采用的是立式電橋 ， ，且 ，則
（1—6）
式中R和 均為預調(diào)平衡后的電阻值，測得電壓輸出后，通過式（1—6）運算可得R，從而求的 =R4+R。
3、熱敏電阻的電阻溫度特性研究
根據(jù)表一中MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）之電阻~溫度特性研究橋式電路，并設計各臂電阻R和 的值，以確保電壓輸出不會溢出（本實驗 =1000.0Ω， =4323.0Ω）。
根據(jù)橋式，預調(diào)平衡，將“功能轉(zhuǎn)換”開關(guān)旋至“電壓“位置，按下G、B開關(guān)，打開實驗加熱裝置升溫，每隔2℃測1個值，并將測量數(shù)據(jù)列表（表二）。
表一 MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）之電阻～溫度特性
溫度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65
電阻Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748
表二 非平衡電橋電壓輸出形式（立式）測量MF51型熱敏電阻的數(shù)據(jù)
i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
溫度t℃ 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4
熱力學T K 283.4 285.4 287.4 289.4 291.4 293.4 295.4 297.4 299.4 301.4
0.0 -12.5 -27.0 -42.5 -58.4 -74.8 -91.6 -107.8 -126.4 -144.4
0.0 -259.2 -529.9 -789 -1027.2 -124.8 -1451.9 -1630.1 -1815.4 -1977.9
4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.1 2692.9 2507.6 2345.1
根據(jù)表二所得的數(shù)據(jù)作出 ～ 圖，如右圖所示。運用最小二乘法計算所得的線性方程為 ，即MF51型半導體熱敏電阻（2.7kΩ）的電阻～溫度特性的數(shù)學表達式為 。
4、實驗結(jié)果誤差
通過實驗所得的MF51型半導體熱敏電阻的電阻—溫度特性的數(shù)學表達式為 。根據(jù)所得表達式計算出熱敏電阻的電阻～溫度特性的測量值，與表一所給出的參考值有較好的一致性，如下表所示：
表三 實驗結(jié)果比較
溫度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65
參考值RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748
測量值RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823
相對誤差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00
從上述結(jié)果來看，基本在實驗誤差范圍之內(nèi)。但我們可以清楚的發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，電阻值變小，但是相對誤差卻在變大，這主要是由內(nèi)熱效應而引起的。
5、內(nèi)熱效應的影響
在實驗過程中，由于利用非平衡電橋測量熱敏電阻時總有一定的工作電流通過，熱敏電阻的電阻值大，體積小，熱容量小，因此焦耳熱將迅速使熱敏電阻產(chǎn)生穩(wěn)定的高于外界溫度的附加內(nèi)熱溫升，這就是所謂的內(nèi)熱效應。在準確測量熱敏電阻的溫度特性時，必須考慮內(nèi)熱效應的影響。本實驗不作進一步的研究和探討。
6、實驗小結(jié)
通過實驗，我們很明顯的可以發(fā)現(xiàn)熱敏電阻的阻值對溫度的變化是非常敏感的，而且隨著溫度上升，其電阻值呈指數(shù)關(guān)系下降。因而可以利用電阻—溫度特性制成各類傳感器，可使微小的溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮璧淖兓纬纱蟮男盘栞敵觯貏e適于高精度測量。又由于元件的體積小，形狀和封裝材料選擇性廣，特別適于高溫、高濕、振動及熱沖擊等環(huán)境下作溫濕度傳感器，可應用與各種生產(chǎn)作業(yè)，開發(fā)潛力非常大。
參考文獻：
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【關(guān)鍵詞】太陽能，發(fā)電，綠色，照明一體化
太陽能發(fā)電是利用電池組件將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽能電池組件（Solar cells）是利用半導體材料的電子學特性實現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置，在廣大的無電力網(wǎng)地區(qū)，該裝置可以方便地實現(xiàn)為用戶照明及生活供電，一些發(fā)達國家還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實現(xiàn)互補。目前從民用的角度，在國外技術(shù)研究趨于成熟且初具產(chǎn)業(yè)化的是"光伏--建筑（照明）一體化"技術(shù)，而國內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無電地區(qū)家庭照明用的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。
1太陽能發(fā)電原理
太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，負載為系統(tǒng)終端。
1.1太陽能電源系統(tǒng)。太陽能電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。
（1）電池單元：由于技術(shù)和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實用中的太陽能電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件（陣列）。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導體材料的電子學特性，當太陽光照射到由P型和N型兩種不同導電類型的同質(zhì)半導體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導體材料吸收，在導帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結(jié)勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。 若在內(nèi)建電場的兩側(cè)面引出電極并接上負載，理論上講由P-N結(jié)、連接電路和負載形成的回路，就有"光生電流"流過，太陽能電池組件就實現(xiàn)了對負載的功率P輸出。
理論研究表明，太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當?shù)氐奶柶骄椛鋸姸扰c末端的用電負荷（需電量）決定。
（2）電能儲存單元：太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技術(shù)是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間（發(fā)電時間）的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預定的連續(xù)無日照時間決定。
1.2控制器。控制器的主要功能是使太陽能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式，使整個系統(tǒng)始終運行于最大功率點Pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時切斷開關(guān)。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點Pm，又能跟蹤太陽移動參數(shù)的"向日葵"式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。
1.3DC-AC逆變器。逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。
2、太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率
在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率ηese由電池組件的PV轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負載的效率等組成。但相對于太陽能電池技術(shù)來講，要比控制器、逆變器及照明負載等其它單元的技術(shù)及生產(chǎn)水平要成熟得多，而且目前系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點和難點。太陽能電池問世以來，晶體硅作為主角材料保持著統(tǒng)治地位。目前對硅電池轉(zhuǎn)換率的研究，主要圍繞著加大吸能面，如雙面電池，減小反射；運用吸雜技術(shù)減小半導體材料的復合；電池超薄型化；改進理論，建立新模型；聚光電池等。
2.1發(fā)電--建筑照明一體化。目前成功地把太陽能組件和建筑構(gòu)件加以整合，如太陽能屋面（頂）、墻壁及門窗等，實現(xiàn)了"光伏--建筑照明一體化（BIPV）"。1997年6月，美國宣布了以總統(tǒng)命名的"太陽能百萬屋頂計劃"，在2010年以前為100萬座住宅實施太陽能發(fā)電系統(tǒng)。日本"新陽光計劃"已在2000年以前將光伏建筑組件裝機成本降到170～210日元/W，太陽能電池年產(chǎn)量達10MW，電池成本降到25～30日元/W。1999年5月14日，德國僅用一年兩個月建成了全球首座零排放太陽能電池組件廠，完全用可再生能源提供電力，生產(chǎn)中不排放CO2。工廠的南墻面為約10m高的PV陣列玻璃幕墻，包括屋頂PV組件，整個工廠建筑裝有575m2的太陽能電池組件，僅此可為該建筑提供三分之一以上的電能，其墻面和屋頂PV組件造型、色彩、建筑風格與建筑物的結(jié)合，與周圍的自然環(huán)境的整合達到了十分完美的協(xié)調(diào)。該建筑另有約45kW容量，由以自然狀態(tài)的菜子油作燃料的熱電廠提供，經(jīng)設計燃燒菜子油時產(chǎn)生的CO2與油菜生長所需的CO2基本平衡，是一座真正意義上的零排放工廠。BIPV還注重建筑裝飾藝術(shù)方面的研究，在捷克由德國WIP公司和捷克合作，建成了世界第一面彩色PV幕墻。印度西孟加拉邦為一無電島117家村民安裝了12.5kW的BIPV。國內(nèi)常州天合鋁板幕墻制造有限公司研制成功一種"太陽房"，把發(fā)電、節(jié)能、環(huán)保、增值融于一房，成功地把光電技術(shù)與建筑技術(shù)結(jié)合起來，稱為太陽能建筑系統(tǒng)（SPBS），SPBS已于2000年9月20日通過專家論證。近日在上海浦東建成了國內(nèi)首座太陽能--照明一體化的公廁，所有用電由屋頂太陽能電池提供。這將有力地推動太陽能建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)化與市場化的進程。
首先，這些器件會引起較小的功率因數(shù)。其次，它們會使線電流失真，引起電噪聲或者產(chǎn)生與線電壓之間的相位偏移。
功率因數(shù)是指實際使用的功率與交流線上產(chǎn)生的視在功率二者的比值。電氣設備中如果存在大電容或者電感就會導致視在功率大于實際使用的功率，出現(xiàn)較小的功率因數(shù)。
功率因數(shù)越小，在為設備供電的交流導線上損耗的電能就越多。如果設備中的功率半導體開關(guān)操作非常頻繁，那么這種開關(guān)操作就會引起交流線電流的失真和噪聲。在開關(guān)電源中尤其如此。
某些國際標準(例如IEC 61000-3-2)針對各種類型的電氣設備規(guī)定了可容許的線電流失真與功率因數(shù)的大小。實現(xiàn)功率因數(shù)補償最簡單、最劃算的一種方法就是使用增強一轉(zhuǎn)換電路，這種電路能夠產(chǎn)生比輸入電壓更高的輸出電壓。
增強二極管的性能
對于功率達到300W以上的設備，通常使用工作在連續(xù)導通模式(即CCM)下的增強轉(zhuǎn)換器。對于增強轉(zhuǎn)換器所需的兩種功率半導體器件一一MOSFET和二極管，其中二極管具有相對較高的性能要求，因為它的反向恢復特性會影響MOSFET的性能。
在連續(xù)導通模式下，每當控制IC打開MOSFET時，二極管就會產(chǎn)生一個較高的正向電流。由于增強二極管在完全正向偏置的情況下會發(fā)生快速反偏，并且硅二極管的關(guān)閉需要一定的時間，因此在二極管關(guān)閉時流回二極管的反向恢復電流(IRR)就會非常大。
流過MOSFET的反向電流升高了它的工作溫度。為此人們設計出了具有極低反向恢復時間(tRR的專用硅二極管，但是它們能夠降低的IRR通常都很有限，經(jīng)常會出現(xiàn)突然關(guān)閉的現(xiàn)象。
低QRR和高軟化系數(shù)
肖特基二極管比PN結(jié)器件的行為特性更像一個理想的開關(guān)。肖特基二極管最重要的兩個性能指標就是它的低反向恢復電荷(QRR)和它的恢復軟化系數(shù)。
這兩個指標對于增強轉(zhuǎn)換器都非常重要。低QRR在二極管關(guān)閉時會產(chǎn)生較低的IRR。高軟化系數(shù)會減少二極管關(guān)閉所產(chǎn)生的EMI噪聲、在器件陽極上產(chǎn)生的電壓脈沖峰值，降低換向操作干擾PFC控制IC的可能性。
肖特基二極管的局限性
肖特基二極管能夠大大提高PFC增強轉(zhuǎn)換器的性能，但是硅肖特基二極管具有250V左右的反向電壓限制。由于增強二極管必須能夠耐受500～600V，因此人們開始使用碳化硅(SiC)器件，這種化合物能夠耐受較高的電壓。但是，由于SiC器件的成本較高(是同類硅器件的3～5倍)，因此很少有應用能夠用得起這種器件。
過去幾年中也出現(xiàn)了性能更好的硅二極管，但是它們的性能都比不上SiC肖特基器件。最近，人們研制出了一系列新型的硅整流器，它們的反向恢復性能可與SiC肖特基二極管媲美。
在PN結(jié)硅二極管發(fā)生反偏之前必須消除的QRR決定了在其關(guān)閉時能夠從中產(chǎn)生的IRR大小。QRR主要取決于PN結(jié)附近少數(shù)載流子的持續(xù)時間或壽命。
由于肖特基二極管僅僅是由金屬材料接觸N型半導體材料構(gòu)成的，因此它們沒有少數(shù)載流子。當肖特基二極管發(fā)生反偏時，產(chǎn)生的低IRR來源于金屬與二極管體接觸電容的放電效應。
在硅二極管的設計過程中可以采用多種技術(shù)控制器件中少數(shù)載流子的壽命，但是迄今為止還無法匹配SiC二極管的低QRR。如圖2中的綠色曲線所示，最新的硅器件――Qspeed半導體公司的Q系列――能夠?qū)崿F(xiàn)與SiC肖特基器件同樣低的IRR。
肖特基二極管沒有少數(shù)載流子，因為它們只是由金屬材料接觸N型半導體材料構(gòu)成的。
軟化系數(shù)是衡量二極管達到最大負值時其IRR下降歸零速度的一個指標。具有快速恢復功能的硅二極管在設計過程中通常采用少數(shù)載流子壽命控制技術(shù)，使得IRR能夠陡峭下降(如圖2中的黑色曲線所示)。這種快速的關(guān)閉過程會在二極管的陽極產(chǎn)生大量EMI噪聲和較大的電壓尖脈沖。
【關(guān)鍵詞】LED；OLED；發(fā)光原理；工藝
LED與OLED是當今發(fā)光與顯示領(lǐng)域最熱門的技術(shù)與材料，就本質(zhì)來說，兩者都是半導體發(fā)光器件，LED采用了無機材料，而OLED采用的是有機材料。這就造成了他們在制造工藝和發(fā)光技術(shù)上的差別，因此也造成其面向的顯示領(lǐng)域的巨大不同。但相同的的是，他們在能效、功耗、數(shù)字化、模塊化等方面較傳統(tǒng)顯示（CRT LCD PDP）的巨大優(yōu)勢以及在制造工藝與成本等方面面臨的問題。
1.LED與OLED發(fā)光原理
LED，即發(fā)光二極管（Light Emitting Diode），是一種有鎵、砷與磷的化合物制成的二極管，其核心是由P型半導體和N型半導體晶片，在P型、N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結(jié)。在某些半導體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復合形成激子時，就會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)化為光能。這種龍注入式電致發(fā)光原理制成的二極管，就叫做發(fā)光二極管，也就是俗稱的LED，當他處于正向工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就會發(fā)出紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關(guān)，光的顏色與構(gòu)成材料有關(guān)。通常，磷砷化二鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。
OLED，即有機發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode），又稱有機電激光顯示。OLED的基本結(jié)構(gòu)是有一薄而透明的具有半導體特性的銦錫氧化物，與正極相連，再加上另一個金屬陰極。整個結(jié)構(gòu)層中包含：空穴傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層。在電廠的作用下，陽極產(chǎn)生的空穴和陰極產(chǎn)生的電子就會發(fā)生移動，分別向空穴傳輸層和電子傳輸層注入，遷移到發(fā)光層。當而正在發(fā)光層相遇時，產(chǎn)生能量激子，從而激發(fā)發(fā)光分子產(chǎn)生可見光。當電力供應至適當電壓時，正極空穴與陰極電荷就會在發(fā)光層中結(jié)合，產(chǎn)生光亮，依其配方不同產(chǎn)生紅綠藍光，按照三基色原理形成基本色彩。
2.LED與OLED的差異
S雖然厚實發(fā)光半導體，但是LED與OLED的構(gòu)成上存在區(qū)別，主要區(qū)別在于：
1）OLED中的激子與LED的不同，LED通過注入的電子與空穴形成激子而發(fā)光，發(fā)光色取決于組成半導體的能帶間隙；OLED通過注入的電子與空穴形成激子，激子衰減而發(fā)光，發(fā)光色取決于有機分子的熒光光譜。
2）構(gòu)成LED的有機膜不論分子大小還是聚合物，一般都是無定形薄膜，（有機物采用熱蒸發(fā)，蒸發(fā)的分子在室溫基板上以過冷狀態(tài)形成薄膜），而且是帶隙很大的絕緣膜，而無機LED則是有序的參雜半導體單晶體。
3）在OLED中的載流子傳輸過程也與LED不同，在有機分子間的電荷移動靠的是分子離化，例如空穴在分子中的傳輸過程實際上是中性分子和帶正電荷的分子間的反復氧化和還原的過程。而無機半導體中電荷傳輸靠的是帶傳導。
3.LED與OLED顯示技術(shù)比較
LED結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，發(fā)光器件為單像素封裝，通常是在基板上生長一層層的半導體薄層，切割成數(shù)千管芯，再將管芯鑲嵌在反射碗上形成單個像素單元。與目前制作工藝制作出來的管芯尺寸皆超過200μm，對于許多現(xiàn)實起來說確實太大了，而RGB真彩色顯示需要3顆限速點組合在一起，所以難以制作成高分辨率的屏幕，目前使用的LED顯示屏幕實點距躲在10mm以上，部分產(chǎn)品可以做到1-2mm。但是因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，模塊化，能效高，因此很容易擴展，是的大型屏幕甚至是超大型屏幕（100m2以上）的實現(xiàn)變得容易，因為，超大屏幕的觀看距離都在幾十米，甚至上千米。此外，由于LED所有發(fā)光器件都進行完全的封裝，和環(huán)境無接觸，故而使用壽命都比較長，并且在相當長的時間里性能幾乎沒有變化。但是OLED采用的是夾心結(jié)構(gòu)，由多層金屬盒分子化合物層疊而成，類似于印刷電路板，因此很容易做成高分辨率甚至是超高分辨率的屏幕，如果使用柔性材料，開可以制成各種形狀甚至是可折疊屏幕。但由于無法像LED一樣在每個發(fā)光器件上制作反射杯，因此OLED的光損耗較LED大，亮度和色彩也叫LED差。此外OLED發(fā)光過程中不斷的化合反應，使其發(fā)光強度隨著時間而降低，使用壽命也要短得多。
另外一個影響的重要因素就是成本因素，從材料上來看，LED對于光色的控制需要改變的能帶間隙，對于半導體材料工藝的要求比較高，而OLED只需要改變有機分子熒光光譜，可以通過化學方法修正。從制作工藝復雜成都看，LED的單晶生長工藝要比OLED復雜得多，特別是影響LED全彩顯示的藍色LED，有機比無機更易于實現(xiàn)，而藍色OLED由于他的壽命問題，脫了OLED顯示技術(shù)的后腿。還有就是OLED成品率極低，12年的時候只能做到32，造成了成本的急劇上升，而LED成品率很高，從而造成了OLED的成本比LED高得多，最終限制了產(chǎn)業(yè)化的進行。
4.LED與OLED顯示技術(shù)的前景
綜上所述，由于LED能效（可換算成單位面積發(fā)光強度和耗電比值），壽命方面的有點，以及像素單元機構(gòu)方面的特點，使其在超大顯示面積屏幕上有著先天的優(yōu)勢，其模塊化（市面上常見的是16×16和32×32等LED單元板）設計使大屏顯示結(jié)構(gòu)變得非常簡單，目前世界上大型單色、雙色、全彩色顯示屏，基本上都是LED，超大顯示屏甚至可以做到幾十千米的可視距離。但是LED的成本隨著像素間距下降而成平方級增長。間距下降30%，像素數(shù)量增加100%，而通常是在基板上生長一層層的半導體薄膜，切割成數(shù)千管芯，再將管芯鑲嵌在各應用產(chǎn)品中。以目前的制作工藝制作出來的管芯尺寸皆超過200μm，對于許多室內(nèi)用的顯示屏幕來說太大了，因此目前的LED技術(shù)并不合適。
OLED在能效和光色方面不如LED，而且壽命也短，但是成本較低，最主要的是像素很高，適合做高清顯示屏，其主要對手是TFT-LCD。TFT-LCD需要背光源，OLED本身就是發(fā)光材料，因此在能耗和亮度方面OLED有壓倒性優(yōu)勢，但是依然需要解決的是成本問題，OLED成本比TFT-LCD高出不止一倍，使得其主要的應用只能在智能手機和高端筆記本的顯示屏上，但是隨著技術(shù)的成熟，成品率提高，藍光OLED得等到解決，OLED必然如LCD取代CRT和一樣取代LCD。
5.總結(jié)
無論是LED還是OLED，目前都還存在適用局限性的問題。OLED技術(shù)已經(jīng)漸趨成熟，隨著生產(chǎn)工藝改進，有望在近幾年逐步取代LCD。總體性能上無機LED還是更加有優(yōu)勢，但是在成本和工藝上存在問題，無法小型化。2009年，美國成功制成50μm的無機LED芯片方塊，雖然目前技術(shù)還不成熟，同時，還是只能做出紅光顯示器，但是，隨著他們進一步的研究，實用化的微型無機LED芯片早晚會成為下一代顯示技術(shù)的發(fā)展方向。
參考文獻
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為了分析半導體制冷器工藝設計方法與制冷效率的關(guān)系，探討其工作壽命的影響因素，文章通過改進半導體制冷器基板材料，采用新型膠黏劑，并通過實驗來對比分析半導體電偶間不同的銅片排布方式對制冷器制冷性能、壽命的影響。實驗結(jié)果表明，連接銅片排布回路形式對制冷性能影響不大，但對產(chǎn)品的使用壽命有一定的影響。銅線排列走向簡單，電阻變化率低，使用壽命相對較長。
關(guān)鍵詞:
半導體制冷器;制冷性能;基板;銅片回路
半導體制冷技術(shù)因其具有的獨特優(yōu)點而在各行各業(yè)得到了廣泛的應用［1-3］。為提高其性能、增強機械強度和穩(wěn)定性，國內(nèi)外有關(guān)科技人員進行了很多研究工作。宣向春等［4］提出可在普通半導體電臂對的P型和N型電偶臂之間淀積一層厚度適當?shù)你y膜，提高電偶對的制冷性能。李茂德［5］和任欣［6］等認為，提高制冷系統(tǒng)熱端的散熱強度可以改善半導體制冷器的制冷性能，但制冷性能并不能隨散熱強度的提高無限提高。
YANLANASHIM［7］優(yōu)化了制冷系統(tǒng)設計方法。此外，GAOMin［8］等指出電偶臂的長度在很大程度上影響半導體的熱電性能。YUJianlin［9］等詳細研究了制冷單元的個數(shù)和電偶臂的長度對制冷性能的影響程度。本文主要對半導體制冷器的制造工藝進行了分析，討論了不同的半導體銅片連接回路以及半導體電偶對與基板的黏結(jié)性能對半導體制冷器制冷效果及其壽命的影響，并通過實驗進行了性能測試，實驗結(jié)果可以為提高半導體制冷器的制冷性能及產(chǎn)品壽命提供較好的依據(jù)，具有一定的實際指導意義。
1半導體制冷器設計工藝
半導體制冷器的性能主要包括制冷效率和使用壽命，取決于組成半導體制冷器主體的制冷電偶對的設計制造工藝，半導體材料的熱電優(yōu)值系數(shù)及半導體制冷器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)等［10］。本文僅討論半導體制冷器基板材料以及不同的半導體銅片連接回路對半導體制冷器制冷效果及其壽命的影響。
1．1基板設計工藝半導體制冷器的導熱絕緣層由陶瓷基板構(gòu)成，由1個放熱面和1個吸熱面組成一組，2個面之間由銅片連接不同型的、相互錯開的半導體顆粒，形成回路，如圖1所示。陶瓷基板材料及基板厚度對半導體制冷器制冷效率有顯著的影響。設計采用了質(zhì)量分數(shù)為96%氧化鋁(Al2O3)的陶瓷基板。同時，為提高半導體制冷效率，通過減薄陶瓷基板厚度(由目前的1．00mm，減薄到0．50～0．13mm)，降低熱阻，提高了傳熱性能，制冷效率COP值得到提高，但成本相應增加;另外，也可以將基板換成氮化鋁(AlN)，氮化鋁熱導率為180W•m－1•K－1左右(20℃環(huán)境溫度下測試)，而氧化鋁為22W•m－1•K－1左右(20℃環(huán)境溫度下測試)，熱導率提高了約7倍，同樣也可以提高COP值，但是基板成本會更高，約為原來的10倍。
1．2銅片回路連接工藝將半導體電偶對、基板和接線端子用銅片焊接起來，形成通電回路。實驗設計了2種不同回路走線方式A型和B型(CP/127/060/A和CP/127/060/B)，如圖2～3所示，圖中粗線為回路走線路徑。由于基板與半導體顆粒間焊接了銅片，半導體顆粒與基板形成剛性連接，在溫度變化的時候材料的內(nèi)應力很大。因此生產(chǎn)工藝中將半導體顆粒與瓷片用膠黏劑粘接，用于卸去大部分應力，提高產(chǎn)品的壽命。但由于膠黏劑的導熱性較差，制冷性能會受到一定影響。本文采用了自主研發(fā)的一種膠黏劑，粘接層很薄，熱導率相對比較高，使得產(chǎn)品具有一定的市場競爭優(yōu)勢。
2半導體制冷器性能實驗分析
2．1銅片排布方式對性能的影響實驗現(xiàn)場如圖4所示，實驗原理如圖5所示。實驗材料:A型產(chǎn)品和B型產(chǎn)品各5個。實驗時，將整個裝置放置于真空中，測試儀器中設置好控制溫度Th=50℃，先測試最大溫度差ΔTmax值。在每個產(chǎn)品的基板上分別選擇4個測試點，依次遞增施加不同的測試電壓(16～20V)，得到測試數(shù)據(jù)ΔT值，擬合曲線，找出極值點。極值點對應的ΔT值就是ΔTmax，其對應的電流就是Imax。然后給產(chǎn)品施加Imax的電流，通過加熱片控制冷熱面的溫度差ΔT=0℃，測定此時的制冷量Qc值即為Qcmax，即加熱片的功率。實驗數(shù)據(jù)如表1～2所示。由表1～2可知，2種不同銅片排布形式，其溫度差ΔT，制冷量Qc的數(shù)據(jù)差異均在實驗儀器誤差范圍內(nèi)，針對ΔT，Qc這兩項來說，銅片回路形式對半導體制冷器制冷效率影響不大。
2．2銅片排布方式對產(chǎn)品壽命的影響對2種回路的制冷器分別進行制冷—制熱循環(huán)實驗。實驗條件:1個循環(huán)為1min(40s制冷，制冷溫度降到0．0℃，電流4．0A;20s制熱，制熱溫度升到100．0℃，電流4．5A);壓力280±20N，2．4萬次循環(huán)實驗結(jié)束。每0．15萬次循環(huán)測1次電阻，若2．4萬次循環(huán)之內(nèi)，電阻變化率超過10%表示產(chǎn)品失效，實驗結(jié)束。實驗樣品選擇CP/127/060/A和CP/127/060/B各2組，實驗結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，在2．4萬次循環(huán)結(jié)束時，A型產(chǎn)品2組實驗樣品的電阻變化率分別為1．35%和1．45%，而B型產(chǎn)品2組實驗樣品的電阻變化率均在2．04%左右。實驗數(shù)據(jù)表明，A型基板的電阻變化率相對較低，壽命趨勢相對較長。
3結(jié)論
通過理論分析和實驗研究，得到以下結(jié)論:1)陶瓷基板材料及基板厚度對半導體制冷器制冷效率有顯著的影響:氮化鋁(AlN)基板因熱導率高于氧化鋁(Al2O3)，可以提高COP值，但其成本會提高;通過減薄陶瓷基板厚度降低熱阻，可提高傳熱性能，提高制冷效率COP值。2)半導體顆粒與瓷片用膠黏劑粘接，可卸去大部分應力，提高產(chǎn)品的壽命。但由于膠黏劑的導熱性較差，制冷性能會受到一定影響。可采用自主研發(fā)的膠黏劑，粘接層很薄，熱導率相對比較高，保證產(chǎn)品在市場競爭上具有一定的優(yōu)勢。3)通過實驗數(shù)據(jù)對比分析，溫差ΔT和制冷量Qc的數(shù)據(jù)差異均在實驗儀器誤差范圍內(nèi)，針對ΔT和Qc來說，回路形式對半導體制冷器制冷效率影響不大。4)在壽命方面，在2．4萬次循環(huán)結(jié)束時，A型成品電阻變化率分變?yōu)?．35%和1．45%，而B型均在2．04%左右。直觀的數(shù)據(jù)對比顯示A型基板的電阻變化率相對較低，壽命趨勢相對更長。
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“問題組教學法”則是青島市推廣多年的一種教學法。該教學法的核心就是以問題引領(lǐng)學生，啟發(fā)學生思考，便于學生開展小組合作。該法的思維容量是比較大的，需要全組學生緊張思考，自行組織答案，選出最優(yōu)答案向全班同學展示。這種教學法的前提是老師要設計好高質(zhì)量的問題組，所以對老師的要求也是比較高的，需要備課組全體老師通力合作，共同設計出富有啟發(fā)性的問題組。其基本原則是：不用思考的不問，沒有啟發(fā)性的不問，不是階梯式的不問，無法理解的不問。這就是說，設問必須符合學生的實際，能夠真正激發(fā)學生的思維，要有階梯性，不能過難過深，要讓學生產(chǎn)生思維的共鳴。
這兩種教學方式都是以學生的參與為主，重視學生的思考過程。在實踐“361”教學模式的過程中，我們化學備課組教師采用“問題組教學法”，使學生在課堂上自主思考的時間很明顯地比以前長了十分或八分鐘，學生思維的強度變大，活躍程度更是令人驚奇。在學期末模塊統(tǒng)一檢測中，我們化學組的成績提升總是名列前茅，連續(xù)幾年被評為區(qū)優(yōu)秀備課組。這一切跟我們實施“361”這一教學模式有很大的關(guān)系。
“問題組教學法”主要應用在“361”教學模式中的“預習案”“課堂學案”中。在環(huán)節(jié)上，“問題組教學法”主要應用在“自主學習”“合作探究”兩個步驟中，引導學生積極探究，從而更好地引導學生發(fā)現(xiàn)知識規(guī)律，感悟知識的理解過程，提高思維分析能力。
在集體備課環(huán)節(jié)上，我們化學備課組重點在三案的編寫上，確保編寫出得心應手的“引玉之磚”。對于每一個問題組都要求每個老師談看法，力爭使每一個問題都能產(chǎn)生“正能量”，避免一些無效問題的干擾。在學習魯科版必修一教材第四章《材料家族中的元素》第一節(jié)《硅?無機非金屬材料》時，我們就充分運用我們的成果去實踐，效果非常好。在區(qū)級公開課上的展示也得到了好評。
本節(jié)知識是元素化合物知識的學習，但又是和現(xiàn)實聯(lián)系非常密切的知識的應用。對于學生認識化學在生活生產(chǎn)中的作用有獨特的地位。特別是硅在新材料中的應用，電子產(chǎn)品的快速發(fā)展等都會對學生的認知產(chǎn)生非常大的沖擊。本節(jié)知識在必修和選修中同時出現(xiàn)，在必修中的地位必須很好定位，要結(jié)合大綱真正把握知識學習的深廣度。因此我們確定了本節(jié)的三維目標：
知識與技能：了解硅及二氧化硅的主要性質(zhì)（重點和難點）及這些性質(zhì)在材料中的應用。
了解硅在半導體工業(yè)，二氧化硅在現(xiàn)代通訊業(yè)的重要應用。
過程與方法：運用觀察、實驗、比較、分類等方法研究物質(zhì)的性質(zhì)
情感態(tài)度與價值觀：體會組成材料的物質(zhì)的性質(zhì)與材料性能的密切關(guān)系，認識新材料的開發(fā)對人類生產(chǎn)、生活的重要影響，關(guān)注與化學有關(guān)的社會熱點問題。
因此，在設計“三案”時，我們將預習案簡化成了“問題組”的“預習檢測案”，同時加上自主預習檢測，檢查學生對課本的閱讀情況。
【預習檢測案】
【問題組一】1.硅是“應用廣泛的半導體材料”，這是由什么因素決定的？總結(jié)出你的結(jié)論。
2.“常溫下，硅、二氧化硅的化學性質(zhì)不活潑”，但“自然界中沒有游離態(tài)的硅”，矛盾嗎？
3.單質(zhì)硅、晶體二氧化硅能用來制做哪些物質(zhì)？
【預習檢測】
一、單質(zhì)硅與半導體材料
1.半導體材料
最早使用的半導體材料是________，現(xiàn)被廣泛使用的半導體材料是________，它在地殼中的含量僅次于________。
2.單質(zhì)硅
（1）單質(zhì)硅有________和________兩種同素異形體，晶體硅是________、________光澤、________而________的固體。
（2）自然界中沒有________態(tài)的硅，常見的________態(tài)的硅有________和硅酸鹽。工業(yè)上，用焦炭在電爐中還原SiO2得到粗硅。
（3）硅的用途：
①在計算機等電子工業(yè)，可用作________，大規(guī)模________等。
②還可用于制造________和________。
③硅的合金用途也很廣泛，如含硅4%的鋼具有良好的導磁性，可用來制造________；含硅15%左右的鋼具有良好的耐酸性，可用來制造________。
二、二氧化硅與光導纖維
1.二氧化硅
（1）SiO2物理性質(zhì)：狀態(tài)：________硬度：________水溶性________
（2）SiO2化學性質(zhì)：
與強堿反應：________離子方程式：________（保存堿性溶液不能用橡膠塞）。與堿性氧化物反應：_______。與HF反應：_______（唯一與其反應的酸）。
2.光導纖維
（1）主要成分是：________（2）用途是：________（3）優(yōu)點：________
此檢測內(nèi)容是看完書就能填上的。關(guān)鍵還是培養(yǎng)學生閱讀記憶的能力。知識記不住，就談不上理解。記憶是掌握知識的前提，而這點恰恰是很多人不屑一顧的。他們往往會說要先理解后記憶。這么說有一定的道理，理解了記憶會更好，但有些知識在開始是不好理解的，怎么辦？先記住再說。
在本節(jié)課的教學過程中，我們緊密結(jié)合“六環(huán)節(jié)”，以問題為導引，充分調(diào)動了學生的學習積極性，使學生成為了本節(jié)課的主人。
一、自主學習
自主學習主要包括學生課前自學和課堂展示兩部分。
課前自學根據(jù)教材內(nèi)容確定是用“預習案”還是“檢測案”。課堂展示環(huán)節(jié)的自主學習是一合作探究前進行。我們要求先用2分鐘時間進行獨立思考，不得討論。這是一個重要的環(huán)節(jié)。沒有自己獨立的思考就進行合作探究是一種表演，一種只有組長或個別同學的表演，不會是全組同學的結(jié)晶。每個人的思考是有區(qū)別的，不能急于統(tǒng)一全組思想。經(jīng)過每個人的思考，然后進行全組討論，這樣，才有可能發(fā)生思維碰撞，達到學生自己積極思維的效果。否則學生只能被動地思考，有效課堂是無法打造的。
該環(huán)節(jié)中，要明確要求學生提出問題，記錄困惑。
【問題組2】閱讀課本107-108頁并討論以下問題
1.寫出硅的原子結(jié)構(gòu)示意圖，與所學的哪種元素的原子結(jié)構(gòu)有相似之處？
2.硅在現(xiàn)代生活當中有重要的應用，這跟它的哪些特性有關(guān)系？
3.用氧化還原反應理論來分析一下工業(yè)上用焦炭來制備粗硅的反應。這樣得到的粗硅如何提純會得到高純硅？
該問題組意在讓學生總結(jié)出硅單質(zhì)的物理化學性質(zhì)，明確硅的用途。讓學生在分析中學會知識類比遷移，鍛煉概括整合能力。
【問題組3】閱讀課本109頁并討論以下問題.
1.二氧化硅熔點高，硬度大，而二氧化碳則是氣體。這是為何？
2.從物質(zhì)的分類角度來看，二氧化硅屬于哪類物質(zhì)？該類物質(zhì)具有哪些通性？二氧化硅有哪些特性？
3.二氧化硅有哪些用途？
該問題組主要是讓學生明白二氧化硅的性質(zhì)與其獨特的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，其化學性質(zhì)與其酸性氧化物類別的聯(lián)系，而其廣泛的用途也與其性質(zhì)有緊密的關(guān)聯(lián)。通過討論，讓學生明白物質(zhì)的分類思想對化學學習的重要性，學習化學，要與現(xiàn)實生活緊密聯(lián)系。
二、合作探究
這是一節(jié)課的核心部分，是六環(huán)節(jié)中最能出彩的地方。從中能看出老師導引的功力和學生探究的激情，是思維碰撞的關(guān)鍵一環(huán)。而關(guān)鍵中的關(guān)鍵則是老師問題的設計能否激發(fā)學生探究的熱情。所以我們引入“問題組教學法”，通過恰當?shù)膯栴}組，引導學生思考。以上三個問題組都有很值得思考的地方，需要真正去動腦筋才能完整回答。同時，通過問題組引導學生學會閱讀，學會反思。
在看書、兩分鐘獨立思考后，全班按小組展開討論。每個組員都要將自己的想法在組內(nèi)進行展示，與其他成員共同完善每一個問題，再將個人思想統(tǒng)一到小組的共同意志，由一位同學在全班進行展示或補充。在展示過程中，【問題組1】中的第二個問題引起很大的爭議，有的同學也感覺很矛盾。后來一個小組長起來說，引起大家的大笑。他說：我覺著是長時間里，硅可能受到高溫啊，火山噴發(fā)啊，閃電啊，可能就與氧氣反應了。對此，筆者也及時地引導學生去查閱地球形成的相關(guān)資料，了解這些條件對物質(zhì)反應的影響。
三、精講點撥
學生講得精彩，老師也顯得輕松。由于本節(jié)課學生理解起來比較簡單，每一個問題的回答都還不錯，基本上兩個小組就能解決問題。老師只是適當進行了評價，通過評價對小組的討論進行了肯定。應該說，學生的能力是很強大的。老師要放手讓學生去思考去展示，不要擔心出錯。出錯也是學生學習的機會，也是展示老師教育智慧的好時機。這樣操作，學生得到的收獲遠比老師講授來得多。
四、變式演練
根據(jù)本節(jié)課的知識特點與重點，變式主要還是圍繞著硅、二氧化硅的性質(zhì)與用途展開，與問題組的思考相吻合。
【問題組4】
1.玻璃的成分中有二氧化硅，那么HF溶液用什么瓶子盛好？
2.實驗室保存堿性藥品的玻璃瓶不能用玻璃塞，為什么？
3.SiO2屬于酸性氧化物的理由是什么？
該問題組是前面學習知識的簡單應用，回答并不難，但這是為了解決具體問題而設，還是很有思考價值的。
五、達標檢測
該環(huán)節(jié)是立足于課程標準和本節(jié)學習目標要求進行基礎(chǔ)性、綜合性的達標測試，當堂完成，當堂矯正，檢查學習目標的落實情況。
【課堂檢測】
1.下列關(guān)于硅的說法不正確的是（ ）
A.硅是非金屬元素，但它的單質(zhì)是灰黑色有金屬光澤的固體
D.硅的導電性能介于金屬和絕緣體之間，是良好的半導體材料
C硅的化學性質(zhì)不活潑，常溫下不與任何物質(zhì)起反應
D.當加熱到一定溫度時，硅能與氧氣、氫氣等非金屬反應
2.下列說法正確的是（ ）
A.硅材料廣泛應用于光纖通訊
B.工藝師利用鹽酸刻蝕石英制作藝術(shù)品
C.水晶項鏈和餐桌上的瓷盤都是硅酸鹽制品
D.粗硅制單晶硅不涉及氧化還原反應
3.下列敘述正確的是（ ）
A.自然界存在大量單質(zhì)硅
B.石英水晶硅石的主要成分是二氧化硅
C.SiO2性質(zhì)活潑，能跟酸堿反應
D.自然界SiO2都存在于石英礦
4.下列說法正確的是（ ）
A.晶體硅和無定形硅是兩種不同的物質(zhì)
B.SiO2可用作半導體材料
C.硅與氧氣反應，不能在空氣中穩(wěn)定存在
D.在SiO2+2C=Si+2CO的反應中，氧化劑與還原劑的物質(zhì)的量比為2∶1
達標反饋應注意的問題：1.檢測題目難易適中，題目不能過大、過多。2.達標檢測的時間不易太長。3.在完成達標檢測后，最好當堂反饋。
六、總結(jié)反思
該環(huán)節(jié)建議在離下課前5分鐘內(nèi)完成。可以是學生自己整理反思，也可以是師生共同反思。
本節(jié)課連預習共四個問題組，非常便于討論。本節(jié)課中學生主動參與的時間非常多，由于內(nèi)容相對簡單，老師有充足的時間讓學生探究。
