半导体制冷器(五分钟让你明白何为半导体技术)

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半导体冷却器(五分钟让你明白什么是半导体技能)

2020年是华为在中国最艰难的一年,背后的原因是手机的核心——芯片制造技能受制于美国,芯片制造与半导体技能息息相关。

在我们了解半导体技能之前,我们必须知道什么是半导体。半导体是指室温下导电率介于导体和绝缘体之间的材料。物质存在于各种情况下,如固体、液体、气体、等离子体等。我们通常指导电性差的材料,如煤、人造晶体、琥珀和陶瓷作为绝缘体。具有良好导电性的金属,如金、银、铜、铁、锡和铝,被称为导体。导体和绝缘体之间的材料简称为半导体。

1833年,英国科学家、电子学之父法拉第首先发明了硫化银的电阻随着温度的变化而不同于普通金属。一般来说,金属的电阻随着温度的升高而增加,但法拉第发明硫化银材料的电阻随着温度的升高而降低。这是半导体现象的第一个发明。很快,在1839年,法国的贝克勒尔发明了半导体和电解质接触形成的结,在光照下会产生电压,这就是后来人们所说的光伏效应,这是发明半导体的第二个特点。1873年,英国的史密斯发明了硒晶体材料的光电导效应,这是半导体的第三个特性。1 874年,德国布劳恩考察发现,某些硫化物的电导与外加电场的方向有关,即它的电导是有方向性的,通过在两端加一个直流电压来导电;电压极性反转就不导电,这是半导体的整流效应,也是半导体的第四个特性。同年,舒斯特发明了铜和氧化铜的整流效应。虽然半导体的这四个特性是在1880年之前发明的,但半导体这个术语最早是由科尼伯格和维斯技术资源网在1911年左右应用的。然而,直到1947年12月,贝尔实验室才完成了对半导体这四个特性的总结。2019年10月,一个国际研究团队表示,与传统霍尔测量中仅获得三个参数相比,新技术在每个测试光强下最多可以获得七个参数:电子和空空穴的迁移率、光下电荷载流子的密度、复合寿命、电子的扩散长度、空空穴和双极类型。

半导体分为元素半导体、无机合成半导体、有机合成半导体、非晶半导体和本征半导体。元素半导体是指由单一元素组成的半导体,容易受到微量杂质和外界条件的影响而发生变化。无机成分主要由单一元素制成半导体材料组成。当然,也有由各种元素制成的半导体材料,它们受元素的特性和制造方法的影响。不是所有的化合物都能满足半导体材料的要求。这种半导体对高速器件很重要。有机化合物是指分子中含有碳键的化合物。导带可以由有机化合物和碳键垂直叠加而成。通过化学加成,可以进入能带,能带可以产生导电性,从而形成有机化合物半导体。与以前的半导体相比,这种半导体具有成本低、溶解性好、材料轻、易于加工的特点。非晶半导体又称非晶半导体或玻璃半导体。通过改变原子的相对位置和改变原来的周期排列来形成非晶硅是很重要的。本征半导体是指没有杂质和晶格缺陷,通过产生电子-空空穴对实现本征导电的半导体。

我们前面已经知道了半导体的物理概念、发明历史和分类,应该已经对半导体有了一个大概的了解,这样才能更好的理解后面半导体的相干技巧。

一、半导体照明的应用

半导体照明的核心技能是半导体发光二极管,英文名称简称led。其发光原理是在PN结正向偏置的条件下,通过注入器件有源区的电子空空穴的自发发射复合,将电能转化为光能[1]。

目前实现半导体发光的主流技能路线有三种:(1)基于三基色原理,利用红、绿、蓝led合成白光;(2)应用紫外LED激发三基色荧光粉,由荧光粉发出的光合成白光;(3)利用蓝色LED激发黄色荧光粉,实现二元混色白光。

三基色LED混白光的应用,不仅可以实现想象中的白光光谱,还可以调节光源的颜色。但是三基色LED对性能要求严格,其驱动电路和其他外围系统也相应复杂。所以它的性价比低,但是适合对色彩要求高的地方。目前还缺乏大功率紫外LED和高效高可靠的紫外荧光粉,不适用。采用蓝色LED激发黄色荧光粉的方案,荧光粉成熟,蓝色光源高效可靠。虽然显色指数稍显不足,但方案流明效率最高,是目前广泛采用的技巧路线[1]。

随着半导体照明技能的创造,LED逐渐应用于室内外照明。在室内照明领域,LED对于白炽灯来说具有发光效率高的优势,但是对于荧光灯来说,生产价格更高。在户外照明领域,LED对于霓虹灯来说具有多色、可控的优势[2]。

半导体照明在功效上有优势,但在普及上,价格偏高。目前LED还不能完全普及,但有很大的发展前景。

二、半导体制冷的应用

当直流电通过半导体PN结时,会在两段的接触面上产生热电效应,这种热电效应由五种不同的热电效应组成,半导体制冷的重要技巧是珀尔帖效应在制冷中的应用[3]。

珀尔帖效应是由J.C.A .珀尔帖在1834年发明的。它是指电流通过由不同导体组成的回路时,在不同电流方向的不同导体接头处吸热放热分离的现象。

半导体制冷不同于传统制冷。它不需要冰箱、机械设备或管道。只要对半导体冰箱施加直流电,其冷端就会迅速冷却下来。冷却速度快,容易掌握,无噪音,无污染,体积小。它解决了许多特殊场所的制冷问题,能准确掌握温度。

半导体制冷技术优势很大,但发展时间不长,在普及程度上还有很大差距空。

第三,用半导体制造芯片

目前市场上的芯片种类繁多,有计算芯片、存储芯片、传感芯片、通信芯片、能源芯片等。所有这些芯片的制造都离不开半导体,应用半导体制造芯片实际上就是利用半导体技能制造芯片的集成电路。

集成电路一般分为混合集成电路和半导体集成电路。其中,半导体集成电路在使用量、效率、产量、市场份额等方面绝对占据主导地位。,以至于人们常常把半导体集成电路视为电子工业发展程度的里程碑或标志[4]。

集成电路是一种微型电子设备或元件。将电路中需要的晶体管、电阻、电容、电感等元器件和布线互连在一起,在一小块或几块半导体芯片或介质基板上制造,然后封装在一个封装中,成为具有所需电路效果的微结构,半导体在形成基板中起作用,相当于盖房子时的基础作用。

目前,集成电路的制造面临许多挑战,包括高功耗和工艺参数变化。随着技术的进步,芯片的工作频率不断提高,芯片的功耗不断增加,高功耗越来越制约集成电路的IC设计。综上所述,高功耗对IC的供电网络、封装散热设备、性能、测试和设计复杂度都有负面影响[5]。在纳米技术时代,高端芯片必须设计低功耗,能够满足功耗要求。如果不考虑工艺参数变化对低功耗设计的影响,可以在优化前通过调整通道宽度、长度和阈值电压来改善电路中低性能路径的性能。结果是在预设性能下形成路径墙,但考虑工艺参数变化后,墙内路径的性能会发生变化,形成性能分散,因此近一半路径的性能达不到要求,会影响设计良率[5]。

半导体技术在生产中应用广泛,我介绍的只是其中的一部分。希望对读者有所帮助。

参考文献:

[1]罗毅,张先鹏,韩延军,等.浅谈半导体照明的症结技巧[J].激光与光电子学进展,2007(03):17-28。

[2]楚·于超。半导体照明市场现状与挑战[C]//中国照明电器协会。中国照明电器协会,2009。

陈振林,孙中权。引用该论文王志平,王志平,王志平.微电子技术,1999(05):63-65。

[4]郭贺。半导体集成电路知识产权的法律保护[J]。中国人民大学学报,2004(01):103-111。

罗祖英。芯片功耗和工艺参数变化:下一代IC设计的两大挑战[J]。计算机学报,2007(07):1054-1063。