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半导体的特性范文1
中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0095-02
自组装是一种较为复杂的分子之间的协同作用，该技术的主要内容为，在非共价键的相互之间的作用之下，分子会自发的形成一种结构，该种结构具有一定的有序性，分子在进行自组装的过程中，影响最终的组装效果既有分子自身性质等内在因素，也存在一定的外在因素的影响，如分子所处的环境中化学因素及物理因素的影响，不同结构的纳米结构能够应用于不同的领域。卟啉酞菁是一种共轭的大环体系，其结构非常的稳定，其稳定性远远高出了其他的有机半导体材料，这种半导体材料的应用前景越来越广泛，越来越多的研究人员开始投入到卟啉酞菁化合物的设计合成的研究中来，该文就将针对卟啉酞菁化合物的设计合成、自组装纳米结构及有机半导体特性进行简单的分析研究。
1 卟啉酞菁类化合物的自组装纳米结构的研究现状
在化学的研究中有一个重要的分支为超分子化学，其主要的研究内容是分子之间的化学键的研究及分子组装的研究，其最重要的几个特性表现为：自复制、自组织、自组装，当颗粒的尺寸处于一千纳米之内时，超分子的性质会发生非常显著的改变，这种性质在磁学性能、电学性能、光学性能、力学性能等领域具有非常鲜明的体现，由此而诞生了纳米化学，纳米技术是目前的研究中非常流行、应用广泛的技术，但是在纳米级尺寸的器件的制备过程中，其合成方法是较大的难题，分子的自组装技术逐渐引起人们的关注。
通过超分子的自组装技术，能够合成出各种结构复杂的纳米材料，根据其性能的不同，具有各种不同的用途，卟啉、酞菁类的化合物具有非常典型的大环共轭结构，广泛的应用于分子存储材料、分子磁体、有机场效应管、传感器、电子学等领域，根据各种卟啉酞菁类化合物的取代基的不同，可以采用不同的自组装方法得到各种不同的组装体，近年来，有很多研究，通过一定的纳米自组装技术将卟啉酞菁类化合物制备成各种不同的、有序的纳米结构，然后根据用途的不同将其制成各种纳米器件，这已经演变成为超分子化学研究过程中的一个重要的分支，为实际应用中的超分子聚集体的研究提供了更多的有力依据。
2 不对称的八取代酞菁自组装纳米结构的研究
2.1 酞菁分子的设计及合成
酞菁分子的结构时非常典型的共轭电子结构，分子之间主要存在的相互作用力是π-π作用力，想要调节这类化合物的分子之间的相互作用力，只需要在酞菁分子的引入适当的官能团，就能很好的解决这一问题，本次研究中，在酞菁分子的β位置引入二甲基氨基乙氧基，通过醋酸锌.2H2O及自由酞菁在DMF中进行回流反应能够得到锌酞菁Zn{Pc（OC4H9）7[OC2H4N（CH3）2]}，标记为化合物1，，根据相关的文献能够制备得到自由酞菁H2{Pc（OC4H9）7[OC2H4N（CH3）2]}，标记为化合物2，实验过程中通过柱层析进行反复的分离，能够得到元素的核磁、质谱、分析等结果。
2.2 酞菁自组装纳米结构的电子吸收光谱
通过实验发现，以上制备的两种化合物在氯仿中并没有发生聚集反应，自由酞菁存在着一个非常强的吸收带，表示为Q带，并且具有很好的C2h分子的对称性，锌酞菁的分子对称性与自由酞菁分子的对称性相比有一定程度的增加，变为D4h，两种化合物分散于氯仿中及甲醇中的吸收能力有一定的区别，由于分子之间强烈的相互作用，在组装体中形成了非常明显的宽锋，两种化合物分散与甲醇中形成的主要的吸收峰与分散于氯仿中的吸收峰相比，出现了蓝移现象，这主要是因为化合物分子之间所存在的强烈的π-π的相互作用，使化合物中形成了H型的面对面的聚集模式。
2.3 傅立叶变换的红外光谱表征
在自由酞菁的红外光谱中，自由酞菁中的吡咯环中的N-H键的收缩振动，表现为自由酞菁的吸收峰，在自由酞菁化合物的组装体中，侧链的二甲氨基乙氧基中的氮原子会与相邻的酞菁分子的中心的氢原子结合形成一个氢键，这会使伸缩振动峰在组装体中的作用变宽、变弱，使得其与水峰的重叠区域无法区分开来。在锌酞菁化合物中，其纳米结构的红外光谱中，其振动峰裂分为肩峰与主峰，这种现象表明，在其聚集体中存在着Zn-N的配位作用。
2.4 聚集体的形貌表征
为了得到酞菁化合物的聚集体的形成机理，在实验中，对不同聚集时间下的自由酞菁化合物的形貌进行了测试，将自由酞菁化合物注入到甲醇中，静置一个小时的时间，能够观察到大量的空心球状的聚集体，也含有少量的带状的聚集体，将其静置两个小时的时间，能够观察到大量的空心纳米管及螺旋状的纳米带，并且他们的螺旋角及螺距是不同的，在聚集刚刚开始时，聚集发生的最主要的驱动力为酞菁分子对甲醇疏溶剂的作用，所以会形成大量的空心球，而当N-H配位键形成之后，会形成平直的纳米带，纳米带的继续生长会产生倾斜的形变，纳米带会产生弯曲，这就形成了螺旋结构。将锌酞菁化合物置于甲醇中，经过分子的自组装作用，会形成多根一维的纳米线所组成的纳米束，通过分析得知，这些纳米束是由酞菁二聚体沿着纳米线的长轴的方向面对面的堆积而成的。
3 卟啉自组装微米管及其半导体特性的研究
随着第一根碳纳米管的制造，人们逐渐认识到其巨大的潜在价值，随后各种各样的微米管及纳米管被研究出来，制备纳米管的材料也开始变得多种多样，聚合物、无机物等材料都开始应用于纳米管的制造中，制造纳米管的方法也是多种多样的，在本次研究中，将自由卟啉采用自组装技术将其制备成微米级的树枝状的微米管及叶片状的聚集体，下面予以简单的分析。
3.1 电子光谱的吸收
通过实验发现，将自由卟啉放置于氯仿中，并没有发生聚集，这一特征是自由卟啉的典型特征，将其置于正己烷中，由于其分子的紧密排列，出现了明显的宽锋，而在氯仿中只出现了一个变宽的S带，在正己烷及氯仿的气氛中形成的聚集体表现出了一个变宽、裂分的S带，出现这种情况主要是因为相邻的卟啉之间有一定的激子耦合作用，在氯仿中形成的聚集体及在正己烷中形成的聚集体都出现了一定的红移现象，但是二者出现红移的程度是有一定的区别的，这说明在自由卟啉化合物的自组装过程中，形成聚集体的主要的推动作用是卟啉分子与溶剂之间的相互的作用。
3.2 聚集体的形貌表征
对化合物自组装所形成的聚集体的形貌进行观察时，采用扫描电竞来进行观察，将自由卟啉化合物分别置于正己烷气氛中、氯仿气氛中，所形成的的自组装聚集体具有不同的形貌，在氯仿气氛中主要形成方向一致的纳米管，这说明自由卟啉化合物的分子间的排列是有序的，这一特性非常适合应用于场效应晶体管及光电晶体管中，在正己烷气氛中，主要形成叶片状的纳米结构。
4 两亲性三层卟啉酞菁化合物的设计合成及其有机半导体特性的研究
自从第一次在有机场效应管中应用有机的半导体，已经在这方面取得了很大的进步，相比于无机的半导体材料，有机的光电设备具有柔软性好、成本低、轻便等诸多的优点，卟啉酞菁类化合物自身具有很好的电学性质及化学性质，很早就将其应用于有机的场效应晶体管材料的制造中，本次研究中主要阐述Eu2[Pc（15C5）4]2[T（C10H21）4P]标记为化合物1与Eu2[Pc（15C5）4]2[TPOPP]标记为化合物2，两种典型的两亲性的三层分子卟啉化合物的有机半导体特性。
通过实验得到两种化合物的红外光谱图，二者都出现吸收峰，可以认为是其侧链上的甲基上C-H对称弯曲所形成的的吸收峰，同时其C-O-C键的对称、不对称收缩都会形成相应的吸收峰。
本次实验中，以烷链作为疏水层，生成的两亲性三层三明治型的卟啉酞菁化合物，这是一种新型的有机半导体材料，用其LB膜所制成的场效应晶体管器件具有很好的迁移率，为设计、制造场效应晶体管器件的分子材料，提供了很好的依据。
5 结语
随着超分子化学、纳米科技的发展，越来越的研究将有机半导体分子的自组装特性应用于纳米材料、器件的制造中，该文中例举了几种典型的酞菁类化合物、卟啉类化合物、酞菁卟啉类化合物，对其基本的性能进行了简单的介绍，对于纳米材料及器件的研发、制造，有一定的参照作用。
参考文献
[1] 高颖宁.卟啉酞菁类化合物的设计合成及性质与自组装纳米结构[D].山东大学：无机化学，2010.
半导体的特性范文2
去年，苏联的有些城市的街道上，出现了这样一种路灯，这种路灯没有什么电线通向电源，可以说是自己就会发光的。而且天一暗下来自己就会自动发光，照明街道，天亮了也会自动“关上”，不用人管理。
更有趣的，还出现了一种没有真空管的收音机，只有一两斤重，小得可以放到口袋或衣袖里去，用起来真是像小笔记本那么方便。不论你走到那里，就是到了荒山或沙漠地带，只要你高兴，就可以拿出来听北京的广播，莫斯科的音乐。……
说到这里，或许读者要问，怎么会出现这样的“奇迹”呢？原来，科学家们发现了某些物质的特性，利用这些物质就可以发电不用机器，可以自动控制机器，可以用来代替无线电的电子真空管，还可用来作其他许多奇妙的东西。
这些物质就叫做“半导体”。
什么叫半导体？
把物体分为导体与非导体是很早以前的事了。谁都知道，能导电的铜、银等金属元素叫做导体；玻璃、木头、橡皮等物质不能导电，就被称为非导体（即绝缘体）。
半导体是介於导体与非导体之间的物质，既不像导体那样容易导电，又不像非导体（绝缘体）不能或者说几乎不能导电。像矽、钥、碲、硼、砷、磷以及不少的氧化物与硫化物都是半导体。目前应用最普遍的和最重要的是：稀有金属“锗”和世界上数量最多的“矽”。
半导体所以能够创造许多奇迹，不仅因为它的导电能力介於导体与非导体之间，更重要的是它的导电能力与光和热有着极其密切的关系。当半导体的温度增高或受光线照射较强时，它的导电能力就显著增加；反之，温度降低或光线照射较弱时，半导体的导电能力就急剧减少。而导体与非导体则没有这种特性。这也就是半导体不同於其他物质的最主要的特性。
为什么半导体的导电能力介於导体与非导体之间？为什么会因光和热的变化而改变自己的导电能力呢？
原来，任何物体都是由许许多多原子构成的。每个原子都是由一个原子核和围绕着原子核转动的一定数量的电子组成。在非导体中电子和原子核结合得非常牢固；而在导体中，几乎全部电子与它的原子核结合很不牢固，甚至能离开原子核而自由地在导体内跑来跑去。这种电子叫做“自由电子”。所谓电流现象，就是许多电子顺着一定的方向流动。所以，当两个不同电压的电极中间连以导体，导体中的“自由电子，”就向一定方向移动，把电由一极导向另一极，这就是产生了电流。如果连以非导体，因为没有“自由电子”就没有电子的移动，也就没有电流现象。导体所以能导电，非导体所以不能导电，道理就在这里。半导体中的电子与原子核的结合既不像导体那样松弛自由，也不像非导体那样牢固。因而它们的导电能力也就介於导体与非导体之间了。
我们知道，任何物体内的原子都是不停地振动着；物体受光和热多时，原子振动剧烈，受光和热少时则振动缓慢。当半导体中的原子在光和热的影响下振动剧烈时，它们周围的电子就互相碰撞，有些电子与原子核结合得不甚牢固，於是就被撞出来成为“自由电子”；在受到光和热较少时，原子振动缓慢，就很少有电子被撞出来。这就是为什么半导体因光与热的强弱多寡而增加或减少导电能力的缘故。导体中本来就有自由电子，光与热对它的影响不大；非导体中的电子与原子核结合得非常牢固，不管原子振动怎样剧烈，电子也很难被撞出来。所以它们就没有或者极少随着光热的变化而改变自已导电能力的特性。
根据这些特性，就可以让半导体帮助我们做许许多多的过去不能做的事情。
发电不用机器
在任何一个发电站里，不论它的动力是水力、火力还是原子能，都要具有庞大复杂的机器设备。
可是，半导体却帮助我们不用机器也能够来发电。我们把两块半导体用导线连接起来，把其中一块加热，於是这块半导体内就产生了很多“自由电子”，与未加热的一块，就形成了一个电位差，这样，温度高的那块半导体内的“自由电子”，就向温度低的那块半导体流去，电流就产生了。我们只要把两块半导体的另外两端装上电极联以导线，并保持这两块半导体之间的温度差，这一些简单的东西就成为一个完整的半导体发电器了。
利用半导体来发电，会使整个电力工业引起革命。首先，我们能够直接利用热能来发电，实现了许多年来的萝想。过去，工厂里的热能有80％从锅炉的烟囱中逃逸出去，要是利用半导体就可以把这些热能变成电能。其次，“半导体发电器”不需要火力发电那样的锅炉、输机等一套庞大的机器，使发电成本大为降低。而且这种“半导体发电器”特别方便，最轻巧的可以放到一盏煤油灯的灯罩上，利用煤油灯散发出来的热发出的电力足够供给一架收音机的使用。苏联已经大量生产这种精巧的发电器了。
光与热一样，对半导体是有影响的，因而使我们有可能直接利用太阳光来发电了。目前已有这样的半导体，在阳光照射之下，每一平方公尺大小就能发出50—100瓦的电力，能够点亮一盏五十支光的电灯。用半导体制成的路灯，在白天能把太阳光变成电能储蓄起来，到晚上就用这些电能来照明，使整个城市大放光明。
半导体通电后，一端就强烈地发热，另一端却冷得结冰，所以半导体可以制成装置简单经久耐用的电冰箱，它耗电极少，效能很大。这种装置与暖气设备结合起来，不用烧锅炉，一年四季可以自动地调节室内的温度，夏天变得凉爽，冬天温暖如春。
灵敏的“电眼”
半导体的特性范文3
关键词：智能半导体；温差发电装置；设计；应用
引言
电力是各领域运行以及各电子产品功能实现所需的重要能源，就目前的情况看，火力发电属于主要发电方法，会造成一定的能源浪费。智能半导体温差发电装置的设计，能够有效解决上述问题，对可持续发展战略的落实具有重要价值，同时也是发电技术发展的主要方向。
1 智能半导体温差发电原理
多功能绿色温差电源是利用温差产生电能的新型便携式绿色能源发电装置。它分为吸热、吸冷两面，当有夭畈生时，就能实现电能的输出。它可独立使用，也可嵌入有温差的产品上，同时还能推广应用到国民经济的诸多领域，如道路交通指示系统，夜景工程，广告装潢等。
2 智能半导体温差发电装置的设计
2.1 智能半导体温差发电装置功能
（1）温度采集。温度采集是智能半导体温差发电装置的主要功能之一，同时也是发电功能实现的第一步。装置的吸热与吸冷两面，可分别吸收不同的温度，实现温度的采集。采集后的温度，可被自动计算出温差，并显示出来。
（2）能量转换。能量转换是智能半导体温差发电装置实现发电的第二步。在采集并计算出温差之后，装置能够将其转换为电能，进而使其能够供我们日常使用。
（3）电能传输。温差所转换成的电能，能够实现传输，以为使用者对能量的应用提供途径。电能传输过程是将装置与使用者相连接的关键，一旦传输出现问题，温差所转换的电能则无法被利用。
（4）储存电能。为避免无法立即被利用的电力被浪费，该装置还能够实现储存电能的功能。如温差所产生的电能在使用过后存在剩余，可以被存储在装置之中，在使用者需要时，可以随时加以使用，极大的提高了便利性。
（5）外观。智能半导体温差发电装置具有体积小巧的特点，因此携带较为方便，为使用者带来了极大的便利性，可将其随意应用到各个场合。上述特点也扩大的改设备的应用范围。
2.2 装置构成
智能半导体温差发电装置主要由以下模块构成：（1）PTC陶瓷加热模块。（2）半导体温差发电模块。（3）水冷散热模块。（4）单片机温差控制模块。（5）数据采集模块。
不同模块功能不同。PTC陶瓷加热模块的功能在于实现加热，以增加装置的温度，实现吸热。水冷散热模块的功能在于完成散热过程，实现吸冷。数据采集模块的功能在于对最高温度与最低温度进行测量，进而计算出两者之间的差值并将其显示。单片机温差控制模块的功能在于对温差进行控制，避免超过装置所能承受的极限值，确保发电过程能够顺利实现。半导体温差发电模块的功能在于真正实现发电，以供使用。
2.3 装置温度控制流程
装置温度控制工作流程从初始化开始：
（1）装置开始工作，完成初始化。
（2）设定温度上限，继电器常闭。
（3）开启加热器，并检测热端温度。
（4）温差控制，判断当前温差是否大于热端所能承受的最大温度。
（5）如当前温度大于热端所能承受的最大温度，则指示灯熄灭，加热装置断开。
（6）如当前温度小于热端所能承受的最大温度，则加热器工作。
2.4 设计效果
为判断该装置性能，采用实验的方法，分别在20℃、40℃等温差下，对其开路输出特性与不同负载下的输出特性进行了分析，结果如下：
2.4.1 开路输出特性
通过对该装置开路输出特性的分析发现，在不同温差下，装置的输出特性也有所不同：在温差为20℃的情况下，开路电压为8.67v，短路电流为0.29A，功率为2.5144W。在温差为40℃的情况下，开路电压为13v，短路电流为0.39A，功率为5.07W。在温差为60℃的情况下，开路电压为16v，短路电流为0.45A，功率为7.2W。在温差为80℃的情况下，开路电压为16.9v，短路电流为0.48A，功率为8.112W。在温差为100℃的情况下，开路电压为17.3v，短路电流为0.48A，功率为8.304W。在温差为120℃的情况下，开路电压为18.1v，短路电流为0.48A，功率为8.688W。
观察上述数据可以发现：随着温差的不断增加，装置的开路电压与功率也一直在增加，两者与温差的变化情况呈正比。对于装置的短路电流而言，在温差在20℃―80℃之间时，其数值一直呈增加的趋势，但在80℃（包括80℃）其数值再无增长，一直保持在0.48A的标准。
2.4.2 不同负载下的输出特性
通过对不同负载下的输出特性的观察发现：随着温差的不断增加，装置的输出功率一直不断增大，两者呈正比，在温差达到60℃时，负载从1Ω增加到2.2Ω，此时装置的输出功率从0.173W增加到了0.471W，基本达到了最大值。在装置的温差达到60℃以上之后，装置的输出功率虽仍呈增加趋势，但增加程度较小，变化趋势较小。通过对不同负载下装置输出特性的分析发现，在电阻达到4.7Ω的时候，该装置的输出特性达到最佳状态。
3 智能半导体温差发电装置的应用
智能半导体温差发电装置可以用于交通指示系统、夜景工程、广告装潢等多领域当中。以交通指示系统为例，为确保交通的顺畅，避免发生交通事故，需保证夜间行车驾驶者能够清楚的看见交通指示系统，因此必须保证系统常亮。如以传统电力作为主要电力资源供应，会造成极大的能源浪费，与可持续发展战略的要求相违背。采用智能半导体温差发电装置，作为其电力能源来源，可以达到有效节约传统电力资源的目的，不仅能够维持交通的正常运转，同时能够达到节约能源的目的，是绿色发电装置的主要代表，同时也是可持续发展战略下发电装置发展的主要方向。除此之外，还可将该装置应用到夜景工程和广告装潢之中，以使庞大的夜景工程能够实现绿色电力供应，使广告装潢能够节约更多的电力资源。
需要注意的是，在上述装置设计完成之后，为确保其性能能够正常发挥，有必要采用实验的方法对装置的输出特性等进行分析，以避免装置在应用过程中出现故障。与此同时，要加强对装置的维护，以提高其使用性能，延长其使用寿命，使其能够为社会的发展带来更大的价值。
4 结束语
综上，智能半导体温差发电装置可应用于交通指示系统、夜景工程以及广告装潢等领域，该装置可将冷热温差转换为电能，通过输出，使电能被使用，具有较高的环保价值，从长远的角度看，应将改装置扩大的使用，以使绿色发电能够更好的实现，为社会以及国家的长远发展奠定基础。
参考文献
[1]梁秋艳，姜永成，董航，等.智能半导体温差发电装置设计与实验[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2016，05：781-783+830.
[2]黄学章，包涵，周孑民，等.铝电解槽侧壁余热利用的半导体温差发电装置设计[J].轻金属，2011，09：33-37.
半导体的特性范文4
关键词：PN结半导体；伏安特性；理论分析
所谓非线性电阻元器件是指流过元件的电流不随元件两端电压的增加而线性增加的元器件， 两端的电压与流过的电流的比值不是一个常量的电阻元器件。如生活中的白炽灯、光敏电阻、热敏电阻、半导体二极管等。在大学物理实验中“非线性电阻伏安特性曲线测量”的内容主要阐述了非线性元件的电流电压的关系。而在高中和大学的物理实验[1]中我们只对线性元器件的伏安特性的测量较为了解，对非线性元件测量出的伏安特性曲线的结果却难以理解，从中学到大学的物理实验教材中，对于非线性元器件的伏安特性的解释也较少。为了帮助学生更好地理解非线性电阻的伏安特性，我们从PN结半导体的导电原理，测量出PN结半导体的伏安特性曲线并分析实验结果，以此帮助读者理解非线性元件的伏安特性曲线的测量结果。
1 PN结导电原理
2 PN结的伏安特性曲线
通过对PN结（硅材料半导体）加正向电压或反向电压测得其电流随电压的变化值，最后画出如下图1的伏安特性曲线图。
图中B区电流随电压的变化保持为零 称为正向施加电压时表现出来的二极管的死区，A区为正向导通电压区；C区为反向截止区，在这一区域内随着所加反向电压的减少，电流为一个稳定值，这个电流值为二极管的反向饱和电流，其中可以看到反向电流非常的小，这是因为在这一区域内，反向饱和电流是由于少数载流子漂移而产生的，然而载流子的密度极小故导致反向饱和电流值非常小；D区为反向击穿区，在反向电压增加到足够大时就会将二极管击穿，此时反向电流就会随反向电压的增加而迅速增加。
根据理论分析结果可知，在二极管两端加正向电压时， ，由（9）式可知PN结电流密度变化随电压的变化呈指数变化趋势，这与如图1中的BA区电流变化趋势一致。同理因为 ，所以在加反向电压时电流密度随方向电压的增加而衰减并称指数变化，这与图一中CD区曲线的变化完全一直。因此通过计算二极管中加正反向电压时的电流密度表达式，就可以对“二极管伏安特性曲线”进行解释。
3 总结
通过上面的推导和实验图像我们可以知道，二极管的伏安特性曲线变化与二极管两端施加正反电压时PN结内电流密度的变化有关，即当加正向电压时电流密度 ，当加反向电压时电流密度 ，并且无论是施加正向电压还是反向电压，电流密度的变化都可相应近似地视为指数变化，这与实验得出的二极管的伏安特性曲线完全一致。因此可以利用电流密度与电压的关系来解释“二极管的伏安特性曲线”。
[参考文献]
[1]徐建刚，邹志纯.大学物理实验[M].西安：陕西人民出版社，2003.
[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础第四版[M].高等教育出版社，2005.
半导体的特性范文5
由于原子力显微镜的应用范围比较广泛，所以在实验课中不可能涉及到所有的应用领域，可以针对本校的专业设置和原子力显微镜的应用情况来设置实验内容，并且可以根据本校的经济条件，现在原子力显微镜应用较多的专业和院系开设，逐步向更多的有关院系和专业的学生开设原子力显微镜的有关实验课。我校是首先在物理和材料专业开设该课程，后逐渐增加到其他专业的学生，取得了比较好的效果。实验的内容主要包括仪器的结构介绍、操作演示、软件使用、实际操作、图片处理几项内容。学生自己准备样品，这样不同专业的学生都能通过原子力显微镜观测到与自己专业相关的样品，不仅可以熟悉原子力显微镜的操作，而且对本专业的学习也有极大的帮助。下面以分析半导体ZnO薄膜的形貌特性为例，对于原子力显微镜在大学物理实验中的实验内容设计作个简要介绍。对于实验所用的薄膜样品，若是一个综合性的创新实验，可以让学生自己制备薄膜(比如用溶胶-凝胶法等)，然后再用原子力显微镜等仪器分析薄膜的物理特性，中科大已经设置了这方面的创新性实验包括从薄膜样品的制备到光电磁性能分析，形成一个综合性的实验项目。若是一个普通物理实验，教师需要提供薄膜样品，最好是采用不同技术制备的多个样品，这样的话就可以进行对比研究。在这里使用的样品是采用溶胶-凝胶法制备出来的ZnO纳米薄膜。
1．1半导体薄膜表面形貌特征研究
实验在AFM上对样品表面进行了多处扫描，获得样品表面的一系列图像。在介观尺度下，半导体ZnO薄膜表面具有极为凹凸不平的特征，有很多形状不一、大小较为均匀的洼坑和突起。该样品的表面二维形貌图，图片的扫描范围为3000×3000nm。颜色的深浅不同表明了半导体ZnO薄膜表面的粗糙不平的特点，样品表面颜色深的位置代表凹坑深，颜色浅的位置表示该处表面突起。煤样的三维表面形貌，从另一个角度反映了介观尺度下薄膜表面的凹凸不同的形貌。
1．2半导体薄膜样表面颗粒研究
后处理软件对AFM形貌图进行处理，选取高度阈值，并剔除10%的最大和最小颗粒，得到半导体ZnO薄膜的表面颗粒分析结果。比例图代表各个面积尺度的颗粒百分比，每一条线段代表某个尺度(面积)颗粒的百分比。系统所识别到的所有颗粒状况，黑色区域为表面凹陷部分，灰白相间部分为所识别到的颗粒。从颗粒分析得到的粒度分布。总颗粒数为889，平均粒径为40．1nm。其中近90%的颗粒粒径小于56nm。可见，采用AFM扫描，获得了该样纳米级的表面形貌特征。
1．3半导体薄膜样表面粗糙度研究
表面粗糙度是表面结构的主要特征之一。表征表面粗糙度的参数有幅度参数(Amplitudeparameters)、混合参数(HybridParameters)和功能参数(FunctionParameters)。其中混合参数是影响表面摩擦性能的重要因素。功能参数是表征表面某些特殊的性能，如表示表面支承性能的表面支承指数Sbi等。该实验侧重于研究半导体ZnO薄膜表面形貌特性。幅度性能是表面形貌的主要特征之一，幅度参数大多与高度相关。幅度参数主要表征表面高度的三个方面的特性:(1)统计特性;(2)极值特性;(3)高度分布的形状。。半导体ZnO薄膜表面形貌的均方根偏差Sq(统计幅度参数)的数值达8．26nm，说明在AFM扫描区域内，该样表面粗糙度偏离参考基准的统计值。表面偏斜度Ssk=－0．149＜0，表明该样表面的分布在基准面之上较为均匀。对于表征表面高度的峭度Sku=2．31＜3，说明该样形貌高度分布分散，没有集中在表面的中心部分。
1．4半导体薄膜样表面的功率谱分析研究
AFM扫描获得的半导体ZnO薄膜样品信息，经后处理软件处理，得到扫描曲线，再经过傅里叶转换获得频谱和功率谱密度函数。不同的薄膜样品得到的功率谱密度图各异。表达了不同的频率对应的功率谱密度值。结合分形理论，通过计算可得到该样的分形维数D。分形维数是表征表面结构的特征参数。采用功率谱法计算分形维数，有助于进一步研究薄膜样品表面的分形特征。
2结论
半导体的特性范文6
关键词：激光器驱动电路；微波光子雷达技术；研制
引言
雷达是20世纪人类在电子工程领域的伟大发明之一[1]，它利用无线电波在传播时遇到障碍物后反射的特性确定目标方位、距离、高度等信息，如今已经广泛应用于军用与民用的诸多领域，并发挥着重要作用。信号源是雷达发射机与接收机必须具备的模块，其性能决定着雷达的探测精度、距离等。尽管电子技术发展成熟，但随着下一代雷达对更高载波频率、更大工作带宽等的需求逐渐迫切，实现信号产生的电子器件在高频的工作带宽窄并且噪声特性差，这从源头上限制了雷达性能的提升。
近些年新兴的微波光子学，利用光子技术实现微波信号的产生与处理，具有高精度和大带宽等优势，可以直接实现毫米波频段的高稳定本振和任意波形产生，避免倍频及上变频操作引起的信号质量下降[2-4]。微波光子学赋予了雷达更加蓬勃的生命力，并有望改变雷达体制。作为微波光子雷达系统的关键性器件，半导体激光器具有体积小、重量轻、耗电省、结构简单、价格低等优点。目前半导体激光器光频调谐的主要方式是电流调制方式，其调制精度直接关系着光频调谐精度，最终关系到微波光子雷达的探测精度，因此设计出抗干扰能力强，恒流稳定的驱动电路十分重要。基于国内外的研究现状，文章设计了一款半导体激光器恒流源驱动电路，并通过TINA软件仿真和实验来验证电路的有效性。
1 恒流源驱动电路的工作原理
半导体激光器是一种在电流注入下能够发出相干辐射光的光电子器件，注入电流与输出光频在一定范围内呈线性关系[5]，因此注入电流的稳定性对半导体激光器的光频输出有直接影响。驱动电路的主要任务是为激光器提供一个低纹波的稳恒电流。文章利用电流负反馈的原理，设计了一款压控恒流源电路，可实现对激光器的恒流驱动，原理框图如图1所示。该恒流源驱动电路主要包括基准电压源、误差放大器、跨阻放大器、电流采样电阻和功率场效应管五个部分。
选用ADR440作为基准电压源，为误差放大器提供高精密度、低温漂、低噪声的电压参考。其工作电流为5mA，提供2.5V电压基准，然后通过电阻分压得到VF1送误差放大器MAX4475同相端，控制半导体激光器驱动电流的大小。
半导体激光器和采样电阻Rs相串联，作为负载串联在晶体管FZT651的发射极。采样电阻跨接在跨阻放大器INA118两个输入端，将流经半导体激光器的电流ILD转换成电压，通过增益电阻Rg放大后得到V0送入误差放大器MAX4475的反相输入端。同时，反相端电压V0跟随同向端VF1，形成闭环负反馈控制。最后，误差放大器的输出端驱动晶体管基极，使流经发射极的电流为一个稳恒电流。采样电阻应选择功率大，精密度高，阻值小的电阻，它决定着激光器驱动电流ILD的精度。在实际电路中，采样电阻为2.6Ω/10W。这样，就可以实现电压VF1对半导体激光器驱动电流的线性控制，如公式（1）所示。
VF1=V0=ILD*Rs*（1+50/Rg） （1）
2 电路原理图及仿真结果
在实际电路制作之前，利用TINA电路仿真软件对电路进行了搭建与仿真，仿真电路原理图如图2所示。根据实验选用的半导体激光的技术参数，选用了与此等效的发光二极管LD串联电阻R2（1Ω）进行了等效，由于仿真电路中的电源均为理想的电压源，故将实际电路中基准电压源直接用理想直流电压VREF2.05替代。VREF2.05通过电阻R5，R7分压得到VF1送误差放大器U1（MAX4475）同相端。设置R5，R7的分压比，使VF1=1.83V，仿真结果如图3（a）所示。此时，流经半导体激光器的电流ILD=306.71mA。仿真结果跟采用公式（1）理论计算得到的结果完全一致。根据公式（1）可知，当电阻参数不变时，半导体激光器输出电流与电压VF1值成正比，也就是说电流随着VF1的增大而线性增大。对恒流源驱动电路进行了直流扫描分析，仿真结果如图3（b）所示。从图3（b）可以看到，半导体激光器的驱动电流ILD0A～350mA连续可调；VF1和ILD之间呈线性关系，线性度达99.3%。
3 结束语
文章介绍了一种采用高功率晶体管作电流控制元件，运用负反馈原理，实现压控恒流源的半导体激光器驱动电路的设计。采用TINA电路仿真软件对恒流源电路进行了电流测试、直流扫描分析的仿真实验。仿真结果表明，电路的驱动电流与控制电压成线性关系，且线性度达到99.3%，实现了驱动电流ILD0A～350mA连续可调。文章为微波光子雷达技术中的半导体激光器驱动电路的研制提供了一定的参考价值。
参考文献
[1]Skolnik M I.Introduction to radar[M].New York：McGraw Hill Profassional， 1962：1-29.
[2]Capmany J，Novak D. Microwave photonics combines two world [J]. Nature Photinics， 2007，1（6）：319-330.
[3]Yao J. Microwave photonics[J].Journal of Lightwave Technology，2009，27（3）：314-335.