时间：2022-02-04 02:42:50
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。
宽带隙高温半导体材料如SiC，GaN基微电子材料和单晶金刚石薄膜以及ZnO等材料也应择优布点，分别做好研究与开发工作。
（2）一维和零维半导体材料的发展设想。基于低维半导体微结构材料的固态纳米量子器件，目前虽然仍处在预研阶段，但极其重要，极有可能触发微电子、光电子技术新的革命。低维量子器件的制造依赖于低维结构材料生长和纳米加工技术的进步，而纳米结构材料的质量又很大程度上取决于生长和制备技术的水平。因而，集中人力、物力建设我国自己的纳米科学与技术研究发展中心就成为了成败的关键。具体目标是，“十五”末，在半导体量子线、量子点材料制备，量子器件研制和系统集成等若干个重要研究方向接近当时的国际先进水平；2010年在有实用化前景的量子点激光器，量子共振隧穿器件和单电子器件及其集成等研发方面，达到国际先进水平，并在国际该领域占有一席之地。可以预料，它的实施必将极大地增强我国的经济和国防实力。
关键词：半导体；光电信息功能材料；研究与创新
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.218
0 前言
从远古到现代，从石器时代到如今的信息时代，历史的发展表明信息科学技术发展的先导和基础是半导体信息功能材料的进步，伴随着时展的特征，我们可以很容易的分析出，光电信息功能材料在方方面面深刻的影响着人类的生产和生活方式。现如今，随着光电信息功能材料的不断普及以及各行各业的的综合应用，其技术得到了光速的更新，例如其信息的存储已不再受低级别的限制，其存储量已被提高到KT级别，当然为了使之更好地适应社会，发挥出更大的作用，生产商与使用者对光电信息功能材料的研究与创新从未停止。光电信息功能材料的发展，同样也与国家生产力的发展有着密切的联系，它是国家经济发展的根本保障之一。对于目前正处在快速发展中的我国来说，大力发展半导体光电信息功能材料十分必要。
1 半导体光电信息材料简述
科学技术之所以得到不断发展的原因之一，便是有着信息研究材料的支持，人类对不同材料的研究与创新，是科学技术飞速发展，科学规律不断修正完善的基础。20世纪60～70年代，光导纤维材料和以砷化镓为基础的半导体激光器的发明，是人们进入了光纤通信，高速、宽带信息网络的时代。半导体光电材料――半导体是一种介于绝缘体导体之间的材料，半导体光电材料可以将光能转化为电能，同样也可以将电能转化为光能，并且可以处理加工和扩大光电信号。在当今社会，其应用正在逐步得到普及。半导体信息光电材料，对于我们来说并不陌生，其存在于我们的日常生活中，并且无时无刻的不在影响着我们，所以我们应正确的认识半导体信息光电材料，并且可以为半导体光电信息材料的发展贡献出自己的力量。
2 半导体光电信息材料研究的必要性
2.1 电子材料研究的意义
量子论为人们研究电子在原子中的运动规律提供了重要依据，其主要作用是揭示了原子最外层电子的运动规律方面，正是由于此方面研究取得了初步的进展，从而极大地促进了有色合金，不锈钢等金属材料的发现于研究。此外，半导体材料的开发，是得电子信息技术得大了极大地发展，并且逐步兴盛起来，于是出现了我们现在正在普遍应用的采用电子学器件小型化及电子回路集成化等科学技术制造而成的电器，极大地方便了我们的生活。
2.2 光学材料研究的意义
70年代光纤技术的发展，又引起了一轮新的技术浪潮，光学材料的研究正是在此时得到了大力发展，光学材料的研究极大地促进了光纤技术的进步，进而光纤技术的迅速发展，又带动了信息技术的革新，这使得研究材料的范围逐步的被扩大。于是，多媒体电能与光纤通信技术二者逐渐的结合起来，综合应用，从而极大地提高了网络技术的发展速度，大容量的存储，大范围的交流与传输通道，在很大程度上减少了时间与空间对多媒体信息交流的限制。
2.3 技术兴国的意义
在当前信息高能时代，发展对半导体光电信息的研究，在大的方面，能在很大的程度上，帮助我国提高科技水平，进而提高国际地位，争取在国际科技方面的话语权，在小的具体方面，它能帮助政府改善人民生活水平，提高人民生活质量，因此不管于大于小，发展对半导体光电信息功能材料的研究十分必要。
3 半导体光电信息材料研究研究进展
虽然当代国际信息技术水平在不断的发展，各国的科技水平都在提高，但是相对于国际水平或者其他发达国家来说，我国在半导体光电信息材料的研究方面还是相对落后的。我国在其功能材料的研究方面的问题主要有以下几个方面
3.1 科技水平低技术发展受到阻碍
我国科技水平相对于国际科技水平来说相对落后。我国科技发展方面存在的主要问题是发展滞缓，与国际脱节，更新换代慢。然而，科技水平的高低对于半导体光电信息材料的研究起着决定性的作用，所以要想更好地促进半导体光电信息材料的发展，我国首先需要做的便是努力提高科技发展水平，紧跟国际科技发展的步伐。提高自身的科技水平，为半导体光电信息功能材料的研究提供强大的科技后盾。
3.2 技术型人才需予以增加
受我国应试教育的影响，我国高校培养出的人才过于依赖理论，缺少创新意识。然而，半导体光电信息功能材料的研究需要的不仅仅是拥有渊博理论知识的人，其更需要的是拥有灵活大脑，创新意识的人才。因此，我国应改进相关的教育政策制度，鼓励高校培养出更多拥有创新精神、灵活头脑的人。同时，我国在进行技术型人才培养方面要注重其专业性的提高，注重专业素质的培养。从而让更多的具有专业型的人才满足社会需要，满足半导体光电信息材料研究的需要。
3.3 政策缺失
现阶段，处于发展中状态的我国在半导体光电信息材料研究中，各方面政策制度还不够完善，比如在半导体光电信息材料的研究方面，国家并没有明确地提出相应的鼓励措施促进此方面技术的发展。因此，现在国家需要作出努力的便是组织相关部门，制定相关奖励政策，来促进半导体光电信息材料的研究。政策的制定需要立足于我国的现实和实际，相关部门要对半导体光电信息材料进行仔细研究，通过政策的制定很好的指导其发展和拓新。
4 结语
从上文中可以我们可以看出，在当代信息技术高速发展的时期，半导体光电信息功能资料的研究，对一国的生产力发展，经济进步，起着重要的决定性作用，半导体光电信息功能材料普遍存在于一国人民的日常生活当中，每一个人都应当成为半导体光电信息材料研究的推动者，只有全民努力，其材料研究才能得到长足发展。
参考文献：
它具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，可实现高压、高温、高频、高抗辐射等能力。
它的应用范围覆盖半导体照明、新一代移动通信、智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费类电子等朝阳领域。
它被视为未来支撑信息、能源、交通、国防等产业发展的重点新材料，将引领光电产业的新一轮革命。
它就是以碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）等为代表的第三代半导体材料，如今世界各国争相布局的战略高地。
在世界范围内，第三代半导体材料在各个领域的产业成熟度各有不同，在某些前沿研究方向，仍处于实验室研发阶段。尽管我国起步较晚，发展较缓，无论基础研究还是产业化推进都仍有很长的路要走，但这并未影响该领域内科研人员潜心攻关、奋起直追的决心。
哈尔滨工业大学基础与交叉科学研究院宋波教授，就是奋战在我国第三代半导体材料研究最前沿的优秀科研人员之一。
他L期从事第三代宽禁带半导体材料的生长与物性研究，凝练了气相质量输运动态平衡控制及温场调控等关键科学问题，对碳化硅、氮化铝等光电功能晶体生长过程的动力学优化、关键工艺参数控制与物理性质调控等相互关联的科学问题开展了系统研究，成果颇丰。
雏凤新声，结缘宽禁带半导体
一代材料，一代器件，一场革命。材料的重要性，在半导体产业已经得到印证。
以硅（Si）为代表的第一代半导体材料，引发了电子工业大革命；以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体材料，则拓展了半导体在高频、光电子等方面的应用，使人类进入光纤通信、移动通信的新时代。而如今，正是第三代半导体材料“大展身手”的时代。
第三代半导体材料又叫宽禁带半导体，是指禁带宽度大于2 eV（电子伏特）的一类半导体，以碳化硅、氮化铝、氮化镓、立方氮化硼（C-BN）等为主要代表。它们所表现出的高温下的稳定性、高效的光电转化能力、更低的能量损耗等绝对优势，吸引了业界的普遍关注，有望全面取代传统半导体材料，开启半导体新时代。
宋波进入这一领域是在博士阶段。那是2005年前后，他正就读于中国科学院物理研究所，师从我国著名晶体结构专家陈小龙研究员开展研究。当时国内宽禁带半导体研究起步不久，各项研究都非常薄弱。
2008年，宋波回到家乡哈尔滨，并在哈尔滨工业大学韩杰才院士引荐下加入该校基础与交叉科学研究院。在这里，宋波确立了宽禁带半导体生长与物性研究这一研究方向，立志从基础研究领域着手，改善我国关键性、基础性战略材料依赖进口的局面，促进宽禁带半导体材料和器件产业的发展，提升产业核心竞争力，缩小与西方国家的差距。
在近十年的研究过程中，宋波作为课题负责人承担了包括国家自然科学基金项目、总装“十二五”预先研究重点项目、科技部国际科技合作项目等在内的20多项科研项目，在J. Am. Chem. Soc.， Nano Lett.， Phys. Rev. Lett.， Adv. Funct. Mater.， Phys. Rev. B等国际著名SCI学术杂志上100余篇，论文被正面他引1000余次；获得授权发明专利13项。特别是在SiC基稀磁半导体和AIN基晶体生长研究方向，取得了一系列创新性成果，引领了国内外相关研究的进步，在行业内形成了一定的影响力。
层层深入，攻关SiC基稀磁半导体
稀磁半导体是自旋电子学的材料基础，能够同时利用电子的电荷属性和自旋属性，兼具半导体和磁性的性质，新颖而独特，是第三代半导体材料的热点研究之一。
现阶段，GaAs、GaN和ZnO基稀磁半导体的研究已经取得了突破性进展，但仍无法满足人们对自旋器件高温、高频、大功率和抗辐射等性能的要求，SiC基的出现恰逢其时。宋波在这一前沿方向进行了广泛而深入的研究，并取得了系列研究进展。
他提出了非磁性元素Al掺杂制备SiC基稀磁半导体，在200 K观察到了玻璃态的铁磁有序，同时实现了4H-SiC晶型的稳定可控。首次提出了非磁性元素掺杂AlN基稀磁半导体的研究思路，有效地避免磁性杂质的引入，为探讨稀磁半导体的磁性来源提供了理想的实验体系。
论文在2009年发表后，至今已被他引50余次，得到不少业内专业人士的直接认可，认为其启迪了思考。中国科学院外籍院士C.N.R. Rao教授就曾在论文中直言：宋等的工作显示了铁磁性不是来自磁性杂质而是来自于sp3杂化向sp3-sp2混合杂化转变的过程中所导致。
随着研究的不断深入，宋波的研究也渐入佳境――
同样在2009年，他利用在h-BN中的实验结果证实了美国布法罗州立大学Peihong Zhang教授等人的理论预言，即在带隙宽度达5.5 eV的h-BN中存在缺陷直接诱导的内禀磁性。这一成果获得了包括波兰科学院物理研究院O. Volnianska教授在内的业界专家的正面引用和广泛认可。
2010年，他提出了双元素（Al，TM）复合掺杂SiC基稀磁半导体的研究思路。在Al掺杂稳定4H-SiC晶型的基础之上，同时掺杂磁性过渡金属元素，来获得高Tc、高矫顽力和高剩磁的稀磁半导体。
2011年，他提出了采用缺陷工程调控半导体磁性的新方向。与合作者一起采用中子辐照在碳化硅晶体中诱导出了以硅-碳双空位为主的缺陷，在实验上给出了硅-碳双空位导致铁磁性的证据，并从理论上揭示了双空位产生磁性的物理机制，证实了磁性元素并非半导体磁性的唯一来源，为深入探究宽禁带半导体的磁性起源提供了新的科学认识。在此之后，国内外有超过18个研究小组开展了缺陷诱导半导体磁性的研究工作，并在相关论文中引用了他们的成果，将其列为缺陷导致磁性的典型例子。
把握前沿，初探AIN晶体生长
AlN基的高温、高频、高功率微波器件是雷达、通信等现代化军事和航天装备等领域急需的电子器件。
宋波介绍，与其它的半导体材料相比，AlN基低维材料的形貌较为单一，这导致对其新性质和新应用的探索受到了较大的制约。
因此，深入开展生长动力学研究，探究生长过程中质量输运-温场分布-成核动力学的内在关联，从微观机理上阐述物性变化的原因，探索新奇物理效应，成为制约宽禁带半导体发展的关键科学问题，同时也是一项亟待开展的基础性研究工作。
在这一研究方向，宋波同样取得了不俗的成绩――
（一）在AlN机理生长方面，首次发现本征的六重螺旋生长机制。
他@得了单晶AlN纳米和微米弹簧、AlN螺旋结构、AlN平面六边形环等新颖纳米结构，系统性研究首次发现AlN纳米/微米结构和AlN单晶都遵循六重对称的旋转生长机制。
这一发现极大地丰富了人们对于AlN晶生长机理的认识，对调控AlN生长形貌，获得大尺寸、低缺陷密度的AlN晶体具有重要参考价值。
（二）在AlN新物理性质探索方面，他首次在AlN微米螺旋结构中发现了时间长达300秒的长余辉效应。
研究中，他分别从理论和实验上对AlN螺旋结构中氮空位和铝间隙耦合效应进行了研究。首次发现氮空位和铝间隙的共同作用会诱导出新的能级，进而导致长余辉效应的显现。这一发现，丰富了人们对于AlN基本物理性质的认识，为设计和制造新型AlN基光电子器件提供理论指导。
在AlN纳米线螺旋结构的力学测试中首次发现了AlN单晶螺旋中存在弹性形变。该发现为制备AlN基纳米器件提供了进一步的认识。
（三）在AlN晶体生长方面，突破了多项关键技术，包括形核温度控制技术、晶粒长大过程控制技术、形核控制技术等。
研究中，宋波掌握了包括电阻率及均匀性控制技术、多型缺陷浓度控制技术以及晶体质量稳定性控制技术等在内的多项关键技术，获得了高质量的晶体材料。
他所获得的直径达35mm的双面抛光片，位错密度小于107个/cm2，申报了国家发明专利7项，研究水平居于国内领先地位。
他重新设计和研制了全钨的晶体生长炉、AlN原料原位补充系统和垂直梯度坩埚。试验结果表明，采用新的生长组合系统大大提高了AlN的晶体质量，其中AlN晶体的主要缺陷密度，特别是O（氧）含量降低了约3个数量级，电阻率提高了约2个数量级，为进一步获得高质量的AlN晶体提供了技术支撑。
多年来，宋波非常在意与国际学者的交流与合作，不仅承担了科技部国际科技合作项目，还在多年的研究中与美国威斯康星大学麦迪逊分校Song Jin教授、西班牙科尔多瓦大学Rafael Luque教授建立了广泛的合作关系。特别值得一提的，是在对俄对乌合作方面，宋波与俄罗斯科学院固体物理研究所国际知名晶体学家Vladimir Kurlov教授、国际SiC晶体生长专家Yuri Makarov教授，以及俄罗斯科学院西伯利亚分院半导体研究所的Oleg Pchelyakov教授、Valerii Preobrazhenskii教授建立了密切的合作关系，曾多次出访俄罗斯与乌克兰相关科研机构，为推动双方的科技交流合作作出了重要贡献。
因表现突出，宋波获得了2009年黑龙江省自然科学一等奖、2009年黑龙江省高校自然科学一等奖等荣誉；得到了教育部“新世纪优秀人才”计划、哈尔滨工业大学“基础研究杰出人才培育计划（III类）”和“青年拔尖人才选聘计划（教授类）”的支持；并在三年内连续两次获得副教授和教授的破格提升。2016年，宋波被评为哈尔滨工业大学“先进个人”。
有机及配合物电致发光（EL）和非线性光学材料在高新技术中的广泛应用，受到人们的关注并得到积极的研究[1-3]。近30年来，随着量子化学计算方法和分子模拟技术、以及计算机技术的飞速发展，对材料科学的发展产生了深刻影响。利用量子化学计算方法方法研究EL材料的电子结构和光谱性质，以全自由度优化几何结构为基础，计算化合物的电子光谱。对研究此类材料的性质及合成有指导性意义计算结果是实验结果基本吻合。本文主要介绍量子化学在EL材料研究中的应用及进展。
1 量子化学研究EL材料的方法及原理
就量子化学的几种计算方法来看，从头算法虽然有严谨的理论支持，能得到较好的计算结果，但是当遇到诸如酶、聚合物、蛋白质等大分子体系时，计算很耗时，其计算代价无法承受[4]。为了在计算时间和计算精度上找到一个平衡点。采用量子化学半经验方法AMI进行了理论计算包括构型优化、振动分析电子光谱计算。科学家们以从头算法为基础，忽略一些计算量极大，但是对结果影响极小的积分，或者引用一些来自实验的参数，从而近似求解薛定谔方程，就诞生了半经验算法。如：AM1，PM3，MNDO，CNDO，ZDO 等[5，6]。目前，对多类EL材料的研究大部分都是基于量子化学的半经验方法。
2 光谱性能的量子化学半经验计算
EL材料的发光颜色与材料的荧光光谱有密切的关系，荧光即是电子由第一激发单重态跃迁回基态所产生的降级辐射。目前对光谱性能的量子化学计算多半基于量子化学半经验方法PM3和AM1，先对化合物的几何构型进行了全参数优化， 得到其稳定构型，再进行振动分析，在此基础上利用单激发态组态相互作用方法（CIS）计算它们的电子光谱。
比如苏宇，廖显威[7]等人采用量子化学半经验方法PM3对三种黄酮类化合物的荧光光谱进行了理论研究。对各化合物优化后的构型作了振动分析，均未出现虚频率。在此基础上，采用单激发组态相互作用方法（CIS） 计算荧光光谱，所有计算结果与实验值基本吻合。廖显威，李来才[8]采用单激发组态相互作用（CIS）方法，分别计算了4 种稠环芳烃的电子光谱，选了801个组态进行计算，所得结果与实验值基本吻合。他们还对几种含氮芳烃化合物有机EL材料，对FL-4、 FL-7、FL-10 和FL-12的光谱进行研究，计算结果与实验值基本相符合。薛照明，张宣军[9]等用PM3/SCI方法计算了三个分子的电子吸收光谱，测定了三个分子的电子吸收光谱和荧光光谱（DMF溶液）。结果表明理论计算值与实验值相当吻合。高洪泽，石绍庆等利用量子化学半经验AM1及INDO/SCI方法研究了B与8-羟基喹啉的螯合（LiBq4）的电子结构和光谱性质，计算得到基态到各激发态的垂直跃迁能和振子强度，获得电子光谱。分析出由于配体中苯酚环、吡啶环对不同前线轨道的贡献不一样，所以在吡啶环和苯酚环上引入取代基会对光谱发生影响，为分子设计提供理论指导。
3 量子化学对EL材料结构的分析
结构与性能的关系一直是量子化学的主要研究领域，它涉及的范围非常广泛，从无机小分子、有机分子到高聚物和生物大分子，从人为设计的理想模型分子到实用的药物分子和材料分子等[10]。通过结构与性能的研究，人们可以逐类地对一些化学现象进行统一的解释，得出一般性的规律，进而预言一新的化学事实，指导设计新的实验。目前国际上关心的课题主要有：重要新型无机分子、有机分子和原子簇化合物的化学键本质的研究；重金属、稀土元素化合物的成键规律；（半）导体材料、磁性材料、光电材料等。
高洪泽，石绍庆[11]等通过量子化学半经验方法研究了蓝色有机薄膜电致发光材料LiBq4 电子结构，国外研究人员在这方面已做了不少努力，合成了很多类型的蓝色发光材料并且制备了相关器件[12-15]，但多数都没有获得突出的结果。由于LiBq4体系相对分子质量较大，迄今未见有对其进行理论研究的报道.他们通过计算结果表明，各个喹啉环基本保持各自的面共轭结构。计算得到的稳定几何结构和的主要键长。为探讨其发光机理及B和Li 元素在其中所起的作用及M ―N键的共价性、离子性对发光的影响，为进一步探索合成与设计具有优良性能的蓝色发光材料提供理论依据和指导。
4 振动分析
判断分子是否处于稳定构型的一个重要方法是看它的振动光谱是否出现虚频率[16]。刘芳玲，张红梅[17]等对萘及其卤代化合物在B3LYP /6-31G水平下优化了4种化合物的几何构型， 在振动分析中，其振动光谱均未出现虚频率， 说明构型优化基本合理性。
1、半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。
2、半导体在集成电路、消费电子、通信系统、光伏发电、照明、大功率电源转换等领域都有应用，如二极管就是采用半导体制作的器件。
3、无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。
4、常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，硅是各种半导体材料应用中最具有影响力的一种。
（来源：文章屋网 ）
论文关键词：高效太阳能电池,机理,工艺结构
1.前言
地球能源与环境问题日益突出，人类充分、高效、绿色地使用太阳能迫在眉睫。高效绿色太阳能电池的开发，是人类大量且充分地使用太阳能的关键环节。近年来新型太阳能电池不断出现，硅基太阳能电池效率与工艺也有所提高，但有关太阳能电池的普遍机制，以及使用什么样的材料与结构，才是人类比较理想的长期大量使用太阳能的工艺路径，等等核心问题，都没有真正取得共识与解决。本文以作者长期的实践探索积累为基础，对太阳能电池的本质逻辑，以及适应于人类长期持久的、循环经济的、无毒无害的、太阳能电池工艺路线和提高电池光电转换效率的方法等核心问题，作相对简明的理论回答（表述）。
2.太阳能电池的普遍机理
2.1 环境保护约束条件下的电池材料与光电转换效率的选择
广义上讲，太阳能是地球万物能量的源泉。经过千百万年进化，大自然广泛利用太阳能的方法，如光合作用、大气环流的热蒸发效应等，是真正绿色自然循环的方式，值得人类借鉴。太阳光强度如用太阳常数描述约为1367W/M2 ，单位面积能量密度相对于现代人类的能耗需求来讲比较小，要广泛的、方便的使用太阳能，就必须大面积的、甚至像树枝树叶一样立体化的建造太阳能光电池叶片或电池薄膜。这里有两个关键环节问题需要把握与解决：
一是生产太阳电池所需材料问题，即必须使用无毒、无害、在大自然环境中大量存在并参与生态自循环的低成本材料作为制作可以广泛推广使用的、大市场的太阳能电池的原材料，否则，会出现新的材料短缺与新的更严重的环境污染问题，从这个意义讲，硅基太阳能薄片或薄膜电池，是极好的选择：硅是地球第二大丰度物质，是土地的主要组成部分，大量的太阳能硅基电池，不论是使用中还是报废，都没有给大自然生态环境增添新的成份，可以成为绿色的循环。绿色植物主要组成成份为有机碳水化合物，作为太阳能电池原材料当然更为绿色自然，但因寿命与效率限制，绿色有机物太阳能电池，不会成为主流太阳能电站的首选电池材料，但可以是多元化的太阳能电池产品中的非常环保的、低成本的、方便使用的重要组成成员。
二是太阳能电池的光电转换效率问题，要广泛地推广使用太阳能发电，使用太阳能电池的经济性、适用性，必须均为地球上大部分地区的普通公民与企业所接受，这实际上是绿色太阳能电池的光电转换效率问题，也就是普通居民与企业使用效果好坏问题。当前最好的硅基单晶电池产品的实际光电转换效率不超过19%—20%，绝大多数使用产品的车间光电转换效率在16%—19%（薄膜电池产品效率低得多），实际使用中单位平方米功率仅100—150W/ M2 ，天气稍有阴雨发电功率即近为零。这样低的太阳能电池使用价值，决定了其不可能为广大社会民众所接受，也不可能有辉煌、美好的未来。炎热夏季即使是阴雨天，空气温度也在30—40o C ，可利用的太阳能是巨大的，如果能将现有绿色太阳能硅基电池的效率大幅提升20%—30%以上，并将其光电转换吸收谱线宽度拓展至近中红外区域，地球人类自觉、积极推广使用太阳能的时代就会来临，太阳能电池产业也将真正进入黄金时代。
2.2 太阳能电池普遍原理
2.2.1 光照下的物体组成原子的电子的集体跃迁
微观世界由光电主宰，电磁作用处于支配地位，光与电场磁场是宏观与微观联系的基础路径。电子能级跃迁发射或吸收光子，一个电子吸收一个光子，即进入更高能级状态，是一种激发态，当然处于激发态的电子也可能再吸收一个光子，进入更高的激发态，这要满足泡利不相容原理与电子量子跃迁选择定则。
广义上讲，大量电子同时吸收大量光子，产生(宏观可测的)有序移动态势，即形成空间电位梯度，这种光生电势差，即光电池（积累电能）；宏观物质（包括气体）被光照，只有在某些特定的条件下，才能产生(宏观可测的)有序移动态势，绝大部分光照能量被材料物体的原子电子吸收产生宏观无序热运动（或称“热激发”）；实际上宏观物质的微观结构原子离子电子，吸收光子光能，产生的宏观物理状态，是宏观有序移动态势与无序热运动之和（叠加），大量微观粒子（较）纯集体有序运动，是一种宏观量子效应。假设一个宏观物体被光照射，入射光功率为W（J/s），物体对外辐射的光热功率为Q（J/s），物体由此产生的内能变化E（J/s），E包含宏观有序移动态势Φ（J/s）（即积累势能，对电荷粒子来讲即为电能）与宏观无序热运动能R（J/s），则在不考虑其它宏观条件下，有：
E =W —Q （1）
E =Φ+R （2）
Φ=W —Q —R （3）
η=Φ/W (4)
β=Φ/E (5)
其中，η、β分别为物体（光电池）吸收光能变为有序能（电能）的转换效率、物体吸收光能的宏观量子效应大小（或称相对强弱）。物体在外界作用下的表现出纯宏观量子效应时β等于1（即100%）。
以上论述并没有对光电池的材料结构组成等作具体限制，不只是适用于固体、液体形态的光电池，是普适的关系。
2.2.2 下面讨论物体微观电子在外界功（光）作用下能实现宏观自发有序运动的条件
普通太阳光照下，由于气体物质分子原子中吸收光子激发跃迁的电子密度低、脱离原子束缚的空间“自由电子”极少，以下吸收太阳能物体只考虑固体、液体等凝聚态情形。
凝聚态物质，微观分子原子离子等单元结构有一定清晰度的空间边界，但电子或单元整体的电磁作用边界已经不清晰，或者说，结构单元之间的电磁相互作用已经很强，不同原子的外层电子已经存在不同程度的相互关联度，结构单元之间Å或10 Å级的空间距离，已经可能实现一个原子的电子的逃逸与在原子之间接力移动，这是原子间电子产生协同有序状态的前提。
吸光物体在稳定的光功率W（J/s）照射下达到平衡状态时，物理状态量随时间变化的宏观量子统计平均值为零，宏观物理状态量的时空关系可以简单地化为微观粒子的空间量子结构的统计平均关系。大量电子吸收光子产生激发跃迁处在统计平衡状态，假设单位时间处在高能级（激发态）的平均电子数为Ne ，吸收的光子的平均能量为Δε=ħω
—
，（其中，ħ为普朗克常数，ω
—
为光子平均角频率。），E为均衡状态下相对于无光照时的内能变化，则E = NeΔε= Neħω
—
=ħΣω（6）
跃迁到激发态的电子，因为物体微观结构单元（原子）的电磁边界重叠，相互之间形成比较强的电磁作用，如果存在一个稳定的作用力场（或），则全体激发态电子即会形成集体有序运动来对冲内部空间内的作用力场，（因此也可以称这些激发态电子为光生载流子），直至这些电子形成的内部电场完全对冲作用力场。作用力场可以是外加作用场，也可以是物体内部结构内生场，同时也可以是光照与物体结构共同作用而产生宏观有序作用。假设电子电荷为e库仑，光生载流子（电子）的平均有序做功移动路径为d，单位时间处在激发态的平均电子数为Ne，则有序移动态势能Φ（电能）为：
Φ= Ne∫d ·d = Ne∫d e·d = e NeV (7)
其中，V为电子受作用进行有序运动后形成平均空间电位势，（即开路电压）。
一般来讲，光生载流子的在稳定作用力场作用下形成的电能Φ，是可以通过外接电路可逆地释放出来的（除去部分热功），这就是光电池放电过程，太阳光持续照射，光电池可以持续发电做功。利用(5)、（6）、（7）等式，可得：
V =Φ/ e Ne =ħω
—
Φ/ eE =ħω
—
β/ e (8)
如果E =Φ，则有V =ħω
—
/ e 。也就是说，如果物体内部吸收光能所引起的电子量子跃迁产生的高位激发内能变化E（J/s），全部转化为宏观有序移动态势能Φ（电能），而没有宏观无序热运动能R损失，被吸收光能全部转换为电能，呈现100%的宏观量子效应，以500nm波长绿（近青）光计算，完全出现宏观量子效应的开路电压V可达2.5伏特。但要提高电池光能变为有序能（电能）的转换效率η，不仅要尽可能的实现宏观量子效应的最大化，而且要尽可能的减少反射透射（包括热辐射）的照射光能损失。对于完全理想化的宏观量子超精细结构光电池，其光电转换效率η是没有止境的。
以上论述与结论同样是普遍适用的。
如果作用力场是外加作用场如偏压（电场），光能的实际利用价值无几。以下重点分析物体内部结构内生场，及光照与物体结构共同作用而产生宏观有序作用场的情形。
2.2.2.1 物体内部结构内生载流子作用场
任何导电材料如果内部微观结构，某些物理性能，如密度、电导率、折射率等，存在宏观有序的梯度分布，或者不同性能材料无隔离接触，均会在内部或者接触界面附近，产生
有序电场与电位势，良导体材料由于内部存在自由电子，这种电位梯度则存在于表面或接触面。图一、图二、图三分别是同一导电材料（包括半导体）存在某些物理性能在某一方向的梯度分布、至少一种是导电材料的两种不同物质材料无间隔接触界面、属于图二的特殊情形的半导体PN结表面接触结构。
以上情形可以是固液接触面，接触面可以是多样化的空间结构。两种金属固体接触面，产生内场的实际效果是自由电子可以“自由”从M1到M2或从M2到M1，类似单一金属内部电场为零的等电位形态，用近似的费米面解释即被费米面抹平（相等），但是界面两边不同的自由电子束缚能（逸出功或自由电子公共能级）µ1、µ2 ，使电子从M1到M2或从M2到M1，呈现逆内生电场移动吸能或顺内生电场移动放能的过程。假设µ=µ1—µ2 ，µ实为两种金属接触界面附近的电位差V，电子吸能或放能为℮V 。一般情况下，由于大量的金属表面附近的自由电子对光子的吸收与反射，造成金属不透光性，MM接触面的有序势不可能导致光能转为电能。但是特殊情况下，这是一个非常具有使用价值的表面有序作用势，这在下面内容中再论述。
下面讨论一下以上结构形式的内生有序势与光电池效率等的数学关系。
同质物体存在内生电势梯度的情形。假设物体微观结构在空间上存在载流子密度、或光电性能等物质标量（M(r)表示）的梯度分布M(r)，（为空间微分），这种光电性能的有序性梯度分布，肯定产生一种均衡扩散作用力。比如载流子浓度有序性梯度分布，即是玻尔茨曼扩散方程关系中的扩散力。
假设物体微观结构空间的电位势为U(r)，则电场强度为： =—U 。拥有这种梯度特性的半导体材料，虽说内部存在有一定宏观方向性的电位势梯度，常态下如果内部并没有可以在微观结构单元之间移动的电荷存在，并不能产生持续的电流；但在阳光持续照射作用下，半导体材料组成原子的低浅能级电子吸收自然光光子跃迁激发到原子间共有的高能级区域（电磁作用重叠区域，能带理论中的空导带），在作用下大量原子激发电子形成宏观有序移动势，如短路则形成积累电势能Φ。假设接入外导线的位置在r1、r2点，U（r2 ）＞ U(r1)，稳定光照下的电导率为σ( r)，则作为光电池的开路电压、闭路电流ISC分别为： VOC ≤（U（r2 ）— U(r1)）， ISC =∫S σ( r)·d （9）
两种不同材料（或同质材料不同性能的两块材料）无隔离接触面附近存在内生有序电位势的情形。典型的为半导体PN结结构或金属—绝缘体—半导体MIS器件结构。接触表面附近的形成定向电场区PN结，或形成超薄的一个准二维面高势垒。光生载流子由PN结电场作用形成定向流动趋势，或由量子动力扩散作用形成界面两边光生载流子动态差异电势积累，即产生电能积累，引导线形成闭路则产生放电电流，持续光照即形成持续光电流输出。
如果将同质物体存在内生电势梯度的情形，近似为许多同质但不同“密度”或“性能大小”的材料“薄片”的叠加组合而成，薄片之间的分界面相当于分割不同材料的界面，则“同质物体存在内生电势梯度的情形”，实为“两种不同材料性能无隔离接触面附近存在内生有序电位势的情形”的一种特例。这样，就统一了物体内部结构内生载流子作用场（势）的形式。PN结内生电位势差V及光电池的开路电压VOC 、闭路电流ISC ，基本上符合玻尔兹曼扩散方程，可以近似导出。这里用更简单的逻辑给出近似关系。
只考虑最简单的同质半导体P、N型掺杂形成的PN结情形。PN结形成的内生电场两端电位势差V ，即为开路电压VOC ，其与P、N型载流子密度np 、ne 及对应的扩散长度成正比。假设半导体本征原子电子平均吸收光子能量为Δε= hν（即为能带理论中的能隙Eg ），产生激发跃迁，PN结电场区宽度为d，PN结区内电场可近似为平板结构，V = d *E = d *σ/ε0 ε,其中E 、σ、ε0 ε分别为PN结区电场平均强度、等价单位面积电荷密度、半导体材料的介电常数。
开路时内生电场对光生载流子做功即为积累电能（单位面积电势能）：
Φ=σV= d *σσ/ε0 ε（10）
单位面积光照功率W（J/s），单位面积PN结半导体内能变化E（J/s）近似为N个电子吸收光子的所增加的高位激发能，即：
E =∑hν= N Eg +R (11)
(11)式中R为产生跃迁激发的N个电子吸收光能所贡献的无序热运动能（J/s），Eg 为平均跃迁能级宽度(即价带与导带间的能隙宽度)。利用公式（4）、(5)则
η=Φ/W =σV /W = d *σσ/ε0 εW (12)
β=Φ/E =σV /（N Eg +R）= d *σσ/ε0 ε（N Eg +R）(13)
如果吸收光能产生量子跃强的电子所贡献的无序热运动能R忽略不计，则（13）变为：
β=Φ/E =σV / N Eg = d *σσ/ε0 εN Eg (14)
凝聚态物体原子中电子吸收光子跃迁，总是有热能产生的，量子效率总是小于100%的；除非是理想晶格结构、又是单色光，才有可能光能全部变为量子能级内能，（又可以以激光的形式释放出来）。
2.2.2.2 光照与物体结构共同作用而产生的载流子有序作用场
①两种不同材料性能无隔离接触面，如果形成超薄（0.5—2nm左右）准二维面高势垒，如果光子能量、势垒、两种材料电子吸光跃迁能级及能级差匹配，如图四示意，存在界面附近一种材料（如M1）的结构单元电子吸收一个光子（hν）直接越过势垒量子跃迁到另一种材料（如M2）的更高能级（导带），形成界面附近的有序量子效应，产生积累有序势能（电能）的效果，这种由超薄稳定薄膜（一般为绝缘带体）形成的准二维面高势垒（M1-I-M2结构），可以称为“量子电子泵”，在光照作用下，起到“泵抽电子”、光致发电的作用。光电池电压V = E22—E12 。这也适用于光照面为半导体（M1）、背光面为金属（M2）的MIS情形。
PN结是一种空间结构更宽的“量子电子泵”。
②超薄金属薄膜（或薄片）、半导体或其它导电薄膜准二维结构，在光线垂直照射下，薄膜两边形成电位势，用导线接通回路即产生光电流，如图五所示。
以金属薄膜为例，光子动量=h ，垂直于薄膜平面，能量Δε= hν= pc ，对于微纳米级薄膜结构，反射光极弱，光子动量与能量，几乎被薄膜电子与晶格吸收或透射，一个电子吸收一个动量=h光子，则获得沿光线方向的动量=h，产生沿背光面方向移动的有序势，大量电子同时吸收同方向光子得到沿光线方向动量即产生宏观有序电位势能。准二维超薄薄膜受平行光垂直照射，是人工通过器件几何结构实现宏观量子效应的经典方法。下面用简单的方法，分析光电流电压与薄膜材料及光功率的关系。
ΔW为单位时间单位面积内光照能（J/sm2），对应于ΔW/c 动量流（薄膜表面光压）(N/m2)，当系统达到稳定均衡时，可以进行统计平均运算。假设导电薄膜（片）的载流子（这里只考虑电子）密度为ne ，薄膜厚度为d ，则单位面积光压（或动量流）ΔW/c相对与每个电子受力F为ΔW/c ne d ，即 F =ΔW/c ne d (15)
连续均匀光照下，薄膜中自由电子相当于受到一个沿光线方向均匀电场强度E的作用， E = F/e =ΔW/c ne de (16)
则光照下电子有序移动形成薄膜两边的电位势差V（即开路电压）为：
V = Ed =ΔW/ ne ce （17）
V的这个统计近似，与薄膜厚度d无关，可以理解为光子对载流子的冲压有作用尺度（深度）限制。分别取ΔW ～1000W/ m2、e为1.6 * 10-19 库仑、c为3*108m/s ，则V ～2*1013/ ne 伏特，对厚膜来讲（厚度500—1000纳米以上）尤其是金属材料膜片，太阳光光照引起的光电压很小。
但在30nm＞d＞0.1nm 超精细薄膜区间，直线光照的量子效应凸显，(15)（16）（17）等近似式不再适用，一维平行光子P与准二维晶格结构中的电子e的时空作用点（交集）更为明确，海森堡测不准原理表明电子在平行与光子Î方向上有更大的动量，V 可以达到伏特数级。超薄薄膜的电子吸光有序移动，可以表现出量子跃迁的效应，即一个电子可以吸收能量为hv =V的光子，实现从薄膜前面到背光面的直接“量子跃迁”（能级差由光辐射作用产生）。对半导体材料，薄膜在100—500nm厚度尺度，V 也可以达到伏特数级。这是由可见光量子能级所决定的。这也是半导体体晶格结构中，超薄的分割二维界面（薄层），起到“量子泵”作用机理的另一种论述，实际上也是下文中所述的薄膜电池叠层超高效耦合连接的微观机理论述。
同样，可以估算闭路电路ISC 。设垂直穿过薄膜单位面积的电流密度为JSC ，单位面积光照动量（光压）ΔW/c ，全部转化为自由电子沿光线方向的有序动量，则JSC 为：
JSC = e nep/me = e ne/me *ΔWd nr/c2 ned = eΔW nr/c2 me (18)
ΔW ～1000W/ m2、e为1.6 * 10-19 库仑、c为3*108m/s 、电子质量me 为9.1*10-31kg 、nr为导电材料的折射率，则JSC 约为1.95*10-3nr安培，简单近似公式是合理的。由于这种结构金属材料光热效应明显，光电流与定向热扩散同效。
2.2.2.3 超级晶格超级跃迁结构
大量电子吸收光子产生宏观有序移动，是宏观量子效应表现。从能量转换效率来讲，宏观有序量子效应与宏观无序热效应，是两种完全不同的物质能量状态。一般来讲，宏观有序量子效应，是可逆过程，只有物质宏观有序势，才可以变为有用能。对光电池来讲，电池材料吸光电子的宏观量子效应程度，决定电池的光照发电效率。这正是前面公式（1）、（4）、（5）等所含的主要意义之一。
不同均匀晶格材料原子电子的能级差异很大，两种材料（半导体或金属等）之间均匀无间隙界面（可以是准二维或准一维结构），实际上形成一个能级或电位差异V的宏观有序结构，即可能形成低电位材料界面附近电子同时吸收能量hν≥V光子，产生集体宏观定向跃迁的情形，即2.2.2.2 节①所论述的、图四所示意的情形。如果这种宏观量子界面在纳米尺度上连续存在，如图五、图六所示，即为本节所论述的超晶格结构。
图五所示的，为（准）二维界面超晶格结构，由不同薄膜材料以均匀晶格结构、层层无间隙叠加而成。每种材料薄层厚度在0.1nm—100nm（有些材料单层薄膜可以更厚一些，更多材料不宜太厚）之间，保持均匀晶格结构；薄层之间界面清晰平顺。图五所示的，包含更多的有序结构内容，如材料每层厚度沿所示光线方向梯度增加，材料可以是两种材料A和B的ABABAB连续叠加结构，也可以是一种材料由超薄稳定隔离膜(厚度0.1—2nm)I准二维膜隔离的AIAIAIA连续叠加超晶格结构。当然也可以是三种以上合适晶格材料的均匀叠加结构。这种时空结构，形成一个可能促使原子电子连续有序跃迁的超级量子电子泵。
图六所示的，一个宽禁带半导体均匀晶格材料内部镶嵌另一种准一维半导体导电材料（直径d小于500nm甚至小于100nm，100nm≥d≥1nm）的超晶格结构。当然也可以是一种相对窄禁带半导体均匀晶格材料内部镶嵌另一种准一维良导体（如活性金属）纳米线超晶格结构。准一维纳米线材料在体形半导体材料内无间隙密实镶嵌，并保持自身准一维均匀晶格结构，准一维纳米线可以是平滑弯曲的，纳米线间距离是d的10—100倍以上。染料敏化太阳能电池与钙钛矿结构太阳能电池的核心结构实际上是这种结构，这里（包括后面的论述）事实上给出了染料敏化太阳能电池与钙钛矿结构太阳能电池的本质机理或理论基础。
无论是准二维平面附近还是准一维纳米线附近的晶格原子电子，均对（垂直）入射光子产生强烈吸收作用，这是四维时空作用矢量同向有序选择作用的必然结果，是产生宏观量子效应的时空结构。低电位电子吸收能量hν≥V光子，从一种材料时空边界，“量子化”跃迁到另一种高电位材料时空边界。
对图五所示的超晶格结构形态，在持续光照情况下，如果界面两边的电位差Vij小于可见光光子能量hν（1.55—4.12eV），则各界面之间存在电子协同接力吸收光子跃迁的可能，相当于一个电子从正面连续不断移动跃迁到背面产生光电流，形成完全有序的宏观量子效应，使超晶格薄膜结构入射光面与背面的电位势产生最大电位势差Vmax =ΣVij ≤ hνmax/e ≈4.1V 。只要有足够的光生载流子密度，则这种超晶格甚至有可能使所有光子能量全部变为电子宏观有序能，光电转换热能损失很小，作为光电池其转换效率可以非常大。
对于图六所示的超晶格结构形态，体半导体与纳米线（所有纳米线可以像图六所示互相连接作为电源的一个电极）形成确定的电位势差V，大量电子参与有序跃迁移动，也可以形成很大的宏观量子效应电流，光电转换效率也很高。如果纳米线密度够大，合适的V日光（垂直）照射，可能使纳米线镶嵌的超晶格结构光电流密度达到100mA甚至更高。低位电子吸收能量hν≥V的光子，产生空间有序跃迁移动，形成体半导体与纳米线并联结构的统一电位势差V。
2.2.3 能带结构机理描述
本小节就传统的能带理论对光电池的理论机理解释，与本文的光电池理论机理的关系等，进行简单地论述。
能量理论是薛定谔方程在固体晶体应用中，解集的一种描述，是波矢空间（时空对应的倒易空间）方程解的几何描述分析。能级是波矢的函数（偶次方关系），晶格结构的空间周期性，造成电子能级的密集叠加成间断的连续能带结构。能带之间的间隔为禁带或带隙，电子按泡利不相容原理与费米统计法则由低位向高位排列分布，满带为价带，最高能级的价带以上的不满带或空带为导带。材料晶格结构中，存在不满导带的，为金属材料，所有能带为满带或空带的，为半导体或绝缘体。费米面是T=0时被电子填充（占满）能带与无电子占据能带间的界面，对金属自由电子来讲费米能级EF是T=0是电子占据的最高能级。
费米统计分布公式： f(E)= 1/(e(E－EF)/kT+ 1)(19)
其中，f(E)为E能级被一个电子占据的几率。当E=EF 时，f(E)= 1/2 。
导电中的电子能量E是可以连续变化的，对应位移空间即是可以“在晶格之间自由运动的”，价带中的低能电子吸收光子能量跃过禁带宽度Eg达到导带成为光生载流子。光生载流子的有序移动（即产生电位势，成为光电池发电）需要有类似PN结的内生电场存在。
对于图五和图六所示的连续叠层或内镶纳米线超晶格结构，从能带理论近似的角度来讲，位移空间一维或二维的有序分割，相对于波矢空间导带、禁带、价带宽度的有序变窄及波态加密，原宽禁带（或导带）中间产生新的能级（或窄禁带），电子吸收光子产生空间有序跃迁的几率大增，因此这类超晶格成为高量子效应的高光电转换效率的光电池（结构）。这种能带理论近似解释，完全与本文前述的光电池理论机理一致、相符。
2.2.4 光电池材料吸收光谱的均衡匹配
阳光是全谱线光线的集合，其中红外光能几乎占到总光辐照能的50%。而不同材料与结构的吸收光谱不同，要达到对太阳光能的充分吸收，并产生更多的宏观有序的量子效应，叠层材料的匹配是关键。
晶体硅的禁带宽度Eg约为1.12eV，非晶硅厚膜Eg约1.6—1.8 eV（3nmEg约2.0 eV，2nmEg约2.5 eV），微晶Eg约介于二者之间。其它常用材料，如Ge的Eg约0.67eV，GaAs的Eg约1.43eV，SiC的Eg约2.2—2.4eV，PbS的Eg约0.34—0.37eV，ZnO的Eg约3.2eV，TiO2的Eg约3.0eV ，PbSe的Eg约0.27eV ，CdTe的Eg约1.45eV，SiO2 约6-8eV ，Al2O3 约8eV，ITO约为 3.75-4.0eV，SnO2（透明导体）约（3.57-3.93）eV，Mg F2 约11 eV 等等。
对同质材料来讲，晶格结构确定时，纳米尺度是改变Eg的有效手段。2.2.2.3节中的超晶格结构，正是吸收光谱全谱线系列匹配的最优形式，只有这种超晶格结构，才可能产生电子全谱线吸收光子进行超级量子跃迁的宏观有序量子效应。
3.提高光电转换效率的关键工艺技术
3.1 时空结构
材料的结构决定材料的性质，诱导材料产生高效宏观量子效应的空间有序结构，可以称之为材料的“时空结构”。准一的纳米线、准二维的纳米薄膜，与来自“其它维空间”（垂直于纳米线、或垂直于纳米薄膜平面的）光子，组成超有序时空结构，这是常态下产生宏观量子效应的基本条件。（本文前面对此有过简单论述。）
分别以p、e、s 代表光子、电子、晶格声子的波矢，准二维平面纳米薄膜结构和准一维纳米线晶格结构的声子波矢与平行光呈垂直关系，即s⊥p，平行光与声子的作用完全被抑制，光反射也几乎为零，最大限度的增加了电子吸收光子产生p 方向有序运动的机会。这正是准二维平面纳米薄膜结构和准一维纳米线晶格结构光电效应超强的原因。
本文图五、图六中所示的超级晶格结构，尤其是图五所示的纳米薄膜叠层厚度（几何）梯度增加变化结构，意味着即使在光子p 方向上，也构造了能量梯度的空间协调关系，波矢在光子p 方向的传播，形成在不同厚度薄膜内的波长或能级呈梯度分布的时空结构，这进一步增强了这种材料结构的时空有序性及强关联性，电子吸收光子产生的宏观量子效应更强。图六所示的纳米线结构，如果纳米线本身的直径d呈光子p 方向的（几何）梯度分布，也会产生同样的时空效果。
在垂直于光子p 的方向，连续梯度分布均匀平面薄膜或纳米线，假设电子波矢e 为
e = e∥+ e⊥，则薄膜或纳米线上电子吸收光子e∥由0 变为 e∥= p （20）
大量电子全吸收光子产生同一p 方向的宏观有序能态，光子能量的热能损耗很少或无。也就是说，理想的超级晶格结构，可能达到100%的光电转换效率。
3.2 诱导更多光子电子有序运动结构机理与光子电子泵
诱导光子、电子产生有序运动与作用，减少反射或无规热运动损失，是提高光电效率的前提条件。准二维平面纳米薄膜结构和准一维纳米线晶格结构，是诱导光子、电子产生有序运动与作用的基本时空结构。在此结构基础上，进一步加强时空结构的有序性，会产生更强大的宏观量子效应，进一步增大电子吸收光子产生有序电位势的效率。
以如图五的纳米薄膜有序结构为基础，再增加不同薄膜层的折射率nr递增、带隙Eg 递减、（甚至再匹配电导率б递增）等材料性能空间有序排列结构，将更进一步地增加光子电子“前行”与电子吸收光子的几率，甚至可以达到诱导绝大部分光子电子有序运动、电子吸收绝大部分光子产生宏观有序电能的效果。
纳米薄膜厚度几何梯度递增与折射率梯度递增，是诱导光子前行减少表面反射损失的有效工艺手段，厚度匹配起全光谱耦合与增透作用，折射率几何梯度递增起到吸聚光作用（垂直光透射率最大），前端薄膜超精细叠层结构（超晶格层）又对后端薄膜界面的反射起到折返减反的作用（有全反射效应），这是典型的诱导光子透过的泵抽结构。下表为部分材料的折射率。
常用材料的折射率nr
序号
材料
折射率
备注
1
空气
1.0003
2
水
1.333
3
MgF2
1.38
4
玻璃
1.45-1.7
5
聚乙烯
1.51
6
金刚石
1.76-1.77
7
Al2O3
1.76
8
NSi
1.80-2.5
9
SiO2
0.59-0.67μm薄膜
1.6 -1.7
2.086-2.127
薄膜厚度改变nr
10
ITO
1.68-1.80(薄膜2.05)
微米级厚膜
11
ZnO
2.004
12
钻石
2.417
13
TiO2
2.55-2.76
14
SiC
2.64-2.67
15
Si
3.41-3.44
16
Si3N4
【关键词】有机电子器件 光探测器 光敏二极管 光敏晶体管
1 引言
随着科技的不断发展，大面积、低成本、柔性、轻巧便携成为人们对新一代电子器件的追求目标。π共轭有机小分子半导体和聚合物半导体由于可利用低成本高效率的印刷方式制备大面积柔性器件，目前已成为研究的热门材料。通过分子结构的设计，材料的光电性质也会随之改变，这也使得有机发光二极管（OLEDs），有机场效应晶体管（OFETs），有机光伏器件（OPVs），有机记忆存储器及有机传感器得到了很大的发展。
光探测是有机半导体材料的重大的应用之一。有机半导体的种类繁多，通过分子结构设计可以实现从紫外到近红外的全波段光的吸收或者特定波段光的吸收。有机半导体可低温制备的特性使得大面积柔性光电系统的发展成为可能。本文主要介绍了光敏二极管和光敏晶体管这两类光敏器件的研究现状，并通过对这两类光敏器件的研究和归纳展望光电系统的未来发展。
2 光敏二极管
2.1 可见光探测器
可见光范围的有机光探测器的研究在上个世纪90年代已有一些初期的报道，从那以后，越来越多的研究成功的制备出涵盖整个可见光范围的有机光探测器。无论是基于有机小分子还是聚合物，大部分器件都是建立在Donor/Acceptor （D/A）异质结的基础之上。对于有机小分子半导体器件而言，分子束沉积技术使得分子的纳米结构和形貌得到了良好的控制。较为复杂的是采用溶液法制备的光敏器件，其异质结的形貌很难在纳米尺度上进行控制，且相容性较好的D/A对的选择也起着关键的作用。其中为人熟知的溶液法制备的聚3-己基噻吩（P3HT）/富勒烯衍生物（PC61BM）异质结对，具有较宽的光谱吸收范围（从400nm到600nm），较高的载流子迁移率，其外量子效率（EQE）能达到70%。另外，有研究报道PC61BM的类似物PC71BM在可见光范围内具备更宽的光吸收。除此之外，新兴的导电高分子如聚芴的衍生物及其共聚化合物也可成为供体（D）或者受体（A）的替代材料。与蓝绿光的探测器相比，针对红光的光敏二极管的研究相对较少。这是由于对红光敏感的材料往往能带间隙比较小，其合成比较困难，其溶解性和稳定性较差。另外，由于能级间隙变小，要想找到能级匹配的D/A组合就变得更加困难。尽管如此，基于红光-近红外探测的器件在应用上仍然得到了较大的发展，比如在光通讯领域，远程控制，环境控制或者生物医疗领域。
2.2 全波段光探测器
由于半导体材料对太阳光的吸收性能是提高太阳能电池效率的关键因素，因此随着对光伏器件研究的加深，基于半导体材料光吸收性能的光敏二极管也得到了大力的发展。就聚合物而言，通过稠杂环的聚合反应可以得到能带间隙较窄的导电聚合物，用于制备全波段的光探测器。2007年，Yang课题组采用酯基改性的聚噻吩（PTT）与PC61BM形成异质结光敏探测器能探测900nm的光（800nm波长时EQE值达到40%）。用类似的方法，Gong等人使用窄带隙的聚合物PDDTT与PC61BM混合形成异质结制备出能探测300nm到1450nm的全波段光探测器（900nm波长时EQE值达到30%）。对于小分子而言，卟啉类小分子化合物在长波长范围内有良好的吸收特性。最近报道的采用溶液法制备的卟啉阵列光敏探测器，其中卟啉单元呈带状排列，器件的EQE值在1400nm波长时达到了10%。这样的光敏器件的制备一般需要找到能级匹配的D/A对，混合制备形成异质结。除此之外，若要实现对近红外部分的光探测一般需要引入杂化体系，如有机小分子与聚合物混合，或者有机材料与无机材料混合。2009年Arnold等人将碳纳米管与C60混合制备出了性能优异的光敏探测器，半导体性的碳纳米管受光照射激发产生的电子-空穴对在碳纳米管与C60的界面处被离解，增加了载流子密度，使光电流明显增大。在制备过程中，使用共轭聚合物（P3HT或者PPV）包裹碳纳米管增加其溶解性，使碳纳米管之间能相互分离，并在薄膜上均匀的分布。碳纳米管的直径的高度分散性使器件实现了宽范围的光吸收（从400nm到1600nm）。
除此之外，选择性光探测器是采用本身对光具有选择性吸收的半导体材料作为活性层制备而成，其中紫外光探测是光敏探测研究的一大重点，被广泛用于科学，商业和军事领域。但是由于紫外光能量较高，对有机半导体材料有破坏作用，因此对紫外探测器件的稳定性考量是器件制备过程中十分重要的一步。
3 有机光敏晶体管
起初，基于共轭有机小分子和聚合物半导体的光敏晶体管的报道并没有引起太大的关注，因为与无机光敏晶体管相比，这些有机晶体管的R值小，光敏开关比Ilight/Idark低，载流子迁移率也比较低。随后，Noh等人制备的基于BPTT半导体的改进型的光敏晶体管的开关比能达到无定型硅基光敏晶体管的100倍，这成为对有机光敏晶体管进行深入的研究与发展的开端。有机光敏晶体管常用的小分子材料有并五苯、酞菁铜等。采用并五苯与酞菁铜作为活性材料的光敏晶体管器件其R值分别是10-50A/W和1.5-2.4A/W。除了小分子有机光敏晶体管外，利用聚合物半导体作为活性层有望制备全有机的柔性光敏晶体管。Narayan等人采用P3OT作为半导体，PVA作为绝缘层制备的柔性器件，其在1μW时光敏开关比达到100倍，远高于传统的两端二极管器件。另外，D/A异质结也被引入用于光敏晶体管的制备。通常是将两种能级匹配的半导体材料混合作为晶体管的活性材料部分，由于晶体管的第三端作用往往会使光电流大大增加，使光敏晶体管器件的性能更好。
4 结论
有机光信号探测器作为一种极具成本效益的电子器件，可用于短范围内的数据传输，数码成像和传感等。它的优点是易调控，可集成和可实现对光波段的选择性。简单的制备方式，大量的有机半导体的材料储备，较高的量子产率和光响应速度使得有机光信号探测器具备广泛的应用前景。
摘要：半导体物理课程是应用物理专业非常重要的专业必修课，这门课程比较抽象，理论性、逻辑性较强，对半导体物理教学内容和方式的整合和讲授有一定难度。本论文依据西部地区理工科院校的培养方案和国内外先进的教育理念，培养学生创新意识和探索精神，提高教学质量以及学生综合利用知识的能力。
关键词：半导体物理；教学效果；教学方法
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）13-0167-02
半体物理是固体物理学的一个重要分支，主要阐述半导体的基本物理理论和基本物理性质以及当前各种半导体器件内部电子输运过程的学科，是应用物理学的新器件和新材料技术方面的基础学科，现已成为现代新器件、新材料的基本物理理论基础，为后人研制半导体新器件和新材料实现特殊性能提供解释物理机理和指导方法，将物理的基本理论和实际应用之间建立桥梁。半导体物理课程的开设为以后学生从事电子行业提供了基本理论知识。相对于西部落后地区一般本科院校的学生来说，他们的专业基础相对薄弱。但是，学习这门课程需要较强的基础功底，《量子力学》、《固体物理》这些比较难学的课程必须学好，因此出现学生课堂不愿上课，这极大地影响到教师的积极性，增加了教学的难度。为了更好地讲授半导体物理课程，让学生对这门课程知识的理解和掌握达到教学目的的要求，笔者结合西部落后地区一般本科院校学生的实际情况，并针对在应用物理专业的半导体物理课程教学实践中发现的问题浅谈自己的看法。
一、构建合理的教学内容，提高课程教学的有效性研究
1.修订教学大纲。根据光电子、微电子两个专业方向后续课程的需要及参加研究生入学资格考试应掌握的基本知识，两个专业方向的教学内容及学时分配有所不同，选择适合学生特点的教材以及教学大纲。在半导体物理学的教学内容包括半导体的晶体结构、载流子和非平衡载流子、半导体PN结器件等相关重点、难点、概念，以及一些参考资料、作业题和思考题，需要合理安排教学计划及对应学时的分配。针对半导体的教学内容，需要开展该课程教学研讨活动，着重强调半导体物理理论用在实践中。授课教师应根据该学科发展的方向、教学改革和实践的变化等情况，不定期修订教学大纲。针对半导体物理学课程的教学上，由于该课程的理论分析（包括能带理论、半导体的电子传输理论等）非常深奥，公式的推导比较多，对于基础相对较差的学生来说，学习起来非常吃力，而且枯燥乏味。我们经过比较分析现有众多半导体物理教材后，采用高等学校工科电子类（电子信息类）规划教材《半导体物理学》，由西安交通大学刘恩科等编写。该教材半导体物理的基础知识比较全面体现突出物理概念，强调基本分析方法，没有很多烦琐的公式推导，可读性强，便于自学。目前很多高校都在使用该教材[1]。
2.激发学生的科研兴趣，培养学生的科研素质。采用研究型课堂教学为学生提供了发现问题、研究和解决问题的基本程序，并提供了实践机会，丰富了学生的实践经验，为学生在今后工作中开拓创新奠定了坚实的基础，因为学生将来希望从事IT行业，比如太阳能电池、超大规模集成电路、LED显示等，因此，在课程起始阶段，教师介绍半导体的学科发展，结合半导体在太阳能电池、超大规模集成电路、LED显示等方面的应用，给学生提供学习思路框架，用简单的逻辑关系指明各个学习点和概念的相互关系，使学生知识的来龙去脉有整体的把握，使他们了解课程的重要性以及提高对这门课程的兴趣。做到较快地掌握教材中给出的很多结论，达到良好的学习的效果[2]。
3.合理使用现代化教学手段。在教育现代化、信息化的今天，以多媒体与计算机网络技术为核心的信息技术是当代教育改革的制高点，多媒体技术以图文并茂、声像俱佳、动静皆宜的表现形式走进课堂，所以运用多媒体技术教学可以很好地对解决常规课堂教学中难以解决的难点[3]。但在半导体物理教学中，如果一味地使用多媒体课件，尽管很多图片都非常的逼真、形象，让学生能够更好地理解。如第一章中学习有关载流子浓度的计算，对掌握晶体的能带结构，熟悉硅、锗、砷化镓等传统半导体的能带结构特征，包括禁带、导带、价带等基本概念的理解来说都非常形象，利用多媒体动画，就可以清楚地展示出原子排列结构如何从一个原子到多个原子的公有化运动形成能带，但是多媒体教学忽略了学生的感受和接受能力，违背了教学规律。针对这些问题，在课堂教学中必须先启发学生的对半导体物理思维，在学生建立对半导体的求知欲之后，适当运用多媒体技术图文并茂、声像俱佳、动静皆宜的优势，将教学过程中的难点和重点概念传授给学生。如在讲解半导体能带结构时，通过多媒体课件展示并结合板书，这样学生更容易接受相关理论的精髓。只有将教师在课堂中的板书与多媒体技术结合起来，才能获得非常好的教学效果。
二、紧跟学科前沿，结合科研实际适当把前沿知识引入课堂
在半导体物理教学组织管理方面，采用传统的理论讲述、练习习题课、实验实践相结合的形式，理论讲授课由主讲教师讲授半导体物理的基本概念和基本分析方法。专门开设习题课，负责复习和巩固理论课讲授的内容，并通过综合练习提高学生的分析问题的能力。但是不能单纯讲解理论知识，而是要结合教师和学生的科研实践对理论知识进行深入的解析，这样有助于培养学生的科研思维。将教学与科研相结合，让学生了解半导体物理学科的研究前沿。比如在讲解能带论与半导体相关器件时，可以引入现代科技进展，结合自己主持的半导体器件相关科研项目，如电阻式随机存储器（RRAM）作为一种新型的非易失性存储器，其原理是过渡金属氧化物在不同极性的外电压脉冲作用下诱导出不同电阻态的效应。由于电阻式随机存储器拥有高速、高密度、低功耗、制备简单、半导体工艺兼容性好等优秀的性能，引起人们广泛的关注，有望替代目前市面上的磁存贮器，成为下一代的通用存储器，其热点集中在性能及机理的研究上。另外一些研究通过设计成pn结器件，制备成十字交叉结构忆阻器件，以实现高的器件密度以及解决读写误读的想象。从众多的有关半导体中基本的晶体结构知识、能带理论和半导体的电子输运性质，提出了不同的模型来解释这一电阻开关现象，相应的机理包含传导灯丝导通模型，空间电荷束缚模型，电致氧空位迁移机制，肖特基势垒模型等，而电极效应是指电极与薄膜材料的界面处由表面态导致的电阻转变的机理。另外在讲解半导体发光，以及光电效应时，可以引入到目前太阳能发光，LED发光等应用非常广的领域，从而激发学生的科研能力，促进学生素质的全面提高，为学生以后从事科研或者相关工作打下一定的基础。
三、加强实验教学
实验实践教学是应用性人才培养的重要保证，针对半导体物理实践课来说，其实是半导体课程的最重要部分，通过实践实验教学，使学生掌握和体会半导体物理理论对现代半导体产业和半导体知识的理解，让学生树立理论联系实际的学风和工作作风，提高学生综合分析解决问题的能力。在传统实验课中，因内容过分偏重于基础训练，所以在方法和手段上很单调，主要以模仿为主，缺少设计性、创新性。在教学内容上，适当增加了综合性、设计性和创新性实验，如果恰当地使用直观、形象物理图像，使学生获得感性认识，缩小理论与实际的差距，缩短学生的认识过程，会提高课堂教学质量。这样也可以调动学生的学习积极性，推进学生的自主实验和合作实验。自主设计实验，测量半导体体电阻率、MOS结构C-V测量、为霍尔效应及半导体相关参数测量，通过这些实验，使学生掌握几种基本量测量方法以及数据处理的方法；熟悉基本的分析问题和解决问题方法及常用仪器的使用；在实验中综合运用所学的半导体物理学基本知识以及其他相关知识，提高学生的实际操作以及综合实验的能力，使科学研究的方法和探索解决问题的能力得到更好的培养，进而达到良好的实验教学效果。
四、结束语
半导体物理作为应用物理、光电子和微电子专业重要的专业基础课，半导体物理教学改革是一个庞大而又复杂的系统工程，我们通过对半导体物理教学模式、内容、方法和手段的改革进行了一些有意义的整合与改进，同时不断提高自身的能力，可以逐渐形成适应应用型本科院校办学定位的新的教学模式。
参考文献：
[1]耿莉，徐友龙，张瑞智，创新型人才培养模式下的半导体物理教学研究[J].电气电子教学学报，2009，（31）：85-89.
[2]刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学[M].北京：电子工业出版社，2008：156-168.
论文摘要:充满生机的二十一世纪，以知识经济为主旋律和推动力正引发一场新的工业革命，节省资源、合理利用能源、净化生存环境是这场工业革命的核心，纳米技术在生产方式和工作方式的变革中正发挥重要作用，它对化工行业产生的影响是无法估量的。这里主要介绍纳米材料在化工领域中的几种应用。
纳米材料（又称超细微粒、超细粉末）是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，其结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等，拥有一系列新颖的物理和化学特性，在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。
纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。
一、纳米材料的特殊性质
（一）力学性质
高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。
（二）磁学性质
当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。
（三）电学性质
由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。
（四）热学性质
纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。
二、纳米材料在化工行业中的应用
（一）在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。
（二）在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
（三）在精细化工方面的应用
精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。
纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代，为此，国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。
参考文献
[1]张立德，牟季美，纳米材料和纳米结构，科学出版社，2001.
[2]严东生，冯端，材料新星?纳米材料科学，湖南科学技术出版社，1998年.
关键词：非平衡载流子；半导体硅片；薄层电阻；测试条件
中图分类号：TP332 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）31-0056-02
当四探针测试仪的电流探针向被测半导体材料注入电流的时候，被测半导体样品的热平衡状态就被破坏了，而进入了非平衡状态。此时，由于有外界的载流子通过电流源流入被测半导体材料而引起了非平衡过剩载流子的注入，这一现象对半导体材料本身的电阻率会产生一定影响。
一、非平衡载流子的注入
非平衡载流子是半导体中比热平衡时多出的额外载流子。非平衡载流子的注入方法通常有光注入和电注入两种方法。进行薄层电阻的四探针测试时，测试探针上被施加电压或有电流通过，当探针接触被测硅片样品表面就会向样品中注入非平衡载流子。
二、小注入条件
在小注入的条件下，由于注入的过剩载流子浓度的数量级与热平衡状态的多数载流子浓度相比十分有限，所以对于多数载流子而言其浓度的变化量并不明显，但是对于少数载流子来说，由于平衡时本身数量较少，则通过电注入的过剩少子对于总的少子数量的改变就变得不可忽略了。譬如对于n型的被测半导体材料，热平衡时其内部载流子浓度满足n0>p0，通过电注入的过剩电子浓度为δn，过剩空穴浓度为δp，且符合小注入条件，则浓度满足δn=δp
影响。
三、注入的影响分析
对于一个二维的n型半导体薄层样品，从探针这个点电流源注入薄层的少子空穴应该满足二维连续性方程：
（1）
式（1）中，Dp为空穴的扩散系数，μp为空穴的迁移率，τp为过剩空穴的寿命。若忽略少子的扩散运动，则；若注入的过程稳定，则，式（1）可以简化写为：
（2）
探针垂直于被测半导体表面，则电流垂直注入被测样品，以探针注入电流的点为中心，作一个在垂直方向上的封闭的圆柱，根据电流密度与电场满足的关系，可以得到：
（3）
若考虑到样品为无穷大的薄层，以探针为中心作封闭的圆柱面，沿着圆柱的横截面有均匀的电场，则：
（4）
式（4）中d为薄层的厚度，结合（3）和（4）两式可以得到：
（5）
所以有。根据一维空间中少子的分布：
（6）
可以知道，少子空穴在薄层表面二维空间中的分布满足方程：
（7）
式（7）中，，，则式（7）改
写为：
所以，，即，将前面已经求出的带入就可以得到二维空间中少子的分布情况，即：
（8）
四、结果分析
根据上文的分析并结合式（6）和（8），可以看出无穷大薄层半导体中，注入的过剩少子浓度的衰减速度在二维情况下比在一维情况下快的多。图1示出的是一维和二维空间下通过探针注入的过剩少子浓度随距离变化的情况：
图1 过剩少子浓度与距离的关系图
从图1可以看出，当离探针距离为r’ 处注入的少子浓度衰减为其最大值的倍，。
所以由探针注入的过剩少子几乎只存在于以探针为圆心，半径为r’的圆面积范围以内，超过这一距离被测样品中注入的少子浓度明显减少甚至可以忽略不计，所以若被测样品尺寸相对较小则少子注入产生的后果较为明显。
参考文献
[1] Dona H. Neamen．半导体物理与器件[M]．北京：电子工业出版社，2011.
初三面临升学考试，在复习时既要充分调动学生的学习兴趣，最大限度调动学生学习的主动性，让学生自主学习，教师主要起好“导”的作用，如何最大限度调动学生学习的主动性成为我思考的重点；又要夯实基础，培养能力。多年的实践，虽有遗憾，但也有收获，现抛砖引玉，请同仁指正。
一、引导学生透彻解读教材
学生已经学习过一遍教材，复习时学生对再走一遍教材感觉很枯燥无味，但是大部分学生知识遗漏多、历史概念不明、线索模糊不清，更不能正确评价、归纳和分析，从而严重影响到复习效果。为此，在复习时，让学生在教师提出的复习目标规定下自主合作复习，解读教材主要从以下三方面入手：
（一）明确概念（见图一、图二）。历史教材里有很多学生难以理解但很重要的概念，学生必须清楚、准确理解。如：半殖民地半封建社会、旧民主主义革命、新民主主义革命、近代化、工业革命、冷战等，必须引导学生清楚、准确理解。如理解“半殖民地半封建社会”是中国近代史的一个难点，可是教材并无具体表述，教师不帮助学生理解，学生就只有囫囵吞枣，不知其义。在帮助学生理解时，首先引导学生明确鸦片战争之前，中国是独立的封建国家，用图一帮助理解。其次引导学生看教材第一学习主题中的所有不平等条约，小组讨论分析这些条约导致我国丧失了哪些，并做好记录，教师用图二中的第一个圆表示。然后引导学生阅读教材第二学习主题中的6、7、8课，第六学习主题和第七学习主题，小组讨论、分析、归纳我国出现那些变化，教师用图二的第二个圆表示。最后学生表述他们对“半殖民地半封建社会”概念的理解，教师帮助学生明确其概念是保留原政府机构，部分丧失，既保留封建主义成份，又发展了资本主义成份的社会。
（二）理清线索。资产阶级革命的历史事件比较多，如果不能帮助学生理清其发展线索，学生会对历史事件只见树木不见森林。为了使学生线索清楚，知识点明确，我在课堂上让学生动手画出资产阶级革命和改革历史事件的归纳图。学生根据《英国新生》一课，归纳出革命事件包括的要素，如国家、时间、原因（根本、直接）、任务（目的）、领导阶级、领导者（评价）、过程（重大事件）、文献（名称、目的、机构、时间、内容、意义）、影响、手段、政体、其他等要素，以此为参照，学生讨论、自主列出美国（两次）、法国、俄国、日本等国革命和改革的情况归纳表。 在世界史部分，凡尔赛―华盛顿体系既是难点又是重点，我引导学生把书上的文字转换成示意图，对学生整合教材、加深理解教材有很大的作用。体系示意如图三：
在整个过程中，教师只是提出任务，学生完全自主构建本部分知识体系，既培养了学生的自主学习能力，也让他们明晰了历史发展的线索。
（三）客观评价。对历史人物和历史事件的评价问题，是历史教学的重要内容，也是学生必须养成的能力之一。以中国近代史对列强侵略的评价为例。八年级上册主题活动一要求学生形成列强的侵略掠夺是近代中国落伍的主要原因的历史认识，我引导学生阅读本册第一、第二、第六、第七学习主题，学生归纳出：列强的入侵给我国人民带来巨大的痛苦、沉重的负担；引进先进的科技；改变了我国的政治制度、社会生活、风俗、思想文化；促进民族资本主义的产生和发展。
二、引导学生“盘活”历史教材，全面认识历史
面对越来越灵活的历史中考题，我们需要在吃透教材的基础上，帮助学生全面整合课程资源，“盘活”历史教材。
受课程标准的影响，教材对历史事件和历史人物的描述往往难以做到“全”的目标。我们必须以课程标准要求为核心，以考试说明为指针，引导学生关注教材中没有做到或分散于教材中历史的其他方面，让学生形成全面而深刻的历史认知。
以冷战为例：课程标准对本部分的要求是：“了解美苏两极对峙格局的形成，认识美苏冷战对第二次世界大战后国际关系发展的影响。”围绕这一要求，可以把相关内容进行整合。我提出两极格局形成的背景、过程、影响三个问题，学生翻书找到相关内容讨论、归纳、记录、展示、补充、修正。首先，关于“美苏两极对峙格局的形成”的问题，教材对其形成的背景表述比较简单，与此相关的有九年级下册76页的雅尔塔会议，84页欧亚人民民主国家的建立，90页战后美国经济的发展。其次，就两极格局形成过程，教材86页到87页有比较清晰的讲述。然后，关于“美苏冷战对第二次世界大战后国际关系发展的影响”，88页只有一句话“对战后世界经济和国际关系产生了巨大的影响。”教师需要引导学生观察88页地图，使学生明白冷战导致德国分裂；117页亚非会议和不结盟运动的兴起；还要复习八年级下册抗美援朝；二战后没有再发生世界大战。学生才会对此有明确的全面的历史认知。才能起到纲举目张的效果，学生对中考才能应付自如。
三、培养学生历史运用能力
选择题和材料解析题已经是历史试卷的两大部分，材料解析题是很多学生的难点，因此，要对学生的答题技巧进行科学的指导。单元检测和试卷评讲是培养学生历史运用能力的关键时刻。本人设计的试卷评讲过程如下：首先学生之间核对答案；其次，答案正确的同学帮助答案错的同学纠错；然后，学生展示本小组的学习结果，汇报答案和思考的过程，其他组评价补充；最后，教师引导学生归纳做题方法。关于选择题，引导学生归纳出“三看”：一看材料讲什么，二看题目问什么，三看选项如何甄别。对于材料解析题，要引导学生学会“三步骤”：第一步，先浏览全部材料，包括引文和注释，这样既可以从整体上感知材料，又可以防止因带着问题阅读材料而可能出现疏漏；第二步，带着问题精读材料，这样阅读更有针对性，更容易找到关键的信息；第三步，组织语言做答，要求语言精练，问什么答什么，并根据题目要求联系所学的知识思考作答。在平时的训练中要求学生按照中考的试卷要求来规范自己的答题，要求字迹工整、标明答案的番号、每小点提行、答题多运用历史语言、语言言简意赅。
关键词:建筑设计；材料；透明性研究
不同时代的建筑为何会在建筑造型、空间塑造上带给人截然不同的感受?原因之一便是建筑材料的改变。现代建筑发展的时期，也是玻璃作为一种重要建筑材料加入并发扬光彩的时期，自19世纪工业革命以来，玻璃就开始作为建筑材料使用，随着勒•柯布西耶、密斯•凡•德•罗等现代主义建筑大师创造性的设计，玻璃+钢+混凝土的组合在建筑界被广泛采用。密斯曾经问道:“假如没有玻璃，混凝土将会是什么样?钢铁又将是什么样?”他的回答简单而明确:“二者创造新空间的能力将受到极大的限制，甚至完全丧失，它们的承诺将永远止于虚境，不会成真。”长久以来，玻璃是透明和轻盈的代名词。玻璃的透明性对建筑而言代表着内外关系的彻底重塑，结构关系的清晰呈现，空间意向的本质阐述。例如在前文所述的范斯沃斯住宅中，在室内外的交融之处，透明玻璃形成的全透界面不仅消除了内外差异还提供了体察时间变化的绝妙机会，透明的玻璃去除了它与自然间视觉上的一切障碍，使之在建筑整体形式上像是完全悬浮于在自然之间而非立于大地之上。这不仅使它达到了“国际式”建筑能够放之四海而皆准的目的，更是获得了这一时代某种建筑原型的地位。在密斯的观念中，材料的透明性不仅仅具有形成室内外空间变化的功效，它还把作为现代建筑标志符号的———框架结构，加以凸显，“密斯选择钢与玻璃的目的是以玻璃的透明性来强调作为结构体系的钢”。因而，经由材料透明性的辅助，呈现出了结构在建筑学中的两层含义:物质性的抵抗重力的实体构件和非物质性的构件之间的关系和组合方式。透明深刻阐释了实体构件和形式建构之间的关系，前者是建筑与大地之间的联系，后者是建筑与天空之间的关系;前者与重力相关、体现的是“重”，后者与挣脱的意向相连、体现的是“轻”。在巴塞罗那博览会德国馆中，流动和暧昧带来空间的丰富，馆中除了有竖向平面的片墙设计还加入了对材料透明性的研究。不透明的大理石贴面墙体、半透明的各色玻璃，营造了奇幻的空间氛围、创造了独特的空间关系。这一建筑成功向后世推广了“流动空间”的概念。而事实上，流动空间的本质是空间与空间关系的模糊性。这种模糊性不仅体现在多向、不连续墙体的不彻底限定上，更体现在由竖向介质透明性变化加剧的墙体空间位置模糊性上。透明性体现的是现代主义理论的追求，与之相反则暗合了现代主义之后的丰富、复杂、暧昧和多变，后现代建筑便是这一时期的重要实践。在这种大趋势下，半透明得到了越来越多的关注。半透明性与透明性不同，前者暧昧、朦胧;后者纯净、透明;前者层次丰富、富于想象的空间，后者层次单一、暴露了全部的限度;前者保证和谐而不失空间个性，后者追求统一而失去空间的具体性。半透明性因可以赋予透明以某种质感，近年来在建筑设计中被广泛采用。常用的半透明材料有:
1玻璃类
常常带给我们透明纯净感的玻璃，通常是普通平板玻璃，随着技术手段的不断提高，喷砂玻璃、手绘玻璃、雕刻玻璃、镶嵌玻璃、视飘玻璃、玻璃砖、玻璃马赛克、压花玻璃等玻璃种类不断出现，它们都或多或少存在透光不透明的特点。例如玻璃砖，外部光线经由其进入室内再次弥散开，创造与透明玻不同的独特效果，形成特别的空间氛围。建筑大师斯蒂文•霍尔(StevenHoll)的美国堪萨斯城的纳尔逊Nelson－Atkins美术馆则采用了德国本德海姆(Bendheim)公司为客户特制的LINIT复合型U玻幕墙系统。应用在这一定制化产品中的主要玻璃技术有太阳能玻璃(Solar)、超透明低铁玻璃(LowIron)、喷砂玻璃(Sandblast)、钢化玻璃(Tempered)。外表面是太阳能散射玻璃，内侧采用喷砂玻璃，有效柔化光线，而超白/超透明玻璃通过降低玻璃材料中的铁氧化物减弱玻璃中的淡绿色，从而有效防止从内部弥漫出的灯光变色。内外两层U型玻璃中间置热绝缘空腔，保证了较好的热工性能。这一客制化玻璃的采用创造了其独一无二梦幻效果。
2高分子材料类
亚克力或称有机玻璃，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯，是一种开发较早的重要可塑性高分子材料，按透光度可分为透明板和半透明板。
3混凝土类
一提到“混凝土”首先想到的是沉重的质感、单调的色彩、暗沉的采光。半透明混凝土让光线可以直接从中间穿过，就像会发光一样。通常是在混凝土中加入导光材料，例如光纤，这样光线就可以通过导光材料的折射穿透砖块。这种技术由匈牙利建筑师阿隆罗索尼奇发明，并通过展览迅速在业界传播。从某些角度或在远处观看，几乎看不出它们与普通混凝土有什么不同，但如果你在阳光灿烂的日子走进用透明水泥建成的房子中时，就会发现与众不同的效果———光线可以透过墙壁而穿进来，在你面前形成一面灯光墙。
4纱网类
这一种类包含的半透明材料内容很广，没有明确的称谓，称之为网纱类主要是取其“波佩的面纱”这一意向。波佩是古罗马美女，她戴上面纱，半掩住自己的美丽，来撩拨尼禄大帝的。“面纱”成为观者与被关注者之间的一道屏障，并在主观上形成一种有距离的关系。这里便是取这一意向。以玻璃使用为代表的现代建筑是一种完全客观的视觉穿透，与这种距离关系不同。这一类材料通常有:纤维材料如帷幔、纱窗等;丝网类如铁丝网;穿孔板材类如穿孔铝板等。菲利普•约翰逊的“鬼屋”就采用铁丝网做成围墙，形成鬼魅的气氛;库哈斯领导的大都会事务所(OMA)在旧金山普拉达建筑表皮中使用的圆形穿孔不锈钢板。远似烟霁近又空，非明非夜两朦胧。在现代建筑理论面临以后现代建筑为代表的其他建筑理论挑战的今天，复杂、多变、朦胧等多种空间品质的需求取代了国际式的一贯风格，完全透明丧失了视觉上的可感知性，丧失了质感的体现，而半透明材料带来的有质感的透明特性则兼具了完全透明与不透明两者的特质，改变了建筑的空间和形式，更改变了建筑与人的交流方式，在现阶段建筑设计中具有重要的参考价值。
作者:魏丽丽 孔祥源 单位:河北工程大学建筑学院 内蒙古工业大学建筑学院
参考文献:
