半导体器件分析范例(3篇)

半导体器件分析范文

【关键词】无人机目标定位误差

对配备光电类侦察平台的无人机来说，目标定位已渐渐成为其最基础的应用模式。目前国内无人机的目标定位能力均在精度100m左右，此精度水平用以初步引导制导武器进行目标打击仍显不足。因此如何做好和完善误差分析、误差分配和误差综合，成为研制更高性能的光电跟踪测量设备总体设计中的一个重要问题。

文献[2]针对纯方位信息条件下的多平台目标定位误差估计模型进行研究，推导出了匀速直线运动目标定位误差的C-R下界表示；文献[3]应用蒙特卡罗法进行误差的仿真合成，计算出水平式望远镜的目标定位误差，并分析了各误差的敏感度。其它一些文献也都对定位误差进行了估计，但未能全面反映无人机各项因素对误差的影响。

1几何定位误差组成

几何定位精度不需要图像的处理和识别，是通过飞机的位置、姿态和侦察平台提供的机向角和高低角来进行的。影响光电侦察平台对地面目标实时侦察定位精度的因素有五个方面：一是无人机空中定位精度；二是导航精度；三是光电设备对目标的侦察定位精度；四是光电平台与惯导之间的安装误差；五是其它误差综合。

（1）无人机自身定位精度。此误差是经度、纬度、高度的综合误差（CEP），由机载差分GPS接收机的性能决定。

（2）导航系统精度。导航系统精度主要指惯导器件测量精度。根据无人机目标定位几何原理，导航系统的精度对最终定位结果影响最大。

（3）光电设备测角精度。光电转塔本质上是一个云台，其驱动机构和测角器决定了其测角精度，包括转塔的高低角和方位角。

（4）安装误差。因安装件加工、对孔安装等原因，光电侦察设备与安装角合之间、角合与机体框架之间都与机体之间存在相对较为固定的误差，这些误差人工因素较大，难以测量和估计。

（5）其它误差包括算法的计算误差、侦察平台减振器引起姿态误差、激光测距误差、时滞误差、机体结构变形、图象畸变、光轴不重合度误差等。

2几何定位精度分析

主要的几种误差来源评估如下：

（1）惯导器件测量精度选择在偏航0.2°，俯仰、侧滚0.1°，综合考虑姿态角误差不大于0.2°。

（2）飞机位置误差是经度、纬度、高度的综合误差，由机载差分GPS接收机的性能决定，在5000m高度，高低角30°时，位置定位误差约为10m，高度定位误差约为35m。因此综合估算误差为30m。

（3）因安装件加工、对孔安装等原因，综合误差估计为0.1°。

（4）为满足系统减振要求，在安装板上均布6个隔振器与侦察平台系统连接的方式。此隔振器为GDZ型三向等刚度隔振器，对垂直和水平方向都具有良好的隔振能力，根据厂家提供的指标估算引起姿态误差：0.3°。

（5）侦察平台测角误差主要由转台测角器件误差及安装误差决定。稳定转台测角器件为多极旋转变压器，厂家表示元件测量精度可达20～30″，重新校准后满足小于1mrad。

（6）其它误差如算法的计算误差。在直角坐标与球坐标转换过程中要用到地球半径。地球实际为椭球体，赤道半径6378.140公里，极地半径6356.755公里。定位算法中将地球等效为一个圆球体，球体半径按照地球平均半径6371.004公里计算。地球半径误差小于15公里。计算误差还包括坐标变换时处理器对乘除法的计算误差。因目前技术水平下中央处理器对浮点数计算能力较强，此项误差可忽略。另外的误差来源包括机体结构变形：0.2°（RMS）；时滞误差：0.05°（RMS）；激光测距精度：5m（RMS）。

3误差仿真计算

将各种误差源送入目标定位算法就可进行目标定位误差估算，误差估算过程如图1所示。

其中，姿态误差、飞机位置误差、安装误差、侦察平台测角误差等为服从正态分布的随机变量，随机变量取100000个采样点，因而对应的可计算出100000个目标定位误差，然后对这100000个定位误差进行统计分析，给出目标位置的50%圆概率误差。

4结论

Matlab仿真结论：取可信度因子为λ=0.95，则垂直下视情况下（5000m），目标定位精度为80m（CEP）；高低角为45°时，目标定位精度为112m（CEP）左右。此外，定位系统在利用采集的参数进行目标定位时，因为各参数的采集时间和传输延时不同造成定位误差，文中计算方法并未考虑。下一步将综合考虑所有可能的误差进行计算，有利于提高误差评估可信度。

参考文献

[1]王家骐.机载光电跟踪测量设备的目标定位误差分析[J].光学精密工程，2005，13（2）：106.

[2]杨贵海，肖碧琴，袁富宇.多平台目标定位误差估计技术研究[J].指挥控制与仿真，2012，32（2）：49-50.

[3]韩雪冰.水平式光电望远镜目标定位误差的预测[J].光学精密工程，2010，18（7）：1596.

[4]李艳.电子磁罗盘航向角误差推导及分析[J].仪器仪表学报，2013，34（7）：1570.

[5]何文涛.无人机定位技术及其应用[J].光电技术应用，2003，（05）：5-6.

作者简介

杨勇（1984-），男，山东省青州人，工作于中国航天空气动力技术研究院，工程师。研究方向为无人机载荷应用。

半导体器件分析范文

关键词：沾污；颗粒；化学吸附；静电

自从20世纪50年代固体元器件诞生以后，在半导体微电子器件制作过程中，衬底表面情节的重要性就已经被认知。众所周知，硅器件的性能、稳定性和电路的成品率受硅片或器件表面的化学沾污和微粒沾污的影响极大。目前，由于半导体表面的极度敏感性和器件的亚微米尺寸特征，使得对原始硅片及氧化和图形化后得硅片进行有效清洗，比以往任何时候都更为重要。正因为如此，超清洁硅片的准备，已成为超大规模硅电路制作过程中的关键技术之一。

1沾污的类型和来源

半导体晶片表面的沾污是以沾污薄层、分散微粒和粒子（粒子团簇）和气体的形式存在，具体见表1的总结。表面沾污薄层和微粒包括分子化合物、离子物质和原子物质。分子化合物是指凝结的有机蒸汽微粒或膜层，包括来自剂、油脂、光刻胶、残留溶剂、去离子水或塑料存储器等引入的有机化合物、金属氧化物或氢氧化物。离子物质由阴、阳粒子构成，多数来自于通过物理吸附或化学成键（化学吸附）而引入的无机化合物，如钠离子、氟离子和氯离子。原子物质主要由金属构成，如金和铜，它们可来自与含HF的溶液中，通过化学或电化学方式被电镀到半导体表面，或者由来自设备的硅颗粒或金属残留物构成。

由表2列出了各种污染来源，可见沾污来源的多方面。这些微粒可能来自于设备、过程化学品、工厂操作和气体管道等。与硅片和液体直接或间接接触的移动机械设备与容器时特别严重的污染源，而原材料、液体、气体化学药品和环境气氛引起的微粒沾污较少，但所有这些沾污来源都会对沾污膜层的生成起到重要的作用。硅片上通常会积累静电荷的载流子，它们是诱发离子沉积的主要机制，但却常常被忽略。

2沾污对半导体器件的影响

在晶片加工过程中，沾污对半导体材料和电介质及对成品半导体器件的作用十分复杂，因为这与具体沾污类型、性质和数量有关。

晶片表面的分子沾污膜层，能有效降低清洗或冲洗效果，并可对良好黏连的沉积膜造成损伤，且易于形成有害的分解产物。例如，在无氧的氛围内对有机残留物进行高温加热，就会发生碳化；如果晶片时硅材料，这些残留物将会形成SiC，然后在外延沉积时，成为多晶硅的成核区域。

离子沾污会在半导体器件中引起许多问题。在高温加热过程中或在施加电场作用的条件下，它们能扩散进半导体内或者在表面发生扩散，从而引起器件产生点缺陷、退化和成品率损失。

3避免设备和过程沾污

沾污控制的主题关键是避免。如果我们能在设备、材料和环境中创建和维持超清洁条件，那么在整个半导体器件制作过程中，就能使晶片清洗的需求降到很低。而且，组织沾污比一旦发生沾污后再去除它，通常要容易的多，因为避免沾污是首要选择。

工艺设备已经成为粒子沾污的最主要来源。通过周期性保养和静电荷的去除，可以剔除灰尘离子，使离子的沾污得到有效控制。

4化学沾污

在半导体器件制作过程中，要用到许多化工原料，而这些化工原料中的杂质会对器件的质量产生严重影响。为了最小化从这些源中引入的杂质，必须对其施加严格的控制。晶片清洗使用的多数化工原料为气态或液态。气态原料可得到非常高的纯度，且易于通过超过滤手段，实现有效去除颗粒的目的。液态化工原料则是多种多样的，表3所示为常用的液态化学药品。

化工原料的杂质水平是十分易变的。近年来，为了向微电子行业提供“超纯”的化工原料，化工原料的生产者已付出巨大努力。“超纯“意味着总的杂质浓度应该在较低的ppb范围内。生产超纯酸的一种严格的替代方式时使用再生的方法在现场生成所要的酸，比如利用高纯度去离子水和反应气体（臭氧、HCL、NH3）等，在现场生成这些化工原料的水溶液。配置方法对粒子浓度的影响非常巨大，瓶装后的化工原料会出现非常高的微粒数。间接沾污会从容器、管道、阀体等引入，导致最初配置的超纯化学药品被污染。

5分析方法

沾污控制的另一个重要方面是分析方法。微量和超微量水平的杂质和微粒的测量与监控，一方面要对加工区域中的过程反应物、去离子水、气体和环境空气进行分析，另一方面还要对半导体晶片表面做同样的分析。对原材料和硅片表面的杂质分析和测量，是建立工艺条件必需的，其目的是为了识别在加工过程中，那些具体杂质被转移到了关键性的半导体表面上，处于何种浓度。这一信息是提高工艺质量和获得超洁净晶片必须考虑的第一步。在线的现场分析和测试是许多关键操作中期望的，其目的是不断监控具体沾污的浓度水平，如微粒、气态物质、湿气或金属离子，以便对工艺过程进行可能的实施监控。

参考文献

半导体器件分析范文篇3

【关键词】半导体物理与器件课程；物理学史；定性分析；形象化教学

0前言

随着半导体技术和集成电路的飞速发展，现代半导体产业已经形成了设计―制造―封装测试的完整产业链，其应用覆盖了电脑、汽车电子、激光器、太阳能电池、光纤通讯、半导体照明及平板显示等各个领域，年销售额超过3000亿美元，已然成为国民经济发展中的重要战略产业[1]。作为掌握半导体技术的一门先导性课程，半导体物理与器件课程旨在研究半导体材料和器件的基本性能和内在机理，是研究集成电路工艺、设计及应用的重要理论基础。该课程理论较为深奥、知识点多、涉及范围广、理论推导复杂、学科性很强，对于学生的数学物理的基础要求较高[2]。而现行的教材特点及传统教学方式大都强调繁琐的理论推导，容易使学生陷入“只见树木，不见森林”的境地，在茫茫的公式海洋中逐步丧失学习兴趣，影响了课程的教学质量。因此迫切需要对这些问题与不足进行改革，优化和整合教学内容。本文从注重物理学史的介绍、理论推导与定性分析相结合、利用形象化教学、注重理论和实践相结合以及培养学生查阅文献能力五个方面，对课程的教学改革进行了若干思考，力求为学生呈现一个条理清晰、理论分析简练、物理图像明确、多方互动的教学过程，逐步培养学生学习半导体物理与器件课程的兴趣，促进教学质量的提高。

1加强半导体物理学史的介绍

物理学是研究物质的组成及其运动规律的基础科学，是自然科学的基础。而物理学史是研究物理学概念、定律和定理的起源、发展、变化，揭示其发生、发展的原因和规律的一门学科，充分体现了人类认识自然界由简单到复杂、由表面到本质的认知过程，其中包含了大量的方法论和认识论，蕴涵了丰富的科学素质和人文精神。打个比方，在教学中讲物理学理论，会给学生以知识，而讲物理学史，则会给学生带来智慧。牛顿说过：“如果说我比别人看得远一点，那是因为我站在巨人的肩上。”著名的物理学家朗之万也曾指出：“在科学教学中，加入历史的观点是有百利而无一弊的。”因此在半导体物理与器件的教学过程中，适当穿插物理学史的内容，把物理知识的来龙去脉作出历史的叙述，不但能激发学生学习兴趣、活跃课堂气氛，而且还具有以下两方面的作用：首先有助于学生对半导体物理与器件知识点的系统化。记忆一段充满探索者思索与创造、艰辛与执着、悲欢与激情的历史肯定要比一堆单纯、枯燥的公式容易多了。例如，半导体物理的理论基础就是量子力学，而量子力学之所以出现就在于诸多经典物理学无法解释的实验现象。从黑体辐射引出了普朗克的辐射量子化假设、光电效应引出了爱因斯坦的电磁波能量量子化、分立原子光谱的观测到原子模型的建立过程、再到德布罗意物质波理论、薛定谔方程的建立和求解以及能带理论的建立等等，了解了物理学史的发展，就系统地串联了课程的知识点；其次有助于培养学生的科学素养。科学素养与知识相比是更深层次的东西，是对知识本质的理解、内化和激活，它包含科学知识、科学思想、科学态度和科学方法。把知识教育的基本内容同历史发展过程结合起来，让学生了解科学家发现物理概念、物理规律的历史过程，循着科学家的思维方法和探索途径来“发现”物理概念和规律，敢于持怀疑、辩证的态度来看待科学问题，学会运用观察和实验、类比和联想、猜测和试探、分析和综合、佯缪和反正、科学假设等科学方法来研究问题，使自身的科学素养得到提升[3-4]。

2理论推导与定性分析相结合

半导体物理与器件课程最典型的特点就是公式多，理论推导复杂，通常要求学生具有较高的数学物理基础。但是如果一味地追求理论推导，则容易让学生陷入困境，不知所措。例如在讲解量子隧道效应的时候，通常需要先求解一维无限高方势阱中粒子的薛定谔方程，以获得粒子在势阱中的波函数分布，然后再求解一维有限高方势阱粒子的波函数。这两个步骤涉及了大量的理论计算，尤其是后者的计算更为复杂，完全推导完需要耗费大量的时间和精力，也容易使学生感到反感。实际上，在求解获得一维无限高方势阱中粒子的波函数之后，就可以采用定性的方法去分析有限高势阱中粒子的运动行为。在一维无限高方势阱中，由于假设了边界处势垒能量是无穷大，因此波函数的导数在边界处是不连续的。然而在有限高势阱中，由于边界处的势能是有限值，因此不仅波函数在边界处连续，其导数在边界处也必须连续。可以想象，其波函数在边界处一定是渐变的，势必延伸到势阱外，亦即波函数在势阱外也不为零，说明势阱中的粒子有通过势垒的可能性。按照经典物理的理解，粒子将会百分之百被势垒弹回，而不可能通过势垒，但在量子力学中就完全不同了，一部分粒子将穿透势垒到势阱外，这种现象就称为隧道效应。同样在考虑粒子穿透势阱的概率问题。也可以采用定性分析的方法。例如，粒子的质量、具有的能量、势垒的高度、还有势垒的厚度，它们与穿透概率之间可能的关系是什么。采用类比的方法引导学生进行定性分析，好比一个人要穿越一堵墙壁，如果墙的高度一定，那么弹跳能力好的人，肯定更容易翻墙而过。弹跳能力的好坏可以视为粒子具有的能量大小，因此可以很直观理解，穿透概率和粒子能量的若干次方成正比关系，能量越大，越容易穿越。同样可以举墙壁高低、胖子瘦子翻墙等例子来定性探讨微观粒子的隧穿行为。

3充分利用形象化教学

为了能够让学生直观理解半导体物理与器件中各种抽象的物理概念、模型，需要采用形象化教学方法。一方面要利用现代多媒体教学手段，制作必要的课件来模拟物理模型以及相关的物理过程。同时要善于利用周围的环境来帮助学生理解物理概念和模型。如教室里规则排列的座位和男女同学，在课程的教学中就非常有用：座位可以抽象成二维的晶体点阵，座位上全部坐男同学是一种情况，座位上全部坐女同学又是另一种情况，虽然物质构成不同了，但是点阵结构相同，很好地诠释了晶体结构等于点阵加基元的概念。利用座位还可以讨论晶向、原子线密度、晶列间距等概念。在讨论电子，空穴导电机制的时候，把坐满人的座位看着满价带，教室最前面一排空着的位置看成空带，人的移动好比电子的移动，这样很容易理解在外电场作用下，价带、空带以及导带的导电行为，同时对于电子激发后产生的空穴及运动行为也提供了更为形象的认识。再比如，利用工科班级女生远比男生少的特点，可以说明少数载流子（女生）和多数载流子（男生）的概念。假设班级有4个女生，40个男生，当有光照产生非平衡载流子时，例如产生5个女生和5个男生，显然非平衡载流子对于少数载流子的影响要远远大于对多数载流子的影响，通过这种形象类比的方式，就能帮助学生很好地理解为什么非平衡载流子都是指非平衡少数载流子的原因。

4坚持理论与应用相结合

学习半导体物理和器件就是为了在理论知识和实际应用之间架设一座桥梁。在教授理论知识的同时，一定要多举一些应用的实例，这样不仅有利于学生理解理论知识，还可以大大提升学生学习的动力，培养专业兴趣。例如讲完量子隧道效应后，其典型的应用实例就是扫描隧道显微镜（STM）的发明。通过对STM工作原理的分析，并制作动画模拟其金属针尖扫描样品的表面和收集隧道电流的过程，激发学生的兴趣。结合PN结空间电荷区的形成以及光生载流子的知识，讲解太阳能电池的一般工作原理和设计思路，进而拓展到整个光伏产业的发展和当前形势。在电子受激辐射的基础上说明激光的产生和应用。结合能带理论和载流子的产生与复合说明发光二极管（LED）的工作原理，以及LED照明工程的发展和进展。在学习晶体管工作原理的基础上，让学生进一步了解现代集成电路朝纳电子方向发展所遇到的挑战和发展轨迹[5-6]。通过理论和实践应用的高度结合，可以让学生不光看见树木，还看见森林，理解学习半导体物理与器件是为了“学以致用”。

5培养学生文献调研的能力

教师课堂的授课只是传播知识的一种途径，而大学的教育更重要是要培养学生的自我学习能力。网络是当今科技发展的重要产物，网络上也充满了各种各样的丰富知识，培养学生通过网络进行资料调研对于半导体物理与器件课程的学有裨益。在文献调研的过程中，让学生充分、及时地了解半导体产业发展的相关动态，学会“精读”和“略读”文献，在吸收文献知识的基础上，进一步条理化、规整化课堂所学的内容，甚至有所创新。具体教学过程中，可以针对不同的知识点，安排学生课后进行相应的文献调研和总结，并以PPT的形式做一个简短的文献汇报。让学生与教师互换角色，加强互动，互相促进。

6结语

《半导体物理与器件》课程的教学改革是顺应半导体技术和产业发展的必然要求，尤其对于工科的学生，更要了解物理问题是从哪里来的，并发展应用到什么地方。在教学的过程中，要避免盲目繁琐的公式推导，避免单一的教学方式，通过引入物理学史、定性分析问题、形象化教学等教学手段促进学生学习的兴趣，提高课程的教学质量。积极推动高等学校人才的培养和学科建设工作。

【参考文献】

[1]施敏.半导体器件物理与工艺.2版[M].苏州：苏州大学出版社，2002.

[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.

[3]胡化凯.物理学史二十讲[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.

[4]徐克尊，陈向军，陈宏芳.近代物理学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2008.