精制结晶论文范文(实用3篇)

精制结晶论文范文 第1篇

关键词：电子管 晶体管 半导体 集成电路

1 电子管的诞生

1883年美国发明家爱迪生在进行提高电灯灯丝寿命的实验时在灯丝附近安放了一根金属丝，然后他意外地发现通电加热的灯丝和这根金属丝之间竟然出现了微弱的电流。通过进一步的实验，爱迪生发现当金属丝对灯丝的电压为正时有电流通过，而当电压为负时则没有电流。这种现象就是“爱迪生效应”，它成为后来发明电子管的基础。1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生（，1856—1940）通过对阴极射线的研究，证明了从炽热灯丝会发射出一种带负电的粒子流，这就是电子。由于电子的发现，人们终于明白“爱迪生效应”就是真空中的热电子发射现象。

1889年英国工程师弗莱明（，1849—1945）在当时迅速兴起的电子学的基础上，开始对爱迪生效应进行了深入研究，终于在1904年发明了第一种电子元件：一种可用作电磁波检波器的二极电子管。二极管发明之后，美国无线电工程师德·福雷斯特（ Forest，1873—1961）即对弗莱明的发明进行了深入研究。为了改进二极管的性能，福雷斯特于1906年进行了在二极管的负极加入一个电极的实验。实验结果发现，在正极负极之间加入一个金属丝支撑的栅极时，其检波效果最佳，不久还发现三极管对电流有放大作用。

二极电子管和三极电子管的发明奠定了电子元件的主要技术基础，是具有划时代意义的技术发明。由于电子元件技术的带动，另一电子基础技术—— 电子线路也得以迅速发展，两者一并为后来的广播、电视、雷达等电子应用技术的兴起提供了技术基础。虽然电子管作为20世纪前半期电子技术的基础，写下了光辉的一页，但它也暴露出一些弱点，主要是体积大、重量重、耗电多、寿命短、需预热等，这同电子设备的发展要求提供体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、起动迅速的元器件，形成了尖锐的矛盾。这就迫使人们去寻求新的性能更优异的电子器件。

2 半导体物理学的兴起

半导体物理学是凝聚态物理学的主要分支之一，在第二次世界大战之后得到了迅猛发展。它的兴起与30年代中后期相关技术背景和相关科学基础的形成有直接的内在联系。

在技术背景方面，到30年代中后期的时候，以热机技术和电力技术为主要技术标志的第二次工业革命在德、美、英等国家已基本完成。以电子管为主要技术基础的电子技术经过从20世纪初到30年代中后期的发展，其技术已经基本成熟，其技术局限也日趋明显。

在科学基础方面，布洛赫提出的能带理论为半导体物理学的发展提供了重要的理论基础。所谓能带理论，是研究固体中电子运动规律的一种近似理论。固体由原子组成，原子又包括原子实和最外层电子，它们均处于不断的运动状态。为使问题简化，首先假定固体中的原子实固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后进一步认为每个电子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动，这就把整个问题简化成单电子问题。到1931年英国物理学家威尔逊提出区分绝缘体、半导体和导体的微观理论判据之后，半导体物理学已经开始呈现向半导体技术初步转化的态势。

晶体管的出现

由于半导体物理学的兴起以及电子管本身材料与技术的局限性，美国贝尔实验室研究部电子管分部主任、固体物理学家凯利（）敏锐地察觉到电子技术可能正面临着一场大革命。1939年，凯利组建了以肖克利（）、巴丁（）、布拉顿（）和伍德里奇（）等人为主要成员的半导体学物理小组。这是一个年富力强，既有深厚的固体物理理论素养，又有丰富的实验技术经验的科研集体。他们的目标是：探索半导体的导电机制，研制能消除电子管缺陷并具有放大功能的新型电子器件。

1947年12月，研究小组发现金属与半导体表面形成的两个充分靠近点接触的结，存在着相互作用。巴丁和布拉顿根据这个效应重新制订了方案，12月23日终于研制出世界上第一支晶体三极管，它是用半导体锗制成的点接触型晶体管。1956年，肖克利、巴丁、布拉顿三人由于晶体管的发明和半导体物理学的杰出贡献，共同获得了诺贝尔物理学奖。

3 P-N结理论

肖克利及其小组成员在研制第一代晶体管的同时，在固体物理学已有的电子理论、量子理论和能带理论的基础上，对半导体物理的导电性进行了深入研究。1949到1950年间，他们提出了以半导体电子理论为基本内容的P-N结理论。P-N结理论主要有三个方面。

其一，半导体有N型半导体和P型半导体两种不同的类型。N型半导体参与导电的主要是带负电（negative）的电子。这些电子来自于半导体中的施主，如含有适量的五价元素砷、磷、锑的锗或硅，即是这种N型半导体。P型半导体参与导电的主要是带正电（positive）的空穴。这些空穴来自半导体中的受主，如含有适量的三价元素硼、铟、镓的锗或硅，即是这种P型半导体。

其二，N型半导体和P型半导体的交界层能形成P-N结。由于P-N结具有单向导电性，因此以P-N结为基础的二极管对电流具有整流作用。

其三，以P-N结为基础，可以形成PNP或NPN两种类型的组合P-N结。由于组合P-N结具有三极，因此以它为基础的三极管与电子三极管一样，对电流具有放大效应。

4 晶体管的大规模生产

在肖克利及其小组成员提出P-N结理论之后，肖克利根据对晶体管工作机理的分析，又提出了PNP和NPN结型晶体管的理论。1950年贝尔电话实验室的斯帕克斯（）等人研制出了这种结型晶体管（或称面触型晶体管）。它同点接触型晶体管相比，结构简单、牢固可靠、噪声小、宜于大批量生产。

晶体管的大规模生产除了自身技术硬件指标达标外，原材料的数量和质量的供应以及产品的生产工艺也是决定晶体管能否大量生产的重要因素。1952年，范（）发明了生产高纯度锗的区域提纯熔炼工艺；1954年蒂尔（）和比勒（）改进了拉制单晶硅的工艺；同年，富勒（）研究出了一种新的掺杂方法—— 扩散工艺。他们均来自贝尔实验室。1959年，仙童公司的霍尔尼（）发明了平面工艺，并制出了第一个平面型晶体管。这些成果为晶体管的大规模生产和半导体工业的发展创造了条件，尤其是扩散工艺和平面工艺，不但将晶体管的工作频率推到了超短波波段，而且使晶体管的管芯结构图形达到前所未有的精密和微小程度，从而为晶体管的微小型化开辟了道路。

5 集成电路

晶体管可以大规模生产以后，其体积小、重量轻、能耗少、寿命长、可靠性高、不需预热、电源电压低等一系列优点使它全面取代了电子管。但是，晶体管取代电子管，还只是一个器件代替一个器件。对于大型电子设备，有时要用到上百万个晶体管，这就要几百万个结点，这些结点就成了出现故障的渊源；同时，生产部门和军事部门希望电子设备进一步微小型化，这都强烈地推动人们去开辟发展电子技术的新途径。

20世纪50年代，用硅取代锗作晶体管材料，以及制作晶体管的扩散工艺、平面工艺等，都相继研究成功，这就为集成电路的研制提供了技术基础，而掌握这些技术的美国德克萨斯仪器公司、仙童公司也就具备了更有利的条件。1959年初，美国德克萨斯公司的工程师基尔比（）利用扩散工艺，很快就在一块×平方毫米的半导体材料上，制成了包括1个台面晶体管、一个电容和3个电阻的移向振荡器，从而研制成功了第一块集成电路。与此同时，美国仙童公司的经理诺伊斯（）运用平面工艺制成了更专业化，更适合于工业生产的集成电路。1961年，集成电路即在美国实现了商品化生产。

同半导体分立电路相比，半导体集成电路具有容量大、体积小、组装快等优点。因此集成电路自问世以后，其发展速度可谓突飞猛进。自1961年以后的短短20余年内，集成电路的集成度便由最初的100个元器件以内发展到10万～100万个元器件之内。

6 电子技术发展的内在逻辑

从电子管到集成电路，短短60余年间，电子技术就从电力技术的附属产物蜕变成整个社会的主流技术。爱迪生发现了“爱迪生效应”，但他却不能对这个现象做出完满的解释，于是便吸引着其他的科学家来解决问题，逐渐形成科学共同体。一项新技术其诞生必然源于自然现象，其发展必然会形成科学共同体。汤姆生发现电子，解释了“爱迪生效应”为电子技术的起步打下了理论基础。弗莱明发明了真空二极管、德弗雷斯特发明了真空三极管，他们成功的将理论转化为技术产品，其中的转化必然有现实需求的牵引。当电子管的元件缺陷与电子技术高速发展形成尖锐矛盾时，半导体物理学理论开始蓬勃发展起来，而半导体物理学的蓬勃发展又离不开电子技术这个载体。半导体物理学理论的发展促使晶体管的诞生，而P-N结理论则是研制晶体管的理论衍生物，又反过来促进了半导体物理学的发展。而从晶体管发展到集成电路，则是纯技术工艺上的进步。

纵观整个电子技术从“爱迪生效应”发展到集成电路，其科学技术轨迹可以大致概括为：发现现象探究现象形成理论衍生技术升华理论技术飞跃技术完善技术成熟。

另一值得注意的现象在电子技术的发展进程中，大部分的研究人员都是默默无名却又充满干劲的年富力强的青壮派科学家。如，参与研发出第一支晶体三极管并发表了P-N结理论的肖克利、巴丁和布拉顿三人在1956年获得诺贝尔奖时也才不到50岁。我认为导致这种现象的主要原因有三点：其一，电子技术的科学吸引力强。电子技术对于当时的学术界来说是非常前沿的，也充满了科学的神秘性，这种特性对那些刚毕业的青年才俊来说既能满足自己的好奇心，又能做比较时髦的研究，那是再好不过了。其二，电子技术相较其它领域容易出成果。电子技术是一门新兴的技术领域，探索的空间较其它传统领域更为宽阔，也更容易出成果，作为默默无名的青年科学家，自然想更快的成就一番事业。其三，电子技术的社会需求量大。由于当时的电力技术已经非常成熟，人们用电已经得到普及，相应电子产品的需求量也是极大，如收音机、电视等家用电子产品。广阔的市场需求使得资本家们将大量的资金注入电子行业以谋求更高的回报。毫无疑问高额的薪水和奖金对于急需金钱的年轻人来说是颇具吸引力的。

参考文献

[1]＼高达声.汪广仁.近现代技术史简编[M].北京：中国科学技术出版社，1994.

精制结晶论文范文 第2篇

关键词：太阳能电池 Silvaco PC1D 扩散工艺

一、引言

太阳能以其储量丰富、清洁无污染等优点是各种可再生能源中最重要的基本能源之一，也是目前人类可利用的最丰富的能源。太阳能电池能够将太阳能直接转换为电能而备受人们的关注。太阳能电池转换效率的高低受硅片原料、制作工艺等的影响，其中，扩散工艺的好坏对太阳电池的转换效率起着至关重要的作用。

2012年，上海大学的荣等人对多晶硅扩散工艺进行了研究[1]；同年，王丽等人从扩散温度和时间方面研究了薄层方块电阻对单晶硅太阳能电池转换效率的影响[2]；2013年豆维江等人研究了多晶硅片反应离子刻蚀制绒后扩散工艺的匹配性[3]；2014年顾江通过Silvaco软件对太阳电池湿法氧化、二氧化硅保护和无氧扩散三种两步扩散工艺进行了仿真研究，结果表明，湿法氧化二次扩散工艺可以获得最佳光谱相应性能[4]。2015年代术华对多晶硅太阳电池扩散氧化层进行了研究[5]。虽然目前对晶体硅太阳电池扩散工艺的研究已近成熟，但将Silvaco软件与PC1D软件结合来研究单晶硅太阳能电池工艺的较少，因此，通过上述两种半导体器件模拟软件的结合对单晶硅太阳能电池磷扩散工艺的研究具有一定的意义。

二、实验方案

1.扩散原理

本文针对管式扩散工艺进行仿真研究。采用三氯氧磷POCl3为液体扩散源，反应方程式如下：

（1）

（2）

（3）

扩散源反应生成磷原子进入硅体内的量及深度对扩散方阻及结深均存在影响。为了使仿真结果能为工业生产工艺优化提供理论依据，仿真数据均来源实际生产中，扩散方阻一般在45-50Ω・-1，图1所示为单晶硅太阳电池ecv测试结果，可知结深为μm。

仿真参数

一步扩散参数：磷源浓度为×1021cm-3，氧化层厚度为μm，大氮流量为27L/min，氧气流量为。预淀积温度为900℃；再分布时间均为45min，温度为945℃，两步扩散在一步扩散基础上完成。

三、结果与讨论

1.一步扩散仿真与分析

由表1一步扩散预淀积时间对结深和方阻的影响可知，随着预淀积时间的增加，发射区方阻在Ω・-1，结深在μm，与工业制作结果基本一致，证明一步扩散仿真的正确性，以此为两步扩散奠定基础。

图2为一步扩散不同预淀积时间Silvaco仿真曲线。对比图1可知，理论仿真与实际扩散分布方式有一定区别。理论仿真磷源预淀积阶段结深变化不大，而实际扩散在高温下预淀积阶段已存在实质性扩散，出现浅结，这是因为在高温下，杂质原子处于离化状态，离化出来的电子与杂质正离子会向浓度低的方向扩散，由于此时电子运动速度比杂质快，导致在两者之间建立起由半成品电池片表面指向内部的内建电场，该电场能抑制电子扩散，促进杂质正离子向晶片内部扩散。

2.两步扩散仿真与分析

预淀积时间的影响

扩散参数：氧化层厚度d1=μm，d2=μm，第一步和第二步扩散磷源的浓度均为×1021cm-3，预淀积总时间为20min，其余参数保持不变。

由表2两步扩散预淀积时间对方阻及结深的影响可知，第一步预淀积时间对扩散方阻及结深是有影响的，这是因为磷源沉积的同时，扩散也在进行，随着时间的增加磷源到达硅片表面的量在增加，导致进入硅片的磷原子浓度增加，扩散方阻减小。当第一步预淀积结束，第二步预淀积开始时，在高温下，第二步预淀积的磷源往硅体内扩散的同时，第一步已经扩散到硅体内的磷将继续向低浓度区域扩散，这也将导致结深的增加。最终扩散的方阻及结深分别在59-60Ω・-1及μm之间，由此可知，在总预淀积时间一定的情况下，两步扩散各自时间的改变对最终方阻和结深的影响较小。

氧化层厚度的影响

扩散参数：第一步和第二步扩散磷源浓度均为×1021cm-3，第一步和第二步预淀积时间分别为t1=10min和 t2=10min，其他参数保持不变。

由表3两步扩散中不同氧化层厚度对方阻及结深的影响可知，第一步扩散氧化层厚度对方阻及结深起决定性作用，且随着第一步扩散氧化层厚度的减小，方阻增加速度快于结深减小的速度，说明第一步扩散氧化层厚度对方阻的影响远大于对结深的影响。由此可知，工业制作若要获高方阻可通过减小第一步扩散氧化层厚度来实现。

磷源浓度的影响

扩散参数：氧化层厚度分别为d1=μm，d2=μm，第一步和第二步预淀积时间均为10min，改变磷源浓度进行仿真。

由表4磷源浓度对方阻和结深的影响可知，磷源浓度对方阻和结深的影响较大。随着第一步预淀积浓度与第二步预淀积浓度比的增大，扩散方阻减小，结深增加。这对工业生产中制作浅结高方阻具有指导意义。

3.电学特性

将一步扩散和两步扩散中通过Silvaco仿真B3和C3的方阻和结深应用于PC1D软件，对单晶硅太阳能电池电学特性进行模拟。

由表6一步扩散和两步扩散对太阳电池电学特性的影响可知，两步扩散得到的太阳电池电学特性明显优于一步扩散。且在两步扩散中，B3组太阳电池比C3组太阳电池短路电流、开路电压及转换效率分别增加了、及，即方阻越高、结深越浅的扩散工艺所制备的太阳电池电学特性越好，这主要是高的方块电阻及较浅的结深有利于提高太阳电池短波响应，减少“死层”，利于短路电流密度的提高[6]。即在实际工业生产中，可使第二步预淀积中携带磷源的小氮气流量等于或略高于第一步预淀积中携带磷源的小氮气流量来实现浅结高方阻工艺。

四、结论

本文通过以上两种软件对单晶硅太阳电池的一步扩散和两步扩散进行了仿真模拟。结果表明，当扩散时间、氧化层厚度及总浓度一定时，两步扩散实现的太阳电池电学特性优于一步扩散结果，且两步扩散的浅结高方阻工艺为工业生产单晶硅太阳电池提供理论依据。

参考文献

[1]荣，吴伟，马忠权等.扩散方阻对多晶硅太阳能电池效率的影响[J].上海大学学报（自然科学版），2012，18（3）：277-281.

[2]王丽，陈阿青，王晓忠等.扩散温度和时间对晶体硅太阳电池性能的影响[J].电子元件与材料，2012，31（4）：62-65.

[3]豆维江，秦应雄，巨小宝等.多晶硅片反应离子刻蚀制绒后扩散工艺的匹配性[J].光子学报，2013，42（6）：649-653.

[4]顾江.基于SILVACO的太阳电池二次扩散工艺仿真研究[J].计算机仿真，2014，31（12）：121-124.

精制结晶论文范文 第3篇

微晶玻璃是基础玻璃通过一定温度时对结晶进行控制获得的多晶复合材料。其种类较多，包括耐热微晶玻璃、结构微晶玻璃和生物微晶玻璃、建筑微晶玻璃等。其中，建筑微晶玻璃作为一种新型建筑材料的应用范围越来越广，其结合石材、玻璃和陶瓷技术的特性使得其建筑装饰优势明显。我国对于微晶玻璃建材的理论研究和产品制造等有较大进展，其未来发展前景较为广阔，必将成为建材市场的重要组成部分。

1.微晶玻璃建材的研究

我国微晶玻璃建材理论研究进展

建筑微晶玻璃于1959年试验研究成功，随后在世界范围内的发展迅速。我国对微晶玻璃早期的研究存在一定的缺陷和不足，生产出来的微晶玻璃板产品质量不稳定，易出现变形和开裂情况，且生产成本较高。在上世纪九十年代初，借鉴日本的先进经验，实现了相关生产技术的突破性进展，产品的多项技术难题得以解决，产品质量得到显著提高。同时，生产材料上的突破，如运用废玻璃、粉煤灰和黄河泥砂、冶炼炉渣等作为生产材料，使得生产成本大大降低，微晶玻璃建材生产技术和原料难题得到有效破解，理论研究取得突破性进展。

微晶玻璃建材的主要特点和生产方法

相较于玻璃和其它建筑材料，微晶玻璃建材有着十分显著的特点。首先，其颜色多变，且能够随意组合各种色调，灵活性较强，装饰功能显著；其次，其耐久性较强，色泽和质量均不会严重受损；同时，其强度大，生产过程经济省时，且成本低廉，具有绿色无害的优势特点。其生产方法主要有两种，即烧结法（图1）和压延法。烧结法需经由玻璃粒料熔制和晶化两道工序，其生产时间较短，且生产多变性、灵活性较强。压延法则主要运用晶核剂实现玻璃液压延和晶化完成材料的制作，其耗时耗能，且操作难度较大。

微晶玻璃建材的产品缺陷和解决措施

目前微晶玻璃建材多运用烧结法生产，其生产时间较短，且较易操作，但产品仍存在一定的缺陷和不足，主要表现为气孔和翘板、裂纹。由于生产过程中操作不完全，如玻璃熔化和澄清不完全，或玻璃料水淬时混入水和杂质、玻璃净化温度过高等，均可能出现气孔问题。这就需要在生产过程中避免杂质混入，并控制好生产时的温度。翘板问题主要因玻璃板冷却速度过快或晶体含量过高，造成翘板问题的出现。应注意适当延长冷却时间，控制晶体含量。裂纹则主要因粘接或切割压力过大，加以注意即可避免。

2.微晶玻璃建材的应用

微晶玻璃建材的应用和发展前景

微晶玻璃建材具备十分突出的性能特点，其纹理清晰、色彩艳丽，且耐磨耐腐性强，强度高。运用于建筑当中，能够达到很好的装饰目的，且对于建筑强度和质量的提升，提升建筑装饰的品味具有显著优势。除酒店和宾馆、机场外，许多高档建筑和别墅均会运用到该建筑材料，且普及程度越来越高。同时，就其良好的防腐性，其可充分运用于造纸工业、石油化工业和其他多种行业的防腐工程当中。作为建筑装饰板，其也将进入普通家庭当中，成为应用普遍的家庭装饰材料。应用前景十分广阔。

当前我国微晶玻璃建材应用发展的问题

虽然我国对于微晶玻璃建材的研究有很大进步，生产技术也有质的进步，但其产业化发展仍存在诸多问题。

首先，行业内的整体技术水平仍较低。虽然我国研究领域的技术水平较高，但在整体行业技术普及方面仍较落后。部分企业投入大量人力物力，获得了技术上的创新和进步，部分企业则在技术创新上的投入不足，技术水平仍较低。

其次，市场规范仍未建立，产品价格不统一，制度监管未落实，市场竞争无序化。此外，生产技术仍有待完善，许多关键性技术问题仍需要进一步探索。这就需要我国多方共同努力，实现微晶玻璃建材应用的良性发展。