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    1 SiC半导体材料的基本性质

    1.1 SiC的晶体结构

    SiC具有优良的机械、热学、电学、物理和化学性质,是制备下一代电力电子和光电子器件的新型半导体材料之一。

    SiC独特的性质与其结构密切相关,为此首先需要了解SiC的结构。

    SiC有超过200多种多型结构,最普通的是立方3C,六角4H和6H,菱方15R。这些多型结构以Si-C双原子为结构的基本单元,采用不同的堆垛方式排列而成,如图1所示。

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    图1

    从结构示意图可以看出:2H具有最简单的六角结构(纤锌矿结构),其堆垛顺序为AB;技术上最重要的材料4H、6H的堆垛顺序分别为ABCB和ABCACB;3C具有最简单的立方闪锌矿结构,其堆垛顺序为ABC;15R具有菱方结构,如果用六角晶系描述,其沿c向的堆垛顺序为ABCACBCABACABCB。

    1.2 SiC半导体材料的基本性质

    表1:SiC与其他半导体材料基本性质的比较

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    SiC相对于Si而言拥有更为优越的物理性质,具体如下:

    (1)禁带宽度大,接近于Si的3倍。禁带宽度大,可以保证器件在高温工作下的长期可靠性。半导体器件在较高的温度下,会产生载流子的本征激发现象,造成器件失效。禁带宽度越大,器件的极限工作温度越高。Si器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而SiC器件的极限工作温度可以达到600℃以上。

    (2)临界击穿电场强度大,是Si的10倍。用SiC制备器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度,并大大降低器件的导通损耗,使得SiC适用于制备高压、大功率器件,比如二极管、功率晶体管、功率闸流管。

    (3)热导率高,超过Si的3倍。高热导率有助于SiC器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度。与传统器件相比,SiC器件工作产生的热量可以很快地从衬底散发,而不需要额外的散热装置,实现设备的小型化,这对于航空航天、军用雷达等对设备质量有严格要求的应用领域来说非常重要。

    (4)饱和电子漂移速率大,是Si的2倍。这决定了SiC器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。

    因为这些特点,SiC器件的使用极限性能远远优于Si器件,可以满足高温、高频、大功率等苛刻条件下的应用需求。SiC半导体材料的高硬度和高化学稳定性也保证了SiC器件的稳定性。此外,SiC还是外延生长GaN的优质衬底材料,在GaN微波功率器件和半导体照明领域也占有重要地位。SiC作为半导体材料,有着重大的应用价值和广阔的应用前景,具有非常重要的研究意义。

    1.3 SiC单晶材料的研究进展

    如上所述,SiC单晶是宽带隙半导体材料的典型代表,是制备高温、高频、大功率电子器件的关键材料,同时又是制备绿、蓝、紫外光LED的理想衬底材料。第一支蓝光LED的成功制备,大大加快了SiC单晶商品化的进程。而SiC半导体器件技术的发展又得助于SiC衬底的商品化,特别是单晶直径的不断扩大,晶体质量日益提高。因此,材料与器件两者是相辅相成,互相促进的。

    当前SiC器件的进展包括:

    (1)以SiC为衬底的高亮和超高亮度蓝绿InGaN基LED,器件利用了6H-SiC导电特性。

    (2)SiC肖特基势垒管(Schottkybarrier diode,SBD)已经商品化,器件的阻断电压和导电电流不断增加,从最初的300V/10A和600V/6A实际增加到600V/20A和1.2kV/50A,而且商品化的3.3kV SiC肖特基势垒管已经可用。因此,未来在600V~3kV的范围内,SiC肖特基SBD可最终取代Si的p-i-n功率整流管。

    (3)SiC MOSFET已经商品化,其中Cree可提供1.2kV、33A的SiC MOSFET;Rohm则能供应35A、1.2kV、80mΩ包埋式的SiC MOSFET。

    (4)p型沟道SiC IGBT,在温度200℃,VG=-20V时,开通阻抗为24mΩ·cm2。25℃下,p型沟道阻断电压为10.2kV,漏电流密度为1.0mA/cm2。

    (5)在半绝缘SiC衬底上制备的GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)在2.9GHz下总的输出功率为800W,在3.5GHz下输出功率超过500W。

    上述器件利用了SiC独特的电学和热物理性质,这些性质包括:高温下工作时材料的宽带隙;高功率输出时材料具有高临界击穿电场;高频工作时材料具有高饱和电子迁移率;高功率器件工作时材料具有高热导率。

    2 SiC半导体器件及相关应用

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    2.1 SiC功率半导体器件及其应用

    以碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体大功率电力电子器件是目前在电力电子领域发展最快的功率半导体器件之一。SiC半导体材料以其优异的物理和化学特性决定了SiC基电力电子器件在高压、高温、高效率、高频率、抗辐射等应用领域具有极大的优势,极大地提高了现有能源的转换效率。不仅在直流、交流输电,不间断电源,开关电源,工业控制等传统工业领域广泛应用,而且在太阳能、风能等新能源领域也具有广阔的应用前景。

    (1) SiC功率二极管

    (a) SiC肖特基二极管(SBD)

    (b) SiC 结势垒肖特基二极管(JBS)

    (c) SiC p-i-n二极管(p-i-n)

    (2) SiC功率晶体管

    (a) SiC金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)

    (b) SiC结型场效应晶体管(JFET)

    (c) SiC双极型晶体管(BJT)

    (d) SiC绝缘栅双极晶体管(IGBT)

    (e) SiC晶闸管

    2.2 SiC高温传感器及其应用

    传统的压力传感器以弹性元件的形迹指示压力,以机械结构的器件为主。随着半导体技术与MEMS技术的发展,压力传感器能够以体积小、质量小、准确度高、温度特性好占据主要地位。但是,随着使用范围的扩展,尤其是恶劣环境下(如高温、强辐射等条件),以Si材料为基础的压力传感器已不堪重任。Si材料本身的禁带宽度、化学性质、机械性能都不足以满足这些要求。

    (1) SiC高温温度传感器

    (2) SiC高温压力传感器

    (3) SiC高温气敏传感器

    2.3 SiC紫外光电探测器及其应用

    SiC半导体材料优异的热学特性和抗辐照特性,使SiC成为制备紫外光电探测器的首选材料之一。尤其针对高温、强辐射、宇宙空间等特殊环境,常规的Si基器件显然无法适应,SiC半导体材料势在必行。

    相比于同类结构的Si紫外光电探测器,SiC紫外光电探测器的优势也十分明显。首先,SiC为宽禁带半导体,3.26eV的禁带宽度对应于380nm的紫外光波长,对可见光及红外光自然屏蔽;而Si的禁带宽度仅为1.12eV,其光谱响应包含可见光区,使用前需要加上滤光片以减小或消除可见光或者红外线对探测结果的影响。其次,紫外光在Si中的透入深度很浅,受表面复合的影响,Si紫外光电探测器的量子效率较低。最后,SiC半导体材料的抗辐射能力明显强于Si材料,辅之以优异的热特性(热导率约为Si的3倍,且电学性质基本不受温度影响),使得SiC紫外光电探测器应对特殊环境的能力以及使用寿命都远远超出Si紫外光电探测器。

    (1) SiC基于PN结的光电二极管

    (2) SiC基于肖特基结的光电二极管

    (3) SiC紫外光电探测器

    来源:小小光08

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  • 原子模型历史变迁

    2021-02-05 06:32:59
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    2019/01/02 作者/EWG1990仪器学习网

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    532a2a2681376d3ffae1965c9dd54deb.png

    一、物理干扰

    物理干扰是指溶质和溶剂的物理特性发生变化引起吸光度下降的效应,主要指由于液的黏度、表面张力、密度等的差异引起的雾化效率、溶剂和溶质的蒸发速率等变化而造成的干扰。含有大量的基体元素及其他盐类或酸类也影响到溶液的物理性质(产生基体效应也会产生干扰。物理干扰是非选择性干扰。

    消除物理干扰的方法有:

    ①避免使用黏度大的酸作为介质,降低试液黏度;

    ②加入一些有机溶剂;

    ③配制与被测试样组成相似的标准溶液;

    ④当样品溶液浓度较高时,可稀释试液。

    无火焰原子吸收中的物理干扰包括:

    ①进样进样体积的大小、位置和几何形状都会产生影响;

    ②记忆效应,待测元素残留在原子化器中造成的积累干扰称为记忆效应;

    ③石量管表面状态改变,在使用过程中使其表面变得疏松多孔导致样品流失和渗透,使扩散损失增大;

    ④冷凝作用,石墨管中央温度高而两端低,当原子化蒸气从高温区向低温区迁移时可能发生原子蒸气的冷凝。

    在无火焰原子吸收中消除物理干扰的方法有:采用自动进样器以保证进样条件一致;为减少记忆效应而提高原子化温度和延长原子化时间在一次测量之后用空烧或增加一步高温清洗;采用涂层石墨管;为减小石墨炉产生的误差要经常校正,发现不适于定量时及时更换石墨管;为避免冷凝作用在紧贴原子化器的有限范围内测定,或采用氩氧混合气作为载气。

    二、背景吸收干扰

    背景是一种非原子吸收现象,多数人认为主要来自:

    (1)光散射(微固体颗粒引起) 火焰中的气溶胶固体微粒存在,会使入射光发生散射,产生高于真实值的假吸收,使结果偏高。

    (2)分子吸收 分子吸收是指在原子化过程中生成的气体分子、氧化物及盐类分子对辐第三射吸收而引起的干扰,包括火焰的成分,如OH、CH、NH、CO等分子基因吸收光源辐射;低温火焰中常存在碱金属和碱土金属的卤化物的吸收,如NaCl、KCl、CaCl2等双原子分子在波长小于300mm的紫外区有吸收带;在高温火焰中碱土金属的氧化物或氢氧化物也会吸收辐射,如Ca(OH)2的吸收带干扰钡553.56nm的吸收峰。

    图1示出了钠的卤化物分子的吸收谱带。光散射是指在原子化过程中产生的固体微粒对光产生散射,使被散射的光偏离光路不为检测器所检测,导致吸光度值偏高。

    背景吸收除了波长特征之外,还有时间、空间分布特征。分子吸收通常先于原子吸收信号之前产生,当有快速响应电路和记录装置时,可以从时间上分辨分子吸收和原子吸收信号。样品蒸气在石墨炉内分布的不均匀性,导致了背景吸收空间分布的不均匀性。

    提高温度使单位时间内蒸发出的背景物的浓度增加,同时也使分子解离增加。这两个因素共同制约着背景吸收。在恒温炉中,提高温度和升温速率,使分子吸收明显下降。

    在石墨炉原子吸收法中,背景吸收的影响比火焰原子吸收法严重,若不扣除背景,有时根本无法进行测定。

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    图1 卤化钠的分子吸收谱带

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    (3)火焰产生吸收现象 为消除背景干扰的影响,人们提出了各种方法。火焰原子化法中使用高温强还原性火焰,是一种有效的方法,但这样的火焰会使一些元素的灵敏度降低,并非适用于所有元素的测定。利用空白试液进行校正,配制与待测试样含有相同浓度基体元素的空白试液,测定其背景吸收值,再在试液测定中减去,可以达到校正的目的。此法虽然简单易行,但必须事先了解试样的基体元素及含量,往往会存在困难。

    表1列出了空气乙炔火焰中一些元素分子吸收光谱的分布范围、最大吸收波长及其强弱程度。

    表1 空气乙炔火焰中的分子吸收光谱

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    ①A表示吸收值大,B表示中等程度吸收。

    石墨炉中,分子吸收是在灰化、原子化阶段,某些稳定的化合物以分子形式蒸发进入吸收区或某些化合物分解形成的小分子进入吸收区产生。表2列出了部分盐类分子吸收波长范围及最大吸收波长。表中分子一列的含义是如H2SO4的吸收光谱,主要是SO2产生的分子吸收,磷酸盐的吸收光谱是磷的氧化物的分子吸收。

    表2 部分盐类分子吸收波长范围及最大吸收波长

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    ①吸收波长的中心位置。

    散射背景是指原子化过程中产生的固体微粒对光源辐射光的散射而形成的假吸收。当基体浓度大时,由于热量不足,基体物质不能全部蒸发,一部分以固体微粒状态存在。微粒散射光强度与微粒本身的大小和入射光的波长有关,当微粒的直径小于入射光的波长的1/10时,服从瑞利散射定律:

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    式中,I为散射光强度;N为产生散射光的微粒数;λ为入射光的波长;V为微粒的体积。散射光强度和波长的四次方成反比。随着微粒直径的增大,不再遵守瑞利散射定律,而是遵守米氏散射定律,即散射强度与波长无关。

    散射对吸收线位于短波区的元素的测定影响较大,当基体浓度高时,或使用长光程火焰、发亮火焰或全消耗火焰进行测定时,更要注意散射的影响。

    在原子吸收光谱法中,由分子吸收和光散射产生的表观的虚假吸收可以采用各种背景校正技术消除,最常用的一种是连续光谱法(氘灯法),即用氘灯测定背景吸收,再从测得的表观总吸收值中减去背景吸收值,得到真实吸收值;另一种常用的方法是利用塞曼效应校正背景的方法。其他较常用的还有双波长法、共振线吸收法、时间分辨测光法和波长调制法等(以上方法将原子吸收光谱分析中的背景校正技术中作较详细的介绍)以上各种背景校正技术都为光学方法,其他的方法还有石墨炉原子吸收中增加灰化温度,加入基体改进剂,利用电容放电高速加热和平台技术,在灰化阶段引入氧气和采用适当的升温程序等。在火焰原子吸收中采用高温火焰和用与试剂溶液相似成分的标准溶液作工作曲线的方法来消除背景吸收干扰。

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  • 我们提出一种现象学方法,以检查短程和长程核子-核子相关性在原子核中单粒子强度猝灭及其在不对称核和中子物质中演化中作用。 这些相关被认为是在(e,e'p),(p,2p)和转移反应中观察到光谱因子淬灭...
  • 由于分子内原子间的相互作用,分子的物理和化学性质不仅取决于组成原子的种类和数目,更取决于分子的结构。 分子扩展 原子(atom): 指化学反应不可再分的基本微粒,原子在化学反应中不可分割。但在物理...

    物质:

    是由分子和原子组成的,分子的破裂和原子的重新组合是化学变化的的基础。

    分子:

    是由组成的原子按照一定的键合顺序和空间排列而结合在一起的整体,这种键合顺序和空间排列关系称为分子结构。由于分子内原子间的相互作用,分子的物理和化学性质不仅取决于组成原子的种类和数目,更取决于分子的结构。

    分子扩展

    原子(atom):

    化学反应不可再分的基本微粒,原子在化学反应中不可分割。但在物理状态中可以分割。原子由原子核和绕核运动的电子组成。原子构成一般物质的最小单位,称为元素。已知的元素有118种。 [1-2]  因此具有核式结构。

    原子由原子核和核外电子组成。原子核由质子和中子组成。
    (氢原子例外,只由一个质子和一个电子组成)。

    原子扩展

    中子不带电,质子带正电,电子带负电。

    中子和质子由夸克组成。

    夸克(英语:quark):

    是一种参与强相互作用的基本粒子,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子。强子中最稳定的是质子中子,它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象,夸克不能够直接被观测到,或是被分离出来,只能够在强子里面找到。基于这个原因,我们对夸克的所知大都是间接的来自对强子的观测。

    夸克扩展

    分子、原子、原子核、中子、质子、电子属于微观粒子,通称为量子。

    量子:

    一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。量子英文名称量子一词来自拉丁语quantus,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”。在物理学中常用到量子的概念,指一个不可分割的基本个体。例如,“光的量子”(光子)是一定频率的的基本能量单位。而延伸出的量子力学量子光学等成为不同的专业研究领域。其基本概念为所有的有形性质是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值是离散的,而不是连续地任意取值。例如,在原子中,电子的能量是可量子化的。这决定了原子的稳定性和发射光谱等一般问题。绝大多数物理学家将量子力学视为了解和描述自然的基本理论

    通俗地说,量子是能表现出某物质或物理量特性的最小单元

    量子扩展

    电子:

    是最早发现的基本粒子。带负电,电量为1.602189×10-19库仑,是电量的最小单元。质量为9.10953×10-28克。 常用符号e表示。1897年由英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生在研究阴极射线时发现。一切原子都由一个带正电的原子核和围绕它运动的若干电子组成。电子的定向运动形成电流,如金属导线中的电流。利用电场和磁场,能按照需要控制电子的运动(在固体、真空中),从而制造出各种电子仪器和元件,如各种电子管、电子显微镜等。电子的波动性于1927年由晶体衍射实验得到证实。

    离子:

    是指原子由于自身或外界的作用而失去或得到一个或几个电子使其达到最外层电子数为8个或2个(氦原子)或没有电子(四中子)的稳定结构。这一过程称为电离。电离过程所需或放出的能量称为电离能。

     

    参考:

    http://www.mofangge.com/html/qDetail/05/c0/201310/rmc1c005145851.html

    https://blog.csdn.net/zkq_1986/article/details/79202425

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    石墨烯的出现,二维材料体系研究因其独特的物理特性受到极大的关注。尤其近两年“魔角”石墨烯的超导能力,开辟了凝聚态物理的新领域,因此二维材料的电学性质表征显得尤为重要。在本次讲座中主要涉及到高分辨导电原子力、环境可控表面电势以及基于微波技术的最近扫描电容显微镜在二维材料等领域的一些电学性质新进展。欢迎您报名参加!

    日期:2020年12月8日9:30-10:00

    报名方式点击文阅读原文报名,席位有限先到先得

    注意事项:

    • 听课链接将在会议开始前通过电话、短信和邮箱通知,请在报名时填写正确的信息。

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    刘志文 博士

    牛津仪器应用工程师

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    2006年博士毕业于大连理工大学三束国家重点实验室,利用AFM, TEM, XRD等技术手段研究PVD制备的氧化物薄膜的生长机制。曾任安捷伦科技纳米测量部应用科学家,主要从事AFM的应用工作。现为牛津仪器的资深应用科学家,从事原子力显微镜的应用推广、测试方法的研究以及AFM相关的多系统耦合。

    欢迎关注牛津仪器

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    400 678 0609  |  www.oxinst.cn

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  • 在产酸博德特氏菌中鉴定出的含锌酶HDAC样酰胺水解酶(FB188 HDAH)与参与表观遗传机制(例如组蛋白... 通过计算化学技术和量子力学理论的应用,可以通过研究相互作用分子的晶体结构来定义分子复合物的物理化学动力学。
  • 中微子的通量控制着地球绕太阳运动,电子轨道,物质的物理化学特性,而质子-中子的转换则负责核键和核稳定性。 机械和化学领域是众所周知的,但由于缺乏亚原子尺度的实验技术,核的结构和核键的性质仍然是个谜。 ...
  • 必考知识点一原子:化学变化中的最小微粒。(1)原子也是构成物质的一种微粒。...(1)构成物质的每一个分子与该物质的化学性质是一致的,分子只能保持物质的化学性质,不保持物质的物理性质。(2)“最小”不是绝对意义...
  • 原子力显微镜,它是继扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)之后发明的一种具有原子级高分辨的新型仪器,可以在大气和液体环境下对各种材料和样品进行纳米区域的物理性质包括形貌进行探测,或者直接进行...
  • 物理基础

    2017-12-28 22:27:04
    由于分子内原子间的相互作用,分子的物理和化学性质不仅取决于组成原子的种类和数目,更取决于分子的结构。 -----1、大多数非金属单质 如氧气、氢气、硫、磷等 -----2、共价化合物(一般是非金属元
  • 实践表明极微量的杂质和缺陷,能够对半导体材料的物理和化学性质产生决定性的影响。理论分析认为,杂质和缺陷的存在会使周期性势场受到破坏,在禁带中引入能级。 第1部分 硅锗晶体中的杂质能级 杂质进入半导体以后的...
  • 物理喷束淀积技术制备了过渡金属[60]富勒烯盐C60Ni薄膜,研究了Al/C60Ni/ITO光电池光伏效应和正反向电学特性并与Al/C60/ITO膜进行了比较.用界面偶极电场解释了Al/C60Ni界面光伏效应和整流效应增强,表明在该样品...

空空如也

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原子的物理性质