安全器件（共10篇）
安全器件 篇1
电火花是随着电路的接通和断开而产生的, 是电源能量和电路中储能元件储存的能量, 在通断电路点的放电现象。限制电火花能量从而达到安全的目的, 这正是本质安全电路需要做的工作。本质安全设备是爆炸性危险场所经常使用的设备, 本质安全型“i”是一种重要的防爆型式。本文通过介绍几种器件的应用, 分析设计本质安全电路时需要注意的问题, 并结合实例进行说明。
1 定义
本质安全电路:在GB3836.4-2010规定的条件下, 包括正常工作和规定的故障条件, 产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。
本质安全设备:所有电路为本质安全电路的电气设备。
本质安全型“i”:电气设备的一种防爆型式, 它将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。
2 介绍几种器件的应用
2.1 二极管
有些电池充电端直接施加在电池两端, 而未经过限流电阻, 这样就存在电池通过充电端子放电的危险。为防止该危险, 可以在电池的充电回路中串联防止电池放电的反向二极管, 二极管的个数需要根据保护等级确定。还有些电池充电端虽未直接施加在电池两端, 而是经过一级保护板, 如锂电池, 但是根据保护等级施加故障, 同样存在电池通过充电端子放电的危险。这里需要注意的是, 二极管必须与电池灌封为一个整体, 如果加在充电器中, 则形同虚设。灌封就是为保证电路本质安全性能的需要, 将电路中某些电气元件或电路的某一部分用绝缘胶 (如环氧树脂、硅橡胶等) 灌封起来构成一个整体, 以达到防爆的目的。
外部供电的本质安全设备, 电源输入端可以串联二极管, 从而减小设备最大内部电容Ci。因为电容无法通过反向二极管并联到电源端。二极管的个数仍然需要根据保护等级确定。这里需要特别注意的是, 选用关联设备时, 关联设备的最高输出电压Uo不能大于本质安全设备的最高输入电压Ui。
在隔爆兼本质安全型声光报警器的报警电路中, 常常会有比较大的电容。这个电容还不能减小到满足本质安全的范围, 否则声音会比较小, 不满足声级强度的要求。为了解决这个问题, 可以在报警电路的供电回路中串联二极管, 并将整个报警电路包括二极管灌封起来, 只将喇叭放在外面。这样电容就无法通过反向二极管放电到爆炸性环境。同时要考虑电容不能通过喇叭放电。二极管的个数根据保护等级确定。
在设计隔爆兼本质安全型电源时, 为了滤波, 在输出端会串联电感。但是这个电感会减小电源的最大外部电感Lo, 即减小电源的带感性负载能力。为了解决这一矛盾, 可以在电感两端并联二极管, 电感通过二极管放电, 从而减小本质安全电源输出能量。二极管的个数需要根据保护等级确定。燃气表、本质安全型电动球阀内部的电机电感值一般比较大, 如果电机是单向的, 也可以在电机两端并联二极管。这样电机通过二极管放电, 实现本质安全电路。在这里电机和二极管必须灌封为整体, 电机无端子直接放电到爆炸性环境。前面讲到的隔爆兼本质安全型电源输出端的电感和二极管不需要灌封为整体是因为置于隔爆壳体内。
2.2 光耦
光耦可用于隔离本质安全电路与非本质安全电路, 特别是信号的隔离。比如隔爆兼本质安全型分站, 输入信号是本质安全的, 内部电路是非本质安全的, 这时就可以采用光耦进行隔离。
即使隔爆兼本质安全型分站的输入信号是本质安全的, 内部电路也是本质安全的, 也要考虑光耦隔离。这样做的目的是为了对多路信号进行隔离, 防止多路信号发生并联, 进而多路电源发生并联, 不满足本质安全电路的要求。在设计大的系统时, 比如监控系统, 也要考虑隔离, 防止信号发生并联, 进而多路电源发生并联, 不满足本质安全电路的要求。在设计有多路电源输出的隔爆兼本质安全型电源时, 各路输出电源之间不允许共地, 也是为了防止多路电源发生并联, 影响本质安全性能。
2.3 继电器
在起动器等大型设备中, 经常用到继电器, 用于本质安全信号控制非本质安全电路的通断。一般情况下, 本质安全电路和非本质安全电路不允许接到同一个继电器的不同触头上, 否则需用绝缘隔板或接地金属隔板隔离。
2.4 电阻
燃气表、本质安全型电动球阀内部的电机如果是单向工作, 可在电机两端并联二极管实现本质安全电路。如果是双向工作, 可采用串联电阻或是并联电阻的方式进行处理, 实现本质安全电路。串联电阻就是通过减小电机的工作电流, 从而满足电机的本质安全性能, 同时还必须考虑满足电机的工作性能。并联电阻与并联二极管的原理类似, 只是并联电阻可用于双向工作的电机, 电机可通过电阻放电, 实现本质安全电路。在这里电机和电阻必须灌封为整体, 电机无端子直接放电到爆炸性环境。
电阻用来限制电池电流, 不考虑电池内阻, 要求电阻功率P≥ (U2/R) ×1.5, 其中U是电池电压, R是电阻值。这时P往往比较大, 因为R不可能选得很大。为了满足本质安全性能, 电池和限流电阻需要灌封为整体, 如果电阻功率太大, 体积就大, 就不太好和电池一起灌封在电池盒内。为此, 可再串一只熔断器, 这时电阻功率只需要满足P≥1.5× (1.7×In) 2×R, 其中In是熔断器额定电流。
对于相比电压等级电容偏大的电路, 可串联限流电阻, 实现本质安全性能。将电容和电阻灌封为整体, 这样就有一个等效电容, 等效电容的大小由原电容和降低系数的乘积获得。串联电阻越大, 降低系数越小, 等效电容就越小。
3 结语
本文简单介绍几种器件在本质安全电路中的典型应用, 分析设计本质安全电路时需要注意的问题, 及可以采取的解决方式。具体电路需按照可靠器件、计数故障与非计数故障进行分析, 包括器件的功率、电压、电流、间距等具体内容。
参考文献
[1]GB3836.4-2010.爆炸性环境第4部分:由本质安全型“i”保护的设备[S].
[2]康华光.电子技术基础模拟部分[M]. (第四版) .北京:高等教育出版社, 1999.
国产MEMS器件性能突破 篇2
[关键词] 集成电路 电磁传感器 MEMS
[中图分类号] TN492 [文献标识码] D [文章编号] 1674-2583（2014）06-016-01
两款由本土代工厂制造的MEMS器件
2014松山湖中国IC创新高峰论坛发布两款本土MEMS器件采用了本土代工厂商制造。矽睿科技是采用了华虹宏力的代工。据矽睿科技总经理谢志峰透露华虹宏力同时也是矽睿的小股东，技术入股矽睿，不仅提供了部分用的到的工艺及生产技术，也从某种角度上也为矽睿有力的保证了产能。苏州敏芯的硅麦克风产品代工选择的则是华润上华，在其6寸线上实现了量产。
“从全球来看，MEMS代工业都是滞后于MEMS市场的，就连台积电也是这几年才开始有能力量产的，本土代工厂做MEMS更是鲜尔有之。”对此，谢志峰表示，其实MEMS代工大部分都是IC厂商和代工厂商合作的，产品工艺和工程师都是属于IC厂商的，代工厂只是导入了IC厂商的工艺。除了在英特尔呆过，谢志峰在特许半导体和中芯国际曾积累了16年的晶圆代工经验。成立于2012年的矽睿科技2款产品均为一次流片成功。“这在行业内是很罕见的，以前我们在英特尔的时候4次流片才有一次成功，运气确实不错。”他补充道。
“MEMS产品从晶圆制造、到封装、测试，很多都是定制化的，其实难点不在设计方面，重要的是工艺，需要找到一个可实现的工艺平台，而这个平台还是掌握在我们手里。”苏州敏芯首席运营官张辰良表示。MEMS代工全流程，包括晶圆、封装和测试，达到全部本土化，这在保证制造成本、产能及技术沟通方面，都意义非凡。
矽睿AMR磁传感器QMC6983
得到霍尼韦尔各向异性磁阻（AMR）磁传感器技术的独家授权后，矽睿于去年秋天得以推出其首款产品：AMR磁传感器QMC6983，“明年我们预计推出终极版产品QMC7983。” 谢志峰透露。终极版QMC7983的尺寸将做到1.2*1.2mm，目前6983的是1.6*1.6mm。
QMC6983拥有内置自检验功能和温度漂移补偿模块，因此可以实现高精度和更好的可靠性，除了得到越来越多的智能手机厂商的采纳，该产品还已批量应用于便携式智能终端、汽车电子、智能停车场、智能航模等领域。“与其他器件不同，传感器只卖硬件是没人要的，必须提供完整应用方案。” 谢志峰表示在客户需求下，他们花费了大量精力来微调应用软件。 未来矽睿科技也计划进军6轴传感器和9轴传感器，并计划在其传感器中集成MCU。
敏芯前进音高信噪比硅麦克风
随着移动互联网及手机产量的增长，市场对硅麦克风的需求剧增。苏州敏芯是一家为数不多的同时掌握MEMS技术和ASIC技术的本土厂商。
苏州敏芯首席运营官张辰良在其演讲中介绍道，“选择前或后进音硅麦一般取决于结构设计，前进音应用的优点是易于贴片，不足是信噪比低；后进音应用的优点是信噪比高，不足点是贴片良率低。前进音产品应用主要瓶颈是信噪比做不高，而敏芯的±1dB硅麦克风MSM381A3729H3-C，采用了前进音封装，具有62dB的高信噪比和高灵敏度，适用于高端降噪应用。一般竞争性前进音产品的信噪比在58-59dB左右。”
他在演讲中指出达到高信噪比（SNR）的硅麦克风会开拓更多的应用，包括：语音识别：如果信噪比高1-2dB，语音识别率可以提高5-10% ；远距离语音识别应用：如视频会议、ITV、IPC等；多（双）硅麦降噪系统，语音识别算法简单，功耗低；高保真录音应用、手机免提应用、助听器应用。
安全器件 篇3
1 加密认证系统结构及原理
1.1 系统硬件设计
本加密认证系统的硬件电路结构简洁,其原理如图1所示,由Microchip公司的PIC18F25K80单片机和Maxim公司的DS28E01-100加密芯(以下简称安全器件)组成。单片机与安全器件之间采用单总线连接,由一个10 kΩ的上拉电阻接5 V电源供电[1,2]。
PIC18F25K80作为被加密的主机与安全器件间的数据通信遵循1-Wire协议,通讯速率可达125 kbit·s-1。通信数据及定时同步由单线完成,仅需占用主机的一个I/O口,可最大限度节约主机的硬件资源[3,4,5]。
1.2 DS28E01-100芯片加密原理
DS28E01-100芯片内部包含512 位 SHA-1(Secure Hash Algorithm-1)引擎、CRC16(Cyclical Redundancy Check,循环冗余码校验)发生器、64位光刻 ROM、一个全功能的1-Wire接口和4个存储区。4个存储区主要由数据存储器、密钥存储器、含有特定功能和用户字节的寄存器页和暂存器构成。数据存储器每页32 Byte。密钥存储器、寄存器页和暂存器均为8 Byte。在向数据存储器写数据,装载初始密钥或向寄存器页写入数据时,暂存器作为缓存器使用。
安全器件的加密认证过程采用符合ISO/IEC110118-3安全散列算法(SHA-1)的随机质询-响应机制,原理如图2所示。单片机系统每次上电或复位后,主机首先发送5 Byte的随机质询数给安全器件,安全器件启动SHA-1引擎:基于随机数、主机指定页的存储器数据、56位序列号、64位密钥计算出160位的信息认证码(Message Authentication Codes,MAC)。
同时,主机内部将根据相同的数据采用SHA-1算法计算出一个期望的MAC,然后与安全器件发送的MAC进行比较,若两者匹配,则认证成功,主机进入正常工作状态;否则认证失败,主机进入非正常工作状态。
1.3 DS28E01-100功能命令
主机要进行上述质询-响应认证过程,必须遵循安全器件的存储器操作命令协议向其发送功能命令。安全器件收到功能命令后才可执行相应的功能。系统主要使用的功能命令如表1所示[6,7,8]。
2 系统程序设计
2.1 SHA-1算法模块程序设计
由于质询-响应认证过程中主机也采用SHA-1算法计算MAC,为此设计了符合SHA-1算法要求的MAC计算程序模块。SHA-1算法主要使用:逻辑反或1的补码(“-”)、异或(“⊕”)、逻辑或(“∨”)、逻辑与(“∧”)、赋值(“:=”)等运算符。文中所采用的安全散列算法计算流程如图3所示。
在图3中,输入数据Mt由随机数、主机指定页的存储器数据、56位序列号和64位密钥组成。
常数序列Kt(0≤t≤79)定义为:Kt:=5A827999h,0≤t≤19;6ED9EBA1h,20≤t≤39;8F1BBCDCh,40≤t≤59;CA62C1D6h,60≤t≤79。
变量A、B、C、D、E初始化如下:A:=67452301h;B:=EFCDAB89h;C:=98BADCFEh;D:=10325476h;E:=C3D2E1F0h。
布尔运算函数为
主机即可根据以上数据及图3所示的流程计算出160位的MAC[8]。
2.2 质询-响应认证程序设计
若芯片订购者无特定要求,DS28E01-100芯片在出厂时存储器内数据均为0x00,因此在系统使用前需先向安全器件的密钥存储器中写入自定义的64位数据。
而主机首先必须使用密钥存储器起始地址(80h)将新的密钥数据写入暂存器,发出首次装载密钥命令(5Ah)后,主机将提供一个3 Byte的授权码(依次为TA1,TA2,E/S),此数据通过上一条读暂存器命令获得,这3 Byte数据必须与3个地址寄存器中的数据完全匹配,若数据匹配,则安全器件开始将暂存器中的数据复制到密钥存储器中,复制成功置位AAh标志。
待写完密钥存储器后,需向数据存储器的4页1 024位数据存储单元中写入自定义数据,写数据存储器由复制暂存器(55h)功能命令完成。其过程与首次装载密钥命令过程类似,授权码匹配后安全器件将启动SHA引擎:基于当前密钥、暂存器中的所有数据、所寻址暂存器的前28 Byte数据以及身份寄存器的前7 Byte计算一个160位的MAC,同时主机也可利用相同的数据采设计的SHA-1计算模块计算一个160位MAC。若两者数据匹配,安全器件开始将暂存器中的数据复制到数据存储器。由于暂存器每次只能写入8 Byte数据,而每页存储器含有32 Byte,因此上述过程要执行4次,才可更新一页数据存储器。
最终质询-响应认证过程将基于写入的密钥和存储器页数据而进行,该程序流程如图4所示。
系统主程序代码示例:进入主程序首先进行质询-响应认证,其中Authenticate_DS28E01(Page_num)即为质询-响应认证函数,Page_num为指定数据存储器的起始地址。若认证成功,则函数返回1,主循环中进入正常工作状态;反之则返回0,并进入非正常工作状态,通过相应的程序设计,可以按照系统开发者的意图,执行部分系统功能或完全关闭系统。
在认证过程中需注意:由于质询-响应数据采用1-Wire通信协议传送,而该通信协议对时间有一定的要求,即:位通信时隙内应禁止中断,避免破坏严格定时的位时隙。所以认证过程应在开机时进行或暂时关闭系统中断服务后,再进行认证。
同时,在上述数据复制操作过程中,1-Wire总线上的电平不能低于2.8 V,否则将有可能发生数据丢包的情况。
3 结束语
文中设计的PIC18F25K80单片机加密认证系统,在实际项目应用中取得了良好的效果。该设计方法同样适用于其他微控制器及嵌入式系统。通过此措施,可大幅提高单片机系统防复制的安全等级。同时通过添加相关程序模块,开发者可进行产品不同功能的授权,从而满足不同客户需求[9]。
摘要：为防止单片机程序被非法复制,设计了一种基于1-Wire安全器件DS28E01-100的单片机加密认证系统,并阐述了加密认证系统的结构原理;分析了SHA-1安全散列算法、写密钥存储器数据、写存储器数据、质询响应认证等模块的单片机程序设计方法。实际应用表明,采用此加密认证系统,可有效防止单片机程序的非法复制。
关键词：安全器件,单片机加密认证,1-Wire,DS28E01-100
参考文献
[1]裴瞳.从安全存储器到安全处理器Maxim提供全面的安全性支持[J].电子技术应用,2009,35(1):6.
[2]杨洪亮.单片机应用系统加密策略探究[J].微计算机信息,2008,24(5):85-87.
[3]Maxim Conpration.1-Wirecommunication through soft-ware[EB/OL].(2002-05-30)[2009-11-23]http://pdfserv.max-im-ic.com/en/an/AN126.pdf.
[4]Maxim Conpration.1-Wirecommunication with a micro-chip PICmicro Microcontroller[EB/OL].(2003-09-16)[2011-12-30]http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN2420.pdf.
[5]刘和平.PIC18Fxxx单片机程序设计及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.
[6]Maxim Conpration.保护您的研发成果——双向认证及软件功能保护[EB/OL].(2006-06-23)[2011-08-13]http://china.m-axim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/3675.
[7]Maxim Conpration.Challenge and Response with1-WireSHADevices[EB/OL].(2002-03-12)[2009-08-11]http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN190.pdf.
[8]Maxim Conpration.DS28E01-100data sheets[EB/OL].(2010-07-05)[2012-09-15]http://datasheets.max-im-ic.com/cn/ds/DS28E01-100_cn.pdf.
光传送网中光开关器件的进展 篇4
随着波分复用技术的广泛应用和光联网的发展，光开关将成为组建未来光网络的关键器件。光开关的类型有光微电机械开关、马赫-曾德干涉仪型开关、热光效应光开关、液晶光开关、喷墨气泡光开关、光栅开关和声光开关等。文章概述了这些光开关的原理，并进而介绍了光开关器件的最新进展。
关键词：
光开关；光联网；光微电机械开关；多功能集成
ABSTRACT:
With the wide application of the DWDM technology and the rapid development of the optical transport network, optical switches will become the key components for the construction of future optical networks. At present, various optical switches in terms of micro-opto-electro-mechanical system, Mach-Zender interferometer, thermo-optic effect,liquid crystals, bubbles, holograms and acousto-optic effect are under comprehensive research and development. In this paper, the basic principles of those devices are illustrated and the state-of-the-art advances of optical switches are introduced.
KEY WORDS:
Optical switch;Optical networking;Micro-opto-electro-mechanical system switch; Multi-function integration
1、引言
光传送网(OTN)是当前全光网络的发展趋势, 光联网的实现将依赖于新一代光开关、波分复用器、光衰减器和光放大器等元器件的进展。新一代器件的特征将是它们在光域性能的提高和多功能的集成。其中光开关是实现光传输路径变换的关键器件，被广泛应用于光层的路由选择、波长选择、光交叉连接器(OXC)、光分插复用器(OADM)、光网络监控、器件测试及自愈保护等方面。表征光开关的特性主要有开关速度、开关矩阵规模、损耗、串扰、偏振敏感性、可靠性以及可扩展性等参数。基于不同的应用，采用不同技术的光开关的发展不尽相同。图1展示了不同开关速度和端口数的开关的主要应用领域和发展趋势[1]。
2、光开关的类型和原理
传统的光开关主要有介质波导和机械两种类型。介质波导光开关的开关速度在微秒到亚毫秒量级，体积小且易于集成为大规模的阵列，但插入损耗、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都较差；机械光开关虽然有较低的插入损耗和串扰，但体积庞大，不适合用于大规模开关矩阵及OXC应用。
在传统光开关技术进一步发展和应用的同时涌现了许多新技术，主要包括光微电机械开关、铌酸锂晶体或半导体的马赫－曾德干涉仪型开关、喷墨气泡开关、热光效应光开关、液晶光开关、全息光栅开关和声光开关等[2]。
2.1光微电机械开关
光微电机械开关(MOEMS)通过静电或其他控制力使微镜或光闸产生机械运动，从而改变光的传播方向、实现开关功能。其所示为二维MOEMS 8×8光开关，在芯片上集成了微反射镜阵列，以斜线表示，通过施加静电力控制其旋转，图2中有5个微镜处于反射状态。这种二维光开关阵列插入损耗小于4dB，开关时间小于10 ms。由于受光程损耗的限制，最大可以实现32×32端口。也可采用更先进的三维解决方案，它在N个输入光纤和N个输出光纤之间仅使用2N个微镜，由于每个微镜都有N个可能的位置，从而实现N×N开关阵列，突破二维方案的端口限制[3]，但其驱动结构和监控设备较复杂，成本也随之增加。
MOEMS开关可用类似集成电路的工艺成批生产，成本低、竞争力强。由于其特性与光信号的格式、波长、协议、调制方式、偏振、传输方向等无关，在损耗、扩展性上优于其他类型，因此MOEMS光开关阵列有可能成为核心光交换器件中的主流。美国Xros公司利用两个相对放置的各有1 152个微镜的阵列实现了1 152×1 152的大型交叉互连，总容量比传统电交叉互连提高了约两个量级。朗讯公司推出的WaveStar LamdaRouter光波长路由器，可实现256×256的光交叉互连，节约25%的运行费用和99%的能耗。目前此类器件的提供商有OMM、朗讯、北电、IMM、Cronos、Memscap、 Calient等公司。
2.2马赫-曾德干涉仪型开关
马赫-曾德(M-Z)干涉仪型光开关由两个3 dB耦合器和两个波导臂组成，通常在铌酸锂衬底上制作一对平行光波导，波导两端分别连接一个3 dB的Y形分束器。向波导臂注入电流将改变光开关的折射率，使光程相应变化，形成相干增强或相消，达到开关的目的。其优点是开关速度快，在微秒量级；缺点是消光比仅20 dB左右。
为提高开关速度和实现更低的插入损耗，可利用半导体光放大器集成对称马赫-曾德型全光开关，将半导体光放大器集成在硅基平面干涉仪的两臂上。通过对两臂施加超短控制光脉冲(宽度2 ps，频率10 GHz)，利用半导体光放大器的非线性，实现接近矩形的开关窗口，开关速度不受限于载流子寿命，最快能达到皮秒(ps)量级。
在M-Z干涉仪型开关中采用多模干涉耦合器(MMI)替换3 dB耦合器能得到更好的性能。MMI的原理是利用多模波导中的自映像效应，即在传播方向上周期性出现输入场的映像。贝尔实验室报道了4×4光开关的研究结果[4]，研究中使用1个多模干涉耦合器M-Z代替3个1×2的开关，使得器件结构更加紧凑，随之损耗降低为2.8 dB，串扰为35.2 dB。利用这种结构可很容易扩展到8×8、16×16的开关矩阵。
2.3热光效应光开关
利用热光效应对光场的调制可用于制造小型的如1×2光开关。通过集成多个1×2光开关也可组成较大的阵列。目前有2种类型热光开关：干涉式光开关、数字光开关(DOS)。干涉式光开关主要利用M-Z干涉原理，在两个波导臂上镀有金属薄膜加热器形成相位延时器，通过控制加热器实现干涉的相长或相消，达到开关的目的。干涉式光开关结构紧凑，但对光波长敏感，需要进行精密温度控制。数字光开关的原理和结构都很简单，最基本的1×2热光开关由在硅基底上制做的Y形分支矩形波导构成。在波导分支表面沉积金属钛或铬形成微加热器。当对Y形的一个分支加热时，相应波导的折射率会发生改变，从而阻止光沿该分支的传输。数字光开关的性能稳定在于只要加热到一定温度，光开关就保持同样的状态。它通常用硅或高分子聚合物制备，聚合物的导热率较低而热光系数高，因此需要的功耗小，消光比可达20 dB，但插入损耗较大，一般为3～4 dB。热光开关阵列可以和阵列波导光栅集成在一起组成光分插复用器，并利用聚合物进行规模生产。目前研究开发商有NTT Electronics、JDSU、Corning、阿尔卡特等公司。热光开关的缺点为响应时间较长，在毫秒量级，开关速度受到限制。
2.4液晶光开关
液晶光开关通过电场控制液晶分子的方向实现开关功能。其典型工作原理如图3所示。图3中在相距一定距离的两平板之间均匀排列着向列相液晶，当没有外加电压时(见图3a)，向列相液晶的指向大致平行于平板表面，液晶分子与互相垂直的偏振片A、P的夹角均为45°，此时光透过率最大，开关为通状态；当施加外场E时(见图3b)，液晶分子长轴最终平行于外场(见图3c)，液晶将不影响入射光的偏振特性，此时光的透过率接近于零，开关为断状态；当撤掉外场时，由于表面作用和液晶的弹性作用，液晶分子的排列会恢复到平行于平板表面，从而最终实现开关状态的相互转换。
目前液晶光开关的最大端口数为80，消光比为40～50 dB，被认为更适合用于较小的交换系统中。由于在液晶中光被分成偏振方向不同的两束光，最后再合起来，如果两束光的传播路径稍有不同，便会产生插入损耗(对1×2开关插入损耗为1 dB，对1×8开关插入损耗为2.5 dB)。在开关速度方面，通过加热液晶可以提高速度，但会使设备功耗增加。主要开发制造商包括Corning、Chorum、Kent Optronics等公司。
2.5喷墨气泡光开关
Agilent公司利用其喷墨打印技术的优势，开发了一种利用液体的移动来改变光路全反射条件，实现光传播路径改变的光开关。该器件由多条交叉的硅波导和位于每个交叉点的刻痕组成，刻痕里填充折射率匹配的液体用以允许缺省条件下的无交换传输。其工作原理是：当入射光照入并需要交换时，一个热敏硅片会在液体中产生一个小泡，小泡将光从入射波导中的光信号全反射至输出波导，从而实现开关所需要的两个状态。这种开关具有毫秒的交换速度，优点是对偏振相关损耗和偏振模色散不敏感，由于器件本身没有活动部件，因而可靠性很好。它可应用在光分插复用设备中，实现任意一根光纤或单波长的上下路，也可以用于光交叉连接设备中。由于子系统中任意一根波导可以连接到另外一根波导上，所以，由这种光开关组成的网络具有很好的重构性[5]。
2.6光栅开关
全息光栅开关依靠布拉格光栅实现对光的选择性反射。通过全息的形式在晶体内部生成布拉格光栅，当加电时，布拉格光栅把光反射到输出端口；反之，光就直接通过晶体。该技术可以很容易地组成上千端口的光交换系统，且开关速度快，为纳秒(ns)量级，但器件的功耗比较大并需要高电压供电。
利用液晶与光栅技术相结合也能实现光开关功能，如将液晶微滴置于高分子层面上，然后沉积在硅波导上面，形成液体光栅。当没有施加电压时，光栅把一个特定波长的光反射到输出端口。加电压后，光栅消失致使晶体全透明，光信号将直接通过光波导。液体光栅技术的优点是响应时间可达100 μs，插入损耗小于1 dB。由于没有移动部分，可靠性好。另外该器件的功耗比较低，典型功耗值为50 mW。目前光栅开关制造商有Trellis Photonics和Digilens等公司。
2.7声光开关
利用声光效应制作的光开关类似声光可调谐滤波器，通过在铌酸锂材料中引入射频(RF)声波，形成波长选择性布拉格光栅，输入光波在沿内部有声波的波导传输时，其偏振在波长与声波布拉格光栅匹配时将发生变化，从而利用偏振分束器就可以实现波长选择，并在此基础上实现开关功能。该类器件的消光比主要由横电(TE)模和横磁(TM)模的转换效率决定，一般小于20 dB。目前最大端口为256×256，由于没有机械的运动部分，所以可靠性好。对1×2开关，开关速度比较快，为525 ns，缺点是插入损耗较大且成本较高。目前制造商有Gooch and Housego PLC、Light Management group、Brimcom Inc等开发公司。
3、光开关器件的新进展
目前，光通信网正从高速大容量向智能化方向发展，从长途骨干网向城域网和局域网延伸。通信运营商在提升光网络的容量时，将更加注重光网络的灵活性和可扩展性，以降低运营成本和应对快速变化的市场环境。智能化将是未来光网络发展的主要方向。在器件级上，多项功能集成的器件和参数可调的器件是构建智能化光联网的关键器件。这些可调谐和多项功能集成器件大多与光开关有紧密关系，因此业界对光开关的重视程度在不断加强，促进了各种光开关的发展。
3.1微电子机械开关器件的进展
MEMS(微电子机械开关)在经历了2年前一股热潮之后，正处在一个调整和寻求新突破的时期。为了解决三维MEMS开关阵列所遇到的制造上和使用上的种种难题，新原理和新型器件的研究开发十分活跃，几种新型MEMS方案相继提出。
CMEMS(Compliant MEMS)中采用高弹性的硅酮橡胶材料来改进因硅材料太硬和太脆造成的问题[6]。硅的杨氏模量高达160 GPa, 但屈服极限很低，造成引起硅部件形变所需的驱动电压较高而形变的程度又不能很大，一般要小于1% 以避免破碎。硅酮橡胶是一种已有50年历史的成熟的材料，可靠性在航天飞机等多种应用中已得到证明。其杨氏模量可低至200 kPa，但又有3个数量级的调整范围。大多硅酮橡胶能够承受200%的形变而不致损坏。利用这些优良的特性，在大大改善MEMS性能的同时，能降低成本和提高成品率。 图4为一种用CMEMS技术研制的原型器件的结构。该法-珀腔原理的可调谐滤波器由3块硅基片组成，其上分别淀积有金属电极、介质反射镜和控制位移的硅酮橡胶层。该结构的细度能够达到2 000以上，并有小于2.5 dB的插入损耗。初步成果表明，硅酮橡胶的引入会给MEMS技术包括光开关技术带来一种新的选择和强劲的竞争可能。
DMEMS(Diffractive MEMS)的发展同样是为了避免光MEMS开关中硅反射镜的驱动电压高和控制电路复杂的问题。由于是利用衍射而不是反射的原理，DMEMS光开关的结构简单，可用典型的1.0 μm CMOS 工艺线制造[7]。图5为DMEMS 的基本工作原理。图5a显示在硅基片上由空气隙、二氧化硅层和金属电极等构成的一组电容式结构的折射率分布满足布拉格条件，入射光全被反射。图5b显示的则是在静电作用下的部分金属电极之间空气隙变小，使整体结构的折射率分布发生变化，因而入射光被衍射到特定的方向。DMEMS这种简单的类电容器式结构决定了它牢固和可靠，在实验室中经500亿次操作而无性能的劣化。DMEMS技术在制造光开关和可调光衰减器方面有良好的应用前景。
在解决光开关阵列规模方面，不同的公司采取了不同的解决方案。一些公司仍在继续用三维MEMS技术开发1000×1000以上的大型阵列，但某些制造商已在谋求用小规模的阵列作为模块，以搭积木的方式组合成大规模的阵列。他们认为，这样可以用一些同样的基本模块逐渐按用户需要扩大到相应的规模，成本低、灵活性强。同时可以用二维MEMS避开三维技术中尚未解决的难题。另外，还有人提出用波长选择交叉互连(WXC)方式取代一部分通常的OXC方式，只要用一维MEMS阵列即可，从而可实现复杂程度、功耗和成本的大幅下降[8]。这些用网络结构的改进降低对光开关阵列的要求的思路很有可取之处。
由于MEMS光开关既有传统机械光开关的低损耗、低串扰的优点，又有开关速度高、体积小、易于大规模集成等优点。基于MEMS的光交换技术被广泛考虑应用于干线网或大型交换网。虽然当前遇到一些难题，但对其的研究开发却是方兴未艾。
3.2可调谐器件的进展
可调谐器件是光联网中必需的组成部分，包括可调谐波长的光源、可调光滤波器、可重配置OADM和OXC、动态增益均衡器和瞬态效应抑制的光放大器、自适应动态可调的色散补偿器等。与固定参数的同类器件相比，可调谐器件能够实现遥控或自动带宽管理，使网络更灵活、可靠和高效。可调光滤波器、可重配置OADM和OXC使得光信号路径和目的地的调整成为可能，从而实现光网络流量的实时操纵。光开关对于这些可调谐器件来讲，有的必不可少，如可重配置OADM；有的可提供新的解决方案，如可调谐波长的光源和可调色散补偿器等。据报道，利用MEMS的外腔半导体激光器波长调谐范围达到16 nm，利用MEMS的光纤放大器动态可调增益均衡器的平坦范围达到了40 nm，文献[3]表明MEMS光开关技术在可调谐器件中将有广泛的应用前景。
3.3多功能集成光开关的进展
集成技术主要有三大类：光电集成技术(OEIC)、光子集成技术(PIC)和微光机械技术。光电集成主要实现有源光子器件与电子器件的集成，可将光子元件与它的驱动电子芯片集成在一起；光子集成主要进行无源波导器件的集成，将光开关、可调衰减器和波分复用/解复用器等集成在一起，在一块芯片上实现子系统功能；微光机械则实现微机械结构与光学元件的集成。3种集成技术各有特色，目前都得到重视和发展。与分立器件组成的系统相比，集成器件大大减小了体积，还降低了封装和后续组装工艺的成本。光联网技术的演进对光开关的功能提出了更高的要求。例如在以宽带视频、高清晰度电视和多媒体业务为主的智能化光网中，采用全光的点对多点的连接方式能够极大地扩展网络能力和使用效率[1]。与传统的光/电/光交换或仅具备光点对点连接的光网络相比，全光点对多点连接方式可用最少的波长和波长备份、最少的光收发器实现网络节点间最多的虚连接，使网络得到优化。它的实现要建筑在具有多项功能的光开关器件上。这种器件应具有1×N的开关功能和对通路增益的控制能力，它可以通过把单刀多掷的光开关与可变光衰减器及有关的探测和控制电路集成为一体而得以实现。这种器件在智能光放大器、可重配置OADM和网络检测设备中也将被广泛应用。随着光网络智能化趋势的发展，集成各种有源无源器件的多功能光开关模块将成为研究开发的重点。业界一些领先的公司已在逐渐推出不同集成程度和功能的集成光开关模块或光子交换平台以适应不同厂商的需要。2002年5月，日本NEC公司和美国Tellium公司宣布共同开发了集成光传送-交换单元。其中包括Tellium公司的光开关阵列与StarNet波长管理系统(WMS)以及NEC公司的DWDM光转发器和SpectraWave 网络管理系统(NMS)。据称这是第一个可商用的集成光传送-交换单元，它将节省电信运营商的投资和运行费用，降低功耗和设备的体积。虽然光器件的集成技术尚处于初步发展期，与微电子大规模集成电路技术相比，光电子器件的集成还有很长的路要走，但是它却是使光电子器件包括光开关器件走向小型化、多功能化和生产自动化的必然发展方向。
4、结束语
随着光联网概念的提出，光开关作为一种至关重要的器件正成为人们关注的焦点。光开关器件特别是多功能集成光开关的进展将对全光网络的发展起到重大推动作用。□
参考文献
1 Appelman R. All-optical switches: the evolution of optical functionality. Lightwave, Nov 2001:92—99
2 禹培栋等.光开关技术进展.半导体光电, 2001,22(3):149—154
3 Lin L Y. Opportunities and challenges for MEMS in lightwave communications. IEEE J of Selected Topics in Quantum Electronics, 2002,8(1):163—172
4 Earnshaw M P. Compact, low-loss 4×4 optical switch matrix using multimode interferometers. Electronics Letters, 2001,37(1):115—116
5 Bourne M. MEMS switching and beyond. Lightwave, Mar 2001:204—206
6 Little M. Compliant MEMS provide stiff competition. Laser Focus World, Mar 2002:117—122
7 Godil A. Diffractive MEMS technology offers a new platform for optical networks. Laser Focus World, May 2002
8 Arent D,Staple B. 1-D MEMS approach to dynamic reconfiguration. Lightwave, Nov 2001:65—75
(收稿日期：2002-06-03)
作者简介
谢世钟，清华大学电子工程系责任教授，博士生导师，信息光电子研究所所长，国家“863”计划信息领域专家委员会成员，美国IEEE高级会员和中国电子学会高级会员。研究领域为光电子技术、高速大容量光纤通信系统和宽带光纤网络。
陈明华，清华大学电子工程系副教授，“九五”二期国家“863”计划光电子主题总体技术组成员。东南大学博士毕业。承担和参加了多项国家自然基金、高技术“863”等科研项目，并获多项部委科技进步奖。已在国内外著名期刊和会议上发表论文50余篇。
安全器件 篇5
光电子学是由光学技术和电子学技术结合而成的技术学科, 是继微电子技术之后迅速兴起的一个高科技领域, 将在当今信息时代占据越来越为重要的位置。全面深刻了解该领域发展现状及趋势对于科技管理、科研选题和国际合作具有重要意义。本文以预测光电子学领域未来发展趋势为目的, 利用知识图谱可视化工具, 以固定时长随时间逐步推移为窗口, 绘制动态知识图谱, 连续观察其研究热点变化趋势, 形成一套新的技术情报监测方法。
2 样本与方法
以SCI-Expanded数据库为数据来源, 检索策略为:“ (主题= (opto-electronic device*) OR (optoelectronic device*) ) AND文献类型= (Article) ”, 时间确定为2000-2011年, 经检索和清洗, 最终得到6266条论文记录。运用科学计量学的方法及Cite Space II可视化工具, 对光电子学领域的学术论文作国家/地区分布及研究热点趋势的分析。
3 光电子学领域研究国家/地区分布
6266篇论文记录共分布于78个国家/地区, 其中美国、中国和日本分别位列SCI论文量世界前三甲。值得注意的是, 中国台湾跃居前5, 可见在近12年间, 其对光电子器件领域的研究较为活跃 (见表1) 。
而要确定核心国家/地区, 仅凭论文发表量来判定有失偏颇。篇均被引频次 (Average Citations Per Paper) 是在给定时间内, 某期刊 (科学家、机构和国家/地区) 所发表文献的总被引频次除以该刊 (科学家、机构和国家/地区) 全部论文数。以国家为例, 它表示某国家所发表论文被引用的平均水平, 若其值高, 代表该国家在本学科和学科共同体中的影响程度高。篇均被引频次是一个相对数量指标, 它弥补了绝对数量指标中马太效应导致的偏差。因此, 该指标可消除国家/地区科研规模大小的差别, 更强调科学研究的质量。
统计SCI论文量TOP20国家/地区2000-2011年的篇均被引频次, 并与世界平均水平相比较, 如图1所示。其中世界平均水平为18.95。在SCI论文量TOP20国家/地区中, 有6个国家的篇均被引频次超过了世界平均水平, 分别为:美国 (37.50) 、瑞典 (37.01) 、荷兰 (34.41) 、以色列 (26.77) 、英国 (24.62) 、瑞士 (21.25) ;有4个国家较为接近世界平均水平, 分别为:意大利 (17.71) 、日本 (17.48) 、加拿大 (16.33) 、德国 (16.10) ;包括中国在内的其余10个国家/地区的篇均被引频次均小于15。从图2中可以看出, 以世界平均水平为分界线, 世界上不同国家/地区对光电子器件研究的篇均被引频次存在较为明显的分化现象。各国在该领域的科研实力参差不齐, 存在较大差距。
4 光电子学领域研究趋势动态图谱分析
为了清晰展示和准确分析光电子器件领域研究论文的研究热点, 本文利用CiteSpaceⅡ软件, 生成关键词共现图谱。在关键词共现图谱中, 节点的中心性是一个用以量化点在网络中地位重要性的图论概念, 中心性越大, 表明该节点在网络中越为重要[1]。本文提出一种动态监测方法, 即以3年为时间窗, 以1年为一个单位时间差依次向后推移, 将2000-2011年12年划分为10个时间段, 得到随着时间连续变化的研究热点动态图谱, 见图2。在图谱的绘制过程中, 选择“节点标签的字体大小与节点中心性大小成正比例显示”;为保证在分析动态图谱中研究热点词的中心性随时间变化情况时的准确性, 所有图谱的相关参数均做相同设置, 如:Node Size:30, Font Size:10, Threshold:8。图中共呈现出36个关键节点, 即研究热点关键词, 其中心性均不小于0.05, 见表2。利用词频分析法和共词分析法, 分析光电子学领域研究论文的研究热点。
在表2中, 序号4的关键词在本研究中与检索词重合, 不具有实际意义, 因此对其不再做具体分析。结合以上图表并征求电子学相关专家意见, 光电子器件领域的研究基本上是围绕以下3个研究方向而展开, 主要归纳如下:
⑴纳米光电子器件及技术:l i g h t-e m it t i n gdiodes、nanowires、diodes、lasers、photodetectors、nanostructures、nanorods、nanocrystals、nanotubes、nanoparticles、room-temperature、optical-properties;
⑵薄膜器件及技术:t h i n-f i l m s、g r o w t h、molecular-beam epitaxy、layers、chemical-vapordeposition、deposition、emission、luminescence、electroluminescence、photoluminescence、thin-film transistors;
⑶聚合物与光伏器件:polymers、alloys、conjugated poly m ers、m or pholog y、Ga As、silicon、a r rays、photovoltaic cells、solar-cells、efficiency。
4.1 研究热点一:纳米光电子器件及技术
纳米光电子器件是纳米半导体光电子技术领域中的一个主要分支, 旨在研究各种纳米光电子器件的制作方法、工作原理及其在光通信和光信息处理中的应用等[2]。近年来国际上的研究热点主要集中在:发光二极管, 其近年来的成就使有色光二极管尤其是白色发光二极管成功应用于便携式和特殊照明;纳米激光器, 包括量子阱、量子线和量子点激光器等;光电探测器, 主要是红外光电探测器、谐振腔增强型光电探测器等的研究;纳米线、纳米棒、纳米晶体及纳米粒子等在室温下的结构特征及光学性能[3,4]等。统计动态图谱10个时间段中各热点词的中心性值变化情况, 得出结果为:发光二极管的研究在2001-2003年度达到最高点, 此后稍有下降, 并在2007-2009年度达到第二个高潮, 对其的研究关注度具有一定的间断性;激光器的研究在早期较为突出, 在后期关注热度一般;光电探测器在早期和后期均有一定的研究, 但在中间时段出现空缺;光电子纳米线、纳米结构、纳米棒、纳米晶体和纳米粒子器件等的研究基本呈现出一致的状态, 均是在近5年出现较高的研究热度。
4.2 研究热点二:薄膜器件及技术
薄膜技术是研制新材料、新结构的重要方法之一, 用该技术制作的材料具有优良的光电性能、钝化性能以及抗水渗透性能等, 主要用来充当绝缘层、各种敏感膜层, 具有很高的硬度和较强的化学稳定性。在光电子器件中, 薄膜的使用非常普遍, 因此对其的研究进展也是学者们关注的热点。近年来国际上在薄膜器件及技术方面的研究主要集中在:薄膜的制备与生长, 尤其是利用分子束外延技术和化学气相沉积技术制作薄膜;薄膜的光致发光、电致发光特性、光电发射特性等;有机薄膜晶体管的制作和应用等[5]。在12年间, 薄膜的生长特性研究一直具有较高的关注度;分子束外延技术比化学气相沉积技术具有更高的关注度;光电子薄膜中光致发光的研究呈现出下降的趋势, 而电致发光的研究在近5年重新复燃;薄膜光电发射特性的研究呈现出波浪式趋势;薄膜晶体管为近3年的研究热点。
4.3 研究热点三:聚合物与光伏器件
有机聚合物材料由于其具有快速响应的性能和容易加工等优点, 对于集成光电子器件的制备来说是非常有吸引力的。近年来国际上在此方向上的研究热点主要集中在:聚合物电光调制器阵列、含金属 (合金) 共轭聚合物、聚合物的形貌优化以及共轭聚合物光伏材料研究等。近年来由于能源危机的日趋严重, 其中聚合物光伏材料已经成为国内外研究的重中之重, 主要包括光伏电池和太阳能电池, 目前研究和开发的太阳能电池有单晶硅、多晶硅、无定型硅、单晶GaAs等[6,7,8]。统计动态图谱中各热点词的中心性值变化情况, 得出结果为:2003-2005年间是光电子器件领域研究的低潮。对于聚合物器件来说, 共轭聚合物和聚合物电光调制器阵列在后期一直处于较高的研究热度;聚合物形貌优化研究在2005-2007年间达到最高点;合金共轭聚合物的研究热度稍有起伏;对于聚合物光伏材料来说, 光伏电池和太阳能电池及其光电转化效率的研究基本同步, 同时在2006-2010年间达到较高的研究热度;硅材料与砷化镓材料相对来说, 研究热度处于较低水平。
参照Erten等人的做法, 将以上研究热点的发展趋势分为三类:研究热点主题、逐渐过时的主题和快速发展的主题[9], 见表3。
5 结论与建议
本文提出一种动态观测技术科学研究方法, 较好地展示了技术热点演变过程, 得到了相关电子领域专家的基本认可, 对光电子器件领域研究趋势的观测结论和建议如下:
⑴在光电子器件领域的研究中, 从国家/地区层面上可以看出, 中国虽然SCI论文发表总量排名位于前3名, 但其论文篇均被引频次却低于世界平均水平, 中国在国家层面上未能在核心电子器件研究领域起到核心作用。其主要原因是起步基础较为薄弱。目前, 中国正处于国家中长期科技发展规划纲要实施的初步阶段, 我们需要从现有基础出发, 进一步增强自身科研实力, 重视原始创新, 提高论文影响力。论文“量不在多, 重在核心”。
⑵光电子器件领域的主要研究方向有3个, 分别为:纳米光电子器件及技术、薄膜器件及技术、聚合物与光伏器件。每个研究方向中研究热点的发展趋势又分为三类:研究热点主题、逐渐过时的主题和快速发展的主题。“研究热点主题”依然是目前阶段研究热点, 需国家科研机构和相关学者持续关注与研究其相关技术;“逐渐过时的主题”经历了一个由热到冷的发展阶段, 说明其技术已发展成熟或被其他技术所取代, 已不再是目前的研究热点, 可不再继续关注;“快速发展的主题”是目前和今后阶段的研究热点与前沿, 能够引领该领域的研究热潮, 需重点关注。
参考文献
[1]Chen C.CiteSpaceⅡ:Detecting and visualizing emerging trends and transient patterns in literature[J].JASIST.2006, 57 (3) :359-377.
[2]彭英才.纳米光电子器件[M].北京:科学出版社.2010:12-16.
[3]Fermín Luis Capitán-Vallvey, J Palma Alberto.Recent developments in handheld and portable optosensing-A review[J].Analytica Chimica ACTA, 2011, 696 (1–2) :27-46.
[4]CROUSE D.Numerical modeling and electromagnetic resonant modes in complex grating structures and optoelectronic device applications[J].Electron Devices, IEEE Transactions on, 2005, 52 (11) :2323-2365.
[5]SENDA T, CHO Y J, HIRAKAWA T.Development of full-color display combined with ultraviolet-electroluminescence photoluminescence multilayered thin films[J].Japanese Journal of Applied Physics Part 1-REGULAR Papers Short Notes&Review Papers, 2000, 39 (8) :4716-4720.
[6]ENGEL M, SMALL J P, STEINER M, et al.Thin Film Nanotube Transistors Based on Self-Assembled, Aligned, Semiconducting Carbon Nanotube Arrays[J].ACS NANO, 2008, 2 (12) :2445-2452.
[7]MAYER T, WEILER U, KELTING C, et al.Silicon-organic pigment material hybrids for photovoltaic application[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 2007, 91 (20) :1873-1886.
[8]MARRóN D F, CáNOVAS E, LEVY M Y, et al.Optoelectronic evaluation of the nanostructuring approach to chalcopyritebased intermediate band materials[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, 2010, 94 (11) :1912-1918.
元器件 篇6
在英国滨海克拉克顿, Pickering Interfaces特别针对于中国市场发布了新的PXI模块。
PA 8系列最初包括四个开关模块:配备多达26个SPDT, 2A切换电流的通用继电器模块PA8131;一个拥有64通道包括3种配置结构, 2A切换电流的多路复用器PA8635;32x4高密度矩阵PA8528;50Ω阻抗并带有2.5GHz带宽的射频多路复用器PA8872。
由于拥有稳健的设计, 所有的模块都只是占用一个单一的PXI插槽。它们是完全兼容任何PXI底盘和可以用在PXIe机箱插槽。就像Pickering标准的PXI卡, 这个新的型号也可以用在Pickering的LXI模块化底盘, 因为用户喜欢通过一个以太网端口和所有主要的编程环境下的驱动程序来进行控制。
Littelfuse推出高精度MACD-14和MASM-14系列以扩充磁簧开关产品系列
L i tte l f u s e公司是全球电路保护领域的领先企业, 日前宣布推出了MACD-14和MASM-14系列高精度产品以扩充其磁簧开关产品系列。这些磁簧开关具备近差继电特性, 可服务于受空间限制和对准确性要求严格的客户应用。此外, MACD-14和MASM-14系列为电路设计师带来更大的布局和设计灵活性。
MACD-14和MASM-14可提供以下关键特性和优势:
·通孔表面贴装和定制外形带来布局和设计灵活性
·气密开关触点不受恶劣环境的影响
·近差继电特性 (低关/开滞后) 为空间有限的应用实现精确切换
·高达10瓦特的条件下具备200Vdc的开关能力, 采用紧凑型封装, 可提供高负载开关能力和灵活性
·敏感度范围为10-30 AT, 能在所有作业条件下保持高精度性能。
莱迪思半导体推出业界最具性价比的I/O扩展和桥接解决方案入门套件
莱迪思半导体公司, 近日发布Mach XO3L™入门套件, 作为一个易于使用的平台, 该套件可用于对莱迪思半导体公司的低成本产品系列Mach XO3L瞬时启动、非易失性FPGA进行评估和设计。产品开发人员现在可以立即使用拥有突破性I/O密度, 并且每I/O成本最低的莱迪思器件部署可编程桥接和I/O扩展解决方案。
Ma c h XO 3 L是莱迪思的新一代小尺寸FPGA产品系列, 适用于为通信、计算、消费电子和工业市场中移动相关的应用实现关键的桥接和I/O扩展功能, 能够满足不断增长的互连需求。最新的Mach XO3L入门套件使得设计人员能够评估和演示LED驱动、SPI、I2C、CMOS I/O、通过JTAG或I2C进行编程、使用SPI闪存实现双启动等功能。
M a c h X O 3 L入门套件包含预载入参考设计的1片LCMXO3L-6900C-5BG256C器件, 用于演示和方便地使用嵌入式I2C和SPI控制器, 振荡器以及用于LED驱动的可编程I/O。该套件还包含1个USB连接器用于供电和编程, LED和实验区域, 以及适用于SPI、I2C和JTAG的扩展插孔, 支持3.3V和1.2V电压。
迈来芯推出具有电流限制功能的低噪声单线圈风扇驱动器IC
迈来芯 (Melexis) 公司宣布推出一款600毫安单线圈风扇驱动器IC MLX90297, 它针对高效节能冷却系统的设计开发。这款最新器件扩大了迈来芯公司全功能 (All-in-One) 单线圈风扇驱动器的产品组合, M L X 9 0 2 9 7把一个高灵敏度的霍尔效应传感器和两个功能强大的半桥输出级集成在一起, 是已获成功的MLX90287器件的进一步扩展。
元器件/连接器 篇7
M o l e x公司发布可与其背板插针图配置器 (Backplane Pin Map Configurator) 一起使用的Impel™背板连接器系统, 这款面向未来 (futureproof) 的连接器解决方案为设备制造商提供了使系统以现今的数据速率和成本运行的能力, 同时通过Impel子卡选项在相同的底盘中实现提升的迁移路径。
Impel连接器系统具有业界领先的低串扰和高密度性能, 以及最高40Gbps的数据速率, 用于下一代背板互连解决方案。由于它能够满足所有关键的架构需求, 包括传统、共面、正交平面和正交直接, 因此是电信和数据网络应用的理想选择。
Impel连接器系统采用第三代设计, 还提供了正交方向的直接PCB连接, 以缩短系统通道长度, 改进信号完整性通道性能, 支持开放式气流设计并降低应用成本。
Vishay推出增强热循环性能的新型车用电阻
日前, Vishay Intertechnology公司宣布, 推出采用0406和1225外形尺寸的新器件RCL0406 e3和RCL1225 e3, 扩充其RCL e3系列长边端接厚膜片式电阻。对于汽车电子电路和通用产品, RCL0406 e3和RCL1225 e3提供了增强的热循环性能, 功率等级分别提高到0.25W和2.0W。
RCL e3电阻通过了AEC-Q200 Rev.C认证, 宽端接可实现高功率耗散。0406、0612、1218和1225小外形尺寸可在堆放得很密的PCB上节省空间, 实现更多次数的温度循环, 从而改善焊点的可靠性。器件的公差为1%和5%, TCR为±100ppm/K和±200ppm/K, 阻值为1Ω~2.2MΩ。
中国功率器件市场分析 篇8
虽然数字电源产品已经出现多年，但一直没有得到广泛应用，目前这种状况已经开始发生改变，最近几年业内厂商推出了不少数字电源产品。目前来看，模拟产品在成本、性能、效率和速度方面具有一定优势，而数字产品则更加灵活且可控性更高。随着数字产品正在努力提升自身的性能和效率，将来在需要更高的可控性和复杂性的系统中，数字电源产品相对模拟产品将会更具优势。目前数字电源主要应用于AC/DC领域，主要应用产品包括服务器、3G基站、路由器、高端工业设备和医疗设备等产品，虽然现阶段数字电源产品的应用十分有限，但将来有可能成为电源管理产品发展的一种趋势。
数据来源:赛迪顾问2007
鉴于下游产品仍然存在数字电视、3G产品和便携设备等明显的增长点，以及2008年奥运会、节能需求的增强和中国政府对于芯片行业的鼓励政策都将刺激电源管理芯片市场的发展。未来几年，中国电源管理芯片市场的发展速度将仍然高于全球市场，其复合增长率仍将高于20%。由于电源管理芯片市场的增长速度快于功率分立器件市场，这就导致电源管理芯片市场在功率器件市场中所占比重逐步提升，预计2011年电源管理芯片销售额将占整体市场的46.2%。但随着市场发展不断成熟，中国电源管理芯片市场的发展速度缓慢，接近全球电源管理芯片市场的发展速度是一种必然趋势。
除电源管理芯片外，MOSFET是占中国功率器件市场份额最大的产品。目前，MOSFET广泛应用在计算机、工业控制、消费电子等领域中。在消费电子领域中，随着产品功能的日益丰富，对于电源管理的要求不断提升。同时为了实现不同功能，主板上对于不同电压等级的需求也逐步增多，这些都将促进MOSFET在如DC、LCD TV等消费电子产品中的应用持续增长。在计算机领域中，主板以及台式机、笔记本电源则是MOSFET最主要的应用产品。受到消费电子以及高输出电流和高性能要求的计算机市场的带动，低压MOSFET市场在未来将保持着比较快的增长趋势。对于高压MOSFET来说，电源的高能效要求则是影响产品未来发展的主要因素。而随着汽车中IC用量的逐步增多，为了满足这些日益增多的IC对电源的需求，MOSFET的用量也呈现出上升趋势。现阶段，MOSFET在汽车领域中主要应用在发动机、车灯控制、音响系统、车身控制、引擎管理、防盗、车厢环境控制、动力传输系统等。但由于功率MOSFET在汽车中通常在相对恶劣的环境条件下工作，所以对于MOSFET的可靠性要求较高，如何解决环境温度升高引起的器件产品不稳定性是生产厂商必须解决的问题。除此之外，工业控制也是MOSFET市场的另一大主要应用领域。
由于Trench (沟槽) 技术能够有效地降低产品的导通电阻，并且具有较大电流处理能力，所以近年来Trench MOSFET在计算机、消费电子等领域中发展快速。目前，对于低压MOSFET产品，Trench MOSFET技术已被市场所接受，具有很高的市场占有率。但由于Trench MOSFET器件结构的特点，使得Trench MOSFET产品在击穿电压上的承受能力较小。不过，随着制作工艺中的清洗技术及离子刻蚀技术的日渐成熟，Trench MOSFET的击穿电压也得到了逐步的提升。但从整体上来看，在高压MOSFET市场上，平面技术仍有一定的发展空间。未来，含有高端工艺的平面技术将会是高压MOSFET的发展趋势。
在600V以上的高压产品中，IGBT也一直保持着良好的发展势头。目前，IGBT主要应用在工业控制、消费电子等领域中。而网络通信和计算机领域由于应用到IGBT的整机产品有限，故对IGBT的需求量不大。从电压结构上看，600～1200V将是IGBT最主要的电压应用等级。由于工业控制领域用IGBT以600V、1200V和1700V为主。同时，IPM/SPM或PIM模块也广泛应用在工业产品中，这就使得用于工业控制领域的IGBT平均价格较高，从而提升了其销售额的市场占有率。在下游整机产品的带动下，预计，2007～2010年中国IGBT市场销售额年均复合增长率为19.3%。
一种pin结构光电器件的研究 篇9
关键词： pin结构； 原子层沉积（ALD）； 整流比； 遂穿效应；
中图分类号： TN 2； TN 3 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.007
文章编号： 1005-5630（2016）05-0412-04
引 言
随着微电子学的发展，半导体光电器件如太阳能电池、LED、光探测器在军事、安检、民生等方面的应用越来越受到重视。这些器件有多种不同的结构，而p-i-n结对于半导体整流和光电探测来说是一种十分有效的结构，因其具有抑制暗电流的优势[1]。作为窗口层，宽禁带的透明薄膜十分重要[2]。
作为一种透明氧化物的材料，氧化锌是一种热稳定、化学稳定的n型材料并且具有六角形晶格的晶态。在室温环境下，它具有3.37 eV的带宽和60 meV的激发能。它的电导率范围也比较大，可以达到10-4 ～1010 Ω-1cm-1 [3]。因此，氧化锌是适合用于制作短波光电器件的材料，如在紫外波段范围下的场发射管、太阳能电池、紫外探测器、气体传感器等[4]。氧化锌还可以通过掺杂Sn、Al、Sb和In[5-8]来提高其光电特性，使得氧化锌有更好的光透射性能。
为了抑制在异质结高势垒情况下的多数载流子的隧穿效应，需要插入一个中间层。许多介质材料都可以作为中间层如TiO2、MgO、SiOx和 LaAlO3，这些报道都可以在文献[9-11]中找到。作为一个常见的、无毒的材料，氧化铝完全可以作为中间层的介质材料来提升器件特性，它具有高达9的介电常数和8 eV的带宽。
在p-i-n结构中，我们用硅作为p型材料，氧化铝作为中间层，掺铝氧化锌（AZO）作为n型材料。其中，中间层氧化铝和n型层AZO一般都可以用许多方法来沉积，如磁控溅射、脉冲激光沉淀、化学气相沉积、喷射高温分解法和溶胶凝胶法。在这次实验中，我们使用原子层沉积法来制作这结构，因为它具有较大的面积和容量来沉积，操作和控制简单，沉积薄膜具有较好的保型性，其沉积的厚度具有高的精准性，并且还能在低温中生长。我们还通过沉积不同厚度的氧化铝来观测其对器件的各方面特性影响。
1 实验制备
实验中，选用电阻率为1～10 Ω·cm的p型硅作为p型材料。在沉积之前，先通过超声法来清洗硅片。将硅片浸泡在丙酮溶液中并在超声仪中超声3 min来去除其表面上的附着有机物。之后把硅片浸泡在乙醇溶液中同样在超声中超声3 min来去除其表面上的丙酮残留物。最后用去离子水冲洗，并且用氮气枪吹干。使用BENEQ公司的ALD系统来沉积薄膜，在沉积氧化铝中，使用三甲基铝作为金属前驱源，水作为反应物。在生长过程中，三甲基铝和水分别通入腔室中，每通好一次金属源或水之后都会有一个氮气脉冲来去除残余物和副产物。一圈的氧化铝生长过程是0.2 s三甲基铝脉冲/2 s氮气脉冲/0.2 s水脉冲/2 s氮气脉冲，沉积温度为200 ℃，沉积速率为0.1 nm/圈。同样的，沉积掺铝氧化锌使用二乙基锌，三甲基铝作为金属前驱源，水作为反应物。一圈氧化锌的沉积过程是0.2 s二乙基锌脉冲/2 s氮气脉冲/0.2 s水脉冲/2 s氮气脉冲，一圈的氧化铝生长过程是0.2 s三甲基铝脉冲/2 s氮气脉冲/0.2 s水脉冲/2 s氮气脉冲。AZO的沉积温度为100 ℃，沉积速率为0.15 nm/圈。在此低温生长是因为如果温度太高，AZO的电阻率会比较小而不能成为半导体。在实验中，中间层的氧化铝分别沉积0，20，40，60，80，100圈来测试其对器件的性能影响。AZO的掺杂比为10圈ZnO∶1圈Al2O3作为一个大循环圈，这是为了得到电阻更加合适的AZO。因为如果掺杂比为15∶1时，AZO的电阻同样也会过小而不能成为半导体。所以这里一共生长50大圈的AZO，每一个大圈的AZO为10圈ZnO和1圈Al2O3。在制备完毕后，通过PVD方法镀上150 nm厚的Ti/Au电极。图1显示了器件的剖面图。
2 实验测试
测试时用椭偏仪来测试薄膜的厚度，用Agilent B1500A型半导体器件分析仪测试其伏安电学特性以及紫外光电探测特性。
表1是通过椭偏仪所测的氧化铝薄膜和AZO薄膜的厚度[12]，其中椭偏的入射角是75°，扫描范围在190～800 nm，步长为5 nm，每组数据都进行了3次测试。如表1所示，其中R2代表拟合精度，每个样品的拟合精度都高达0.999，说明了实验所得的曲线高度符合拟合曲线。说明其在100 ℃温度下沉积速率为0.154 nm/圈，这和预期的沉积速率0.15 nm/圈非常一致。另一方面，氧化铝薄膜的厚度分别为0，2.09，4.23，6.34，8.37和10.36 nm。得出在200 ℃温度下其沉积速率为0.104 nm/圈也和预期值0.1 nm/圈非常相近。说明用ALD方法沉积的薄膜厚度具有非常高的精准性。
图2是p-Si/i-Al2O3/n-AZO结构不同样品的伏安特性曲线。基本上除了Si/100 圈 Al2O3/AZO的样品外，其他样品都具有较好的整流特性。样品的开启电压分别为1.5，1.8，2.2，3.0，3.5和4.5 V，饱和电流分别为3.01，2.33，0.59，0.58，0.57 和0.25 μA。可以看出，开启电压随着氧化铝厚度的增加而增加，输出电流随着氧化铝厚度的增加而减小。说明中间层氧化铝的插入有明显的抑制隧穿电流特性。
nlc202309082338
图3是在4V与-4V偏压下不同样品的整流比图，样品的整流比分别为52.0，85.2，151.5，34.6，11.7和1.5。随着氧化铝厚度增加，整流比是先增大到151.5后减小到1.5，这是因为氧化铝抑制隧穿效应不仅会抑制正向电流也会抑制反向电流。当氧化铝厚度到达一定程度时，反向电流会被抑制到极限，而正向电流由于其较高的电阻率会继续减小。所以40圈的样品具有最好的整流特性。
为了测试器件的光电探测特性，我们测试了不同器件在325 nm激光下和暗环境条件下的的光生电流测试。图4是不同器件在325 nm激光下和暗环境条件下的光生电流测试图。在相同的反向偏置电压情况下，分别比较各样品暗电流和光生电流的大小，发现样品在紫外光入射下，电流明显提高了，而且不同样品电流提升的程度不同。为了能具体化不同样品的电流提升程度，引用光生电流灵敏度来度量其增大强度，光生电流灵敏度可以通过下列公式计算：
PDCR=（Ip-Id）/Id（1）
式中：Ip是光生电流大小；Id是暗电流大小。通过上述公式计算得出在-4 V的偏置电压下，各样品的光生电流灵敏度分别为0.041，0.072，0.856，2.538，3.375，5.688。此组数据可以看出，随着中间层氧化铝厚度的增大，光生电流灵敏度逐步提升。和不加氧化铝的器件相比，探测灵敏度大幅度提升，这一点证明了氧化铝对器件光生电流灵敏度的提高有相当重要的影响。
3 结 论
通过ALD方法，使得p-Si/i-Al2O3/n-AZO结构可以在低温环境中实现，而且氧化铝的薄膜和AZO薄膜的厚度也精确可控。对于器件整流特性，通过伏安特性测试发现此结构都具有较好的整流特性，最好的样品是p-Si/i-Al2O3（40圈沉积）/n-AZO，在-4 V到4 V的偏置电压下其整流比为152。在紫外光探测性能方面，分别在暗条件和325 nm激光照射下发现加了氧化铝中间层的器件有明显的光生电流特性，且光生电流灵敏度相对比传统器件得到大幅度提高，其提高程度随着氧化铝中间层的增大而增大。通过上述结论，我们可以得出ALD方法制备的p-Si/i-Al2O3/n-AZO结构的器件不论在薄膜的质量上还是在其光电特性上都有非常不错的表现。
参考文献：
[1] HE B，MA Z Q，XU J，et al.Realization and characterization of an ITO/AZO/SiO2/p-Si SIS heterojunction[J].Superlattices and Microstructures，2009，46（4）：664-671.
[2] NG K K，CARD H C.A comparison of majority- and minority-carrier silicon MIS solar cells[J].IEEE Transactions on Electron Devices，1980，27（4）：716-724.
[3] HUANG M H，MAO S，FEICK H，et al.Room-temperature ultraviolet nanowire nanolasers[J].Science，2001，292（5523）：1897-1899.
[4] FANG F，ZHAO D X，LI B H，et al.Hydrogen effects on the electroluminescence of n-ZnO nanorod/p-GaN film heterojunction light-emitting diodes[J].Physical Chemistry Chemical Physics，2010，12（25）：6759-6762.
[5] SALI S，BOUMAOUR M，KERMADI S，et al.Effect of doping on structural，optical and electrical properties of nanostructure ZnO films deposited onto a-Si：H/Si heterojunction[J].Superlattices and Microstructures，2012，52（3）：438-448.
[6] GUPTA B，JAIN A，MEHRA R M.Development and characterization of sol-gel derived Al doped ZnO/p-Si photodiode[J].Journal of Materials Science & Technology，2010，26（3）：223-227.
[7] KHEIRANDISH N，MORTEZAALI A.Ultraviolet/visible photodiode of nanostructure Sn-doped ZnO/Si heterojunction[J].Journal of Applied Physics，2013，113（18）：183103.
[8] 脱文刚，洪瑞金，张大伟，等.Al、Sn掺杂对于ZnO薄膜微结构及光学特性的影响[J].光学仪器，2015，37（3）：278-282.
[9] SONG D Y，GUO B Z，ABERLE A G.Heterojunction properties of ZnO：Al/p-Si prepared by rf magnetron sputtering[C]//Proceedings of 2002 conference on optoelectronic and microelectronic materials and devices.Sydney，NSW，Australia：IEEE，2002：153-156.
[10] TASI D S，KANG C F，WANG H H，et al.n-ZnO/LaAlO3/p-Si heterojunction for visible-blind UV detection.[J].Optics Letters，2012，37（6）：1112-1114.
[11] YUHAS B D，YANG P D.Nanowire-based all-oxide solar cells[J].Journal of the American Chemical Society，2009，131（10）：3756-3761.
[12] 王海姣，王党社，乔若飞.基于椭偏法的火棉胶薄膜光学参数测量[J].光学仪器，2012，34（1）：91-94.
碳化硅器件发展概述 篇10
目前,以硅器件为基础的电力电子器件的性能已随其结构设计和制造工艺的相当完善而接近其由材料特性决定的理论极限,依靠硅器件继续完善和提高电力电子装置与系统性能的潜力已十分有限。
以SiC,GaN为代表的宽禁带半导体材料,是继以硅和砷化镓为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速发展起来的新型半导体材料。表1列出了不同半导体材料的特性对比[1]。
从表中可以看出,它们具有以下特点:(1)热导率高,工作温度可以达到600 ℃,从而器件的冷却系统可大为简化,其中SiC为4.9 W/cm·℃,优势更加明显;SiC热导率远远高于大多数半导体,室温时几乎高于所有金属;莫氏硬度高于GaAs和Si,达到9级,仅次于金刚石;便于器件工艺流片和实施高密度大功率集成;(2)电子饱和漂移速度高,适于微波频段工作;(3)击穿电场高,能够实现高工作电压;(4)禁带宽度宽,本征载流子浓度低,4H-SiC为8.2×10-9/cm3,GaN为1.9×10-10/cm3,便于管芯隔离;(5)抗辐照能力比GaAs和Si强1~2个数量级,另外开关损耗低1~2个数量级。SiC材料的宽禁带和高温稳定性使得其在高温半导体器件方面有无可比拟的优势。
1 国际发展
从20世纪90年代起,美国国防部(DOD,department of defense)就开始支持SiC功率器件研究,SiC功率器件样品相继问世。1987年以SiC材料和器件为研究方向Cree公司由美国国防部资助成立为海军和空军装备作预先研究,从此SiC材料和电子器件进入飞速发展的新阶段[2]。
SiC器件的发展是伴随着SiC单晶衬底材料的发展而进行的。近年来,SiC材料微孔问题已基本解决,单晶材料的尺寸不断增大,主流产品已经从两英寸过渡到三英寸和四英寸片。2010年8月Cree公司展示了其新成果,150 mm(6英寸)的SiC衬底片,每平方厘米微孔密度小于10个。
功率二极管是功率半导体器件的重要分支,主要包括肖特基势垒二极管(SBD,schottky barrier diode),PiN二极管和结势垒肖特基二极管(JBS, junction barrier schottky diode)。
1987年Shiahara等人通过CVD技术研制出第一只6H-SiC二极管,当时的击穿电压在600 V左右。20世纪初,L. G. Matus等人通过CVD技术在6H-SiC衬底上淀积P型、N型6H-SiC,制成耐压1 000 V,工作温度600℃的pn结二极管。由于SiC的pn结自建电势差较大,导致导通压降升高。为了解决这一问题,人们采用肖特基结来代替pn结。
目前,商业化的SiC器件主要是肖特基二极管,美国的Cree公司和德国Infineon公司(西门子集团)都已有耐压600 V,电流10 A或12 A以下的碳化硅肖特基势垒二极管系列产品出售。
1992年,美国北卡州立大学功率半导体研究中心最先报道了全世界首次研制成功6H-SiC肖特基势垒二极管,其阻断电压400 V[3]。
2001年,德国Infineo公司在业界生产出600 V、4 A和300 V、10 A的SiC肖特基二极管,SiC SBD开始商业化。美国Semisouth公司研制的100 A、600 V、300 ℃工作的SiC SBD器件已应用于美国空军多电飞机(MEA,more electric aircraft)。2003年美国Rutgers大学研制出阻断电压10.8 kV,导通电阻97 mΩ·cm2 SiC SBD二极管[4]。日本东芝公司在2008年报道了接近4H-SiC材料极限水平的 Super-SBD[5],该器件采用浮空结技术获得2.57 mΩ·cm2超低导通电阻和2.7 kV阻断电压,品质因子为2.837 MW/ cm。2009年2月美国Cree公司与Powerex公司开发出了双开关1 200 V、100 A的SiC功率模块。其由耐高压和大电流的SiC的MOS场效应晶体管和SiC肖特基二极管组成。德国Infineo公司2009年3月推出了第三代薄型SiC肖特基二极管。据日本三菱公司的试验表明,电力变换器中使用的硅基耐压600 V快速恢复二极管和IGBT。如果用SiC SBD(肖特基势垒二极管)和MOSFET管代替,功耗可降50%,甚至70%。SiC的工作环境可稳定地提高至300 ℃,而硅不超过200 ℃。因此可减少散热器或不用散热器。
由于高压下SiC的肖特基势垒比较薄,进一步提高肖特基二极管的阻断电压就会受到遂穿势垒反向漏电流的限制,因此对于3 kV以上的整流器应用领域,SiC PiN二极管更具优势。除更高的击穿电压外,SiC PiN二极管还具有更快的开关速度、更小的体积和更轻的重量。
瑞典KTH、Royal Institute of Technology报道[6],1995年研制成高击穿6H-SiC PiN二极管,击穿电压为4.5 kV。Cree公司在85 μm厚的SiC外延层上制作了5 900 V SiC PIN二极管,正向压降在100 A/cm2的电流密度下为4.2 V,5 500 VSiC PiN二极管的反向恢复电流仅为350 nA。美国RPI(Rensse Laer Polytechnic Institute)在40 μm厚的SiC外延层上实现了4 500 V SiC PiN二极管,正向压降在100 A/cm2的电流密度下为4.2 V。2000年日本的Sugawara研究室和Cree公司研制出12 kV和19.5 kV的台面型PiN二极管[10]。对于19.5 kV的SiC PiN二极管,其正向压降在电流密度100 A/cm2下为7.5 V,击穿时的泄漏电流密度为3 mA/cm2;反向恢复时间小于43 ns,只有商业化6 kV Si快恢复二极管的1/30。2005年Cree公司报道了10 kV,3.75 V,50 A (8.7 mm×8.7 mm2)SiC PiN二极管,其10 kV/20 A PiN二极管系列的合格率已经达到40%。
在高工作频率下,SiC PiN二极管反向恢复时能量损耗比较大,因此SiC JBS二极管就很有吸引力。JBS器件在正偏置时,肖特基势垒因势垒低先进入导通状态,起主要作用;但反偏时,pn结在高反压下耗尽区迅速扩展,为肖特基势垒屏蔽电场,从而使反向漏电大幅度下降,因此JBS既具有肖特基二极管优良的开关特性,又有接近PiN二极管的高阻断能力。2007年Cree公司报道了10 kV/20 A的SiC JBS二极管,芯片尺寸为14.9×10.6 mm2,在3inch N型4H-SiC晶圆上的合格率为37%,10 kV/5A SiC JBS的合格率超过40%。
2 国内发展
国内宽禁带半导体微波功率器件的研究始于20世纪末,对于SiC材料的研究,中科院硅酸盐所开展的相当早,而宽禁带电子器件中国电子科技集团公司第十三研究所起步较早。经过最初几年的摸索,已积累了一定的材料与器件制作经验。
2004年,“973”国家重大基础项目研究”中有关宽禁带半导体的研究工作正式启动,国家大量人力与物力的支持极大地提高了国内宽禁带半导体微波功率器件研制水平,其中高校(西安电子科技大学、电子科技大学、北京大学、山东大学、浙江大学等)侧重于材料及器件理论、模拟研究,研究所(中电13所、46所、55所、中科院半导体所、微电子所等)侧重于材料及器件的制备。
在材料研究方面,西安电子科技大学已研制出GaN、GaNAl等材料生长用MOCVD设备,获国家科技进步二等奖,用该设备已生长出合格的GaN、GaNAl等材料,并且用该材料研制出合格的器件。最近,学校又获得国家资助研制SiC外延生长设备。
在SiC器件结构设计方面,电子科技大学功率集成技术实验室在国际上首先提出二项新理论:宽禁带半导体器件优值理论和宽禁带半导体功率双极型晶体管特性理论[7],获得众多国际知名学者认同及引用。
在SiC整流器方面,各个研究所和高校,包括中电13所、55所、西安电子科大、电子科大等都研制出600 V~1 200 V的SiC SBD试样品,为SiC器件的发展和应用打下坚实基础。
3 未来发展趋势
目前由于SiC功率整流器结构相对简单,特别是SiC SBD器件已经比较成熟,因此针对国内SiC器件研究水平,应优先大力发展SiC整流器(包括:SBD、JBS、PiN),从器件结构设计和耐压机理分析入手,一方面是对已有器件继续进行优化,使其能满足军事和商业应用;另一方面继续开发更低导通压降,更小芯片面积和更高工作温度的器件,加快国内SiC整流器实用化进程。
参考文献
[1]王守国,张岩.SiC材料及器件的应用发展前景[J].自然杂志,2011,3(1):42-53.
[2]李晋闽.SiC材料及器件研制的进展[J].物理,2000(29):481-488.
[3]Bhatnager M,Baliga B.J.Silicon-Carbide High-Volt-age(400V)Schottky Barrier Diodes[J].IEEE ElectronDevice Letters,1992,13(10):501-503.
[4]Zhao J.H,Alexandrov P,Li X.Demonstrati on of theFirst 10-kV 4H-SiC Schottky Barrier Diodes[J].IEEE Electron Device Letters,2003,24(6):402-404.
[5]Nishio J,Ota C,Shinohe T,et al.Ultralow-Loss SiCFloating Junction Schottky Barrier Diodes(Super-SBDs)[J].IEEE Electron Device,2008,55(8):1954-1960.
[6]盛柏桢,程文芳.碳化硅器件及其应用[J].电子元器件应用,2001,3(5):19-28.