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[关键词]工艺原理 器件模拟与仿真 微电子技术
[中图分类号] G420 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）11-0112-03
0引言
西安邮电大学微电子科学与工程专业源于原计算机系的微电子学专业，2005年开始招收第一届本科生，专业方向设置偏向于集成电路设计。2013年，根据教育部《普通高等学校本科专业目录（2012年）》的专业设置，将微电子学专业更名为微电子科学与工程专业。2009年至今，该专业累计培养本科毕业生6届。根据历年应届毕业生就业情况和研究生报考方向，我们发现半导体工艺方向人数比重呈现逐年上升的趋势。另外，随着我国经济的快速发展，中西部地区半导体行业的投资力度也越来越大，例如韩国三星电子有限公司、西安爱立信分公司等落户西安，半导体人才需求日益增加。
根据2014年，微电子科学与工程专业新一轮培养方案的定位，设置出半导体工艺、集成电路设计两大课程体系，可实现半导体工艺、集成电路设计和集成电路应用人才的个性化培养。半导体工艺课程体系除设置固体物理、半导体物理学、半导体器件物理等专业基础课程外，还包含集成电路工艺原理、器件模拟与仿真、集成电路制造与测试和半导体工艺实习等专业课程。本课程体系是微电子技术领域人才培养的核心，旨在培养学生掌握集成电路制造的工艺原理、工艺流程以及实践操作的能力，同时也是培养具有创新意识的高素质应用型人才的关键。
因此，整合集成电路工艺原理与实践课程体系的教学内容，充分利用微电子技术实验教学中心现有的硬件环境和优势资源，加强软件设施，例如实践教学具体组织实施方案及考核机制的建设，构建内容健全、结构合理的集成电路工艺原理与实践课程体系，对微电子科学与工程专业及相关专业的人才，尤其是半导体工艺人才培养的落实和发展具有重要意义。
一、面临的主要问题和解决措施
（一）教学面临的主要问题
课程体系是高等学校人才培养的主要载体，是教育思想和教育观念付诸实践的桥梁。集成电路工艺原理与实践课程体系注重理论教学与实践教学的紧密结合，不仅让学生充分了解、掌握集成电路制造的基本原理和工艺技术，而且逐步加强学生半导体技术生产实践能力的培养。然而，该课程体系相关实践环境建设与运行维护耗费巨大，致使大多数高等院校在该课程体系的教学上仅局限于课堂教学，无法做到理论与实践相结合。
为解决这一问题，学校经过多方调研考察、洽谈协商，与北京微电子技术研究所进行校企合作，建立了半导体工艺联合实验室。通过中省共建项目和其他项目对半导体工艺联合实验室进一步建设、完善，为微电子科学与工程专业及相关专业本科生提供了良好的工艺实践平台。然而，在实际教学过程中，专业课程内容不能模块化、系统化，理论教学与实践教学严重脱钩，工程型师资人员匮乏，教学效果不理想。因此，对集成电路工艺原理与实践课程体系进行深化改革与探索，可谓任重而道远。
（二）主要的解决措施
1.课程体系整合优化
集成电路工艺原理与实践课程体系服务于半导体产业快速发展对人才培养的需要。本课程体系以集成电路工艺原理、器件模拟与仿真和工艺实践为主线，将集成电路工艺原理、半导体器件模拟与仿真、集成电路封装与测试、新型材料器件课程设计和半导体工艺实习等课程内容进行整合，明确每门课程、知识的相互关系、地位和作用，找到课程内容的衔接点，让每一门课程都发挥承上启下的作用，保证半导体人才培养的基本规格和基本质量要求。在此基础上，设置半导体材料、半导体功率器件、纳米电子材料与器件等专业选修课，培养学生的兴趣、爱好和特长，以满足个性化培养需要。
为解决微电子科学与工程专业本科生实践形式单一、综合程度不高导致解决实际问题的应用能力不足等现象，集成电路工艺原理与实践课程体系在力求理论教学与实践教学有机融合的基础上，设置微电子学基础实验、半导体器件模拟仿真、半导体工艺实习以及新型材料器件课程设计等实践课程，形成由简单到综合、由综合到创新的递阶实践教学层次。通过独立设课实验、课程设计、科研训练、生产实习、社会实践、科技活动和毕业设计等实践环节达到预期的效果。同时，注重课程形式的综合化、科研化，提高综合性、设计性实验比例，使实践课程与理论课程并行推进，贯穿整个人才培养过程。
2.考核体系的完善
考核体系总体上包括理论课程考核体系和实践课程考核体系。目前，理论考核体系已基本成熟。然而，长期以来，我国教育领域由于实践教学成本高、经费得不到保障，所以考核主体对实践环节考核的积极性不高、重视程度不够，导致考核制度不完善。集成电路工艺原理与实践课程体系在不断完善理论教学考核体系的同时，尤其注重实践教学体系的改革。将教学实验项目的实验过程、工艺参数和器件性能等列为考核的过程。兼顾定性与定量相结合、过程与结果相结合、课内与课外相结合、考核与考评相结合的原则，不断完善实践教学的考核体系，形成以学生为中心的适应学生能力培养和鼓励探索的多元实践教学考核体系。该体系能全面、准确地反映学生的应用能力和实际技能，激发学生的学习动力、创新思维和创新精神，促进人才培养质量和水平的提高。
3.教学团队构建
根据集成电路工艺原理与实践课程体系对高素质应用型人才培养的需要，本教学团队秉承“以老带新”的传统，为青年教师配备老教授或资深教授作为指导教师。在日常教学过程中，由老教师对年轻教师进行业务指导，负责教学质量的监控与授课经验的传授。在老教师的“传、帮、带”和示范表率作用下，青年教师间互相听课、交流教学心得，定期组织教学竞赛，体现以人为本，强调德才兼备，营造青年教师良好的教与学氛围。同时，课程体系团队积极为任课教师创造条件，加大队伍培养建设，鼓励教师走出去，了解企业的运作模式，提高自身的业务能力。目前，已有多位教师到企业参观交流、参加各种业务能力培训，取得了多种职业资格认证，教师的业务能力和水平得到大幅提升。
西安邮电大学经过多年建设和培养，形成了一支结构合理、师资雄厚的教学团队，具有高学历化、年轻化和工程化的特点。本课程体系现拥有任课教师15名，其中具有博士学位的教师7名，副高以上职称的教师8名，40岁以下的教师占课程组教师总数的60%，具有工程实践经验的教师占课程组教师总数的40%。
4.实验环境的优化
实验环境是实践教学和科学研究的关键性场所。根据微电子科学与工程专业半导体工艺、集成电路两大课程体系对人才培养的需要，微电子技术实验教学中心下设微电子学实验教学部和集成电路实验教学部，共计占地约1300平方米。微电子学实验教学部下设微电子学基础实验室、半导体工艺仿真实验室、半导体工艺实验室、微 / 纳材料器件实验室、材料器件分析实验室。微电子学基础实验室，拥有霍尔效应、高频晶体管测试仪、四探针测试仪等常规设备，可实现微电子学专业基础实验。半导体工艺仿真实验室，配置Silvaco、ISE和EDA等专业仿真软件，可实现半导体器件工艺参数和性能的仿真。半导体工艺实验室拥有双管氧化扩散炉、光刻机、LP-CVD、离子束刻蚀机、磁控溅射台、高温快速退火和激光划片等设备，可实现半导体工艺生产。微 / 纳材料器件实验室设计专业，配备排风、有害气体报警系统，拥有气氛热处理程控高温炉、纳米球磨机、高压反应釜等设备，可实现多种纳米材料器件的制备。材料器件分析实验室，拥有吉时利4200-SCS半导体特性分析系统、太阳能模拟器和化学工作站等设备，可完成新型材料器件的测试分析。
通过实践教学资源配置、环境优化，实现了实验教学中心的整体规划和布局；针对大型贵重精密设备配备专业操作人员，进行定期的维护和保养；制定大型设备的操作流程和规范，保证实践教学的顺利实施。实验平台的建设，将为相关专业的本科生、研究生和教师在实践教学、科研方面搭建一个良好的学术平台。
二、改革的特色和预期成果
（一）改革的特色
1.校内实验平台的优化
集成电路工艺原理与实践课程体系的构建，使专业培养方向定位更加明确、教学内容更加明了。尤其是在教学形式上，从教学内容整合、考核体系制定、教学团队形成和实验环境优化等进行了多方位、多角度的改革探索。围绕集成电路工艺原理、半导体器件模拟与仿真和半导体工艺生产实践教学内容为主线，保证半导体人才培养的基本规格和基本质量要求；利用选修课实现学生专业个性化培养。通过合理设置理论课程与实践课程比例、课内课程与课外课程比例，可有效地控制教学内容的稳定性、机动性，推进课程内容的重组与融合。同时，引领学生独立思考、主动探索，激发学生的创新意识和提高学生解决实际问题的能力。
2.校企合作实验平台的构建
在校内实践教学的基础上，微电子技术实验教学中心先后与西安芯派电子科技有限公司、西安西谷微电子有限责任公司等微电子器件及测试公司建立了良好的交流合作关系。这些关系的建立，可使微电子科学与工程专业的学生在校外公司，例如在西安芯派电子科技有限公司进行半导体器件再流焊工艺的实习。校内外互补的工艺实践体系构件，使学生不仅掌握集成电路工艺实践基本知识和原理，更能够掌握实际行业内集成电路工艺中需要考虑的系列问题，从而培养了工程的思维方式。
（二）改革的预期成果
1.达到理论与实践教学的有机融合
理论学习是知识传递过程，实践则是知识吸收过程。实践环节教学能巩固、加深学生对课堂上所学知识的理解，培养学生的实践技能。集成电路工艺原理与实践课程体系，将课程体系教学内容按层次分为半导体工艺原理、器件模拟与仿真和半导体工艺实践三个主要部分。通过半导体工艺原理的学习，掌握材料器件的基本参数、性能和制备方法；通过器件模拟与仿真，了解各种制备方法、工艺参数和器件性能之间的关系；通过半导体工艺实践，充分调动学生的学习积极性、主动性和创造性，从而有效地加深对理论知识的理解，锻炼实际动手能力。通过理论和实践的有机融合，可有效培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。
2.实现教学的开放性
集成电路工艺原理与实践课程体系，在理论教学方面，打破传统课堂教学的局限性，充分利用现代多媒体技术，实现网络教学。通过网络教学系统，开展互动学习的教学模式。将传统教学活动如批改作业、讨论答疑和查阅资料等传到网络教学系统上；开发试题库，建设合理的测试系统。在实践教学方面，将部分实践教学环节以录像的形式上传到网站上供学生学习、参考，部分实验室实行全天候的开放，学生自主学习、管理。通过兴趣小组、创新项目和开放性实验等多种方式，形成团队教师定期指导、高年级学生指导低年级学生的滚动机制，激发学生潜在的学习能力、创新意识，提高学生的学习兴趣和实践动手能力，为我校培养微电子技术领域高素质应用型人才奠定基础。
三、结语
根据西安邮电大学2014年微电子科学与工程专业新一轮培养方案的定位及社会发展对半导体人才培养的客观要求，本文提出集成电路工艺原理与实践课程体系改革。本课程体系以半导体工艺原理、器件模拟与仿真和半导体工艺实践为主线，对教学内容进行整合、修订和完善，保证半导体人才培养的基本规格和质量要求。根据现有实验环境、实验设备和优势资源，进行资源优化配置，完成微电子技术实验教学中心的整体规划布局。通过师资队伍的建设、切实可行的实践教学管理制度的制定，明确任课教师的职责，出台实践教学质量考核标准，加强实践教学环节的时效性。通过上述诸要素的相互协调、配合，实现集成电路工艺原理与实践课程体系“非加和性”的整体效应，促进微电子技术领域应用型人才培养质量和水平的提高。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 崔颖。高校课程体系的构建研究[J].高教探索，2009（3）：88-90.
[2] 马颖，范秋芳。美国高等教育管理体制对中国高等教育改革的启示[J].中国石油大学学报（社会科学版），2014（4）：105-108.
[3] 别敦荣，易梦春。中国高等教育发展的现实与政策应对[J].清华大学教育研究，2014（1）：11-13.
[4] 王永利，史国栋，龚方红。浅谈工科大学生实践创新能力培养体系的构建[J].中国高等教育，2010（19）：57-58.
全球市场东半球增长，西半球下降。最极端的标志是台湾地区的芯片加工设备开支增长了将近50％，而欧洲的芯片加工设备开支减少了18.2％。
2007年台湾地区市场的半导体设备开支首次超过了世界其它地区，达到了106.5亿美元，比2006年增长了46％。日本市场排名第二位，2007年的半导体设备开支为93.1亿美元。韩国市场的半导体设备开支为73.5亿美元，市场排名降到了第三位，超过了北美地区的65.5亿美元。中国半导体设备开支在2007年继续增长，比2006年增长了26％，达到了29.2亿美元。包括新加坡、马来西亚、菲律宾以及东南亚地区和小型全球市场在内的“世界其它地区”2007年的半导体设备开支减少了18％，与欧洲半导体设备市场差不多。
SEMI指出，从设备类型看，全球晶圆加工设备市场增长了11％，组装和封装市场增长了15％，总体测试设备销售下降了21％。包括光罩设备、加工设施和晶圆制造设备在内的其它前端市场增长了2％。
2008年全球模拟IC市场将增长10％
据Databeans公司发表的数据显示，模拟IC市场在2007年下降1％之后在2008年的销售收入预计将增长10％，超过400亿美元。在2008年之后，模拟IC市场将继续增长，2013年的销售收入将增长到690亿美元，五年复合年增长率将达11％。无线产品持续增长的需求和模拟电源产品销售收入的健康增长是推动这个市场增长的主要因素。这两种产品占整个2007年模拟市场销售收入的40％以上。
模拟IC市场2007年的销售收入为365亿美元，比2006年的369亿美元减少了1％，低于2007年整个芯片市场的增长水平。2007年模拟IC市场的10大供应商排名与2006年大致相同。TI的市场份额仍然排在第一位，随后是意法和英飞凌。这两家公司的销售收入都比2006年有明显增长。其它销售收入增长的供应商还有ADI、Maxim和瑞萨科技。排行榜中的唯一变化是Maxim超过了飞思卡尔，从第八位上升到第七位。NXP公司在模拟无线半导体市场继续保持排名第一的位置。但是，NXP面临来自意法和英飞凌日益激烈的挑战，这两家公司的无线市场份额都有所增长。
在标准线性产品中，数据转换器和放大器的销售收入是增长最快的，增长率分别是18％和11％。具体应用的模拟产品比2006年下降了6％。然而，具体应用的汽车半导体市场增长强劲，销售收入增长了21％，从2006年的36亿美元提高到了44亿美元。尽管2007年消费和计算机用半导体的销售收入比2006年下降了，但是，这两个市场的销售收入占整个模拟IC市场份额的18％以上，仍是这个市场的主要贡献者。2012年MEMS传感器和执行器市场将达97亿美元
据市场研究公司IC Insights发表的报告预测，在2007至2012年五年期间，全球基于MEMS的半导体传感器和执行器销售收入的复合年增长率将达到19％，2012年的销售收入将达到97亿美元。在消费者设备上更多地应用运动控制用户接口和在便携式设备中更多地应用跌落检测／保护功能是推动这个市场增长的主要因素。
从2007年至2012年，整个MEMS传感器和执行器出货量的复合年增长率为23％，2012年的出货量将从2007年的43亿个增长到道121亿个。总的来说，包括所有的技术在内的传感器和执行器市场的销售收入预计将达到119亿美元。目前规模达50亿美元的半导体传感器和执行器市场是由采用MEMS技术的设备支持的。
IC Insights称，基于MEMS的执行器占2007年规模达51亿美元的传感器/执行器市场份额的54％。MEMS执行器从2007年至2012年的销售收入复合年增长率将达到接近20％。2012年的销售收入将从2007年的28亿美元增长到68亿美元。
同时，消费者和使用低成本加速仪的便携式系统应用将在未来几年里推动加速/偏航传感器类市场的增长。这种传感器产品的增长率预计将稍微超过执行器的增长率，到2012年的销售收入将从2007年的8.11亿美元增长到20亿美元。
不久之前，加速仪和压力传感器等基于MEMS的设备一直主要依靠汽车市场的增长。但是，在消费者产品、手机和其它便携式系统中的应用显著提高了这种产品在全球销售的潜力。
PMP/MP3制造商增加功能刺激销售
据iSuppli公司，个人媒体播放器(PMP)/MP3播放器市场正在日趋成熟，增长速度放缓，这促使供应商通过提供具有超强特点的产品，以吸引消费者购买新款产品来替代其现有的产品。这些特点包括先进的无线连接与高级显示屏。
PMP/MP3市场已经开始接近饱和，其销售也越来越依赖于升级与换机需求，预计未来几年PMP/MP3出货量的复合年增长率将只有4.3％，2012年出货量将从2007年的1.971亿个增长到2.433亿个。相比之下，2002～2007年PMP/MP3播放器出货量的CAGR高达96.1％。该市场最近几年已显露放缓迹象，2007年出货量仅增长10.6％，远低于2006年的38.4％。
显示屏技术是PMP/MP3产品创新的一个重要方面。许多播放器开始采用OLED显示屏，尤其是AMOLED。但是，AMOLED技术成本高昂，未来几年的市场占有率会很低。
在苹果公司的iPhone带动下，触摸屏日益被用于PMP/MP3播放器以改善用户界面。但i由于成本的限制，触摸屏将仅用于高端播放器之中，至少在未来几年内会是这样。到2012年，将仅有12.7％的MP3/PMP播放器采用触摸屏。
蓝牙在PMP/MP3播放器市场的占有率目前极低。iSuppli公司估计，2007年只有不到100万个播放器采用了蓝牙技术。但是，iSuppli预期蓝牙在PMP/MP3播放器市场中的占有率将逐步提高。随着立体声蓝牙耳机的价格开始下降，将越来越多地用于PMP和MP3播放器。PMP播放器中的蓝牙连接将作为播放器与PC之间传递内容的一种途径，还可以用于在远程喇叭上播放MP3播放器中的音乐。到2012年，11.7％的PMP/MP3播放器将具备蓝牙功能，而2007年时还不到1％。
从2007年开始，PMP/MP3播放器开始采用Wi-Fi连接，3.2％的产品在使用这种无线连接技术。到2012年，21.5％的PMP／MP3播放器将支持Wi-Fi功能。
三星公司DRAM逆流而上
据市场调研公司IDC报道，2007年世界DRAM市场规模约346亿美元，今年将持平甚或缩水，前景未可言好。由于供给过剩，价格喋喋不休，不少DRAM厂商经营陷入困境。三星公司也不例外，去年4季度公司半导体部门的营业同比锐减23％，计32.7亿美元，营业利润更剧降74％，只及2.6亿美元，营业利润率从9％下降到8％。
面对如此局面三星公司信心不减，今年对存储器的设备投资仍将维持去年的最高水平，达62.5亿美元之巨，超过投资最多的Intel公司。公司坚信DRAM能够做到黑字经营，预计今年上半年还会继续供过于求，下半年即可望回复。此外，公司对闪存则抱于很大的期待。
一般认为，DRAM需求的牵引力正从PC转向图形显示应用和移动应用，但后者劲势还不足。三星公司也在摸索应用变革，期望IPTV和HDTV对DRAM能扩大应用。
WSTS连续两年预测市场下滑
WSTS(世界半导体贸易统计协会)6月发表的2009年半导体市场预测，与去年11月做的预测大相径庭，从预测2009年世界半导体市场仅略降218％，大幅下调到今年将剧降21.6％，总计1948亿美元，这是自WSTS自1984年开始针对全球半导体市场统计以来，首次出现连续两年下滑的情况。
从各类产品看，2009年传感器市场下降最多，下跌34％，光学器件较好、下跌16％，集成电路整体下滑21％(见表1)。
WSTS预测，电子产品包括PC、数字消费电子、移动通信和汽车电子的需求还会增长，世界半导体市场将于今年上半年探底，明年可望反弹7.3％，达2090亿美元，其间亚太地区增长最快，达8.2％，美洲最慢，为5.9％(见表2)。
SIA与Gartner预测较一致
SIA(美国半导体工业协会)6月所做年中预测也表明，世界半导体市场反弹须待2010年，而今年将锐减21.3％，总计1956亿美元。SIA去年11月预测，2009年世界半导体市场将下降5.6％，与WSTS有所差别，新预测则无论下降幅度和最终金额都很接近。SIA展望2010年将增长6.5％，达2083亿美元，2011年再续增6.5％，达到2219亿美元。
著名市场调查公司Gartner去年12月预测，2009年世界半导体市场将下降16.3％，而今年2月预测，世界半导体市场更将惨跌24.1％，其最悲观的预测甚至说可能会直泻33％。
但到今年6月左右公司见到二季度世界半导体市场增长了4.9％的积极表现，于是又重新预测2009年世界半导体市场将下挫22.4％，比2月预测上调了2个百分点，总计1980亿美元。公司预测2009年占有半导体市场最重要地位的集成电路ASSP将下降24.2％，总计519亿美元，居于次席的存储器下降16.8％，总计394亿美元，由第2位滑到第3位的微芯片下降23.6％，总计373亿美元。
Gartner公司报告，2008年世界最大100家OEM公司所消费的半导体占世界半导体市场的75％～79％，达2020亿美元，其所占份额比上年提升了3个百分点，但实际消费额比上年的2090亿美元反下降了3个百分点。原因是半导体价格下降和电子产品需求低迷。前100大公司中以美国HP消费半导体最多，达165亿美元，随后依次是芬兰Nokia、美国Dell和韩国三星(110亿美元)，4家公司分别主要从事PC和移动电话的生产，故而数据处理和通信设备实际合计占全部半导体消费的3/4。
公司预计2009年世界PC出货量将减少11％，移动电话缩减12％，加上半导体价格下降，形势将更趋严峻。目前新型手机都采用触摸屏，也增加了传感器的使用，这可说是半导体消费新的增长点。
Gartner公司最近还预测，明年半导体设备投资即将开始回升。据公司调查，这次经济危机半导体生产设备厂商受打击最大，预计今年世界半导体生产设备投资仅243亿美元，比去年暴挫44.896，近乎一半。其中，晶圆加工设备投资2008年即锐减33％，2009年更惨跌47％，封／组装设备两年也分别下年25％和49％，自动测试设备分别下降31％和32％。但今年二季度世界半导体设备投资即可探底，从明年起将连年回升，2010年大幅增长20.8％，2011年更将跃增34.5％，2012年再增19.8％，2013年则又将周期性回落10.9％。
其他机构相对乐观
关键词： 半导体； 薄膜晶体管； 节能； 电源回路
中图分类号： TN304.055?34； TN321.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）12?0136?04
Abstract： The previously?proposed energy?saving design method of the semiconductor thin?film transistor has poor energy?saving effect because the semiconductor thin?film transistor is not easy to control， so a superior energy?saving design method of semiconductor thin?film transistor is put forward. The energy?saving design principles of the power loop and drive circuit in semiconductor thin?film transistor are summarized. The architecture design scheme of the terminal device is given. The power loop is used to control the power?supply frequency of the semiconductor thin?film transistor to realize the basic energy saving. The drive circuit is adopted to regulate the electric energy loss further， manage the current harmonic of the power loop， and improve the switching performance of the semiconductor thin?film transistor. The mode of model construction is employed to eliminate the circuit noise， and optimize the energy storage performance. The experimental verification results show that the method makes the semiconductor thin?film transistor have high switching performance， high energy storage level， and superior energy?saving effect.
Keywords： semiconductor； thin?film transistor； energy saving； power loop
0 引 言
随着信息时代的悄然来临，显示器也向着智能化、节能化的目标不断迈进，半导体薄膜晶体管以其加工简便、成本低廉、体积小和高迁移率等优势，逐渐成为显示器的主流制作材料[1]。近年来，人们对显示器节能效果的要求越来越高。为了响应市场需求，有关组织曾提出多种节能设计方法，但由于受到半导体薄膜晶体管不易受控缺陷的影响，其节能效果不佳，更为优异的半导体薄膜晶体管的节能设计方法仍在研究中[2]。
文献[3]以无机复合材料为涂层，对半导体薄膜晶体管进行了节能设计。无机复合材料能够有效改善半导体的兼容性能，并弱化分子层，提高半导体薄膜晶体管的开关性能，但却无法对半导体薄膜晶体管中不同层次组件之间的平衡能力进行优化，因此节能效果不佳。文献[4]基于有机半导体材料提出一种半导体薄膜晶体管的节能设计方法，这一方法将有机半导体材料置于设计中心点，对半导体薄膜晶体管中的通信工作进行性能优化，其成本低廉，并且储能水平良好，但迁移率低、寿命短，并非良好的节能方法。文献[5]通过变更半导体薄膜晶体管中的电极材料达到节能目的，电极材料的导电性、鲁棒性和接触点对管中电流的流通性具有较大的影响，因此该方法的节能效果要优于以上两种方法，但在一定程度上限制了半导体薄膜晶体管的开关性能。
为了改善以上问题，提出一种能够同时兼具优良的开关性能和储能水平，并且节能效果较好的半导体薄膜晶体管的节能设计方法，给出节能原理，对电源回路和驱动电路进行重点设计。
1 半导体薄膜晶体管节能原理
半导体薄膜晶体管的电能耗损率与其供电频率有很大关系，如图1所示。当供电频率处于[500 Hz，50 kHz]的范围内，半导体薄膜晶体管的电能耗损率迅速增长，最高可达125%。而当供电频率处于[50 Hz，18 kHz]的范围内，电能耗损率最高仅为102%，可节约大概23%的电能[6]。基于上述原理，所提半导体薄膜晶体管的节能设计方法将设计出一种电源回路，使半导体薄膜晶体管的供电频率始终维持在50 Hz～18 kHz，保证最基本的节能效果。
为了在保证节能效果的同时，使半导体薄膜晶体管仍具有优良的开关性能，所提方法还对半导体薄膜晶体管驱动电路的设计提出了要求：
（1） 在维持节能效果的前提下，驱动电路的驱动电压应富余，保证半导体薄膜晶体管的可持续工作；
（2） 为半导体薄膜晶体管提供的工作电流应低于其额定值，并使驱动电路稳定不变；
（3） 可对电源回路的电流谐波进行实时管控；
（4） 驱动电路中各组件应具备较强的兼容性和安全性。
根据上述要求，应在驱动电路中使用具有强耐高温性和抗干扰性的可编程硅单晶片，其电阻率为50 ，可对电流、电压和驱动时间进行合理调节，适应所提方法对半导体薄膜晶体管的节能要求。
同时，为了获取较为优异的储能水平，需要对半导体薄膜晶体管的终端设备架构进行调节，以合理消除其内部电路噪音，如图2所示。以半导体薄膜晶体管中基区的结深和运动分子数量为依据，设置展宽区长度，通常当结深为20 μm时，展宽区为60 μm。终端设备所使用的管分压为2环，可在减轻储能压力的同时节约设计成本[7]。
2 半导体薄膜晶体管的节能设计方法研究
2.1 电源回路设计
本文半导体薄膜晶体管节能设计方法给出的电源回路主要由单相半控桥和三相全桥变流器构成，如图3所示，其功能参数如表1所示。由图3可知，单相半控桥的作用是整流，电源回路的初始输入电压为恒定的交流电，如果电源回路中的电容储能效果非常好，那么经单相半控桥整流后的交流电则能够以任意电压进行直流变换。调节直流电压至所需数值，再通过三相全桥变流器进行直流、交流电压转换，便可使半导体薄膜晶体管的供电频率维持在[50 Hz，18 kHz]范围内。
以往提出的半导体薄膜晶体管节能设计方法通常使用变压器实现电压转换，导致电源回路产生了较多的功率干扰，并且无法带来优异的节能效果，而三相全桥变流器具有携带方便、稳定性强的优点，可持续工作3 800 h，电压转换性能更加强劲[8]。在进行电压转换时，应使三相全桥变流器内部的两个晶体管单独工作，防止电源回路出现短路状况，故应将二者的排列角度置于120°。
2.2 驱动电路设计
本文提出的半导体薄膜晶体管节能设计方法中，驱动电路的作用是调节半导体薄膜晶体管中不必要的电能损耗，并对电源回路的电流谐波进行管控，达到改善半导体薄膜晶体管开关性能的目的。驱动电路中标准电流波形以及其电路设计图如图4、图5所示。
由图4、图5可知，驱动电路以其标准电流波形进行工作，通过光电耦合方式对半导体薄膜晶体管和电源回路的受控区域进行划分。整个驱动电路拥有8个监控接口。接口1，2用来连接脉冲，其两端电压为3.5 V，可实现半导体薄膜晶体管与电源回路的高性能连通。
当驱动电路对半导体薄膜晶体管的电能损耗进行调节时，需要将接口1，2的两端电压调至0 V，此时电容C5处于放电状态，接口3，8可实现连通，并使电路产生降压现象，半导体薄膜晶体管将出现反向偏置电压，电能损耗也相应缩减[9]。驱动电路对电源回路电流谐波的管控工作与上述调节较为类似，其操控的是接口7，8两端电压，使用开关控制电压升降，使接口5，6处于连通状态，进而实现对电流谐波的缩减，增强半导体薄膜晶体管的开关性能，为优异的节能效果提供后台支持。
2.3 电路噪音消除模型
半导体薄膜晶体管的内部电路噪音会导致其储能水平的降低，对节能效果造成较大的影响，必须采用一种较为有效的方式对噪音进行消除。为此，所提半导体薄膜晶体管的节能设计方法构建了电路噪音消除模型，该模型将半导体薄膜晶体管的内部电路分为正、反相两部分，将正向的输入、输出电压设为，，反向的输入、输出电压设为，，当正、反两相的电压近视相等时，便可实现对半导体薄膜晶体管内部电路噪音的消除[10]。如果将正、反两相的实时电压绘制成曲线，用表示正相电压曲线，那么反相电压曲线则可表示为。从坐标处向正相电压曲线做一条斜率为1的辅助线，将该辅助线与的交点坐标设为，则可获取关系式如下：
式中：是驱动电路输出电压；是半导体薄膜晶体管实际供电电压；是漏电电压；是半导体薄膜晶体管的设计参数。至此，消除半导体薄膜晶体管内部电路噪音可看作是求解的过程。由于不同的半导体薄膜晶体管正、反两相电压曲线并不重合，故电路噪音消除模型定义了一个噪音极限值，当取最大值时，和可看作近似相等，的最大值如下：
3 实验验证
3.1 验现场
为了验证本文提出的半导体薄膜晶体管节能设计方法的各项性能，需要进行实验。实验将国内某科技公司生产的半导体薄膜晶体管与万用表、存储电容和显示板相连，如图6所示。使用电压、频率调节仪控制实验自变量，对本文方法、文献[3]方法和文献[4]方法的开关性能、储能水平和节能效果进行对比验证。
3.2 开关性能验证
半导体薄膜晶体管的开关性能是其最重要的性能之一，是保证半导体薄膜晶体管与其他电路元件有效沟通的基础性能。以往的节能设计中通常会削弱开关性能，导致半导体薄膜晶体管的兼容性降低，得不偿失，因此，开关性能的验证必不可少。在本文实验中，通过调节半导体薄膜晶体管的偏置电压，观察其偏置电流随时间的变化趋势，来确定不同方法下半导体薄膜晶体管开关性能的优劣性，如图7所示。与文献[3]方法和文献[4]方法相比，本文方法下半导体薄膜晶体管偏置电流最为稳定，表现出优良的开关性能。
3.3 储能水平验证
在光照状态下和无光状态下对不同方法下半导体薄膜晶体管的储能水平进行了验证，使用偏置电压来表示储能水平，二者成正比关系，实验结果如图8所示。可看出，在光照状态下，三种方法的储能水平无较大差别，而在无光状态下，本文方法的偏置电压要远高于文献[3]方法以及文献[4]方法，表现出优良的储能水平。
3.4 节能效果验证
实验令半导体薄膜晶体管正常运行48 h，使用文献[3]方法、文献[4]方法以及本文方法对其进行节能，实验结果如表2所示，可知本文方法的节能效果最佳。
表2 节能效果验证实验结果 kW・h
4 结 论
本文提出一种能够同时兼具优良的开关性能和储能水平，并且节能效果较好的半导体薄膜晶体管的节能设计方法。半导体薄膜晶体管的电能耗损率与其供电频率有很大关系，使半导体薄膜晶体管的供电频率始终维持在50 Hz～18 kHz，可保证最基本的节能效果。因此，本文方法给出节能原理，对电源回路和驱动电路进行了重点设计。经实验验证可得，在本文方法下，半导体薄膜晶体管的开关性能、储能水平和节能效果均优于以往提出的节能设计方法，具有较高的使用价值。
参考文献
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关键词：半导体洁净厂房 消防 自动喷淋 火灾报警 规范
目前国内虽然有洁净厂房设计规范，但还没有专门针对半导体工厂的防火设计规范。美国NFPA318和FMDS7-7中均有专门针对半导体工厂的自动喷淋系统及火灾报警系统的设计要求，并且还对半导体工厂内可能使用的危险化学品，提出了保护，储存、操作等要求。
一、自动喷淋灭火系统的设计
（1）自动喷淋系统和强度
由于洁净厂房内的设备造价普遍较高，且存在较多危险化学品。因此，使用快速响应喷头就显得极其必要。根据美国NFPA318中的要求，在洁净厂房内的自动喷淋系统应该采用快速响应喷头，强度为8l/min.m2，作用面积为280平方米。
（2）喷淋系统覆盖范围
对于喷淋系统的覆盖范围，NFPA318和FMDS7-7要求任何吊顶内都应该安装自动喷淋系统，包括正压空间和回风空间，即洁净厂房吊顶和回风层，其喷淋强度同厂房内。并且在一些工艺废气排放管内，如果可燃气体蒸汽在管道的浓度为20%或者高于其爆炸下限时，应在这些管道内安装喷淋保护。在架高地板夹层中，如包括可燃电缆，管道或者其他可燃材料时，应设置自动喷淋，其强度和作用面积同厂房。在架高地板上方制成设备（如湿式清洗槽、离心旋转清洗器）需要处理一些易燃液体或者是可燃物时，需要在架高地板的下方设置自动喷淋保护，只需要在架高地板下方设备周围区域向外延伸1.5m的区域安装喷头。
综上所述，我们可以发现在洁净厂房内设置喷淋系统的目的是有效遏制初期火灾，因此，存在可燃物、可能发生火灾的地方均应该设置喷淋系统，且为快速响应喷头。
二、火灾报警系统
（1）极早期烟雾探测器的设计
一般的半导体厂房可以分为三层，即正压吊顶送风层、生产层、回风层，一般在回风层的两侧便是厂房的回风区域，NFPA318还要求，在每个回风层的回风口附近还要安装极早期烟雾探测器。
综上所述，在回风口和回风层安装极早期烟雾探测器，能够更早发现火灾，并且联动相应的消防排烟设备。
（25）与消防排烟系统的联动
一般厂房内的火灾排烟系统都是通过安装在厂房上部的排烟口进行排烟，但由于半导体厂房内的设备都比较昂贵，这些设备一旦经过烟雾后，设备可能就会损坏或报废，所以半导体厂房内的消防排烟一般和回风管道共用一个回风腔，即先从上到下的排烟，再从下到上的排烟方式，在进入MAU前进行切换。一旦回风口的VESDA报警，那么通过防火阀的切换，打开该区域的排烟风机。
并且在Fab厂房内的回风和补风风机下游安装管道式烟感，一旦发生报警，马上切断回风或是补风风机。具体可见以下示意图：
三、配套公用工程的消防设计
（1）洗气塔的设计
在半导体厂房内，会用到很多可燃及有毒气体，这些气体最后都需要经过洗气塔才能排向大气。因此，首先要做到的是将可燃和有毒气体所用的洗气塔和一般气体所用的洗气塔分开设置。其次，可燃气体通向洗气塔的管道需使用金属管道，而不是FRP管道。
另外，由于洗气塔的材料一般为FRP，是可燃材料，根据FMDS7-7的要求，要在洗气塔的进出气管道上各设置一个快速响应喷头，防止洗气塔的火灾蔓延到半导体厂房内。
（2）可燃气体和可燃液体的存放和分配
A.可燃气体的存放和分配
以半导体厂房内最常用的硅烷为例，硅烷站一般要求远离主厂房，并且其建筑结构按照防爆考虑，硅烷站内要求安装可燃气体探头，连锁启动雨淋系统和关闭硅烷的供气阀门，并发出报警信号。其喷淋系统强度应该为12l/min.m2，火灾延续时间应该为2小时。
在厂房内一般会有硅烷的分配站，对于这些分配站内的分配阀要求安装在VMB内，这些VMB需要配备排气口，和进气百叶。并且VMB内需要安装自动喷淋系统。VMB是一种专门用来安装阀门的箱体，其作用是能够尽最大可能对可燃气体分配阀组进行密闭。
B.可燃液体的存放和分配
本文中的可燃液体主要为闪点低于38℃度的I类可燃液体。对于这些可燃液体在其仓库内，建议设置自动泡沫喷淋系统，并且设置围堰，该围堰高度应该按照20min的泡沫喷淋量和最大储罐泄漏量相加来考虑。喷淋强度为12l/min.m2，火灾延续时间应该为2小时。
同样厂房内也会有一些可燃液体分配站，对于这些分配站内的分配阀要求安装在VMB内，这些VMB需要配备排气口，和进气百叶。并且VMB内需要安装自动喷淋系统。
四、总结
国内虽然已经有了洁净厂房的设计规范，但还没有专门针对半导体厂房的设计规范。美国的NFPA318和FMDS7-7则明确针对半导体厂房的造价高、设备精密的特点，明确了半导体厂房的自动喷淋和火灾报警系统的设计宗旨：早期预防和发现火灾，并及时施救和扑灭。
此外，NFPA318和FMDS7-7还针对半导体厂房可能出现的可燃气体如硅烷等，提出了储存、分配和灭火设计要求。