节能和人工智能中的半导体光电子芯片

这一次,我的实验室科研探究课单元在电子工程系的罗姆楼。上课一开始,老师就提到最近的中兴事件,以及十分紧张的中美贸易关系。中兴事件的核心在于美国曾决定向中兴禁运芯片,这能够导致中兴在约两个月后垮台。这说明,芯片是中国产业链中卡脖子的环节,而我国硬件芯片技术很欠缺。这个实验室主要研究的是芯片的材料、芯片以及芯片的应用,十分重要。

半导体芯片最核心的部分很简单,就是PN节,这是各种半导体器件的基础。对于发光器件而言,不同的材料制作出来的LED能发出不同颜色的光。

这个实验室的研究策略是利用、发展和拓展光子的各类特性,实际制备并产业化满足需求的各类光电子芯片。这些芯片包括用于人工智能的光电子芯片和下文描述的各类其他芯片。

例如,光电子芯片在激光雷达领域也有应用。由于某些领域用微波雷达不能满足精度要求,在这些领域就需要使用激光雷达,因为激光雷达的精度相对较高。

最简单的激光雷达是单点激光雷达,一个发射器,一个接收器,通过测量发射到收到的时间差,即可计算出障碍物的距离。如果要获得一个面上的很多点的信息,就需要逐一扫描,效率很低。于是,多线对激光雷达被提出来,这种雷达同时安装很多对发射器和接收器,可以同时测量很多点。然而,安装数量过多的话会导致成本提高。进一步,有闪光激光雷达,它利用一个激光源,以及一个镜子,一束激光能够反射出很多激光,然后接收器统一接收。此外,还有其他种类的更先进的激光雷达。这些激光雷达都需要用到光电子芯片。

最近时髦的iPhone X手机也用到了光电子芯片。iPhone X中利用结构光三维成像来进行基于人脸结构的生物特征识别。讲到这里,老师提到,手机生物特征识别解锁的商机是无限的。顺便一提,偏振光扫描仪也可以获得人脸的三维信息。

在日常生活中,事实上照明用电量占比较大,因此半导体照明也十分重要。幸运的是,据我观察,目前绝大多数新建的房屋使用的都是LED照明,大大减少了照明的能耗。同时,目前常用的LED显示屏中的“LED”指的实际上就是背光光源采用LED光源,LED光源发出的光通过导光板可以传导到整个屏幕。

LED光源的一个问题就是如何产生白光。对于这个问题,老师介绍了三种方案,使用三原色组合成为白光,用紫外光激发荧光粉产生白光,以及利用蓝光和黄光是互补光的特性。

上面就是光半导体电子芯片的几个应用。老师在带我们参观实验室之前,为我们讲了讲人生的道理。

老师说,做科研,就要做有意义的科研、创新的科研,要勤奋地做科研。老师还说,做科研等于做人,首先要学会做人,做科研要专注和积累,不能太功利。此外,搞科研的人的心理素质不能出问题,身体也要好。

接下来是激动人心的实验室参观环节,老师带我们去他实验室的超净室参观,这是我第一次去超净室。由于一些实验对于空气中的灰尘十分敏感,若直接在空气中做,实验数据几乎是杂乱无章的,因此需要一个干净的环境,即超净室。进入超净室前,要穿上鞋套和专用的衣服,防止将灰尘带入超净室。此外,进入之前还需要吹风,把身上已有的灰尘尽量吹干净。超净室配有先进的空气净化设备,能够去除空气中的PM 2.5等各类灰尘或其他杂质。进入实验室后,老师讲解了很多我看不懂的很贵的实验装备,我感觉很厉害。

最后是答疑环节,在老师和同学们的欢声笑语中,今天的课程结束了。

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