一、项目概括
1.1项目简介及选址
本项目电站选址地位于湖南省湘潭市雨湖区的响塘学校屋顶上，经过去现场实地的了解和勘测后，此学习周围无森林无高大树木，附近也无任何其他房屋，距离其最近的房屋也有数十米的距离，该屋顶无女儿墙无其他建造物，是一个平面的屋顶，其屋长为43米，宽为32米。
本项目将在此学校屋顶上建造一个100kw的并网型光伏电站，实施全额上网措施。选址卫星图如图1-1所示，选址平面图如图1-2所示。
图1-1 选址地卫星图
图1-2 选址平面图
1.2 项目位置及气象情况
经过百度地图的计算，得出了此地经纬度为：北纬27.96，东经为112.83，是属于亚热带温湿气候区，典型的冬冷夏热气温，年降雨量充足达1450毫米，最高气温为夏季的41.8度，最低气温为冬季的-12.1度，年均气温17度。该项目所在地最高海拔为793米，最低海拔达30.7米，总的平均海拔为48.2米。该地年总辐射量经过PVsyst软件的计算后，得出了1116.6的值，不是特别高，属于第三类资源区，但建设一个电站也不是特别亏。湘潭市地理位置图如图1-3所示。
图1-3湘潭市地理位置
图1-4年均总辐射值
1.3项目设计依据
本项目设计依据如下：
《光伏发电站设计规范》GB50794-2012
《电力工程电缆设计规范》GB50217-1994
《光伏系统并网技术要求》GB/T19939-2005
《建筑太阳能光伏系统设计与安装》10J908-5
《光伏发电站接入电力系统技术规范》GB/T19964-2012
《光伏发电站接入电力系统设计规范》GB/T5086-2013
《光伏(PV)系统电网接口特性》GB/T20046-2006
《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-19933
《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-1995
《晶体硅光伏方阵I-V特性的现场测量》GB/T18210-2000
二、电站系统设计
2.1组件选型
组件是电站中造价最高的设备，投资一个电站几乎一半的钱是砸这组件上去了，为此我们选择的组件一定要是最适合本电站的，不管是组件效率还是组件的其他参数在同功率组件下都应该保持最佳，这样才不会亏本。
组件的类型有很多，以不同的材料来说，组件又分为了晶硅组件、薄膜组件，在电站中使用最多的便是晶硅型组件，而晶硅型组件又分为单晶硅和多晶硅，它们都是市场上十分热门的组价。
单晶硅的效率比多晶硅高了很多，其使用寿命时间也长了不少，但价格方面却比多晶硅高了很多，但考虑到平价上网的时代，单晶硅的价格远远不如过去那样昂贵，所以本电站选取的组件为单晶型组件。
表2-1伏组件对比表
组件品牌及型号
晶科
Swan Bifacial 400 72H
晶科
Swan Bifacial 405 72H
晶澳
JAM72S10 400MR
最大功率(Pmax)
400Wp
405Wp
400Wp
最佳工作电压(Vmp)
41V
41.2V
41.33V
组件转换效率(%)
19.54%
19.78%
19.9%
最佳工作电流(Imp)
9.76A
9.83A
9.68A
开路电压(Voc)
48.8V
49V
49.58V
短路电流(Isc)
10.24A
10.3A
10.33A
工作温度范围(℃)
-40℃~+85℃
-40℃~+85℃
-40℃~+85℃
最大系统电压
1000/1500V DC(IEC/UL)
1000/1500VDC(IEC/UL)
1000/1500VDC (IEC)
最大额定熔丝电流
20A
20A
20A
输出功率公差
0~+5W
0~+5W
0~+3%
最大功率(Pmax)的温度系数
-0.350%/℃
-0.35%/℃
-0.35%/℃
开路电压(Voc)的温度系数
-0.290%/℃
-0.29%/℃
-0.272%/℃
短路电流(Isc)的温度系数
0.048%/℃
0.048%/℃
0.044%/℃
名义电池工作温度(NOCT)
45±2℃
45±2℃
45±2℃
组件尺寸：长*宽*厚（mm）
2031*1008*30mm
2031*1008*30mm
2015*996*40mm
电池片数
72
72
72
第一款组件晶科Swan Bifacial 400 72H和第二款组件晶科Swan Bifacial 405 72H的型号牌子都一样，除功率和其效率有点差距之外，其他的参数基本一样，但其第二款组件晶科Swan Bifacial 405 72H组件的效率高，相同尺寸不同效率下，选择第二款组件更好。
第三款组件晶澳JAM72S10 400MR是3款组件里效率最高的组件，比第一款和第二款分别高了0.37%和0.12%，并且尺寸和部分温度系数也是3款里面最小的，开路电压和工作电压以及短路电流等参数也是3款组件中最高的，从数据上来看，第三款组件晶澳JAM72S10 400MR是3款里最棒的组件。
综合上面的分析，本项目最终选择第3款组件晶澳JAM72S10 400MR作为本项目的组件使用型号。组件图如图2-1所示。
图2-1 组件图
2.2最佳倾斜角和方位角设计
本电站建造在平面屋顶上，该屋顶无任何的倾角，由于组件是依靠着太阳光发电，但每时每刻太阳都是在运动着，为此便会与组件形成一个角度，该角度影响着组件的发电量，对于采取固定支架安装方式的电站来说，选择一个最合适的角度能够让电站发电量达到最高，因此最佳倾角这个概念便被引出了。
对于本电站而言，根据其PVsyst软件的计算后，得出了湘潭最佳倾角为18度时，方位为0度时，电站一年下来的发电量能够达到最高。PVsyst最佳方位角、倾斜角模拟图如图2-2所示。
图2-2 PVsyst最佳方位角、倾斜角模拟图
2.3组件排布方式
本项目选址地屋顶长43米，宽为29米，采取横向排布方式无法摆下其电站中的整个阵列，因此本项目组件方式采取竖向排布，中间间距20mm。如图2-3所示。
图2-3 组件排列方式
2.4组件间距设计
太阳照射到一个物体上时，由于该物体遮住了光，使得光不能直射到地上时，该物体便会产生一个阴影投射到地上，而电站中的组件也类似于此，前一个组件因光产生的阴影投射到另一个组件上时，被照射的组件便会受到影响，进而影响整个电站，这对于电站来说是一个严重的问题，因此在设计其组件之间的间距时，一定要保证阴影的距离不会触及组件。
图2-4间距图
在公式2-1中：
L是阵列倾斜面长度（4050mm）
D是阵列之间间距
β是阵列倾斜角(18°）
为当地纬度（27.96°）
把以上数值代入公式后计算得：
2-5组件计算图
根据结果，当电站中的子方阵间距大于2119mm时，子方阵与子方阵便不会受到影响。
图2-6方阵间距图
2.5逆变器选型
逆变器是电站中其转换电流的设备，十分的重要，而逆变器的种类比较多，对于本项目电站来说，选择组串式逆变器最佳，因此本项目选择了3款市场上热卖的组串式逆变器。
表2-2 逆变器参数对比表
逆变器品牌及型号
华为
SUN2000-100KTL-C1
华为
SUN2000-110KTL-C1
固德威
HT 100K
最大输入功率
100Kw
110Kw
150Kw
中国效率
98.1%
98.1%
98.1%
最大直流输入电压（V）
1100V
1100V
1100V
各MPPT最大输入电流（A）
26A
26A
28.5A
MPPT电压范围（V）
200 V ~ 1000 V
200 V ~ 1000 V
200V ~ 1000V
额定输入电压（V）
600V
600V
600V
MPPT数量/输入路数
10/20
10/20
10/2
额定输出功率（KW）
100K W
110K W
100K W
最大视在功率
110000 VA
121000 VA
110000 VA
最大有功功率 (cosφ=1)
110KW
121K W
110KW
额定输出电压
3 × 220 V/380 V, 3 × 230 V/400 V, 3W+N+PE
3 × 220 V/380 V, 3 × 230 V/400 V, 3W+N+PE
380, 3L/N/PE 或 3L/PE
输出电压频率
50 Hz，60Hz
50 Hz，60Hz
50 Hz
最大输出电流（A）
168.8A
185.7 A
167A
功率因数
0.8 超前—0.8 滞后
0.8超前—0.8滞后
0.99 （0.8超前—0.8滞后）
最大总谐波失真
＜3%
＜3%
<3%
输入直流开关
支持
支持
支持
防孤岛保护
支持
支持
支持
输出过流保护
支持
支持
支持
输入反接保护
支持
支持
支持
组串故障检测
支持
支持
支持
直流浪涌保护
Type II
Class II
具备
交流浪涌保护
Type II
Class II
具备
绝缘阻抗检测
支持
支持
支持
残余电流监测
支持
支持
支持
尺寸（宽 x 高 x 厚）
1,035 x 700 x 365 mm
1,035 x 700 x 365 mm
1005*676*340
重量（kg）
85kg
85kg
93.5kg
工作温度（°C）
-25°C~60°C
-25°C~60°C
-25~60℃
3款逆变器的功率均在100kw以上，其效率也都是一模一样，均只有98.1%，其额定输出电压也都为600V，对于本电站来说，这3款逆变器都能使用，但可惜本电站只会从中选择一个最合适的品牌。
第一款逆变器华为SUN2000-100KTL-C1和第二款逆变器华为SUN2000-110KTL-C1是同种类同型号，但不同功率的逆变器，这两款逆变器大部分数据都一模一样，但第二款逆变器功率比第一款逆变器功率高了10k，比本电站的容量也高了10k，并且价格了略微高了那么点，选用第一款逆变器不仅省钱而且还不会造成功率闲置无处使用，最大发挥逆变器的作用，因此第1款比第2款逆变器好。
第三款逆变器是固德威HT 100K，它的最大输入功率高达150kw，明明是一个100kw的逆变器，但其输入功率却不同我们往常见的逆变器一样，它居然还高了50k，如果选用这款逆变器，那么阵列输入的功率超过100都能承受。虽然最大输入功率很恐怖，但其他参数正常，对比第一款逆变器，仅只是部分参数略微差了点，总体是几乎没什么太大的差别。
本项目根据上述的分析和对其逆变器的需求，最终选择了固德威HT 100K型逆变器为本电站逆变器。
2.6光伏阵列布置设计
2.6.1串并联设计
图2-7串并联计算
公式2-3、2-4中：
Kv——光伏组件的开路电压温度系数-0.00272
K——光伏组件的工作电压系数-0.0035
t/——光伏组件工作环境极限高温（℃)60
Vpm——光伏组件的工作电压（V）41.33
VMPPTmax——逆变器MPPT电压最大值（V）1000
VMPPTmin——逆变器MPPT电压最小值（V）200
Voc——光伏组件开路电压（V）49.58
N——光伏组件串联数（取整）
t——光伏组件工作环境极端低温（℃）-12.7
——逆变器允许的最大直流输入电压（V）1100
把以上数值代入公式中计算可得：
5.5≤N≤21
经计算，本电站最终选取20块组件为一阵列。如图2-6组件串并联设计图。
图2-8组件串并联设计图
2.6.2项目方阵排布
据2.6.1的结果，每一个阵列共有20块组件，单块组件的功率是400w，一个阵列便是8kw，而本电站的总容量为100kw，总计是需要13个阵列。本电站建设地屋顶长43米，宽为32米，可以完整的摆放电站中的所有子方阵。如图2-9所示。
图2-9项目方阵排布图
2.7基础与支架设计
2.7.1水泥墩设计
本电站所建地点是公办学校，属于公共建筑，如果使用其打孔安装方式，便有可能使得其屋顶因时间长久而漏水，一旦漏水便需要进行维修，这也是得花费一些金钱，又因是学校，开工去维修可能将使部分学生要做停课处理，因此为了避免这个麻烦，本电站还是选择最常见的水泥墩来做基础设计。
考虑到学校有许多的学生，突然出现了事故，作为电站建设者肯定会有责任，因此为了避免组件出现任何事故，特地将水泥墩设计为一个正方形，其长宽高都为500mm，这样的重量大大降低了事故的发生率。如图2-10水泥墩设计图和2-11电站整体水泥墩设计所示。
图2-10水泥墩设计
图2-11电站整体水泥墩设计图
2.7.2支架设计
都已经把基础设计水泥墩做好了，那么接下来则是考虑水泥墩上的支撑设备支架，对于支架的设计最重要的一点就是在选材上，一般电站中的支架会持续使用到电站报废为止，使用时间长达二十多年三十多年甚至更久，对此支架的选型便是十分的重要，其使用寿命必须得长，抗腐蚀能力强。如图2-12支架设计图所示。
图2-12支架设计图
2.8配电箱选型
配电箱在光伏电站里又分为直流配电箱和交流配电箱，对于本电站来说，是选择其交流配电箱。配电箱的容量是根据其逆变器的容量选择，必定不能小于其逆变器的容量，否则可能会出现配电箱过压的情况，然后给电站造成事故危险。
配电箱具备配电、汇电、护电等多种功能，是本电站必须要又的设备，经过配电箱型号的对比，本电站最终选择了昌松100kw光伏交流逆变器。
表2-3配电箱参数
项目名称
昌松100kw光伏交流配电箱
项目型号
100kw交流配电箱
额定功率
100KW
额定电流
780A
额定频率
50Hz
海拔高度
2500m
环境温度
-25~55℃
环境湿度
2%~95％，无凝霜
2.9电缆选配
电站分为两类电，一类是直流电，必须使用直流电缆运输；一类是交流电，必须使用交流电缆运输，切记不可以乱搭配使用，否则将会造成电缆出线问题，电站设备出现问题。
直流电缆选型一般都是选择PV1-F-1*4mm²光伏专用直流电缆
交流电缆：
P：逆变器功率100KW
U：交流电电压380V
COSΦ：功率因数0.8
=
=190A
=0.035Ω
=976W
线损率：976/100000=0.9%<2%，符合光伏电缆设计要求。
据其计算结果和下图电缆参数表，本电站最终选择ZRC-YJV22 7Omm2交流电缆。如图2-13电缆参数图所示。
图2-13 电缆参数图
2.10防雷接地设计
防雷接地是绝大多数光伏电站都必须要做的，目的就是防止雷击破幻电站，损坏人民的生命以及财产，特别是对于本电站而言，建设点是在学校，而学校不仅人多而且易燃物也多，一旦雷击劈到电站上，给电站造成了任何事故，都有可能把整个学校给毁了，为此本电站一定需要做好防雷接地设计。
本电站防雷方式采取常用的避雷针进行避雷，接地则是为电站中各个设备接地端做好接地连接。
图2-14防雷接地设计图
2.11电气系统设计及图纸
本电站装机总容量为100kw，由260块光伏组件组成，形成了13个阵列，每个阵列20块组件，然后连接至逆变器，逆变器变电后接入配电箱，最后再连接国家电网。
图2-15电气系统设计图
三、电站成本与收益
3.1电站项目设备清单
根据当地市场的物价，预估出了一个本电站预计投资表。
表3-1设备清单表
序号
设备
型号
单位
数量
单价
（元）
价格
（万元）
1
组件
晶澳JAM72S10 400MR
块
260
1.77
18.4
2
逆变器
固德威HT 100K
台
1
3.3w
3.3
3
直流电缆
PV1-F-1*4mm²
米
1500
5.2
0.78
4
交流电缆
ZRC-YJV22 70mm2
米
100
72
0.72
5
支架
＼
套
39
556
2.17
6
水泥墩
500*500*500mm
个
78
250
1.95
7
配电箱
昌松100kw光伏交流配电箱
台
1
1.3w
1.3
8
运输费
＼
总
18
1000
1.8
9
其他
＼
＼
＼
＼
4.15
10
人工费
＼
＼
＼
＼
7
合计：41.57万元
3.2电站年发电量计算
本电站总容量为100kw，而电站选址地的年总辐射量为1116.6，首先发电量便达到了89328度电。
（式3-1）
Q=100*1116.6*0.8=89328度
Q——电站首年发电量
W——本项目电站总容量（85KW）
T——许昌市年日照小时数（1258.2H）
——系统综合效率（0.8）
任何设备一旦使用，便就开始慢慢磨损了，其效率也是一年比一年差，即便是光伏组件也不例外。组件首年使用一年后，为了适应其环境，自身的效率瞬间就降低2.5%，而后的每年则是降低0.7%，将至80%左右时，光伏组件也是已经运行了25年。
表3-2电站发电量
发电年数
功率衰减
年末功率
年发电量(kWh)
累计发电量(kWh)
第1年
2.5%
97.50%
89328.000
89328.000
第2年
0.7%
96.80%
87094.800
176422.800
第3年
0.7%
96.10%
86469.504
262892.304
第4年
0.7%
95.40%
85844.208
348736.512
第5年
0.7%
94.70%
85218.912
433955.424
第6年
0.7%
94.00%
84593.616
518549.040
第7年
0.7%
93.30%
83968.320
602517.360
第8年
0.7%
92.60%
83343.024
685860.384
第9年
0.7%
91.90%
82717.728
768578.112
第10年
0.7%
91.20%
82092.432
850670.544
第11年
0.7%
90.50%
81467.136
932137.680
第12年
0.7%
89.80%
80841.840
1012979.520
第13年
0.7%
89.10%
80216.544
1093196.064
第14年
0.7%
88.40%
79591.248
1172787.312
第15年
0.7%
87.70%
78965.952
1251753.264
第16年
0.7%
87.00%
78340.656
1330093.920
第17年
0.7%
86.30%
77715.360
1407809.280
第18年
0.7%
85.60%
77090.064
1484899.344
第19年
0.7%
84.90%
76464.768
1561364.112
第20年
0.7%
84.20%
75839.472
1637203.584
第21年
0.7%
83.50%
75214.176
1712417.760
第22年
0.7%
82.80%
74588.880
1787006.640
第23年
0.7%
82.10%
73963.584
1860970.224
第24年
0.7%
81.40%
73338.288
1934308.512
第25年
0.7%
80.70%
72712.992
2007021.504
3.3电站预估收益计算
根据湖南省的标准电价，我们电站发的每度电能够有0.45元收入，持续运行25年后，将会获得2007021.504*0.45=903159元，也就是90多万，减去我们为电站投资的41.57万，我们25年内能够获得大约50万的纯利润收入
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太阳电池又称光伏电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。
太阳电池的面积每100㎝2在强阳光下约产生1瓦的电，我们常说的1度电是1千瓦小时，也就是1千瓦这样的电池工作1小时才能产生1度电。
太阳电池发展概况
太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题,是可再生能源和可持续发展的可靠能源。
硅太阳电池的发展，始于1954年在,美国贝尔研究所试制成功，次年便被用做电信装置的电源，1958年又被美国首次应用和于“先锋1号”人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。与此同时，地面用太阳电池的研究也在不断开展，特别是1973年的能源危机，又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、利用太阳能电池，为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中，大多数都配备了太阳能电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近五十年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。
太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10-25%的增长率在增加。1990年世界太阳能电池组件的产量70MW（兆瓦），我国为1.2MW，主要是用在太阳光照好的边远地区。到2001年全世界太阳电池的产量达到350MW，我国太阳能电池的实际产量已达到4.5MW，累计安装量已超过20MW。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济欠发达地区。据统计目前我国尚有700万户（2800万人口），还没有用上电，60%的有电县严重缺电。这些地区在短期内不可能靠常规电力解决用电问题，光伏发电则是解决分散农、牧民用电的理想途径，市场潜力非常巨大。
光伏发电具有许多优点：如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。
目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，这三种电池约各占1/3的市场，我国目前有7个太阳电池生产线，主要是生产单晶硅及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池也有少量生产。我国生产单晶硅太阳电池的效率在12-13%，多晶硅太阳电池在10%，非晶硅太阳电池在5-6%。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。1995年我国晶体硅太阳电池组件的参考价格为45元/瓦，非晶硅太阳电池组件为25元/瓦，仍为常规能源的几倍，但在无电地区及拉线不方便的地方，已产生了良好的经济效益。
Sih4和H2可以一起pumpdown么？等离了体技术在微电子工业和半导体薄膜材料生长等方面有着广泛的应用。用等离 子体化学气相沉积(PCVD)技术制备的薄膜质量好,而且工艺成熟,适合大规模工业化生 产,因而成为工业化生产最有效的方法。采用SiCl_4/H_2为反应气体,用传统的射频辉光放电 PCVD方法直接沉积多晶硅薄膜的方法日益受到重视。了解各种条件下辉光放电等离子体 的放电机理,诊断和监控放电过程,是寻找高效优质薄膜的最佳生产工艺条件的必然要求。 Langmuir单探针是诊断等离子体荷电粒子参数的重要手段。 然而,探针技术可否用于射频辉光放电SiCl_4等离子体的诊断仍未见有报道。本论文首 先研究了探针在SiCl_4/H_2等离了体中工作时可能存在的腐蚀问题和“中毒效应”问题。以 SiCl_4/H_2作为源气体时,反应产物中会有大量的HCl产生,这就使反应室环境呈现出一定的 酸性。我们的探针材料选用高熔点,耐带电粒子轰击的钨丝,由于钨属于重金属,化学活 性比较小,与浓盐酸较难发生反应。实验表明,探针在工作中不会产生腐蚀问题。 在以往的单探针在SiH_4等离子体中工作时,由于表面上沉积到一层高阻的非晶硅膜, 导致Ⅰ-Ⅴ曲线在200℃以下发生严重畸变,即所谓的探针“中毒”效应。而在SiCl_4/H_2等离 了体中,本文在作了温度变化对探针收集电流影响的研究后发现,在100℃即可获得良好 的Ⅰ-Ⅴ曲线,这是因为在SiCl_4/H_2沉积多晶硅薄膜过程中,等离子体区域已经存在了较高电 导率的具有晶相结构的硅颗粒。 本论文利用调谐单探针技术,首次对射频辉光放电SiCl_4/H_2等离子体空间电子能量分 布函数,电子平均能量和电子浓度进行系统地检测,分析SiCl_4/H_2等离子体空间电子特性对 PCVD各工艺参量的依赖关系,及其对薄膜光电性能的影响,从而为以SiCl_4/H_2为源气体, 采用射频辉光放电PCVD法低温快速沉积多晶硅薄膜的成膜机理提供可靠的实验依据。
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应用于塑料注射模的加工沟槽插入方法的设计和有限元法分析 中文字数:9862,中文页数:20 英文:PDF原文件
关于半导体三极管噪声分析的探究光电系 邬智翔摘要：本文主要探讨了两种主要三极管噪声的来源，通过对它们的机理的具体分析，讨论了三级管噪声系数的频率特性，对频率特性的影响因素及对实际工作参数的选择给出了较为详细的解答。正文：基于课本163页给出的三极管噪声系数的频率特性以及对于低噪声工作频率的选择的内容，我们很感兴趣并且想对于其具体的技术进行了解，于是查阅了相关文献，对三极管的噪声源和噪声模型有了一些进一步的认识。一、晶体管的噪声源通常人们把晶体管内常见噪声分成电阻热噪声，散弹噪声，分配噪声和闪烁噪声（1/f）。注意到电阻热噪声和散弹噪声均为白噪声。分配噪声与f二次方成正比，闪烁噪声近似与1/f成正比。因此分配噪声和闪烁噪声决定了三极管的合适工作频率。1、分配噪声 分配噪声产生的原因是由于基区载流子的复合率有起伏，使得集电极电流和基极电流的分配有起伏，从而使集电极电流有起伏（文献【2】）。文献【2】中提到，分配噪声可用集电极电流的均方值表示，即式中，是三极管集电极静态电流，是低频时共基极电流放大系数，是高频时共基极电流放大系数，其值为式中为共基极晶体管截止频率；f为晶体管工作频率。上式即表明，晶体管的分配噪声不是白噪声，它的功率密度谱随工作频率而变化，频率越高噪声越大。【2】中给出的噪声系数表达式如下：式中Rs是信号源内阻，是晶体管的截止频率，是低频时电流放大系数。文献【2】指出，在的频域内，噪声系数随频率升高以接近60dB/十倍频的变化规律增大，这时分配噪声起了主要的作用。2、1/f噪声1/f噪声产生的具体原因现在还没有很确切的解说。文献【1】给出了这些方面的解释。（1）由在晶体管制造过程中有表面损伤，原子价键的不饱和以及与环境气氛的接触、污染等原因，在表面会形成所谓界面态（快态）。一般界面态密度为1010-1011cm-2。随着晶体管周围气氛的变化和外加电场的影响，被电子所占据的界面态数将有无规则的起伏，这就引起表面和体内电导受到无规则的调制，从而产生噪声。
（2）由于晶格缺陷，起复合中心作用的杂质在结中缺陷处的沉积以及沟道的存在，都会使p-n结漏电流增大，从而使1/f噪声增大。二、共基极高频噪声系数的推导上面的文献内容让我们对分配噪声有了一个初步的认识。但是分配噪声产生的具体机理，以及决定噪声频率的具体因素，并没有很好的涉及。鉴于此，我们查阅了更古老的文献，《晶体管原理与设计》【1】，1984年。从中可以找到对分配噪声模型的具体分析和求解。1、高频噪声等效电路及模型文献【1】给出的高频噪声等效电路的基本形式如下：图中为热噪声；为发射结散粒噪声；为集电结散粒噪声；经计算，上述等效模型中发射结和集电结散粒噪声之间相关系数较大，因此在计算噪声系数时会有困难。将电路转换成下面这种形式可减弱这种相关。转换过程中将发射结噪声电流源用发射结噪声电压源替代，集电结噪声电流源也进行了下列的修改：对均方值进行计算得其中为共基极直流电流放大系数，为共基极短路电流放大系数及其截止频率。【1】中给出的表达式为，。简明起见，其他参数不再做具体说明。注意到，该表达式中有频率相关项，后面会看到，这是影响高频噪声功率的主要原因之一。2、噪声系数当与不相关时，经推导可得到上述模型的噪声系数（也称共基极高频噪声系数）表达式如下：该公式用到了的一级近似一般来说上式在频率低于500MHz时才正确，频率较高时则与实际结果相比偏高。从实际的角度考虑，上述公式可写成如下形式：这里，至此，晶体管的高频噪声特性已经初见端倪。截止频率fCH决定了我们实际使用时对高频噪声段的选择。这里截止频率fCH是用很重要的功率上的意义的，原因在于它是噪声为白噪声两倍时的频率，也就是说噪声系数较白噪声高3dB时的频率。fCH的完整表达时较复杂，不便分析计算，作工程估计时，略去的影响，可近似认为，实际使用中，一般工作频率不应大于fCH，故为了提高工作频率，可以提高fCH。根据上式，在晶体管设计时，提高fCH的最有效途径是提高共基极截止频率。
三、1/f噪声的初步分析上述的讨论中，针对的噪声因素主要集中在高频工作段，主要由分配噪声决定实际的噪声功率。当频率较低时，上述模型就会存在局限性。经研究表明，在实际使用中，低频段三极管噪声的主要来源是闪烁噪声，由于它近似于频率的倒数成正比，因此也被称为1/f噪声。1、1/f噪声模型多晶硅导电材料的1 / f噪声模型及其产生机制的研究一直存在争议。De graaff和Luo等人基于迁移率涨落机制认为，多晶硅导电材料中的1 / f噪声产生于耗尽区，是由晶格散射造成的；Armin和Ralf等人基于载流子数涨落机制认为，1 / f噪声是由晶界附近大量悬挂键、缺陷态俘获和发射载流子引起的（与文献【1】的解释相同）。而文献【5】认为，载流子在多晶硅导电材料内输运过程中既会通过耗尽区，也会通过晶界区，引起电流噪声的迁移率涨落和载流子数涨落两种机制应该同时存在。以下分别对两种模型作简要介绍。（1）迁移率涨落模型1982年, H C de Graaff和M TM Huybers首次测量了多晶硅电阻中的1 / f噪声。他们认为多晶硅材料是由晶粒体区和大的耗尽势垒区组成，可以看作是由一系列晶粒体电阻RC 和大的势垒电阻RSCR串联起来的，de Graff等人结合胡格公式和肖特基势垒Kleinpenning噪声模型建立了多晶硅材料的1 / f噪声模型，并认为噪声主要产生于耗尽区，晶界没有贡献且与杂质和工艺无关。这与多晶硅的实际传导机理不符，所建立的1 / f噪声模型是不准确的。Min - Yih Luo等人认同晶粒耗尽区产生的1 / f噪声起主导作用，并引入权函数考虑晶界耗尽区产生的噪声，解释了肖特基势垒模型不能解释的1 / f噪声与偏置的关系。具体的公式推导可以参考文献【5】。（2）载流子数涨落模型基于载流子数涨落机制的1 / f噪声模型的研究者认为，多晶硅内部是由中性区、耗尽区和势垒区组成。晶粒间晶界是1～2 nm的准非晶硅层，具有大约116 eV的能带。1988年，Madenach等人根据实验结果首次提出多晶硅中噪声来源于晶界俘获载流子引起的势垒涨落，得到了1 / f噪声模型，这是典型的载流子数涨落噪声模型。1998年, Ralf等人也基于多晶硅电阻的载流子数涨落机制建立1 / f噪声模型。文献【6】是Ralf关于此项研究发表的论文。
下面是引自文献【6】的原文，笔者对其进行了翻译。在晶界处有大量的陷阱，根据他们相对于费米能级的能级位置，这些陷阱可以俘获和发射载流子。如果局部费米能级在陷阱能级和导带（或价带）能级的中间，那么这种现象就会非常的明显。每一次俘获和发射运动都会改变局部势垒的高度和周围空间电荷的区域。自由载流子对电流的贡献同样会受到这种运动的影响。由于俘获和发射运动的随机性，这就造成了电阻阻值的随机涨落。单位能量内被占据的陷阱数量的归一化涨落由下式给出，（3.1.1）第一项是陷阱数量对能量的微分，第二项是在占据态或者非占据态发现陷阱的概率（态被占据的概率满足费米函数），第三项是陷阱的占据态的概率随时间指数衰减（这是通过将该衰减转换到频域得到的洛伦兹函数），最后一项是相对位置（a可看成单位长度）。这里引入的时间常数τ( x, E)是电荷隧穿进入或离开能量势垒附近陷阱态的概率, 它可以通过WKB近似计算得到。它的表达式为，单个晶界引起的电流噪声涨落可以由变换被占据的陷阱数量的归一化涨落成电流涨落得到，（3.1.2）其中，穿越晶界的电流密度对陷阱数量的微分为，（3.1.3）被占据的陷阱的数量变化不仅改变了自由载流子的数量，也由于影响了势垒的高度从而改变了电流。对全部可能的陷阱能量的位置进行积分（对3.1.2积分），得到在单一晶界处的单位频率带宽的总噪声电流密度，（3.1.4）上述积分可以得到下面的结果，（3.1.5）其中用到了一个三角函数的近似。为了得到电阻总噪声，需要把单一晶界处的噪声变换到一个复合晶界的系统。一个很好的近似就是假设所有单一晶界的噪声都是统计独立的，当所有陷阱具有相同的体积时，存在下列的关系，（3.1.6）其中W，L，H是电阻的宽、长和高。Sv就是单位频率的噪声电压。至此，该文献的主体推导已经完成。该推导结果表明，噪声电流均方值与流过元件电流的平方成正比，与电子面积和高度成反比，与工作频率成反比。注意到下划线的两点与书本的公式和文献【3】的模型公式吻合。
为了对公式中各个参数有所了解，下表给出了一些参数的物理意义。
符号 物理意义
 单个晶界的电流密度
 晶界宽度
 晶界处的掺杂浓度
 晶界处的陷阱密度
 晶界的势能
 噪声电压、电流谱密度（单位：V2，A2）
 平均晶格尺度
 单位晶界陷阱密度的的涨落谱密度
 电流密度涨落谱密度
 穿越单个晶格的电流密度
 空间电荷区域的势能
对于课程上同学提出的如何具体确定实际中噪声对频率的依赖关系，从这篇文献的角度来看，上述公式中有许多微观的物理量，似乎无从获得具体数值。但该文献的最后一部分确实是给出了对于某一种情况下理论的值和实际测量值的结果。这说明上述公式的值都是可以通过某些更加深入的方法确定的。在这里就不详细展开了。下面介绍一种简易的模型和解决方法。2、1/f噪声的一种测量方法 根据对噪声机理的研究并已得到充分承认的结果，三极管的1/f噪声可用下式表达。（文献来源:”Low noise electronic design”,C.D.Motchenbacker & F.C.Fitchen 1973）式中，噪声转折频率和噪声指数是1/f噪声中非常重要的参数，如果可以通过实验测量出参数的具体值，那么三极管低频噪声功率就可以由上式确定。文献【3】给出了测量和的一种方法和理论的分析。建立适当的三极管噪声模型，可以得到全频段等效输入噪声功率谱为各参数的具体意义这里不再详述。在中低频区，有如果能测得两个不同基极电流值和情况下的中、低频等效输入噪声电压谱，则有，，当，当设，，则有上述两式可以解得，或由此可见，只需测得、和就可以得到和。文献【3】中给出了一种通过加权最小二乘曲线拟合的方法获得A和B。该方法通过对不同频率点的噪声谱值进行测量，然后再使用函数拟合得到。具体的方法这里不再详述。文献【3】中还对一个具体的器件3DX7晶体管进行了实验的测量，得到了下列的结果：，总结：通过对文献的查阅，我们由表及里，追本溯源，从近期的文献，简单的模型表述，搜寻其相关的原始参考文献，一步一步的深入，进而对三极管的两种噪声模型有了一个较为深入的认识。这样的过程是愉快的，得到的结果也是富有启发和对噪声深入的理解大有裨益的。这是一个从发现问题，到分析问题，最终到解决问题的过程。
在这个问题的解决过程中，我们应该注意到科研工作者在面对实际问题时，掌握正确的建模方法以及以此来解决问题的重要性。上述的分析，都是以模型为基础的，其中对分配噪声的分析用到的是较为经典的三极管模型，而对1/f噪声的分析由于学界仍有争论，因此给出的模型也仅仅是一种思考的方向。还记得一位学长曾在一次经验分享会上说过，工科的过程，其实就是一个建模的过程。我想，通过这次探究性学习，我们对这种过程有了进一步的认识。正如这次探究性学习仍然还有不完善的地方一样，在工科学习的这个道路上，我们要走的仍然还有很长很长。附录一：参考文献1、晶体管原理与设计，成都电讯工程学院出版社，陈星粥，唐茂成2、通信电子电路，电子工业出版社，于洪珍3、双极晶体管1/f噪声参数的测量提取，电子学报1993年11期，罗涛，戴逸松4、微型无线定位电子白板中的低噪声电路设计与实现，吉林大学硕士学位论文，尹万宇5、多晶硅导电材料的1 / f噪声模型研究，电子科技，2009年11期，张天福，杜磊等6、Low frequency Noise of Integrated Poly silicon Resistors [J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2001, 48 (6) : 1180 - 1187. Ralf Brederlow, Werner.附录二：一篇08年的新闻——石墨烯晶体管: 摩尔定律的延寿者2008年4月，权威的美国《科学》杂志发布，英国曼切斯特大学科学家开发出世界最小的晶体管。有业内人士认为，摩尔定律也许能借此延续下去。众所周知，根据半导体业著名的摩尔定律，芯片的集成度每18个月至2年提高一倍，即加工线宽缩小一半。人们普遍认为，这一定律还能延续10年。提出该定律的摩尔本人也曾公开表示，10年之后，摩尔定律将很难继续有效，因为采用目前的工艺和硅基半导体材料来延长摩尔定律寿命的发展道路已逐渐接近终点。
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关于半导体三极管噪声分析的探究
关于半导体三极管噪声分析的探究
光电系 邬智翔
摘要：
本文主要探讨了两种主要三极管噪声的来源，通过对它们的机理的具体分析，讨论了三级管噪声系数的频率特性，对频率特性的影响因素及对实际工作参数的选择给出了较为详细的解答。
正文：
基于课本163页给出的三极管噪声系数的频率特性以及对于低噪声工作频率的选择的内容，我们很感兴趣并且想对于其具体的技术进行了解，于是查阅了相关文献，对三极管的噪声源和噪声模型有了一些进一步的认识。
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一、晶体管的噪声源
通常人们把晶体管内常见噪声分成电阻热噪声，散弹噪声，分配噪声和闪烁噪声（1/f）。注意到电阻热噪声和散弹噪声均为白噪声。分配噪声与f二次方成正比，闪烁噪声近似与1/f成正比。因此分配噪声和闪烁噪声决定了三极管的合适工作频率。
1、分配噪声
分配噪声产生的原因是由于基区载流子的复合率有起伏，使得集电极电流和基极电流的分配有起伏，从而使集电极电流有起伏（文献【2】）。
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文献【2】中提到，分配噪声可用集电极电流的均方值表示，即
式中，是三极管集电极静态电流，是低频时共基极电流放大系数，是高频时共基极电流放大系数，其值为

式中为共基极晶体管截止频率；f为晶体管工作频率。
上式即表明，晶体管的分配噪声不是白噪声，它的功率密度谱随工作频率而变化，频率越高噪声越大。
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【2】中给出的噪声系数表达式如下：
式中Rs是信号源内阻，是晶体管的截止频率，是低频时电流放大系数。
文献【2】指出，在的频域内，噪声系数随频率升高以接近60dB/十倍频的变化规律增大，这时分配噪声起了主要的作用。
2、1/f噪声
1/f噪声产生的具体原因现在还没有很确切的解说。文献【1】给出了这些方面的解释。
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（1）由在晶体管制造过程中有表面损伤，原子价键的不饱和以及与环境气氛的接触、污染等原因，在表面会形成所谓界面态（快态）。一般界面态密度为1010-1011cm-2。随着晶体管周围气氛的变化和外加电场的影响，被电子所占据的界面态数将有无规则的起伏，这就引起表面和体内电导受到无规则的调制，从而产生噪声。
（2）由于晶格缺陷，起复合中心作用的杂质在结中缺陷处的沉积以及沟道的存在，都会使p-n结漏电流增大，从而使1/f噪声增大。
