前言
温度传感器，使用范围广，数量多，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下3个阶段：
1.传统的分立式温度传感器（含敏感元件），主要是能够进行非电量和电量之间转换。2.模拟集成温度传感器/控制器。
3.智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向发展。
温度传感器的分类
温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。
接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，这是的示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。
非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。
温度传感器的发展
1.传统的分立式温度传感器——热电偶传感器
热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度；测量范围广，可从-50~1600℃进行连续测量,特殊的热电偶如金铁——镍铬，最低可测到-269℃，钨——铼最高可达2800℃。
2.模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。
模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一（仅测量温度）、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。
2．1光纤传感器
光纤式测温原理
光纤测温技术可分为两类:一是利用辐射式测量原理,光纤作为传输光通量的导体,配合光敏元件构成结构型传感器二是光纤本身就是感温部件同时又是传输光通量的功能型传感器。光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低,无论是就地使用或远传均十分方便而且光纤直径小,可以单根、成束、Y型或阵列方式使用,结构布置简单且体积小。因此,作为温度计,适用的检测对象几乎无所不包,可用于其他温度计难以应用的特殊场合,如密封、高电压、强磁场、核辐射、严格防爆、防水、防腐、特小空间或特小工件等等。目前,光纤测温技术主要有全辐射测温法、单辐射测温法、双波长测温法及多波长测温等
2.1.1 全辐射测温法
全辐射测温法是测量全波段的辐射能量,由普朗克定律:
测量中由于周围背景的辐射、测试距离、介质的吸收、发射及透过率等的变化都会严重影响准确度。同时辐射率也很难预知。但因该高温计的结构简单,使用 *** 作方便,而且自动测量,测温范围宽,故在工业中一般作为固定目标的监控温度装置。该类光纤温度计测量范围一般在600～3000℃,最大误差为16℃。
2.1.2 单辐射测温法
由黑体辐射定律可知,物体在某温度下的单色辐射度是温度的单值函数,而且单色辐射度的增长速度较温度升高快得多,可以通过对于单辐射亮度的测量获得温度信息。在常用温度与波长范围内,单色辐射亮度用维恩公式表示:
2.1.3 双波长测温法
双波长测温法是利用不同工作波长的两路信号比值与温度的单值关系确定物体温度。两路信号的比值由下式给出:
际应用时,测得R(T)后,通过查表获知温度T。同时,恰当地选择λ1和λ2,使被测物体在这两特定波段内,ε(λ1,T)与ε(λ2,T)近似相等,就可得到与辐射率无关的目标真实温度。这种方法响应快,不受电磁感应影响,抗干扰能力强。特别在有灰尘,烟雾等恶劣环境下,对目标不充满视场的运动或振动物体测温,优越性显著。但是,由于它假设两波段的发射率相等,这只有灰体才满足,因此在实际应用中受到了限制。该类仪器测温范围一般在600～3000℃,准确度可达2℃。
2.1.4 多波长辐射测温法
多波长辐射测温法是利用目标的多光谱辐射测量信息,经过数据处理得到真温和材料光谱发射率。考虑到多波长高温计有n个通道,其中第i个通道的输出信号Si可表示为:
将式(9)～(13)中的任何一式与式(8)联合,便可通过拟合或解方程的方法求得温度T和光谱发射率。Coates[8,9]在1988年讨论了式(9)、(10)假设下多波长高温计数据拟合方法和精度问题。1991年Mansoor[10]等总结了多波长高温计数据拟合方法和精度问题。 该方法有很高的精度,目前欧共体及美国联合课题组的Hiernaut等人已研究出亚毫米级的6波长高温计(图4),用于2000～5000K真温的测量[11]。哈尔滨工业大学研制成了棱镜分光的35波长高温计,并用于烧蚀材料的真温测量。多波长高温计在辐射真温测量中已显出很大潜力,在高温,甚高温,特别是瞬变高温对象的真温测量方面,多波长高温计量是很有前途的仪器。该类仪器测温范围广,可用于600～5000℃温度区真温的测量,准确度可达±1%。
2.1.5 结 论
光纤技术的发展,为非接触式测温在生产中的应用提供了非常有利的条件。光纤测温技术解决了许多热电偶和常规红外测温仪无法解决的问题。而在高温领域,光纤测温技术越来越显示出强大的生命力。全辐射测温法是测量全波段的辐射能量而得到温度,周围背景的辐射、介质吸收率的变化和辐射率εT的预测都会给测量带来困难,因此难于实现较高的精度。单辐射测温法所选波段越窄越好,可是带宽过窄会使探测器接收的能量变得太小,从而影响其测量准确度。多波长辐射测温法是一种很精确的方法,但工艺比较复杂,且造价高,推广应用有一定困难。双波长测温法采用波长窄带比较技术,克服了上述方法的诸多不足,在非常恶劣的条件下,如有烟雾、灰尘、蒸汽和颗粒的环境中,目标表面发射率变化的条件下,仍可获得较高的精度
2.2半导体吸收式光纤温度传感器是一种传光型光纤温度传感器。所谓传光型光纤温度传感器是指在光纤传感系统中，光纤仅作为光波的传输通路，而利用其它如光学式或机械式的敏感元件来感受被测温度的变化。这种类型主要使用数值孔径和芯径大的阶跃型多模光纤。由于它利用光纤来传输信号，因此它也具有光纤传感器的电绝缘、抗电磁干扰和安全防爆等优点，适用于传统传感器所不能胜任的测量场所。在这类传感器中，半导体吸收式光纤温度传感器是研究得比较深入的一种。
半导体吸收式光纤温度传感器由一个半导体吸收器、光纤、光发射器和包括光探测器的信号处理系统等组成。它体积小，灵敏度高，工作可靠，容易制作，而且没有杂散光损耗。因此应用于象高压电力装置中的温度测量等一些特别场合中，是十分有价值的。
B 半导体吸收式光纤温度传感器的测温原理
半导体吸收式光纤温度传感器是利用了半导体材料的吸收光谱随温度变化的特性实现的。根据 的研究，在 20~972K 温度范围内，半导体的禁带宽度能量Eg 与
温度T 的关系为
"
3.智能温度传感器
智能温度传感器(亦称数字温度传感器）是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术（ATE_）的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器（CPU）、随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。
智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器（MCU），并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。
3.1数字温度传感器。
随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和A/D转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635等。
一、DS1722的工作原理
1 、DS1722的主要特点
DS1722是一种低价位、低功耗的三总线式数字温度传感器，其主要特点如表1所示。
2、DS1722的内部结构
数字温度传感器DS1722有8管脚m-SOP封装和8管脚SOIC封装两种，其引脚排列如图1所示。它由四个主要部分组成：精密温度传感器、模数转换器、SPI/三线接口电子器件和数据寄存器，其内部结构如图2所示。
开始供电时，DS1722处于能量关闭状态，供电之后用户通过改变寄存器分辨率使其处于连续转换温度模式或者单一转换模式。在连续转换模式下，DS1722连续转换温度并将结果存于温度寄存器中，读温度寄存器中的内容不影响其温度转换；在单一转换模式，DS1722执行一次温度转换，结果存于温度寄存器中，然后回到关闭模式，这种转换模式适用于对温度敏感的应用场合。在应用中，用户可以通过程序设置分辨率寄存器来实现不同的温度分辨率，其分辨率有8位、9位、10位、11位或12位五种，对应温度分辨率分别为1.0℃、0.5℃、0.25℃、0.125℃或0.0625℃，温度转换结果的默认分辨率为9位。DS1722有摩托罗拉串行接口和标准三线接口两种通信接口，用户可以通过SERMODE管脚选择通信标准。
3、DS1722温度 *** 作方法
传感器DS1722将温度转换成数字量后以二进制的补码格式存储于温度寄存器中，通过SPI或者三线接口，温度寄存器中地址01H和02H中的数据可以被读出。输出数据的地址如表2所示，输出数据的二进制形式与十六进制形式的精确关系如表3所示。在表3中，假定DS1722 配置为12位分辨率。数据通过数字接口连续传送，MSB（最高有效位）首先通过SPI传输，LSB（最低有效位）首先通过三线传输。
4、DS1722的工作程序
DS1722的所有的工作程序由SPI接口或者三总线通信接口通过选择状态寄存器位置适合的地址来完成。表4为寄存器的地址表格，说明了DS1722两个寄存器（状态和温度）的地址。
1SHOT是单步温度转换位，SD是关闭断路位。如果SD位为“1”，则不进行连续温度转换，1SHOT位写入“1”时，DS1722执行一次温度转换并且把结果存在温度寄存器的地址位01h(LSB)和02h(MSB)中，完成温度转换后1SHOT自动清“0”。如果SD位是“0”，则进入连续转换模式，DS1722将连续执行温度转换并且将全部的结果存入温度寄存器中。虽然写到1SHOT位的数据被忽略，但是用户还是对这一位有读/写访问权限。如果把SD改为“1”，进行中的转换将继续进行直至完成并且存储结果，然后装置将进入低功率关闭模式。
传感器上电时默认1SHOT位为“0”。R0，R1，R2为温度分辨率位，如表5所示（x=任意值）。用户可以读写访问R2，R1和R0位，上电默认状态时R2=“0”，R1=“0”，R0=“1”（9位转换）。此时，通信口保持有效，用户对SD位有读/写访问权限，并且其默认值是“1”（关闭模式）。
二、智能温度传感器DS18B20的原理与应用
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
2DS18B20的内部结构
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图1所示。
(1) 64 b闪速ROM的结构如下：�
开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
(2) 非易市失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。
(3) 高速暂存存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E�2RAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给E�2RAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下：
低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表1所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。�
由表1可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。
高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第6～8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。�
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0�062 5 ℃/LSB形式表示。温度值格式如下：�
对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。表2是对应的一部分温度值。�
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T>TH或T<TL,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。
(4) CRC的产生
在64 b ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。�
3DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理如图2所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小〔1〕，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在�-55 ℃�所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种 *** 作必须按协议进行。 *** 作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器 *** 作命令→处理数据。各种 *** 作的时序图与DS1820相同，可参看文献〔2〕。�
4DS18B20与单片机的典型接口设计
以MCS51单片机为例，图3中采用寄生电源供电方式， P1�1口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89C51的P1�0来完成对总线的上拉〔2〕。当DS18B20处于写存储器 *** 作和温度A/D变换 *** 作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10 μs。采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、ROM *** 作指令、存储器 *** 作指令。假设单片机系统所用的晶振频率为12 MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：INIT为初始化子程序，WRITE为写（命令或数据）子程序，READ为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻4.7 kΩ,另外2个脚分别接电源和地。�
5DS18B20的精确延时问题
虽然DS18B20有诸多优点，但使用起来并非易事，由于采用单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线完成。因此，对读写的 *** 作时序要求严格。为保证DS18B20的严格I/O时序，需要做较精确的延时。在DS18B20 *** 作中，用到的延时有15 μs，90 μs，270 μs，540 μs等。因这些延时均为15 μs的整数倍，因此可编写一个DELAY15（n）函数，源码如下：
只要用该函数进行大约15 μs×N的延时即可。有了比较精确的延时保证，就可以对DS18B20进行读写 *** 作、温度转换及显示等 *** 作。
3.2智能温度传感器发展的新趋势
(1)提高测温精度和分辨力
智能温度传感器，采用的是8位A/D转换器，其测温精度较低，分辨力只能达到1℃。目前国外已相继推出多种高速度、高分辨力的智能温度传感器，所用的是9～12位A/D转换器，分辨力一般可达0.5～0.0625℃。由美国DALLAS半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，其分辨力高达0.03125℃，测温精度为±0.2℃。为了提高多通道智能温度传感器的转换速率，也有的芯片采用高速逐次逼近式A/D转换器。已AD7817型5通道智能温度传感器为例，它对本地传感器、每一路远程传感器的转换时间仅为27微秒、9微秒。
(2)增加测试功能
温度传感器的测试功能也在不断增强。例如，DS1629型单线智能温度传感器增加了实时日历时钟（RTC）,使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能，利用芯片内部256字节的E*EPROM存储器，可存储用户的短信息。另外，智能温度传感器正从单通道想多通道的方向发展，这为研制和开发多路温度测控系统创造了良好条件。
传感器都具有多种工作模式可供选择，主要包括单次转换模式、连续转换模式、待机模式，有的还增加了低温极限扩展模式， *** 作非常简便。对某些智能温度传感器而言，主机（外部微处理器或单片机）还可通过相应的寄存器来设定其A/D转换速率，分辨力及最大转换时间。
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随着绿色低碳战略的不断推进,提升能源利用效率和能源转换效率已经成为各行各业的共识,如何利用现代化新技术建成可循环的高效、高可靠性的能源网络,无疑是当前各国重点关注的问题。
值此背景下,以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的第三代半导体成为市场聚焦的新赛道。根据Yole预测数据, 2025年全球以半绝缘型衬底制备的GaN器件市场规模将达到20亿美元,2019-2025年复合年均增长率高达12%! 其中,军工和通信基站设备是GaN器件主要的应用市场,2025年市场规模分别为11.1亿美元和7.31亿美元
全球以导电型碳化硅衬底制备的SiC器件市场规模到2025年将达到25.62亿美元,2019- 2025年复合年均增长率高达30%! 其中,新能源汽车和光伏及储能是SiC器件主要的应用市场, 2025年市场规模分别为15.53亿美元和3.14亿美元。
本文中,我们将针对第三代半导体产业多个方面的话题,与国内外该领域知名半导体厂商进行探讨解析。
20世纪50年代以来,以硅(Si)、锗(Ge)为代的第一代半导体材料的出现,取代了笨重的电子管,让以集成电路为核心的微电子工业的发展和整个IT产业的飞跃。人们最常用的CPU、GPU等产品,都离不开第一代半导体材料的功劳。可以说是由第一代半导体材料奠定了微电子产业的基础。
然而由于硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低等原因,硅材料在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制。因此,以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料开始崭露头角,使半导体材料的应用进入光电子领域,尤其是在红外激光器和高亮度的红光二极管方面。与此同时,4G通信设备因为市场需求增量暴涨,也意味着第二代半导体材料为信息产业打下了坚实基础。
在第二代半导体材料的基础上,人们希望半导体元器件具备耐高压、耐高温、大功率、抗辐射、导电性能更强、工作速度更快、工作损耗更低特性,第三代半导体材料也正是基于这些特性而诞生。
笔者注意到,对于第三代半导体产业各家半导体大厂的看法也重点集中在 “高效”、“降耗”、“突破极限” 等核心关键词上。
安森美中国汽车OEM技术负责人吴桐博士 告诉笔者: “第三代半导体优异的材料特性可以突破硅基器件的应用极限,同时带来更好的性能,这也是未来功率半导体最主流的方向。” 他表示随着第三代半导体技术的普及,传统成熟的行业设计都会有突破点和优化的空间。
英飞凌科技电源与传感系统事业部大中华区应用市场总监程文涛 则从能源角度谈到,到2025年,全球可再生能源发电量有望超过燃煤发电量,将推动第三代半导体器件的用量迅速增长。 在用电端,由于数据中心、5G通信等场景用电量巨大,节电降耗的重要性凸显,也将成为率先采用第三代半导体器件做大功率转换的应用领域。
第三代半导体材料区别于前两代半导体材料最大的区别就在于带隙的不同。 第一代半导体材料属于间接带隙,窄带隙第二代半导体材料属于直接带隙,同样也是窄带隙二第三代半导体材料则是全组分直接带隙,宽禁带。
和前两代半导体材料相比,更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。
随着碳化硅、氮化镓等具有宽禁带特性(Eg>2.3eV)的新兴半导体材料相继出现,世界各国陆续布局、产业化进程快速崛起。具体来看:
与硅相比, 碳化硅拥有更为优越的电气特性 :
1.耐高压 :击穿电场强度大,是硅的10倍,用碳化硅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
2.耐高温 :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。碳化硅的禁带接近硅的3倍,可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃,而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时,碳化硅的热导率比硅更高,高热导率有助于碳化硅器件的散热,在同样的输出功率下保持更低的温度,碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低,有助于实现设备的小型化
3.高频性能 :碳化硅的饱和电子漂移速率是硅的2倍,这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性,碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底,可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求,已应用于射频器件及功率器件。
氮化镓则具有宽禁带、高电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点。 尤其是在光电子器件领域,氮化镓器件作为LED照明光源已广泛应用,还可制备成氮化镓基激光器在微波射频器件方面,氮化镓器件可用于有源相控阵雷达、无线电通信、基站、卫星等军事 或者民用领域氮化镓也可用于功率器件,其比传统器件具有更低的电源损耗。
半导体行业有个说法: “一代材料,一代技术,一代产业” ,在第三代半导体产业规模化出现之前,也还存在着不少亟待解决的技术难题。
第三代半导体全产业链十分复杂,包括衬底→外延→设计→制造→封装。 其中,衬底是所有半导体芯片的底层材料,起到物理支撑、导热、导电等作用外延是在衬底材料上生长出新的半导体晶层,这些外延层是制造半导体芯片的重要原料,影响器件的基本性能设计包括器件设计和集成电路设计,其中器件设计包括半导体器件的结构、材料,与外延相关性很大制造需要通过光刻、薄膜沉积、刻蚀等复杂工艺流程在外延片上制作出设计好的器件结构和电路封装是指将制造好的晶圆切割成裸芯片。
前两个环节衬底和外延生长正是第三代半导体生产工艺及其难点所在。我们重点挑选碳化硅、氮化镓两种典型的第三代半导体材料来看,它们的生产制备到底还面临哪些问题。
从碳化硅来看,还需要“降低衬底生长缺陷,以及提高工艺效率” 。首先碳化硅单晶制备目前最常用的是物理气相输运法(PVT)或籽晶的升华法,而碳化硅单晶在形成最终的短圆柱状之前,还需要通过机械加工整形、切片、研磨、抛光等化学机械抛光和清洗等工艺才能成为衬底材料。
这一机械、化学制造过程存在着加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。此外,如果再加上考虑单晶加工的效率和成本问题,那还能够保障晶片具备良好的几何形貌,如总厚度变化、翘曲度、变形,而且晶片表面质量(粗糙度、划伤等)是否过关等,这都是碳化硅衬底制备中的巨大挑战。
此外,碳化硅材料是目前仅次于金刚石硬度的材料,材料的机械加工主要以金刚石磨料为基础切割线、切割刀具、磨削砂轮等工具。这些工具的制备难度大,使用寿命短,加工成本高,为了延长工具寿命、提高加工质量,往往会采用微量或极低速进给量,这就牺牲了碳化硅材料制备的整体生产效率。
对于氮化镓来说,则更看重“衬底与外延材料需匹配”的难题 。由于氮化镓在高温生长时“氮”的离解压很高,很难得到大尺寸的氮化镓单晶材料,当前大多数商业器件是基于异质外延的,比如蓝宝石、AlN、SiC和Si材料衬底来替代氮化镓器件的衬底。
但问题是这些异质衬底材料和氮化镓之间的晶格失配和热失配非常大,晶格常数差异会导致氮化镓衬底和外延层界面处的高密度位错缺陷,严重的话还会导致位错穿透影响外延层的晶体质量。这也就是为什么氮化镓更看重衬底与外延材料需匹配的难点。
在落地到利用第三代半导体材料去解决具体问题时,程文涛告诉OFweek维科网·电子工程, 英飞凌的碳化硅器件所采用的沟槽式结构解决了大多数功率开关器件的可靠性问题。
比如现在大多数功率开关器件产品采用的是平面结构,难以在开关的效率上和长期可靠性上得到平衡。采用平面结构,如果要让器件的效率提高,给它加点电,就能导通得非常彻底,那么它的门级就需要做得非常薄,这个很薄的门级结构,在长期运行的时候,或者在大批量运用的时候,就容易产生可靠性的问题。
如果要把它的门级做的相对比较厚,就没办法充分利用沟道的导通性能。而采用沟槽式的做法就能够很好地解决这两个问题。
吴桐博士则从产业化的角度提出, 第三代半导体技术的难点在于有关设计技术和量产能力的协调,以及对长期可靠性的保障。尤其是量产的良率,更需要持续性的优化,降低成本,提升可靠性。
观察当前半导体市场可以发现,占据市场九成以上的份额的主流产品依然是硅基芯片。
但近些年来,“摩尔定律面临失效危机”的声音不绝于耳,随着芯片设计越来越先进,芯片制造工艺不断接近物理极限和工程极限,芯片性能提升也逐步放缓,且成本不断上升。
业界也因此不断发出质疑,未来芯片的发展极限到底在哪,一旦硅基芯片达到极限点,又该从哪个方向下手寻求芯片效能的提升呢?笔者通过采访发现,国内外厂商在面对这一问题时,虽然都表达出第三代半导体产业未来值得期待,但也齐齐提到在这背后还需要重点解决的成本问题。
“目前硅基半导体从架构上、从可靠性、从性能的提升等方面,基本上已经接近了物理极限。第三代半导体将接棒硅基半导体,持续降低导通损耗,在能源转换的领域作出贡献,” 程文涛也为笔者描述了当前市场上的一种现象:可能会存在一些定价接近硅基半导体的第三代半导体器件,但并不代表它的成本就接近硅基半导体。因为那是一种商业行为,就是通过低定价来催生这个市场。
以目前的工艺来讲,第三代半导体的成本还是远高于硅基半导体 ,程文涛表示:“至少在可见的将来,第三代半导体不会完全取代第一代半导体。因为从性价比的角度来说,在非常宽的应用范围中,硅基半导体目前依然是不二之选。第三代半导体目前在商业化上的瓶颈就是成本很高,虽然在迅速下降,但依然远高于硅基半导体。”
作为中国碳化硅功率器件产业化的倡导者之一,泰科天润同样也表示对第三代半导体产业发展的看好。
虽然碳化硅单价目前比硅高不少,但从系统整体的角度来看,可以节约电感电容以及散热片。如果是大功率电源系统整体角度看成本未必更高,同时还能更好地提升效率。 这也是为什么现阶段虽然单器件碳化硅比硅贵,依然不少领域客户已经批量使用了。
从器件的角度来看,碳化硅从四寸过度到六寸,未来往八寸甚至十二寸发展,碳化硅器件的成本也将大幅度下降。据泰科天润介绍,公司新的碳化硅六寸线于去年就已经实现批量出货,为客户提供更高性价比的产品,有些产品实现20-30%的降价幅度。除此之外,泰科天润耗时1年多成功开发了碳化硅减薄工艺,在Vf水平不变的情况下,可以缩小芯片面积,进一步为客户提供性价比更高的产品。
泰科天润还告诉笔者:“这两年随着国外友商的缺货或涨价,比如一些高压硅器件,这些领域已经出现碳化硅取代硅的现象。随着碳化硅晶圆6寸产线生产技术的成熟,8寸晶圆的发展,碳化硅器件有望与硅基器件达到相同的价格水平。”
吴桐博士认为, 目前来看在不同的细分市场,第三代半导体跟硅基器件是一个很好的互补,也是价钱vs性能的一个平衡。随着第三代半导体的成熟以及成本的降低,最终会慢慢取代硅基产品成为主流方案。
那么对于企业而言,该如何发挥第三代半导体的综合优势呢?吴桐博士表示,于安森美而言,首先是要垂直整合,保证稳定的供应链,可长期规划的产能布局以及达到客观的投资回报率其次是在技术研发上继续发力,比如Rsp等参数,相比行业水准,实现用更小的半导体面积实现相同功能,这样单个器件成本得以优化第三是持续地提升FE/BE良率,等效的降低成本第四是与行业大客户共同开发定义新产品,保证竞争力以及稳定的供需关系最后也是重要的一点,要帮助行业共同成长,蛋糕做大,产能做强,才能使得单价有进一步下降的空间。
第三代半导体产业究竟掀起了多大的风口?根据《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》内容:2019年我国第三代半导体市场规模为94.15亿元,预计2019-2022年将保持85%以上平均增长速度,到2022年市场规模将达到623.42亿元。
其中,第三代半导体衬底市场规模从7.86亿元增长至15.21亿元,年复合增速为24.61%,半导体器件市场规模从86.29亿元增长至608.21亿元,年复合增速为91.73%。
得益于第三代半导体材料的优良特性,它在 光电子、电力电子、通讯射频 等领域尤为适用。具体来看:
光电子器件 包括发光二极管、激光器、探测器、光子集成电路等,多用于5G通信领域,场景包括半导体照明、智能照明、光纤通信、光无线通信、激光显示、高密度存储、光复印打印、紫外预警等
电力电子器件 包括碳化硅器件、氮化镓器件,多用于新能源领域,场景包括消费电子、新能源汽车、工业、UPS、光伏逆变器等
微波射频器件 包括HEMT(高电子迁移率晶体管)、MMIC(单片微波集成电路)等,同样也是用在5G通信领域,不过场景则更加高端,包括通讯基站及终端、卫星通讯、军用雷达等。
现阶段,欧美日韩等国第三代半导体企业已形成规模化优势,占据全球市场绝大多数市场份额。我国高度重视第三代半导体发展,在研发、产业化方面出台了一系列支持政策。国家科技部、工信部等先后开展了“战略性第三代半导体材料项目部署”等十余个专项,大力支持第三代半导体技术和产业发展。
早在2014年,工信部发布的《国家集成电路产业发展推进纲要》提出设立国家产业投资基金,重点支持集成电路等产业发展,促进工业转型升级,同时鼓励社会各类风险投资和股权投资基金进入集成电路领域在去年全国人大发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,进一步强调培育先进制造业集群,推动集成电路、航空航天等产业创新发展。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。
具体来看当前主要应用领域的发展情况:
1.新能源汽车
新能源汽车行业是未来市场空间巨大的新兴市场,全球范围内新能源车的普及趋势明朗。随着电动汽车的发展,对功率半导体器件需求量日益增加,成为功率半导体器件新的经济增长点。得益于碳化硅功率器件的高可靠性及高效率特性,在车载级的电机驱动器、OBC及DC/DC部分,碳化硅器件的使用已经比较普遍。对于非车载充电桩产品, 由于成本的原因,目前使用比例还相对较低,但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势,通过降低冷却等系统的整体成本找到了市场。
2.光伏
光伏逆变器曾普遍采用硅器件,经过40多年的发展,转换效率和功率密度等已接近理论极限。碳化硅器件具有低损耗、高开关频率、高适用性、降低系统散热要求等优点,将在光伏新能源领域得到广泛应用。例如,在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里,碳化硅器件在系统级层面带来成本和效能的好处。
3.轨道交通
未来轨道交通对电力电子装置,比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率,有助于明显减轻轨道交通的载重系统。目前,受限于碳化硅功率器件的电流容量,碳化硅混合模块将首先开始替代部分硅IGBT模块。未来随着碳化硅器件容量的提升,全碳化硅模块将在轨道交通领域发挥更大的作用。
4.智能电网
目前碳化硅器件已经在中低压配电网开始了应用。未来更高电压、更大容量、更低损耗的柔性输变电将对万伏级以上的碳化硅功率器件具有重大需求。碳化硅功率器件在智能电网的主要应用包括高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置中。
第三代半导体自从在2021年被列入十四五规划后,相关概念持续升温,迅速成为超级风口,投资热度高居不下。
时常会听到业内说法称,第三代半导体国内外都是同一起跑线出发,目前大家差距相对不大,整个产业发展仍处于爆发前的“抢跑”阶段,对国内而言第三代半导体材料更是有望成为半导体产业的“突围先锋”,但事实真的是这样吗?
从起步时间来看,欧日美厂商率先积累专利布局,比如 英飞凌一直走在碳化硅技术的最前沿,从30年前(1992年)开始包含碳化硅二极管在内的功率半导体的研发,在2001年发布了世界上第一款商业化碳化硅功率二极管 ,此后至今英飞凌不断推出了各种性能优异的碳化硅功率器件。除了产品本身,英飞凌在2018年收购了Siltectra,致力于通过冷切割技术优化工艺流程,大幅提高对碳化硅原材料的利用率,有效降低碳化硅的成本。
安森美也是第三代半导体产业布局中的佼佼者,据笔者了解, 安森美通过收购上游碳化硅供应企业GTAT实现了产业链的垂直整合,确保产能和质量的稳定。同时借助安森美多年的技术积累以及几年前收购Fairchild半导体基因带来的技术补充,安森美的碳化硅技术已经进入第三代,综合性能在业界处于领先地位 。目前已成为世界上少数提供从衬底到模块的端到端碳化硅方案供应商,包括碳化硅球生长、衬底、外延、器件制造、同类最佳的集成模块和分立封装方案。
具体到技术上, 北京大学教授、宽禁带半导体研究中心主任沈波 也曾提出,国内第三代半导体和国际上差距比较大,其中很重要的领域之一是碳化硅功率电子芯片。这一块国际上已经完成了多次迭代,虽然8英寸技术还没投入量产,但是6英寸已经是主流技术,二极管已经发展到了第五代,三极管也发展到了第三代,IGBT也已进入产业导入前期。
另外车规级的碳化硅MOSFET模块在意法半导体率先通过以后,包括罗姆、英飞凌、科锐等国际巨头也已通过认证,国际上车规级的碳化硅芯片正逐渐走向规模化生产和应用。反观国内,目前真正量产的主要还是碳化硅二极管,工业级MOSFET模块估计到明年才能实现规模量产,车规级碳化硅模块要等待更长时间才能量产。
泰科天润也直言,国内该领域仍处于后发追赶阶段:器件方面,从二极管的角度, 国产碳化硅二极管基本上水平和国外差距不大,但是碳化硅MOSFET国内外差距还是有至少1-2代的差距 可靠性方面,国外碳化硅产品市场应用推广较早,积累了更加丰富的应用经验,对产品可靠性的认知,定义以及关联解决可靠性的方式都走得更前一些,国内厂家也在推广市场的过程中逐步积累相关经验产业链方面,国外厂家针对碳化硅的材料优势,相关匹配的产业链都做了对应的优化设计,使之能更加契合的体现碳化硅的材料优势。
OFweek维科网·电子工获悉,泰科天润在湖南新建的碳化硅6寸晶圆产线,第一期60000片/六寸片/年。此产线已经于去年实现批量出货,2022年始至4月底已经接到上亿元销售订单。 作为国内最早从事碳化硅芯片生产研发的公司,泰科天润积累了10余年的生产经验,针对特定领域可以结合自身的研发,生产和工艺一体化,快速为客户开发痛点新品 ,例如公司全球首创的史上最小650V1A SOD123,专门针对解决自举驱动电路已经替换高压小电流Si FRD解决反向恢复的痛点问题而设计。
虽然说IDM方面,我国在碳化硅器件设计方面有所欠缺,少有厂商涉及于此,但后发追赶者也不在少数。
就拿碳化硅产业来看,单晶衬底方面国内已经开发出了6英寸导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。 山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能 均已完成6英寸衬底的研发,中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。
此外,在模块、器件制造环节我国也涌现了大批优秀的企业,包括 三安集成、海威华芯、泰科天润、中车时代、世纪金光、芯光润泽、深圳基本、国扬电子、士兰微、扬杰科技、瞻芯电子、天津中环、江苏华功、大连芯冠、聚力成半导体 等等。
OFweek维科网·电子工程认为,随着我国对新型基础建设的布局展开和“双碳”目标的提出,碳化硅和氮化稼等第三代半导体的作用也愈发凸显。
上有国家支持政策,下有新能源汽车、5G通信等旺盛市场需求, 我国第三代半导体产业也开始由“导入期”向“成长期”过渡,初步形成从材料、器件到应用的全产业链。但美中不足在于整体技术水平还落后世界顶尖水平好几年,因此在材料、晶圆、封装及应用等环节的核心关键技术和可靠性、一致性等工程化应用问题上还需进一步完善优化。
当前,全球正处于新一轮科技和产业革命的关键期,第三代半导体产业作为新一代电子信息技术中的重点组成部分,为能源革命带来了深刻的改变。
在此背景下,OFweek维科网·电子工程作为深耕电子产业领域的资深媒体,对全球电子产业高度关注,紧跟产业发展步伐。为了更好地促进电子工程师之间技术交流,推动国内电子行业技术升级,我们继续联袂数十家电子行业企业技术专家,推出面向电子工程师技术人员的专场在线会议 「OFweek 2022 (第二期)工程师系列在线大会」 。
本期在线会议将于6月22日在OFweek官方直播平台举办,将邀请国内外知名电子企业技术专家,聚焦半导体领域展开技术交流,为各位观众带来技术讲解、案例分享和方案展示。
EXCEL中所有函数的使用2007-09-05 17:051．求和函数SUM语法：SUM（number1，number2，．．．）。
参数：number1、number2．．．为1到30个数值（包括逻辑值和文本表达式）、区域或引用，各参数之间必须用逗号加以分隔。
注意：参数中的数字、逻辑值及数字的文本表达式可以参与计算，其中逻辑值被转换为1，文本则被转换为数字。如果参数为数组或引用，只有其中的数字参与计算，数组或引用中的空白单元格、逻辑值、文本或错误值则被忽略。
应用实例一：跨表求和
使用SUM函数在同一工作表中求和比较简单，如果需要对不同工作表的多个区域进行求和，可以采用以下方法：选中Excel XP“插入函数”对话框中的函数，“确定”后打开“函数参数”对话框。切换至第一个工作表，鼠标单击“number1”框后选中需要求和的区域。如果同一工作表中的其他区域需要参与计算，可以单击“number2”框，再次选中工作表中要计算的其他区域。上述 *** 作完成后切换至第二个工作表，重复上述 *** 作即可完成输入。“确定”后公式所在单元格将显示计算结果。
应用实例二：SUM函数中的加减混合运算
财务统计需要进行加减混合运算，例如扣除现金流量表中的若干支出项目。按照规定，工作表中的这些项目没有输入负号。这时可以构造“=SUM（B2:B6，C2:C9，-D2，-E2）”这样的公式。其中B2:B6，C2:C9引用是收入，而D2、E2为支出。由于Excel不允许在单元格引用前面加负号，所以应在表示支出的单元格前加负号，这样即可计算出正确结果。即使支出数据所在的单元格连续，也必须用逗号将它们逐个隔开，写成“=SUM（B2:B6，C2:C9，-D2，-D3，D4）”这样的形式。
应用实例三：及格人数统计
假如B1:B50区域存放学生性别，C1:C50单元格存放某班学生的考试成绩，要想统计考试成绩及格的女生人数。可以使用公式“=SUM（IF（B1:B50=〃女〃，IF（C1:C50>=60，1，0）））”，由于它是一个数组公式，输入结束后必须按住Ctrl+Shift键回车。公式两边会自动添加上大括号，在编辑栏显示为“{=SUM（IF（B1:B50=〃女〃，IF（C1:C50>=60，1，0）））}”，这是使用数组公式必不可少的步骤。
2.平均值函数AVERAGE
语法：AVERAGE（number1，number2，．．．）。
参数：number1、number2．．．是需要计算平均值的1～30个参数。
注意：参数可以是数字、包含数字的名称、数组或引用。数组或单元格引用中的文字、逻辑值或空白单元格将被忽略，但单元格中的零则参与计算。如果需要将参数中的零排除在外，则要使用特殊设计的公式，下面的介绍。
应用实例一：跨表计算平均值
标签名为“一班”、“二班”和“三班”的工作表存放各班学生的成绩，则它们的总平均分计算公式为“=AVERAGE（一班!C1:C36，三班!C1:C32，三班!C1:C45）”。式中的引用输入方法与SUM跨表求和时相同。
应用实例二：忽略零的平均值计算公式
假设A1:A200随机存放包括零在内的48个数值，在AVERAGE参数中去掉零引用很麻烦，这种情况可以使用公式“=AVERAGE（IF（A1:A200<>0， A1:A200，〃〃）”。公式输入结束后按住Ctrl+Shift回车，即可对A1:A200中的数值（不包括零）计算平均值。
3．逻辑函数IF
语法：IF（logical_test，value_if_true，value_if_false）。
参数：logical_test是结果为true（真）或false（假）的数值或表达式；value_if_true是logical_test为true时函数的返回值，如果logical_test为ture并且省略了value_if_true，则返回true。而且value_if_true可以是一个表达式；value_if_false是logical_test为false时函数的返回值。如果logical_test为false并且省略value_if_false，则返回false。Value_if_false也可以是一个表达式。
应用实例一：个人收入调节税计算
假设个人收入调节税的稽征办法是：工资在1000元以下的免征调节税，工资1000元以上至1500元的超过部分按5%的税率征收，1500元以上至2000元的超过部分按8%的税率征收，高于2000元的超过部分按30%的税率征收。
假如工作表的B列存放职工姓名，C列存放工资，选中D列的空白单元格输入公式“=IF（C2<=1000，〃〃，IF（（C2-1000）<=1500，（C2-1000）*0.05，IF（C2-E2<=1500，（C2-1500）*0.08，IF（C2>2000，（C2-2000）*0.3））））”，回车后即可计算出C2工资应缴纳的收入调节税。
公式中的IF语句是逐次计算的，如果第一个逻辑判断C2<=1000成立，则公式所在单元格被填入空格；如果第一个逻辑判断式不成立，则计算第二个IF语句；直至计算结束。如果税率征收标准发生了变化，只须改变逻辑和计算式中的值，如1000、1500和2000等即可。
应用实例二：消除无意义的零
用SUM函数计算工资总额等问题时，若引用的全部参数均为空白单元格，公式仍然会计算出一个“0”。这样打印出来的报表不仅很不美观。为此可将计算公式设计为“=IF（SUM（A1:B1，D2:E8）<>0，SUM（A1:B1，D2:E8），〃〃）”，即是当SUM（A1:B1，D2:E8）计算结果不等于零时，公式所在单元格显示SUM（A1:B1，D2:E8）的计算结果，否则显示一个空格。
上面这个问题在财务计算中依然存在，如公式“=A1-A6-A9”有可能为零或显示负数。为了避免打印零或负数，可以设计公式“=IF（A2-A6-A9=0，〃〃，IF（A2-A6-A9<0，RMB（A2-A6-A9），A2-A6-A9））”。当A2-A6-A9=0时在单元格中填写零，否则进行下一个逻辑判断。如果A2-A6-A9<0则在结果前添加一个“￥”符号，否则进行正常运算直至结束。
应用实例三：多条件求和
假设C1:C460区域内存放着职工的职称，D1:D460区域存放着职工的性别。如果要统计具有高级职称的男性职工总数，可以使用公式“=SUM（IF（C1:C460=〃高级〃，IF（D1:D460=〃男〃，1，0）））”。这是一个数组公式，输入结束后按住Ctrl+Shift回车即可计算出结果。
4．快捷方式或链接创建函数HYPERLINK
语法：HYPERLINK（link_location，friendly_name）。
参数：link_location是文件的路径和文件名，它可以指向文档中的某个具体位置。如Excel工作表中的特定单元格或区域，或某个Word文档中的书签，也可以指向硬盘中的文件或是Internet或Intranet的URL。Friendly_name为单元格中显示的链接文字或数字，它用蓝色显示并带有下划线。如果省略了friendly_name，单元格就将link_location显示为链接。
应用实例：管理文档或网站地址
如果你拥有大量文档或收集了许多网站地址，管理起来一定有困难。如果能够将其中的文档名、URL等与文档等对象链接起来，不仅管理方便，还可以直接打开文档或访问站点。具体 *** 作方法是：首先根据文档类型建立管理工作表，其中的文件名或网站名必须使用以下方法输入：选中一个空白单元格，单击Excel XP工具栏中的“粘贴函数”按钮，打开“粘贴函数”对话框，在“函数分类”框下选中“查找与引用”，然后在“函数名”框内找到HYPERLINK函数。单击对话框中的“确定”按钮，d出“HYPERLINK”函数向导。在“link_location”框中输入文件的完整路径和名称（包括扩展名），如“C:＼my documents＼IT网站集锦.doc”，然后在“friendly_name”框中输入文件名（如“IT网站集锦”）。确认输入无误单击“确定”按钮，所选单元格即出现带下划线的紫色文件名“IT网站集锦”。
此后你就可以从工作表中打开文档，方法是：打开工作表，在其中找到需要打开的文件。箭头光标指向文件名会变成手形，若停留片刻则会显示该文件的完整路径和名称，单击则会调用关联程序将文件打开。
如果你收集了许多网站的URL，还可以用此法建立一个大型“收藏夹”。既可以用Excel的强大功能进行管理，又可以从工作表中直接访问Web站点。
5．计数函数COUNT
语法：COUNT（value1，value2，．．．）。
参数：value1，value2．．．是包含或引用各类数据的1～30个参数。
注意：COUNT函数计数时数字、日期或文本表示的数字会参与计数，错误值或其他无法转换成数字的文字被忽略。如果参数是一个数组或引用，那么只有数组或引用中的数字参与计数；其中的空白单元格、逻辑值、文字或错误值均被忽略。
应用实例：及格率统计
假如C1:G42存放着42名学生的考试成绩，在一个空白单元格内输入公式“=COUNTIF（C1:C42，〃>=60〃）/COUNTA（C1:C42）”回车，即可计算出该列成绩的及格率（即分数为60及以上的人数占总人数的百分比）。
6．最大值函数MAX、最小值函数MIN
语法：MAX（number1，number2，．．．），MIN（number1，number2，．．．）。
参数：number1，number2．．．是需要找出最大值（最小值）的1至30个数值、数组或引用。
注意：函数中的参数可以是数字、空白单元格、逻辑值或数字的文本形式，如果参数是不能转换为数字的内容将导致错误。如果参数为数组或引用，则只有数组或引用中的数字参与计算，空白单元格、逻辑值或文本则被忽略。
应用实例：查询最高分（最低分）
假如C1：G42存放着42名学生的考试成绩，则选中一个空白单元格，在编辑栏输入公式“=MAX（C1:C42）”，回车后即可计算出其中的最高分是多少。
如果将上述公式中的函数名改为MIN，其他不变，就可以计算出C1：G42区域中的最低分。
7．条件求和函数SUMIF
语法：SUMIF（range，criteria，sum_range）。
参数：range是用于条件判断的单元格区域，criteria是由数字、逻辑表达式等组成的判定条件，sum_range为需要求和的单元格、区域或引用。
应用实例：及格平均分统计
假如A1:A36单元格存放某班学生的考试成绩，若要计算及格学生的平均分，可以使用公式“=SUMIF（A1:A36，〃>=60〃，A1:A36）/COUNTIF（A1:A36，〃>=60〃）。公式中的“=SUMIF（A1:A36，〃>=60〃，A1:A36）”计算及格学生的总分，式中的“A1:A36”为提供逻辑判断依据的单元格引用，“>=60”为判断条件，不符合条件的数据不参与求和，A1:A36则是逻辑判断和求和的对象。公式中的COUNTIF（A1:A36，〃>=60〃）用来统计及格学生的人数。
8．贷款偿还计算函数PMT
语法：PMT（rate，nper，pv，fv，type）.
参数：如今贷款买房子或车子的人越来越多，计算某一贷款的月偿还金额是考虑贷款的重要依据，Excel XP提供的PMT函数是完成这一任务的好工具。语法中的rate是贷款利率；nper为贷款偿还期限；pv是贷款本金；fv为最后一次付款后剩余的贷款金额，如果省略fv，则认为它的值为零；type为0或1，用来指定付款时间是在月初还是月末。如果省略type，则假设其值为零。
应用实例：购房还款金额
假如你为购房贷款十万元，如果年利率为7%，每月末还款。采用十年还清方式时，月还款额计算公式为“=PMT（7%/12，120，-100000）”。其结果为￥-1，161.08，就是你每月须偿还贷款1161.08元。
9．样本的标准偏差函数STDEV
语法：STDEV（number1，number2，．．．）。
参数：number1，number2，．．．为对应于总体样本的1到30个参数，它们可以是数值、引用或数组。
注意：STDEV函数的参数是总体中的样本，并忽略参数中的逻辑值（true或false）和文本。如果需要用全部数据计算标准偏差，则应使用STDEVP函数。如果参数中的逻辑值和文本不能忽略，请使用STDEVA函数。
应用实例一：成绩离散度估计
假设某班共有36名学生参加考试，随机抽取的五个分数为A1=78、A2=45、A3=90、A4=12和A5=85。如果要估算本次考试成绩相对平均分的离散程度，即学生的考试成绩偏离平均分的多少，可以使用公式“=STDEV（A1:A5）”。其计算结果为33.00757489，标准偏差的数值越大成绩越分散。
应用实例二：质量波动估计
质量控制等场合也能用到STDEV函数，如从一批钢丝绳中随机抽出若干进行试验，分别测出它们的抗拉强度。根据STDEV函数的计算结果即可判断钢丝绳的抗拉强度是否分散，如果计算的标准偏差比较小，说明抗拉强度的一致性好，质量比较稳定。反之说明钢丝绳的质量波动较大，抗拉强度不够一致。
10．排序函数RANK
语法：RANK（number，ref，order）。
参数：number是需要计算其排位的一个数字；ref是包含一组数字的数组或引用（其中的非数值型参数将被忽略）；order是用来说明排序方式的数字（如果order为零或省略，则以降序方式给出结果，反之按升序方式）。
应用实例：产值排序
假如图1中的E2、E3、E4单元格存放一季度的总产值。
(图1)
计算各车间产值排名的方法是：在F2单元格内输入公式“=RANK（E2，$E$2:$E$4）”，敲回车即可计算出铸造车间的产值排名是2。再将F2中的公式复制到剪贴板，选中F3、F4单元格按Ctrl+V，就能计算出其余两个车间的产值排名3和1。如果B1单元格中输入的公式为“=RANK（E2，$E$2:$E$4，1）”，则计算出的序数按升序方式排列，即2、1和3。
需要注意的是：相同数值用RANK函数计算得到的序数（名次）相同，但会导致后续数字的序数空缺。假如上例中F2单元格存放的数值与F3相同，则按本法计算出的排名分别是3、3和1（降序时）。即176.7出现两次时，铸造和维修车间的产值排名均为3，后续金工车间的排名就是1（没有2）。
11．四舍五入函数
语法：ROUND（number，num_digits）。
参数：number是需要四舍五入的数字；num_digits为指定的位数，number将按此位数进行四舍五入。
注意：如果num_digits大于0，则四舍五入到指定的小数位；如果 num_digits 等于 0，则四舍五入到最接近的整数；如果 num_digits 小于 0，则在小数点左侧按指定位数四舍五入。
应用实例：消除计算误差
假设Excel工作表中有D2=356.68、E2=128.12，需要将D2与E2之和乘以0.1，将计算结果四舍五入取整数，再将这个结果乘以1.36（取两位小数）得到最终结果。
一般用户的做法是选中某个单元格（如F2），使用“单元格”命令将它的小数位数设为零，然后在其中输入公式“F2=（D1+E1）*0.1”。再将G2单元格的小数位数设成两位，最后把F2*1.36的结果存入其中就可以了。从表面上看，上述方法没有什么问题。因为（D1+E1）*0.1在F2单元格显示48（注意：是显示48），如果F2单元格的小数位数为零，（D1+E1）*0.1经四舍五入后的结果就是48。接下去却出了问题，因为F2*1.36的计算结果是65.90，根本不是48*1.36的正确结果65.28，其中65.90是（D2+E2）*0.1未经四舍五入直接乘以1.36的结果。
以上计算结果说明：“单元格格式”、“数字”选项卡设置的“小数位数”，只能将单元格数值的显示结果进行四舍五入，并不能对所存放的数值进行四舍五入。换句话说，单元格数值的显示结果与实际存放结果并不完全一致，如果不注意这个问题，计算工资等敏感数据就会出现错误。例如在上例中，F2单元格内的数值虽然显示为48，但实际存放的却是48.45，自然得出了48.45*1.36=65.90的结果（按计算要求应为65.28）。
要解决这个问题并不难，你只须在G2单元格内输入公式“=（ROUND（（D2+E2）*0.1，0））*1.36”，就可以按要求计算出正确结果65.28。式中的ROUND函数按指定位数对“（D2+E2）*0.1”进行四舍五入，函数中的参数0将“（D2+E2）*0.1”四舍五入到最接近的整数。
12．条件计数函数COUNTIF
语法：COUNTIF（range，criteria）。
参数：range为需要统计的符合条件的单元格区域；criteria为参与计算的单元格条件，其形式可以为数字、表达式或文本（如36、〃>160〃和〃男〃等）。条件中的数字可以直接写入，表达式和文本必须加引号。
应用实例：男女职工人数统计
假设 A1:A58区域内存放着员工的性别，则公式“=COUNTIF（A1:A58，〃女〃）”统计其中的女职工数量，“=COUNTIF（A1:A58，〃男〃）”统计其中的男职工数量。
COUNTIF函数还可以统计优秀或及格成绩的数量，假如C1：G42存放着42名学生的考试成绩，则公式“=COUNTIF（C2：G2，〃>=85〃）”可以计算出其中高于等于85分的成绩数目。如将公式改为“=COUNTIF（C2：G2，〃>=60〃）”，则可以计算出及格分数的个数。
13．百分排位预测函数PERCENTILE
语法：PERCENTILE（array，k）。
参数：array为定义相对位置的数值数组或数值区域，k为数组中需要得到其百分排位的值。
注意：如果array所在单元格为空白或数据个数超过8191，则返回#NUM！错误。如果k<0或k>1，则返回#NUM！错误。如果k不是1/（n-1）的倍数，该函数使用插值法确定其百分排位。
应用实例：利润排行预测
假设C1:C60区域存放着几十个公司的利润总额。如果你想知道某公司的利润达到多少，才能进入排名前10%的行列，可以使用公式“=PERCENTILE（C1:C60，0.9）”。如果计算结果为9867万元，说明利润排名要想进入前10%，则该公司的利润至少应当达到9867万元。
14．数值探测函数ISNUMBER
语法：ISNUMBER（value）。
参数：如果value为数值时函数返回ture（真），否则返回false（假）。
应用实例一：无错误除法公式
如果工作表为C1设计了公式“=A1/B1”，一旦B1单元格没有输入除数，就会在C1中显示错误信息“＃DIV／0！”。这不仅看起来很不美观，一旦作为报表打印还可能引起误会。为避免上面提到的问题出现，可将C1单元格中的公式设计成“=IF（ISNUMBER（B1），A1/B1，〃〃）”。式中的ISNUMBER函数对B1单元格进行探测，当B1被填入数值时返回true（真），反之返回false（假）。为真时IF函数执行A1/B1的运算，为假时在C1单元格中填入空格。
应用实例二：消除无意义的零
使用SUM函数计算工资总额时，若引用的单元格区域没有数据，Excel仍然会计算出一个结果“0”。这样打印出来的报表不符合财务规定，为此可将公式设计成“=IF（ISNUMBER（A1:B1），SUM（A1:B1），〃〃）”。
式中ISNUMBER函数测试SUM 函数所引用的单元格区域是否全部为空，当不为空时返回true（真），反之返回fales（假）。为真时IF函数执行SUM（A1:B1），为假时在存放计算结果的F1单元格中填入空格，这样即可避免在F1单元格中出现“0”。
15．零存整取收益函数PV
语法：PV（rate，nper，pmt，fv，type）。
参数：rate为存款利率；nper为总的存款时间，对于三年期零存整取存款来说共有3*12=36个月；pmt为每月存款金额，如果忽略pmt则公式必须包含参数fv；fv为最后一次存款后希望得到的现金总额，如果省略了fv则公式中必须包含pmt参数；type为数字0或1，它指定存款时间是月初还是月末。
应用实例：零存整取收益函数PV
假如你每月初向银行存入现金500元，如果年利2.15%（按月计息，即月息2.15%/12）。如果你想知道5年后的存款总额是多少，可以使用公式“=FV（2.15%/12，60，-500，0，1）”计算，其结果为￥31，698.67。
式中的2.15%/12为月息；60为总的付款时间，在按月储蓄的情况下为储蓄月份的总和；-500为每月支出的储蓄金额（-表示支出）；0表示储蓄开始时账户上的金额，如果账户上没有一分钱，则为0否则应该输入基础金额；1表示存款时间是月初还是月末，1为月初0或忽略为月末。
16．内部平均值函数TRIMMEAN
语法：TRIMMEAN（array，percent）。
参数：array为需要去掉若干数据然后求平均值的数组或数据区域；percent为计算时需要除去的数据的比例，如果 percent = 0.2，说明在20个数据中除去 4 个，即头部除去 2 个尾部除去 2 个。如果percent=0.1，则30个数据点的10%等于3，函数TRIMMEAN将在数据首尾各去掉一个数据。
应用实例：评比打分统计
歌唱比赛采用打分的方法进行评价，为了防止个别人的极端行为，一般计算平均分数要去掉若干最高分和最低分。假如B1:B10区域存放某位歌手的比赛得分，则去掉一个最高分和一个最低分后的平均分计算公式为“=TRIMMEAN（B1:B10，0.2）”。公式中的0.2表示10个数据中去掉2个（10×0.2），即一个最高分和一个最低分。
17．日期年份函数YEAR
语法：YEAR（serial_number）。
参数：serial_number为待计算年份的日期。
应用实例：“虚工龄”计算
所谓“虚工龄”就是从参加工作算起，每过一年就增加一年工龄，利用YEAR函数计算工龄的公式是“=YEAR（A1）-YEAR（B1）”。公式中的A1和B1分别存放工龄的起止日期，YEAR（A1）和YEAR（B1）分别计算出两个日期对应的年份，相减后得出虚工龄。
18．起止天数函数DAYS360
语法：DAYS360（start_date，end_date，method）。
参数：start_date和end_date是用于计算期间天数的起止日期，可以使用带引号的文本串（如"1998/01/30"）、系列数和嵌套函数的结果。如果start_date在end_date之后，则DAYS360将返回一个负数。
19．取整函数TRUNC
语法：TRUNC（number，num_digits）。
参数：number是需要截去小数部分的数字，num_digits则指定保留到几位小数。
应用实例：“实工龄”计算
实际工作满一年算一年的工龄称为“实工龄”，如1998年6月1日至2001年12月31日的工龄为3年。计算“实工龄”的公式是“= TRUNC（（DAYS360（〃1998/6/1〃，〃2001/12/31〃））/360，0）”，公式中的DAYS360（〃1998/6/1〃，〃2001/12/31〃）计算两个日期相差的天数，除以360后算出日期相差的年份（小数）。最后TRUNC函数将（DAYS360（A1，B1）/360的计算结果截去小数部分，从而得出“实工龄”。如果计算结果需要保留一位小数，只须将公式修改为“= TRUNC（（DAYS360（〃1998/6/1〃，〃2001/12/31〃））/360，1）”即可。
如果你要计算参加工作到系统当前时间的实工龄，可以将公式修改为“= TRUNC（（DAYS360（〃1998/6/1〃，NOW（）））/360，0）”。其中NOW（）函数返回当前的系统日期和时间。
20．字符提取函数MID
语法：MID（text，start_num，num_chars）或MIDB（text，start_num，num_bytes）。
参数：text是含有要待提取字符的文本，start_num是要提取的第一个字符的位置（其中第一个字符的start_num为1以此类推），num_chars 指定MID从文本中提取的字符个数，Num_bytes指定MIDB从文本中提取的字符个数（按字节计算）。
应用实例：姓氏提取和统计
假如工作表C列存放着职工的姓名，如果想知道某一姓氏的职工人数，可以采用以下方法。首先使用公式“=MID（C1，1，1）”或“=MIDB（C1，1，2），从C1中提取出职工的姓氏，采用拖动或复制的方法即可提取其他单元格中的职工姓氏。然后使用公式“=COUNTIF（D1:D58，〃张〃）”统计出姓张的职工数量，随后改变公式中的姓氏就可以统计出其他姓氏职工的数量。
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