光子和电子的区别范文1
关键词：反常辉光放电；电晕放电；火花放电
中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148(2007)2(S)-0059-3
1引言
气体导电的现象，又称气体放电。加热、照射（紫外线、X射线、放射性射线）等都能使气体电离，这些因素统称电离剂。完全靠电离剂维持的气体导电称为非自持导电。在一定电压条件下，撤去电离剂，导电仍能维持。这种情形称为气体自持放电。自持放电因条件不同，放电的形式也不同。自持放电包括辉光放电、电晕放电及火花放电。我们设计实验研究了非均匀稳定电场下各种自持放电。由于电场分布不均匀，则击穿电压不再遵循帕邢定律，因此还有必要研究新的击穿电压与压强关系。
2实验简介
该实验中用到的仪器主要有真空钟罩（罩内有两个电极用于与电源相连）、±2500伏稳压电源、球形电极、2X-4型真空泵等。实验中，仪器的连接如图1。
实验操作如下：首先打开真空钟罩阀门，接着进行抽气，直到真空计的示数不再明显变化（抽气速率与向外界漏气的速率相当）。打开稳压电源，逐渐增大稳压电源电压值，直至辉光放电，随后撤掉抽气机电源。随着不断渗漏气，钟罩内气压随之增大，两电极间放电所需的电压也随之增大，并记录每个变化时刻的气压和电压值。
3反常辉光放电
（1）辉光放电夺放电时两电极间出现特有的光辉。通常低气压冷阴极电极在击穿后可形成稳定的辉光放电。辉光放电具有电流密度小，放电维持电压较高的特点，产生典型的非等温等离子体。图2为实验中拍摄的辉光放电，从外表来看，辉光放电时，钟罩内从阴极到阳极的放电空间都出现了明暗相间的光层分布。在放电空间内分为几个不同的区域。仔细观察图2，阴极辉区（右球边缘）将大半个阴极都包围了起来，即整个阴极表面都为有效发射面积。这种现象有别于正常辉光放电，属于反常辉光放电。
（2）如图2，从阴极（右）到阳极（左）依次是：阴极辉区（紧贴球极），阴极暗区以及负辉区［1］。由于受放电距离的限制，正柱区和阳极区都没有出现。这是因为正柱区的长度是由电极间的距离决定的，阴极位降理论认为，维持放电的基本过程都集中在阴极位降区（即阴极辉区和阴极暗区），故从辉光放电的本质来讲，可以不出现正柱区。在某些气体的辉光放电中，阴极辉区前会出现阿斯顿暗区，它紧靠阴极表面。但本实验中阿斯顿暗区并不明显。
（3）由于空气成分复杂，其中以氮、氧为主，氮气的负辉区呈现为蓝色，而氧气的负辉区呈现为淡黄色，实验中可看见的负辉区呈现蓝紫色，内部呈红色。这是由于两球形电极分别接正负电位，其间产生的电场是不均匀的。为便于分析，可将两球形电极近似看作带正、负电荷的两点电荷，则沿点电荷连线上的电场最强。γ过程产生的二次电子在奔向阳极的过程中，一方面与中性分子发生电离产生新的电子，另一方面受非均匀电场加速，影响气体中电子和离子的运动轨迹［3］，故负辉区在靠近阳极的那一侧将沿连线中心收拢。最终对称的收敛在沿两极球心连线两侧附近。如图2，整个放电区间呈现为锥形，在阳极上可看见两个收敛状亮点。可见，电场分布可决定放电区域形状，且对γ数的值也有影响，因此，它对击穿电压影响也较大。
（4）由辉光放电的理论可知，放电电流密度与气压的平方成比例。所以，高气压下的电流密度将显著升高。在电流密度逐步升高的过程中，出现了不能再被忽略的新的基本过程，它对放电起有很大的影响。在较高气压时，放电电流密度很大，阴极发射电流密度也很大，气体击穿后发出强烈辉光，另一方面，在高电流密度发射的状态下，很容易使阴极局部温度升高，从而在某一局部产生热电子发射。这比γ过程的二次电子发射效率大大提高。另一方面，由于气体分子温度的升高，就可发生热电离过程。综上因素，这就可引起辉光放电向弧光放电转变。实验中，随着气压的不断升高，负辉区不断扩展，直至充满电极间的放电空间。如图3所示。可见放电电流明显增大，放电进入辉光放电与弧光放电之间的弧光过渡区。
4电晕放电
（1）电晕放电是在极间电场分布不均匀，气压较高时产生的一种放电方式，且要求电压在几千伏以上。直流电晕分为三种情况：(1)负电晕(2)正电晕(3)双极电晕［2］。在实验中观察到的是双极电晕，它要求阴极和刚极曲率半径都比较小，两者都带有极强的电场，则在正、负极上都会有发生电晕称为双极电晕。如图4所示为双极电晕放电。
（2）实验中，钟罩内气压都保持在标准大气压以下，且球形电极半径较小(4．23mm)，其间形成的不均匀电场较强，因而产生了电晕放电，如图4所示。由于受电晕放电条件的限制，实验中的电晕放电很不稳定，即使在不改变电压的情况下，电晕放电也很容易转变为辉光放电，在较暗的环境中更易观察。电晕放电时，增加电极电压后，电晕放电很容易向辉光放电转变。
5火花放电
随着压强的进一步增大，放电转过渡到火花放电。根据流柱理论对火花放电的解释(它以电子崩为理论基础，并考虑了空间电荷对放电的影响)，它由一个主电子崩形成多个次电子崩，次电子崩不断汇入主电子崩并迅速扩散到阴极，这就是实验中观察到火花放电分叉的原因。放电通道是由光电离形成的，因此放电形成的时间很短。同时，由于电离过程主要靠光子，与阴极表面的关系不大。两球形电极的球心距离最短，且电场最强，因此放电通道多沿球心连线及其周围。
6击穿电压与压强的关系
根据实验中记录的数据，描图得到的击穿电压随压强的变化关系，如图5。其中横坐标是击穿电压，单位为伏；纵坐标是压强，单位是千帕。由图可见，随着真空罩内气压的升高，所需的击穿电压也越来越高。
7结语
（1）各种类型的气体放电有明显的区别，它们的放电现象各有特色，在改变条件的情况下，它们可以相互转化。
（2）非均匀场中的放电现象与均匀场中的放电相比有较大的区别，体现在放电区域的形状受电极影响较大，从本质上看是受电场分布影响。
（3）外界条件变化时(如压强)，气体放电的类型随之变化。空气中的击穿电压是一个变化十分敏感的量，它不仅随压强的升高而升高，而且还受电场分布、电极材料和表面状况的影响。
参考文献：
［1］陈宗柱、高树香.气体导电［M］.南京工学院出版社.1988
［2］彭国贤.现代化知识文库之气体放电――等离子体物理的应用［M］.上海.知识出版社.1982
［3］胡志强、甄汉生、施迎难.气体电子学［M］.北京.电子工业出版社.1985
光子和电子的区别范文2
关键词：单光子探测；空间激光通信；雪崩二极管；后脉冲概率
中图分类号：O572 文献标识码：A 文章编号1672-3791（2017）01（a）-0000-00
激光测距由于其具备精准、快速的特点，并随着光电技术的持续进步，已在工业控制、军事遥感以及空间光通信等多领域发挥着重要的作用。其中，除了传统的脉冲测距技术外，一些新的测距方案不断地被提出，如基于光子计数系统的单光子探测技术，通过提高对单个光子信号的探测效率及抑制噪声的方式从而提高系统的测距精度。在单光子测距中，单光子探测器的时间抖动和激光脉冲宽度决定了测距系统的精度。近年来，大功率皮秒激光器发展迅速，因此单光子探测器的时间抖动成为影响单光子测距系统分辨精度的主要问题。而采用InGaAs材料做吸收层、InP材料做倍增层，可以实现近红外波段光子信号的探测，基于InGaAs/InP APD的单光子探测技术发展成为当前最实用的近红外单光子探测器[1]。
1单光子雪崩二极管的理论模型
雪崩光电二极管主要是利用器件中的载流子碰撞电离而引发雪崩效应来实现对光子的探测，如图1所示二极管的原理示意图。当其工作在击穿电压以下时会发生载流子的碰撞电离，但这一碰撞电离还不足以引发雪崩效应，此时器件的输出电流与入射光子数成线性比例，这时候称之为线性模式。当单光子雪崩二极管的反向偏置电压高于雪崩击穿电压时，耗尽区中的单个载流子就会产生连锁的碰撞电离反应，从而引发雪崩效应，此时称之为盖格模式。
单光子雪崩二极管器件的原理主要是载流子的碰撞电离，在这里我采用最基本的 - - 器件来对碰撞电离加以说明，如图2所示。 - - 器件工作在反向偏置电压下，其空间电荷主要集中在 区，厚度为 ， 区材料的电子和空穴的碰撞电离系数分别为 和 （碰撞电离系数与空间电荷区电场强度相关，其表示在单位距离上发生碰撞电离的次数）。考虑在空间电荷区 处因光吸收或热效应产生一电子空穴对，在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向漂移。在经过 的距离后，电子和空穴分别产生 和 次的碰撞电离，这些碰撞电离产生的载流子在电场的作用下运动一段距离获得足够能量又能产生新的碰撞电离，该过程不断重复，直至电子和空穴漂移出空间电荷区。我们用 来表示 区 处的一个电子空穴对所引发的平均碰撞电离次数，那么有[2]：
2 InGaAs/InP APD的种类与性能指标
目前针对InGaAs/InP APD主要有三种雪崩抑制模式：被动抑制、主动抑制和门控探测。被动抑制增大了雪崩光电二极管的死时间，严重减小了探测器的最大计数率，而主动抑制则因为抑制电路过于复杂，信号级联容易发生发射，门控探测模式目前在单光子探测中应用最为广泛。门控探测模式可以有效减小后脉冲，同时暗噪声计数也能大大减少[3]，而缺点就在于需要抑制雪崩产生的尖峰噪声并提取微弱的雪崩信号。
2.1 放电脉冲甄别技术
当门控脉冲信号驱动雪崩光电二极管时，由于阻抗不匹配，在没有发生雪崩效应时，门控信号响应则输出充放电正负脉冲的尖峰噪声。在有光生雪崩时，由于门控开启时刻没有雪崩，从而导致产生充电正脉冲，当雪崩电流出现后，此时二极管相当于低阻抗电阻，因此通过探测有无放电负脉冲，即可以判断二极管究竟是电容还是电阻，没有甄别到放电负脉冲时表示有光生雪崩信号，从而实现雪崩信号的鉴别和提取[4]。
2.2 正弦门滤波技术
2006年，日本的研究人员首先提出了正弦波门控滤波探测技术[5]，利用正弦波作为门控信号与控制直流偏置电压加载到单光子雪崩二极管上，当到达正弦波波峰时，偏置电压在雪崩点之上，此时会有光子信号入射形成光生雪崩，S后到达正弦门控信号的波谷时雪崩被抑制，因为此时偏置电压在雪崩点以下。由于结电容对正弦门控信号的非线性响应，会导致充放电噪声和高次谐波噪声也一起输出，所以此方案采用相应的带阻滤波器客去除相应频谱的尖峰噪声从而提取雪崩信号，其中带阻滤波对门控基频信号的抑制比可达100dB，再经高增益放大器放大输出，即可轻易的甄别出雪崩信号。该方案实现了当门控频率为800MHz，探测效率为8.5%时，后脉冲概率为6.0%，暗记数为 /门。
2.3 双APD平衡技术
A. Tomita等人利用两个性能参数完全相同的雪崩二极管，并把这两个二极管进行并联，提出了基于平衡门控的单光子探测器的方法，其原理如图3所示。两个完全相同的SPAD由两路相同的门控电路驱动，输出产生形状相同的尖峰噪声 [6]，两个二极管的输出信号通过一个 180?的混合接口并经过自差分运算相减，继而消除掉尖峰噪声。当两个SPAD中的一个产生了雪崩效应时，输出端就会相应的输出正或负的雪崩信号。鉴别器将雪崩信号进行幅度鉴别后，交由计数器计数。这种抑制尖峰噪声的方案，能够有效地提取雪崩信号，噪声抑制比可达26dB以上。但是，该方案的关键在于几乎很难找到两个完全相同的单光子雪崩二极管器件，与此同时还要精确控制光子到达时间，使得该方案实施起来尤为困难。
2.4 电容补偿平衡
用与单光子雪崩二极管电学特性类似的二极管替换双APD平衡方案的一个APD，工作原理如图4所示[7]。一个雪崩光电二极管与一个普通二极管并联，门控脉冲信号经二极管结电容后，产生与雪崩响应基本一致的尖峰噪声，随后分别接入魔T差分电路，共模尖峰噪声因此相互抵消，但是实际中与雪崩二极管结电容完全匹配的二极管几乎很难找到，因此尖峰噪声抑制～18dB。
2.5 自差分平衡探y技术
英国剑桥实验室和东芝研宄小组提出了自差分平衡探测技术，原理如图5所示，门控脉冲驱动雪崩光电二极管，响应输出信号进入由功分器和差分器组成的自差分电路，其中功分器将二极管响应信号分成幅度相等的两路信号，其中两路电缆线长度不同，使得一路信号经过电缆线相对另一路延迟了一个门控周期，两路信号进入差分器相减后合成输出，即可完全抵消尖峰噪声，可达21dB以上的噪声抑制比，从而有效提取出微弱的雪崩信号。由于一分二的两路信号是完全相同的，采用自差分平衡方案提取雪崩信号，比其它平衡方案获得更高的噪声抑制比，极微弱的雪崩信号可通过降低雪崩阈值电平即可甄别出来，也就是说在低增益条件下即可获得高探测效率，同时有效减小后脉冲[8]。
2.6 光平衡探测技术
光平衡的探测方案，是基于光学方法的自差分方案，不仅避免的电路中的固有延迟及损耗，而且通过光学的方法还可以持续的调整门重频。其基本工作原理如图6所示，光生雪崩产生后，雪崩信号被淹埋在门控瞬态响应的尖峰噪声中，响应输出的雪崩信号和尖峰噪声经放大后驱动1550nm的激光二极管，由于激光二极管响应带宽足够高确保APD响应输出信号转换为光脉冲信号，光脉冲进入了一个由掺铒光纤放大、内置滤波和偏振分束器组成的，类似于魔T差分电路的一个光路，而其中一路延时一个门控周期，最后经普通的光电二极管探测后差分输出，实现了雪崩信号的甄别提取[9]。光平衡探测技术实现了31dB的噪声抑制比，使雪崩二极管工作在亚饱和增益区域，从而实现单个雪崩二极管光子数可分辨探测，此外，光平衡技术相比电学自差分平衡，不仅输出稳定，频率可持续调整，而且不受磁场干扰。
3结束语
我们已经阐述了单光子雪崩二极管在门控探测下，需要超窄的门脉冲宽度才能降低暗计数和后脉冲效应，目前的研究人员主要通过抑制充放电噪声和通过基于差分平衡，进而提取微弱的雪崩信号。这些措施一方面提高探测效率，并且将时钟频率提高到GHz量级。另一方面，高噪声抑制比可使二极管工作于亚饱和状态，从而实现光子数的分辨探测。从实用的角度考虑，单光子雪崩二极管仍然是今后空间激光通信中最为合适的单光子探测器件，因此随着门控频率的进一步提高和采用更高性能的单光子探测器，可进一步拓展该技术的优势，并应用到空间激光探测与通信系统中。
参考文献
1X.Sun，D.Skillman et al.. Free space laser communication experiments from Earth to the Lunar Reconnaissance Orbiter in lunar orbit[J].Opt.Express，2013，21（2），1865-1871.
2R.J.McIntyre.Multiplication noise in uniform avalanche diodes[J].IEEE Trans on Electron Devices，1966，13：164-168
3G.E.Stillman and C.M.Wolfe. Avalanche photodiodes，in Semiconductors and Semimetals[M].New York：Academic，1977，12：291-393
4A.Yoshizawa，R.Kaji，andH.Tsuchid. Gated-mode single-photon detection at 1550nm by discharge pulse counting[J].Appl.Phys.Lett，2004，84（18），3606-3608.
5N.Namekata，S.Adachi，andS.Inoue. 1.5GHz single-photon detection at telecommunication wavelengths using sinusoidally gated InGaAs/InP avalanche photodiode[J]Opt.Express，2009，17（8），6275-6282.
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光子和电子的区别范文3
关键词:珠宝检测 X射线衍射 红外光谱 电子探针 (SEM)
1 现代测试技术的应用与现状
目前,应用于珠宝检测中的现代测试技术有X射线衍射、拉曼光谱、红外吸收光谱、电子探针、扫描电镜等分析技术。
1.1 X射线衍射
X射线衍射(XRD)是一种物相分析的方法。X射线是一种高能电磁波。当一束X射线轰击样品,部分射线直接透过标本,另一部分则被样品内的晶面反射,反射的X射线会形成一种与物质的晶体结构密切相关的衍射图形。
通过对衍射现象的分析,就可以获得样品的原子排列、晶胞参数、结晶物质的物相等信息,进而确定宝玉石的种类。这种分析技术只适用于具有晶体结构的宝玉石的研究,当然也是区分晶质和非晶质宝石材料的有效手段。
利用X射线衍射技术能研究宝石的内部结构,是一种全新的研究方法。但是,由于宝玉石样品均为单颗粒,与粉晶样品的制备不同,首先必须将宝玉石颗粒稳定平整地粘在试样板上,同时使样品台与试样测试面处于同一个平面,以保证衍射面与衍射圆相切。
当样品的体积大时,用胶泥将样品稳固地粘在样品台上,注意不要使胶泥接触X射线。一般玉石属于多晶集合体,在不破坏其完整性的情况下,用X射线衍射可以准确、快速地鉴别宝玉石的种类。但对于没有天然晶面的原石鉴定有时存在一定的困难,可以结合其他手段取得满意的效果。
1.2 电子探针(EPMA)
电子探针主要是利用微小的电子束与样品相互作用后产生的特征X射线,进行样品微区成分的定性与定量分析。根据特征X射线的波长确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定元素相对含量的方法为波谱分析。根据特征X射线的能量确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定含量的方法为能谱分析。
人工合成宝石与天然宝石虽然在物理、化学性质上很相近,但由于它们的生长环境不可能完全一样,因而,它们的化学性质有一定的差异,尤其是微量元素方面,利用电子探针可很容易地加以区分。如天然红宝石中常常发现有金红石包体,而人工合成的红宝石中往往看不到,据此可确认含针状金红石包体的红宝石为天然产物。
1.3 红外吸收光谱(IR)
简称红外光谱。当连续变化波长的红外光照射到物质上时,引起物质中分子或原子基团的振动,与其固有振动频率相同的特定波长的红外光被吸收,形成吸收谱带,不同的吸粒稳定平整地粘在试样板上,同时使样品台与试样测试面处于同一个平面,以保证衍射面与衍射圆相切。
当样品的体积大时,用胶泥将样品稳固地粘在样品台上,注意不要使胶泥接触X射线。一般玉石属于多晶集合体,在不破坏其完整性的情况下,用X射线衍射可以准确、快速地鉴别宝玉石的种类。但对于没有天然晶面的原石鉴定有时存在一定的困难,可以结合其他手段取得满意的效果。
1.2 电子探针(EPMA)
电子探针主要是利用微小的电子束与样品相互作用后产生的特征X射线,进行样品微区成分的定性与定量分析。根据特征X射线的波长确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定元素相对含量的方法为波谱分析。根据特征X射线的能量确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定含量的方法为能谱分析。此外,还可得到样品所含元素的点、线、面分布情况。
目前常用的分析方法有X射线波谱仪分析法和X射线能谱仪分析法。电子探针作为一种微区成分分析技术,能将宝石的形貌与所要分析部位进行对应点分析,因而其分析具有对应性强的特点,有利于对宝石中的不同组分进行化学成分测定。它具有空间分辨率高、简便快速、不破坏样品、精度高、分析元素范围广等独特的优点,在测定宝石的成分、包裹体、生长纹等方面起到非常重要的作用。
人工合成宝石与天然宝石虽然在物理、化学性质上很相近,但由于它们的生长环境不可能完全一样,因而,它们的化学性质有一定的差异,尤其是微量元素方面,利用电子探针可很容易地加以区分。如天然红宝石中常常发现有金红石包体,而人工合成的红宝石中往往看不到,据此可确认含针状金红石包体的红宝石为天然产物。
1.3 红外吸收光谱(IR)
当连续变化波长的红外光照射到物质上时,引起物质中分子或原子基团的振动,与其固有振动频率相同的特定波长的红外光被吸收,形成吸收谱带,不同的吸处理过的欧泊、用塑料充填和铬盐浸过的翡翠。
1.5 扫描电子显微镜(SEM)
扫描电子显微镜的分辨率极高,放大倍数范围很大。此外,所观察样品的表面图像的景深大,富有立体感。
利用一束聚焦电子束轰击样品表面,入射电子束将在样品表面下层范围内运动并激发出各种电子信息,如二次电子、背散射电子、特征X射线等。这些信息的能量、穿透能力各不相同,从而形成不同的像衬度,主要有表面形貌衬度和原子序数衬度。表面形貌衬度是利用二次电子信号作为调制信号而得到的一种像衬度。
由于二次电子信号主要来自于样品表面5～10nm深度,它的强度与原子序数没有关系,而仅对微区表面的形貌十分敏感,且二次电子的像分辨率比较高,所以特别适用于显示形貌衬度。原子序数衬度是利用对样品微区原子序数或化学成分变化敏感的背散射电子作为调制信号得到的,它表示微区化学成分差别的像衬度。
背散射电子的产额随着样品中平均原子序数的增大而增加,因而,可以根据背散射电子像亮暗衬度来判断相应区域内平均原子序数的相对高低。扫描电镜能够在不损伤样品的情况下对宝石进行表面微形貌、化学成分分析,已成为宝石研究的理想检测工具。利用扫描电镜可很容易观测到宝石表面的微细裂纹和缺陷等表面特征。
实际工作中,常常将扫描电镜技术与其他方法相结合,互相验证,如可与电子探针或X射线衍射等手段配合。随着扫描电子显微镜的不断改进,综合性分析功能的加强,扫描电镜已成为一种快速、直观、综合的现代化分析仪器。
1.6 X射线荧光光谱
样品在X射线的激发下,各元素产生特征荧光辐射。在激发条件一定的情况下,荧光辐射强度与该元素在样品中的含量呈正比。通过测量各元素的荧光辐射强度,可以求出各元素在样品中的含量,该检测为无损检测方式。
X射线荧光光谱在宝玉石的检测中也被广泛应用。有时,它也与其他检测技术如红外光谱、紫外吸收光谱结合起来检测宝玉石。
1.7 阴极发光技术
将宝石至于真空室中,用电子束激发产生可见光,发出光的颜色强弱是某些宝石的特征性质,根据所发射的可见光的颜色及颜色分布,可用来区分天然宝石和合成宝石。阴极发光技术为鉴别这类宝石提供了一种新的方法和手段。
2 结语
①X射线衍射分析是无损鉴定宝石的方法之一,对确定宝玉石的种类,区分晶质和非晶质宝石材料是一种有效手段。
②电子探针能够对样品进行微区成分的定性与定量分析,成为鉴别真假宝石及人造宝石的有力工具。
③由于红外光谱图能反映宝玉石中的化学成分和结构特征,根据宝玉石特有的红外光谱图可区分天然宝石与人造宝石,但由于要求被检测样品必须有抛光平面,使红外光谱的测试受到限制。
④拉曼光谱学技术是一种非破坏性的测试手段,能很方便地区别天然宝石、人造宝石、改性宝石和仿制品。
光子和电子的区别范文4
工作在1～3μm的近红外探测器件在空间遥感、大气监测、资源勘探等领域都有重要的应用［1］。InGaAs材料可以覆盖1～3μm近红外波段，具有高吸收系数、高迁移率、高工作温度下高探测率(轻量化)、良好的均匀性和稳定性(高可靠)、优秀的空间抗辐照性能(长寿命)等优点，因此，InGaAs探测器是近年来最具发展前景的近红外探测器［2］。但是，较高的暗电流是制约InGaAs探测器发展和应用的主要问题。由于PIN结构红外探测器制作工艺简单、响应度高，所以目前在设计器件时一般都采用该结构［3］。在器件实际制作之前，对其结构和性能进行模拟、优化，能大大节约资源，提高效率。对于通信用的In0．53Ga0．47As探测器和APD结构InGaAs红外探测器，已经有了大量的研究报道。一种模拟的方法是使用SPICE电路模型模拟器［4］对材料、结构不同的光电探测器建立对应的电路模型，研究其光电特性;另外一种就是基于载流子连续性方程和泊松方程建立器件模型，利用数值计算工具进行器件特性的分析［5-6］。利用模拟计算的方法优化延伸波长InGaAs探测器的器件结构，从而有效提高器件光电性能是一项非常有意义的工作。本文在验证了APSYS可靠性的基础上，开展了高性能延伸波长InGaAs近红外探测器的研究。首次采用APSYS软件建立了完整的PNN复合盖层InGaAs红外探测器单元器件模型，通过调整盖层材料、厚度、载流子浓度等参数，优化了PIN型延伸波长至2．6μm的InGaAs红外探测器器件结构。优化后的器件暗电流可以降低一个数量级，而光谱响应度仅降低10%。在此基础上，通过模拟不同工作温度下的暗电流曲线，分析和解释了不同工作温度下的暗电流机制。
2实验
采用Crossright公司设计的APSYS对InGaAs红外探测器进行模拟计算。APSYS是一款2D/3D有限元分析软件，它包括了许多物理模型，例如热载流子输运、异质结模型、热分析等，拥有强大的模拟功能。这里我们基于漂移-扩散模型，通过求解自洽解泊松方程、电流连续性方程来得到较为精确的模拟曲线［7-9］，对器件进行优化及设计。首先在APSYS中建立器件结构模型，调用物理模型(泊松方程、电流连续性方程、光子波动方程、光子速率方程、光子增益方程等)，参考软件数据库设置详细的控制条件(各层载流子迁移率、载流子寿命、电压、复合速率等)，编辑输出命令集合(暗电流、光电流、光谱响应度等)，得到暗电流和光谱响应度的模拟结果。然后，通过调整盖层(P、N1、N2)厚度和载流子浓度等来使暗电流和光谱响应度的综合指标达到最佳。
3结果与讨论
3．1模拟结果与实验结果的对比
为了验证APSYS模拟PIN型延伸波长In-GaAs近红外探测器的可靠性，我们对InP盖层和InAs0．6P0．4盖层的InGaAs探测器进行了模拟，并与实验结果进行了对比。两种探测器衬底均为InP，掺杂浓度为2E18;缓冲层分别为100nm和80nm的In0．82Ga0．18As，掺杂浓度为2E18;吸收层分别为2．9μm和3．1μm的In0．82Ga0．18As，本征载流子浓度为3E16;盖层为0．9μmInAs0．6P0．4和3．1μmInP，掺杂浓度为2E18［10-12］。图1为模拟计算和实验测得的器件相对光谱响应度的对比，从图中可以看出二者较为接近。实验测得的相对光谱响应度略小于模拟计算出的值，这是因为模拟计算是在理想条件下进行的，而实验制作的器件要受到实际工艺技术水平的制约。另外，实验测得的相对光谱响应度在1．38μm和1．9μm处出现了波动，这主要是由于红外辐射中的一部分被空气中的CO2和H2O吸收所致。图2为模拟计算和实验测得器件暗电流的对比，由图可知二者极为接近。同样，实验暗电流略大于模拟计算所得暗电流，这是由实际工艺条件造成的。综合上面的比较，我们可以得出结论，用APSYS对PIN延伸波长探测器进行模拟计算是精确、可靠的。
3．2新型复合盖层InGaAs红外探测器优化设计
在验证模型之后，我们优化设计了一种新的结构:复合型盖层延伸波长InGaAs探测器。即盖层中采用PNN结构，以期提高器件性能。使用InGaAs盖层不仅容易生长而且可以减少与吸收层之间的晶格失配，减少位错，降低暗电流;而采用InAsP、InAlAs作为盖层，则会使In0．82-Ga0．18As材料的表面钝化，从而降低表面复合率。为了提高器件的量子效率，减少晶格失配带来的位错，我们用Vegard定律计算得到与In0．82Ga0．18As晶格匹配的两种盖层应为In0．82Al0．18As/InAs0．6P0．4。另外，本征的In0．82Ga0．18As吸收层相对于重掺杂的盖层和N型缓冲层与衬底来说是高阻层，可以有效抑制载流子热扩散电流，从而降低器件的暗电流，提高器件的灵敏度。根据Piotrowski［13］提出的理论模型，吸收层的厚度在2～3μm时，探测器的探测率［14］最大。因此，综合探测器的探测率和量子效率等各方面的因素，我们优化设计In0．82-Ga0．18As本征吸收层的厚度为2．5μm，这样可以在保证响应速度的同时尽可能提高量子效率。综上所述，计算中采用的模拟参数为:衬底为1μm的N型InP材料，载流子浓度为2E18;缓冲层为1μm的N型InxAl1－xAs(x=0．52～0．82)渐变组分缓冲层，载流子浓度为2E18;吸收层为2．5μm的Ⅰ型In0．82Ga0．18As材料，载流子浓度为3E16;在盖层的PNN结构中，P层为In0．82Al0．18As，N型分别为InAs0．6P0．4和In0．82Ga0．18As。PNN盖层各层厚度模拟计算数值如表1所示。在确定最佳厚度后，我们进一步调整载流子浓度取值范围，载流子浓度从1E16到2E18，每隔1E16(1E17、1E18)取一个值。通过比较暗电流和相对光谱响应度，我们得出优化后的器件结构如图3所示。图4所示为PNN复合盖层InGaAs探测器在最佳载流子浓度下的相对光谱响应度曲线。在外加反向偏压为0～0．1V时，优化后的器件暗电流密度为10－5数量级，比常规的(10－4)小一个数量级。图5为优化后器件的相对光谱响应度曲线，由图可知它的长波截止波长为2．6μm，短波截止波长约为0．9μm。相对光谱响应度的峰值出现在2．0μm处，比常规的PIN型InGaAs红外探测器峰值小10%，对器件性能影响不大。综上所述，图3所示的器件结构大大提高了InGaAs红外探测器的性能。
3．3暗电流机制的分析
为了探究暗电流机制，我们模拟计算了优化后的InGaAs探测器在不同工作温度下的暗电流。图6为暗电流随1000/T的变化关系。我们知道，产生-复合电流、扩散电流、界面复合电流和隧穿电流［15］为InGaAs红外探测器暗电流的4种机制。扩散电流［16］主要为耗尽层边缘的热激发产生的少数载流子从P区、N区向耗尽层扩散形成的电流;产生-复合电流［17］主要为热激发产生的载流子在电场的作用下由势垒区向势垒两边漂移而形成的电流;界面复合电流主要为由于材料体系的失配位错而产生的界面电流;隧穿电流主要为隧道效应而产生的电流，按照载流子穿越禁带方式的不同，分为带间隧穿电流和缺陷隧穿电流［18］。扩散电流和产生-复合电流都与1000/T成线性关系。所以在温度大于300K(图中Ⅰ区)时，暗电流主要为扩散电流和产生-复合电流;在250～300K区间(图中Ⅱ区)，接近线性变化，但斜率小于Ⅰ区，此时暗电流主要为带间隧穿电流;当温度低于250K(图中Ⅲ区)时，曲线几乎不变，此时暗电流主要为缺陷隧穿电流。
4结论
光子和电子的区别范文5
LED是发光二极管的简称，由多种化学物质制成。LED当电子与空穴复合时能辐射出可见光。因此，多应用在电路或仪器中作为指示灯或组成文字或数字显示。LED根据化学成本的不同分为有机发光二极管和无机发光二极管，LED能够将电能转化成光能。当给发光二极管加上正向电压后，从p区注入n区的空穴和由n区注入到p区的电子，在PN结附近数微米内分别于与n区的电子和p区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。LED电子元件最早出现在一九六二年，由于技术限制和成本限制，早期LED只能发出低光度的红光。
随着经济及科技的不断发展，LED技术开始逐渐成熟，能够发出可见光、红外线、紫外线等等，并且于早期的led相比光度也得到了明显的提高。而用途也从最早的指示灯、显示板等，逐渐被应用到显示器、电视剧、照明系统等现代技术中。近些年LED技术水平发生着质的变化，有了飞跃突破，不仅性能更好，且价格越来越低廉，组合式管芯的出现，更提高了LED管的功率，并且软件技术在LED中的应用使得LED照明更加便利。LED不仅具有节能、环保、安全、寿命等特点，并且功耗低、光束集中、维护简单，启动无延时。
LED技术不仅广光效率超过了白炽灯，并且光强已达到了烛光级，LED的应用领域正在不断扩张。超光亮LED可作为汽车刹车灯、方向灯、尾灯以及车内照明与仪表盘照明。
二、汽车电子中的LED驱动电路设计
目前在汽车电子中LED驱动电路设计中，应加强对升压和恒流方面的考虑，从而让LED驱动电路时刻保持最好的工作状态，节省维护成本和造价，让LED驱动电路更加方便。设计中要选用光电系能俱佳的LED元件，首先必须保障元件的亮度均匀，元件内部要采用高电压、低导通电阻来提高效率。
另一方面，功耗问题也要考虑其中，在不影响发强光的情况下尽量降低功耗，从而提升整个LED驱动电路的性能。此外，在LED点阵电路设计中，出于安全考虑必须要估计到热量问题，避免热量损坏驱动电路电子元件，所以必须要对整个驱动电路散热进行设计，这样才能保障整个驱动电路的使用寿命。设计中可以将整个驱动电路分为上下两层，并且尽可能保持使用短引线来减小电容，上层为LED点阵电路，下层为驱动电路。这种设计方式既保障了流经LED驱动电路两端的电压能够保持恒定，由保障了发光的均匀性，更降低了能耗。LED驱动电路在汽车电子中的应用促进了汽车产业发展，加强汽车电子中LED驱动电路设计意义重大。
三、结束语
光子和电子的区别范文6
关键词:电子白板 技术 发展
中图分类号:TP391 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(b)-0101-01
白板是教育培训中的重要工具。随着科技的进步,白板也经历了由普通白板到电子白板的过程。由于新技术不断涌现,电子白板领域也形成了多种新型技术竞争的局面。
1 电子白板的发展
1.1 复印式电子白板
早期的电子白板是复印式电子白板,它是一个独立的电子设备[1]。其功能类似与一台复印机,可以将白板上书写的内容通过一定的方式扫描并打印出来。
1.2 交互式电子白板
交互式电子白板是计算机技术与电子白板相结合的产物。它汇集了微电子技术、计算机技术和电子通信技术,通过计算机、投影机、摄像头等设备支持工作,同时,它的控制由与之连接的计算机上的软件实现,从而使其具有丰富的人机交互功能。通过通信程序接入网络,电子白板还可以实现网络会议与远程教学[2]。
2 交互式电子白板的技术类型
从实现技术角度,电子白板可以分成以下几个类别。
2.1 电磁感应技术白板
以电磁波接收线圈膜构成显示区,通过对于专用笔发出的电磁波的感应接收进行笔的坐标定位,从而在显示区域完成图形绘制或者文字书写。
(1)技术优势:①技术成熟、定位准确,误差范围小。②分辨率高,灵敏度高。③板面抗冲击抗划伤,维护简单。④板体使用寿命长,稳定性高。
(2)技术劣势:①需使用专用电子笔。②电磁辐射。
(3)适用场合:有固定使用场所,适合大量板书,适使于阳光等干扰场所。
(4)应用领域:国际公认重点采购的成熟产品。在教学、培训、设计等领域广泛使用。
(5)代表品牌:天士博、巨龙、投影宝。
2.2 电阻膜压感技术白板
显示区域由电阻膜、绝缘网格、导电膜等多层膜组成。当有物体作用于显示区域某一点时,该点位置处的电压会发生变化,由此可计算得到该点位置。基本原理有以下几点。
(1)技术优势:①技术成熟、定位准确,误差范围小;②操作简单且无需专用笔,手指或任意物体都可操作③功耗小、稳定性高。
(2)技术劣势:①板面易受利器划伤;②鼠标不能漂移。
(3)适用场合:有固定使用场所,适合大量板书,适使于阳光等干扰场所。
(4)应用领域:国际公认重点采购的成熟产品。在商务、教育、幼教等领域广泛使用。
(5)代表品牌:SMART Board、天士博。
2.3 红外线技术白板
由显示区域四周的红外发射装置产生水平和垂直方向红外线,构成平面扫描网格,当有物体阻挡住网格中扫描线时,便可以通过该红外线矩阵确定该物体的横纵坐标,从而实现坐标定位。
(1)技术优势:①定位准确,精度较高;②制作成本较低;③无需配备专用笔,运用手指或教鞭等即可进行书写;④无痕书写。
(2)技术劣势:①易受强光和其它强红外线的影响;②没有压感反应。
(3)适用场合:适合普通平面,尺寸灵活,安装简单,携带方便。
(4)应用领域:目前红外线技术白板市场份额呈快速增长趋势。
(5)代表品牌:鸿合、印天、艾博德。
2.4 超声波技术白板
在屏幕的两边放置两个按固定距离分布的超声波接收装置,用于定位的笔是一个超声波发射器,当笔移动时,所发射的超声波沿屏幕表面被接收器检测到,根据接收到超声波的时间可以换算笔与两个接收器的距离,从而来进行定位。
(1)技术优势:①可以进行大面积白板的制作;②无痕书写;③可实现与背投电视组合,有利于现有资源改造。
(2)技术劣势:①定位精度不均匀;②受强噪音和温度影响较大;③需要使用专用笔。
(3)适用场合:适合普通平面或背投,尺寸灵活,安装简单,携带方便。
(4)应用领域:目前市场占有率呈下滑趋势。
(5)代表品牌:IQBoard UI,Mimio。
2.5 CCD光扫描技术白板
在显示区域的一边设置两个具有固定距离的CCD线阵探测器,在显示区域的另外三边设置光线反射膜。当显示区域中有物体阻挡光线传播路径时,CCD线阵探测器检测到的光带中会出现无反光区域,由此可以计算出物体在显示区域的位置,从而实现角度换算定位。
(1)技术优势:①无需专用笔;②可以实现大面积面板的制作;③可以多点同时触摸。
(2)技术劣势:一项较新的工艺,尚未完全成熟,目前仅有少数厂家进行尝试生产,远未普及。
(3)适用场合:适合普通平面或幕布,尺寸灵活,安装简单,携带方便。
2.6 光信息处理技术(光子白板)
需要一个光子摄像头接收装置。在操作中,当无线光笔将光点打到投影屏幕(幕布、墙壁等)区域内时,接收器可以捕捉、识别出该光点信息,并传送给终端计算机进行坐标计算,完成光点定位。
(1)技术优势:①支持多种分辨率,适用于普通投影机,支持白墙或任何类型的投影屏幕;②空中鼠标;③产品使用寿命长,终身无需耗材;④性价比高。
(2)应用领域:教育培训、企业办公、政府会议、军事指挥、娱乐控制和展览展示应用。
(3)代表品牌:仁光、天行者。
3 交互式电子白板不同技术的占有份额
电子白板的应用中,在国际市场中电阻式压力感应技术、电磁感应技术、超声波技术产品的市场份额分别为55%、38%、5%。主要是以电阻式压力感应技术应用为主。国内市场,电阻式压力感应和电磁感应技术产品,共占据了85%的市场份额。其中电磁感应技术市场份额超过50%,红外技术占据13%,超声波占据1%的市场份额。所以,具有电阻式压力感应技术和电磁感应技术的厂商在中国市场更具活力和竞争力,也更多地被市场所接受。与此同时,有厂商尝试应用红外线技术,但由于其瓶颈限制原因,在教育领域应用效果不甚理想。
4 结语
(1)交互白板的主要技术已经趋于成熟,大部分产品基本上都能够满足一般的教学、演示的需要。(2)多种技术整合(如红外线加超声波)以及一些新型的技术(如光信息处理)等的出现,使得一些产品在便携性和灵活性上具有比较大的优势。(3)由于硬件功能大同小异,相应的教学软件资源则成为一个厂商占据市场的重要因素。
2009年之后,各电子白板厂商在技术应用基础上,开发出多种功能,极大地扩展了产品应用的深度和广度,更加贴近教育用户需求。同时,结合超短焦投影机的解决方案也受到用户的广泛欢迎,成为一种新的趋势。
参考文献
