导体（精选12篇）
导体 篇1
摘要：自从我国实施改革开放以及对外开放后,我国社会各行业在发展中均取得显著成绩,尤其是经济和文化也得到了一定的发展。本文在经济文化不断发展的新时代下,对半导体的制程设备及其加工工艺进行分析和研究,其主要目的在于了解当前半导体的发展现状,明确其未来的发展方向,为促进其在信息化社会中的发展奠定坚实的基础。本篇文章主要对半导体的相关内容进行阐述,使人们能够对半导体有基本的认识和了解,同时对半导体设备及其加工工艺进行分析和研究。
关键词：半导体,加工工艺,制程设备
在科学技术不断更新和发展的信息化时代下,半导体逐渐以新产品的形式出现在人们的视野中,并受到社会各界的广泛关注。近年来,随着社会各行业的普遍兴起,半导体的应用日益广泛,其在不同行业中的应用,均在不同程度上为其的发展提供了有力的保障。本文对半导体加工工艺和其制程设备展开研究,具有一定的实践性意义。主要体现为,本文在明确半导体相关内容的基础上,主要以半导体的制程设备为基础,从不同方面探讨其具体的加工工艺,能够通过对其加工工艺的深入性分析,为日后提升半导体在各行业中的应用水平提供宝贵的建议,因此具有实践性意义。
一、半导体的相关内容阐述
半导体主要是指一种材料,是在恒温下具有导电性能,并且在导体和绝缘体之间存在的材料。就当前信息化网络时代下,半导体在社会各行业中均有广泛应用,尤其在家用电器中也以极为重要的组成部分存在,诸如收音机和电视机中均有较为广泛的应用。通常情况下,半导体的导电性质具有能够控制的性质,其能够导电的范围包括了绝缘体和导体之间的各种材料,无论从经济学的角度出发还是从科学技术的角度出发,半导体的发展对于我国社会经济的发展都具有十分重要的影响[1]。目前,人们生活中常用的电子产品,包括手机、录音机等,都在不同程度上与半导体有一定的联系,影响着人们的工作和生活。
二、半导体设备及其加工工艺分析
(一)探针台及其工艺分析
探针台是测试领域中十分重要的组成部分,主要应用于半导体和光电等行业中的测试,在当前科学技术日益更新的时代下,提高探针台的应用水平是十分重要的。探针台在应用过程中,主要适用于流程相对复杂以及器件相对高速的精密电气测量,主要是为了能够使其在测量过程中,保证测量的质量,并缩减其工艺的制造成本。探针台的加工工艺特点主要体现在以下几方面,首先,探针台的测试时间相对较长,测试工序和流程相对复杂,一般情况下,测试的环境需要明确其具体的测量温度,测试晶片的直径不仅要大,而且还要薄。其次,在测试过程中,该仪器的多种测试头应采用相对应的形式,自动装置应连接与小型连接操作器中。再次,要采用高精度定位的方式,将探针台测量的方向和直线尺度进行定位。最后,通过联网的形式,以探针台的具体操作为依据,实现多个探头的多方向外部接口,并且其接口部位应该以公开的形式出现。
(二)划片机及其工艺分析
划片机是半导体行业中的重要应用机器之一,划片机包括砂轮划片机和激光划片机,砂轮划片机主要是指能够综合水气电和传感器等技术的精密型数控设备,主要是为了对诸多材料进行划切和加工的工具,材料包括为二极管、氧化铁以及玻璃等。激光划片机则主要是利用高能光束的形式,对工件的表面实施照射,以此对其实现融化并且划片的目的[2]。划片机的加工工艺特点体现为,其一,划片机的切割具有高精度性,其在对材料进行切划过程中,采用的是具有高精度性质的空气轴承等,通过与材料之间的多次摩擦,实现密闭性的划切,划切的精准度相对较高。其二,划片机具有生产性,此种生产性主要是指在机器高速稳定运行下,其对材料的划切具有占地面积小的优势,并且能够极大程度上降低能源的消耗度。其三,划片机具有极高的可靠性,机器的构成是在高科技技术和配件的支持下完成的,出现故障的时间和几率相对较小,机器内部的零部件复合程度也在一定程度上缩减了零部件的数量。其四,划片机具有较强的操作性,通过专业的技术人员,能够实现对机器中各软件的系统配备。
(三)研磨倒角机及其工艺分析
研磨倒角机是当前时代下比较专业化的一种精密型机床,其主要应用于模具的制造、五金机械的生产和研磨等,半导体在其中的应用能够有效克服现有机械和电动加工制造过程中,产生的诸多缺点,并且使其在生产制造中具有一定的快捷性和准确性。一般情况下,切片机在完成对晶片的划切后,为了防止其在高速机器运转下的破碎,会采用倒角机对其实施研磨。研磨倒角机的加工工艺特点体现为,晶片的加工精准度要保持在一定高度,操作不仅要方便,同时也要相对快捷,研磨倒角机在使用过程中的占地面积也要相对较小,使用起来能够具有较好的性能和效果[3]。研磨倒角机加工的晶片所采用的是高速主轴,精度较高,尤其晶片的尺度能够随工件输送的装置变化而变化,具有自动调整的功能。
三、结语
在世界经济逐渐呈现一体化的发展趋势,以及社会市场环境变化的影响下,半导体加工工艺的发展要求日益提高,并且受到社会各界的广泛关注。在半导体行业竞争日益激烈的信息化社会中,用户对半导体的要求不断提高,包括加强对半导体制程设备技术水平的关注,以及具体加工工艺的手法等。本文在研究过程中,主要从探针台及其工艺分析、划片机及其工艺分析、研磨倒角机及其工艺分析等方面,展开对半导体设备及其加工工艺的深入性分析。期望通过本文关于半导体设备和半导体加工工艺的研究,能够更为深入的了解半导体的构成及其发展工艺,为日后促进半导体的全面发展及其应用,奠定坚实的基础。
参考文献
[1]李悦.半导体及集成电路工艺加工设备的运行管理与技术维护[J].现代仪器,2012,05(01):55-59.
[2]付虎,伍乃骐,乔岩.半导体制造中具有重入加工工艺的双臂组合设备的调度研究[J].机电工程技术,2013,02(09):32-37.
[3]杨荣,陈丽红,冯黎.半导体制造设备的进步支撑半导体产业的持续发展[J].集成电路应用,2015,08(04):28-31.
导体 篇2
由于不同的物质导热系数不同，说明导热能力也不同，不同的物质导热能力差异很大，因此可将其分为良导体及不良导体，
一般金属物质其导热能力都很强，称为良导体，如钢材的λ=58.2W/(mk)一般采暖系统的换热和散热设备多采用钢板或铜制材料，如月前生产的热交换器内管束采用铜管，以增加热交换性能，
相反，许多建筑材料，为了达到良好的保温隔热(冷)的效果，多采用不良导体作为保温材料。不良导体的导热性能差，λ值小的材料多为轻质多孔材料，因材料中的气孔是绝好的隔热层，热量很难传递。如加气混凝土λ=0.23W/(mk);聚笨乙烯泡沫板当密度为50kg/m3时，λ=0.037W/(mk) ;膨胀珍珠岩穴λ=0.058~0.07W/(mk)
选用半导体灯等 篇3
选用半导体灯
半导体技术将引发继微电子革命之后的又一场照明革命，其标志是采用半导体发光二极管为新光源的半导体灯的使用，目前我国市场已经有半导体灯销售，价格也十分便宜。这种灯将逐步替代传统的白炽灯和荧光灯。有数据显示：同样亮度下，半导体灯耗电量仅为白炽灯的十分之一，寿命却是白炽灯的50～100倍。针对我国来说，如果每年有10％的传统光源被半导体灯代替，可节电约90亿度，相应减排二氧化碳864万吨。
合理使用风扇
你知道吗，电扇的耗电量与扇叶的转速成正比，同一台电风扇的最快档与最慢档的耗电量相差约40％。在大部分的时间里，中、低档风速足以满足纳凉的需要。有数据显示：以一台功率为60瓦的电风扇为例，如果使用中、低档转速，每年夏季过后可节电约2.4度，相应减排二氧化碳2.3千克。中国约有4.7亿台电风扇，如果都采取这一措施，那么每年可节电约11.3亿度，减排二氧化碳108万吨。
使用再生纸
再生纸从原料上来看其80％来源于回收的废纸浆，从能源的角度看，有数据显示：用原木为原料生产1吨纸，比生产1吨再生纸多耗能40％。使用1张再生纸可以节能约1.8克标准煤，相应减排二氧化碳4.7克。如果将全国2％的纸张使用改为再生纸，那么每年可节能约45.2万吨标准煤，减排二氧化碳116.4万吨。
导体 篇4
2010年中国集成电路市场规模增长29.5%
2010年全球半导体市场规模2983.2亿美元, 市场增速达31.8%, 是继2000年以来市场增速最快的一年。在经历了2009年的下滑之后, 市场大幅反弹, 结束了连续多年来的低迷发展态势。
赛迪顾问半导体业务群总监李珂介绍, 中国集成电路方面, 市场也同样结束了连续多年来增速下降的趋势, 2010年市场增速达29.5%, 实现销售额7349.5亿元。是继2005年之后市场增速最快的一年 (图1) 。市场反弹得益于全球经济的复苏, 市场对下游整机电子产品的需求旺盛, 从而带动对上游集成电路产品的需求。
此外, 由于2010年下游市场对芯片需求强劲, 因此整体上使得芯片价格相对往年较为坚挺, 在某些产品领域甚至出现芯片价格上涨的现象, 芯片价格也是影响市场发展的因素之一。整体来看, 2010年之所以能实现市场的大幅反弹, 关键的因素还是因为2009年市场受全球金融危机影响造成衰退, 从而导致市场基数较低, 因此2010年全球市场和中国市场双双实现高速增长。
数据来源:赛迪顾问, 2011年2月
数据来源:赛迪顾问, 2011年2月
中国集成电路自给率低状况仍未改变
虽然2010年中国IC设计业的发展非常迅速, 包括珠海欧比特、北京君正、国民技术、福星晓程等公司成功登陆创业板, 但是这些企业的壮大并未实质改变国内自给率不足10%的现状。
根据海关的最新统计数据, 2 0 1 0年中国集成电路进口额达1569.9亿美元, 同比增速31.0%。出口方面, 中国集成电路2010年出口额为292.5亿美元, 同比增速25.5%。可以看出, 中国集成电路产品进出口差额较大, 中国所需的集成电路多数仍然需要进口, 中国集成电路市场的发展速度也基本与进口规模的增速保持一致。
未来几年市场将保持平稳发展态势
对于已经开始的2011年半导体市场走向, 笔者同诸多企业高层交流, 均表示无法预测, 但是一致意见是:在经历了2010年的高速增长之后, 无论是全球市场还是中国市场, 市场将会进入平稳发展的阶段。
台积电上海厂的一位副总经理表示, 目前几乎所有的代工厂都开始冷静对待2011年的产能。
赛迪顾问给出的结论是, 2011年市场发展的驱动力仍然主要来自PC、手机、液晶电视以及其它产量较大的电子产品, 市场增速预计在10%左右 (图2) 。
对于2011年中国集成电路市场的驱动力, 李轲表示, 未来新兴应用将成为市场增长的推动因素之一。x Pad等新兴电子产品市场的发展也在一定程度上推动了半导体市场的发展, 随着医疗电子、安防电子以及各个行业信息化建设的持续深入, 应用于这些行业的集成电路产品所占的市场比重将会越来越大。
未来3年, 汽车电子的增速将会明显放缓, 但依然将明显高于整体集成电路市场的增长, PC领域的增速也将会有所放缓, 这将直接影响到存储器市场和CPU市场的发展。值得注意的MCU产品, 未来随着社保卡发卡量的增加, 用于IC卡领域的MCU将会受到带动, 而且随着MCU应用范围的拓宽, 中国MCU的增速将明显快于整体集成电路市场。
“4号文件”将对产业产生积极影响
作为本次半导体年会的重要内容, 被称为“4号文件”的《进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》的解读成为与会人士关注焦点。
据中国半导体行业协会秘书长陈贤透露, 目前发改委正会同财政部和税务总局等相关单位抓紧落实“4号文件”的实施细则, 行业协会目前也在紧密与集成电路各产业链企业沟通, 为政府相关部门决策提供可靠依据, 从而协助确保新政策落到实处。
陈贤表示, “4号文件”中所提及的政策, 将本着先易后难、先简后繁的顺序陆续展开, 比如落实税收政策就要先于引导设立股权或创业投资基金, 而企业利用知识产权无形资产质押贷款, 可能银行这一关不好过。
虽然目前具体的实施细则还没有公布, 但是与会的企业人士均对“4号文件”对产业的促进作用表示相当乐观。
中国半导体协会常务副理事长许金寿表示, “4号文件”明显加大了对集成电路产业的支持力度, 文件的表述中“集成电路”一词出现的频次已经增加到61次, 同时支持范围延伸至封装、测试、设备和材料等产业链上下游。同时, 更加注重解决企业在实际经营中遇到的不便与困难, 因此该文件将前所未有地发挥对产业的促进作用。
但是, 某企业高层对政策部分内容表示了担忧, 他表示新的文件中提及鼓励国内IC企业间的兼并与重组, 但是具体实施可能会遇到地方政府的阻力, 而且单靠企业自己的力量很难解决。
半导体简历 篇5
居住地：xx
电 话：150xxxxxx(手机)
E-mail：xxx
最近工作[1年8个月]
公 司：XX有限公司
行 业：电子技术、半导体、集成电路
职 位：半导体技术工程师
最高学历
学 历：本科
专 业：xxx科学与技术
学 校：xx科技大学
自我评价
多年的工作经验，让我养成了良好的工作态度和责任心以及耐心和细心，有较高的安全意识，有一定的沟通及协调能，定期总结经验，自主学习能力强、综合素质较全面尽量使工作更加顺利。有较强的沟通能力，与部门间领导、供应商、客户沟通协商，及时完成任务。
求职意向
到岗时间：一个月之内
工作性质：全职
希望行业：电子技术/半导体/集成电路
目标地点：xx
期望月薪：面议/月
目标职能：半导体技术工程师
工作经验
20xx/5 ― 20xx/1：XX有限公司[1年8个月]
所属行业：半导体
测试部 半导体技术工程师
1. 负责公司产品的可靠性、兼容性及稳定性测试。
2. 完成相关测试文档的填写数据的记录工作，负责原材料检验、老化方法和标准制定。
3. 对相关部门提供测试帮助，及时提供测试结果和问题。
20xx/7 ― 20xx/2：XX有限公司[1年7个月]
所属行业：电子技术/半导体/集成电路
测试部 半导体技术工程师
1. 负责智能灯控产品、LED产品开发全过程的测试。
2. 负责产品缺陷检查、维修，并分析不良品原因，负责和新产品工程保障服务。
3. 负责跟开发人员沟通，避免生产的不合理情况。
教育经历
20xx/9― 20xx/6 xx科技大学 xxx科学与技术 本科
证书
20xx12 大学英语四级
语言能力
英语(良好)听说(良好)，读写(良好)
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《导体的电阻》教学设计 篇6
1.内容简析
《导体的电阻》是新课标物理选修3-1的第二章《恒定电流》第六节的内容，它是电学的基本规律之一，本节内容安排在部分电路欧姆定律知识之后，起到了承上启下的作用，部分电路的欧姆定律是研究导体两端电压、流过的电流等外界条件与导体电阻的数量关系而非决定关系；电阻定律是研究导体材料、长度、横截面积等自身条件与电阻的决定关系。学生在初中已经定性研究了导体材料、长度、横截面积等自身条件与电阻的决定关系，本节在此基础上通过实验分析进行定量描述的研究，同时突出了“电阻率”这一物理概念，这部分知识与现代科技、生活、生产等有着密切联系。本节课以问题为主线，通过同手实验、观察分析，辅助以多媒体进行教学。
2.教学目标
2.1知识目标
（1）通过探究“导体电阻与其影响因素的定量关系”这个实验，探究导体电阻与长度、横截面积、材料的关系，体会控制变量法在科学研究中的重要作用。
（2）通过逻辑推理，探究导体电阻与长度、横截面积的定量关系。
（3）通过运算，知道电阻率的的物理意义及电阻定律的内容和表达式。
（4）通过“加热日光灯丝，观察欧姆表示数变化”这个实验，了解电阻率与温度的关系。
2.2能力目标
（1）经历实验探究或逻辑推理探究导体电阻与其影响因素的定量关系的过程，使学生进一步掌握控制变量的科学方法。
（2）通过探究活动，培养学生科学思维的能力和合作交流的能力。
2.3情感目标
（1）通过对各种材料电阻率的介绍，加强学生安全用电的意识。
（2）培养实事求是、严谨认真的科学态度。
（3）让学生在自主学习中体会成功的喜悦，激发求知欲望，增强学习兴趣.
3.教学重难点
重点：电阻定律；
难点：电阻率。
4.器材准备
电压表，电流表，直流电源，滑动变阻器，电阻丝示教板，酒精灯，电阻丝（一根），多用电表。
5.教学流程
环节一 旧知链接，多媒体展示问题。
（1）电阻的定义式：，电阻是反映的物理量。
（2）n个阻值同为R的电阻串联，电路的总电阻为，n个阻值同为R的电阻并联，总电阻为。
设计意图：复习旧知，为学习新知识热身。
环节二提出问题，引入新课。
（师）问题1、为了改变电路中的电流，应该如何操作？
根据欧姆定律可知，只要增加导体两端的电压或降低倒导体的电阻即可。
（师）问题2、给定一个导体，如何测量它的电阻？（学生自己设计电路）
从上述问题可以看出，导体的电阻与两端的电压以及通过导体的电流无关，那么导体的电阻与导体的哪些因素有关呢？
设计意图：通过问题引导学生思考导体的电阻究竟跟什么因素有关，激发学生学习兴趣
环节三 新课教学，分组实验、探索定律。
（1）影响电阻的因素可能有哪些呢：（材料、长度、横截面积、温度……）
（2）解决办法——控制变量法 引导学生设计表格。
（3）实验探究：
A、引导学生设计实验电路图（教师投影打出）。
B、出示电阻定律示教板、说明板上的几种金属材料。
C、引导学生连接电路，并说明注意事项。
D、依次对四种金属材料的电阻进行测量。
E、对数据进行分析：
定性观察——R与长度、横接面积有关。
设计意图：通过自己设计实验，小组合作动手做实验，测量数据，通过比较电阻与长度、横截面积的关系，初步得出电阻与长度、横截面积的关系，培养学生动手实验能力和数据分析能力。
（4）逻辑推理探究：
分组活动：A、理论探讨电阻R与长度L的关系 n个电阻串联。
B、理论探讨电阻与横截面积的关系n个电阻并联。
投影展示电路图
设计意图：通过理论探讨得出分析导体的电阻与和它的长度的关系、与它的横截面积的关系
（5）实验：探究导体电阻与材料的关系（投影展示）：
A、根据以上分析，我们可以等式的形式写出用导体长度l、导体横截面积S表示电阻R的关系式，比例系数用一常量表示，此等式为_____________。
B、已知上述试验中，导体长度l=50cm，直径d=0.50mm，横截面积S=1/4πd2=1.96×10-7m2，根据上述实验数据，分别计算上面四个导体的比例系数，并填入填入表格。
C、分析上述比例系数的物理意义：
设计意图：通过对实验数据的分析，得出比例系数即是电阻率，并使学生清楚的知道不同物体的电阻率不同，从而得出电阻定律的表达式。
环节四 总结规律，深化理解。
由学生总结电阻定律：
（1）内容：同种材料的导体的电阻R跟它的长度L成正比，跟它的横截面积S成反比；导体电组与构成它的材料有关。这就是电阻定律。
（2）公式：R=ρ
教师指出：式中ρ是比例常数，它与导体的材料有关，是一个反映材料导电性能的物理量，称为材料的电阻率。
电阻率ρ：
（1）电阻率是反映材料导电性能的物理量。
（2）单位：欧·米（Ω·m）
[投影]几种导体材料在20℃时的电阻率
学生思考：
（1）金属与合金哪种材料的电阻率大？
（2）制造输电电缆和线绕电阻时，怎样选择材料的电阻率？
设计意图：通过对电阻率的学习，让学生认识到电阻率在实际生活中的应用。
环节五、电阻率与温度的关系。
演示实验：将日光灯灯丝（额定功率为8W）与演示用欧姆表调零后连接成下图电路，观察用酒精灯加热灯丝前后，欧姆表示数的变化情况。
学生总结：当温度升高时，欧姆表的示数变大，表明金属灯丝的电阻增大，从而可以得出：金属的电阻率随着温度的升高而增大。
教师：介绍电阻温度计的主要构造、工作原理。如图2.6-5所示。
图2.6-5 金属电阻温度计
学生思考：锰铜合金和镍铜合金的电阻率随温度变化极小，怎样利用它们的这种性质？
设计意图：巩固知识，强化训练。
环节六：自主完善，意义构建。
让学生自己总结这节课学习的内容和方法，找出学习过程中，理解不透彻，容易混淆的地方进行小组合作学习
设计意图：培养学生自我总结、自我完善、总结梳理的自学能力，即使巩固学习的内容和方法。
半导体冷热杯 篇7
该冷热杯的致冷温差可以达到10℃, 致热温差可以达到20℃。电路采用场效应管整流器, 有工作效率高的特点。通过制作, 你可以得到一款在冬天和夏天用得着的小电器。
工作原理
图1是工作原理图, 主要由5部分组成。分别是变压器变压二极管整流电路、场效应管整流电路、整流脉冲控制电路、三倍压整流电路和致冷致热转换电路。
1. 变压器变压二极管整流电路:
220V电压由变压器B变压后有两组电压输出, 分别5V一组和9V一组, 5V给致冷块使用, 9V供散热风扇用。9V电压由VD1半波整流C1滤波后产生12V的电压供风扇使用。
2. 场效应管整流电路:
基本电路如图2所示。它是通过场效应管的导通与截止工作的。当电压的正半周时, 上正下负。矩形脉冲加到场效应管V2、V4的G极。V2、V4导通, 电流从V2的S极流入从D极流出, 过负载RL到V4的S极流入D极流出, 形成回路。当电压的负半周时, 矩形脉冲加到V1、V3的G极, V1、V3导通, 电流从V3的S极流入D极流出过负载RL再从V1的S极流入D极流出, 形成回路 (注意, 此时不是场效应管内部二极管导通) 。这样在负载上形成完整的全波电压。由于场效应管的导通电压很低, 约0.1V左右, 因此大电流消耗的功率也很低, 这正是我们的采用这种电路的原因。但关键是要做到加在栅极上的脉冲电压与输入电压对应, 也就是加在V1、V3和V2、V4上的脉冲宽度要尽可能一致, 否则将出现短路的情况。
3. 整流脉冲控制电路:
基本电路如图3所示, IC1为运算放大器μA741。L为变压器次级线圈。R1～R4为4只等阻值的100k电阻, 由于每只电阻的阻值总有一些不相同, 这样就能使IC1输出为高电平或低电平。当线圈L有电压输出时, IC1反相输入端就会有大于或小于同相输入端电压产生。这个电压为原来 (静态) 反相输入端电压与线圈L上电压代数之和。这样, 输出端在输入电压负半周时, 输出一个脉冲。同样道理, IC2也会输出一个脉冲, 但由于线圈L接IC1、IC2电阻上的端头不同, 产生脉冲时间上也不相同。也就是IC2在线圈输入交流电压的正半周输出脉冲, IC1在输入交流电压的负半周输出脉冲。输出这两个脉冲用于控制场效应管整流电路中的场效应管的栅极使之完成全波整流。
4. 三倍压整流电路:
这部分电路用于产生约15V的电压供脉冲控制电路使用。工作时, 正半周VD2导通, 电压通过电路C2充电。负半周时, 负半周电压加上C2上的电压又通过VD3加到电容C3上, 产生二倍电压。正半周电压再次到来时, 正半周电压加上C3上的二倍电压, 形成三倍压通过二极管VD4加到电容C4上。这样, C4上就有15V的电压。电路工作时, 电容C2比C4充放电电流大, 这点在制作中要注意。VD5～VD7和C5～C7组成的另一个三倍压整流电路原理相同。
5. 致冷致热转换电路:
它是通过开关来改变致冷致热的。K2为双刀双掷拨动开关, K2打到1时为致热状态, 致冷块电压上负下正。当K2打到2时, 致冷块电压变为上正下负, 为致冷状态。致冷时, 绿色指示灯LED1亮;致热时, 红色指示灯LED2亮。
元件选择
变压器B用功率15W的。变压器的次级线圈要进行改制, 拆去原来的次级线圈, 用Ф0.32mm的漆包线绕9V线圈, 用Ф1.1mm漆包线绕5V线圈。改制好的变压器如图4所示。场效应管V1～V 4用IRFZ44。运算放大器IC1和IC2用μA741或LM741。二极管VD1～VD7用1N4001。K1用1×2的小型拨动开关。K2用额定电流3A以上的2×2拨动开关, 如图5所示, 这种开关在电工商店有售。小型风扇M采用电压12V, 大小6cm×6cm的电脑CPU风扇。致冷块TEC采用TEC—07105, 6V 5A的型号。发光管LED1和LED2采用Ф3mm的型号。
制作和调试
1.电路板制作
根据电路图制作一块大小为62mm×80mm的电路板, 元件的排列情况如图6所示。完成电路板制作, 元件焊接无误后, 接上变压器B, 先用100Ω1W电阻接原来致冷块位置。接上电源, 用示波器观察IC1和IC2的输出端波形, 如图7所示。同时要求IC1和IC2的输出脉冲波形宽度要尽可能相等。如相差太大, 可以调节电阻R4或R8。正常后, 再用示波器接场效应管整流电路输出端, 可以看到全波整流后的完整波形如图8所示。如有问题再调整电阻R4和R8直到正常。然后拆去电阻接入致冷块 (制冷块发热面要装散热片, 否则易损坏致冷片) 。用万用表测致冷块电流不小于2.5A, 10分钟后用手摸场效应管表面应不发热, 并且致冷块能致冷, 说明电路工作正常。
2.致冷装置制作
找一个边长为6cm, 高为4cm的长方体CPU铝散热器, 用螺丝攻在散热器上方装致冷块位置的两侧各钻出一个直径为3mm的固定螺丝孔 (具体打孔方法:先用电钻钻出2.8mm的孔, 再用3mm的螺丝攻出螺丝孔) 。把致冷块上下涂上导热硅脂后贴在铝散热器上, 如图9所示。接着制作隔热片, 剪一块大小和铝散热器一样, 厚度和致冷块一样的海棉, 中间切去大小和致冷块一样的一块。并将隔热片放在散热器上。接着用厚4mm的铝板剪一个直径为62mm的一块圆片作为致冷基座。如找不到4mm厚的铝板也可以用2块2mm厚的铝板叠合使用, 但夹层要加入导热硅脂。然后用平头螺丝固定在散热器上。安装好的致冷装置如图10所示。
3.致冷杯改制方法
买一只直径为85mm, 高为80mm的小保温杯 (内为不锈钢内胆, 外为塑料的那种) , 如图11所示。用钢锯锯开底部, 在不锈钢内胆夹层中装入耐热砂 (可以用市售开水瓶速热器中的) 来增加导热效果。装满耐热砂后再在底部装一块直径和致冷基座一样大小的密封铝板或锡板, 锡板效果会更好一些。笔者使用的是锡板。为了使致冷杯不易移动, 一般密封板安装要比杯子底座稍进去一些。制成后的杯子底部如图12所示。最后将杯子放在致冷底座上试试, 杯子和底座要能紧密贴合。然后, 找一个长方形的塑料外壳, 将变压器, 电路板, 致冷组件固定在塑料壳内。为了使风扇有更好的散热效果, 必须在外壳上开一些小孔, 并且将风扇反装, 使风吹入散热器中。致冷杯的整体安装图如图13所示。外观如图14所示。
4.致冷效果测试
半导体量子点 篇8
纳米科学是新世纪的科学前沿, 它将改变人类的生产和生活方式。同时, 纳米科技在基础科学方面向人们提出许多新的挑战, 促进基础科学的发展。半导体量子点是半导体纳米材料的典型结构, 它将在信息技术领域发挥重要作用。人们制备量子点和研究其性质的努力已经进行了二十多年, 取得了很多进展。但是, 人们所预期的量子点材料的优越性并没有充分体现, 距离实现理想半导体量子点的目标仍然有巨大的差距。本文力图对造成这些困难的基础性问题做简单的说明。
2. 半导体量子点
制备具有三维纳米结构的量子点是半导体材料科学研究前沿。半导体材料技术的发展历史已经有了一百多年, 最初的半导体材料是自然界的矿物。上世纪五、六十年代在材料提纯和晶体生长理论和技术的基础上高纯度半导体单晶材料得以出现和发展。单晶材料包括锗、硅等元素半导体, 以及以砷化镓为代表的化合物半导体。半导体单晶是纯度最高的人工材料, 主要用来制作半导体晶体管基本结构P-N结。再后来, 由于外延晶体生长技术的发展, 产生了以薄层材料为基础的半导体异质结和量子阱。上世纪七十年代初, 分子束外延 (Molecular Beam Epitaxy, MBE) 技术的出现使半导体材料技术突飞猛进。MBE使半导体层状材料生长技术的精确度达到了一个原子单层以下, 使超晶格理论概念的广泛应用成为现实。由单晶材料到量子阱和超晶格, 材料结构形式的变化直接改变半导体中电子的量子化运动。随着半导体材料技术的进步, 器件性能大幅地提高, 新型器件不断出现。半导体激光器在当代信息技术中扮演着重要角色, 是信息存取和输运等方面的关键器件, 它的历史代表了半导体材料和器件的发展历史。在气体激光器出现不久的1962年, 就出现了P-N结半导体激光器。但是这种激光器的阈值电流很大 (>50, 000 A/cm2) , 因此而无法在室温下连续工作, 只能是实验室观察研究的对象。十几年之后, 异质结和量子阱成功地应用于半导体激光器, 使其阈值电流被降低了两个数量级 (<500 A/cm2) 。这一进步使半导体激光器获得实际应用。现在, 半导体激光器是光纤通讯技术的基石。
量子阱的基本结构是一层厚度大约等于电子德布罗意波长 (10-100纳米) 的窄禁带半导体夹在宽禁带半导体中。量子阱的电子结构是由体材料单一电子能带分裂出的数个子带。由于这种子能带结构可以通过调节结构和生长参数改变, 因此量子阱和超晶格被称为“能带工程”。由量子阱概念出发, 人们自然地提出了量子点的概念。如果把量子阱中的薄层改变成纳米颗粒, 这些颗粒中的电子结构则相应地成为分立的电子能态, 就像常压下气体原子中的电子能级。由于这种电子结构的相似性, 半导体量子点被称为“人造原子”。与量子阱和超晶格的“能带工程”相应, 半导体量子点的制备应该被称为“能级工程”。与量子阱的连续子能带相比, 具有分立电子结构的量子点是更为理想的半导体激光器工作介质。
半导体量子点被认为可以应用在许多新型光电子器件中, 如单电 (光) 子器件、微腔光源、激光器等。这些量子点器件将在信息技术领域发挥巨大的作用。但是, 量子点概念最初是针对半导体激光器提出的, 而且现在看来, 量子点最有可能首先在半导体激光器方面获得广泛应用。因此, 可以用激光器对工作物质的要求来说明量子点体系应该在结构上所具有的性质。激光器介质的工作单元应该是相对独立而又性质结构全同的粒子, 它们具有同一的电子能量结构, 在受激状态下的光发射线宽尽可能窄。根据这些要求, 可以想象出理想量子点体系所应该具有的结构性质:同一体系中的量子点应该具有相同的大小和形态, 因此它们的电子能级相同;量子点体积密度尽可能的大;在介质中周期性的排列。在纳米尺度上做到这些异常困难。因此, 虽然在概念上由量子阱和超晶格到量子点的延伸自然而简单, 但是要在技术上做到这种进步却非常艰巨。从上世纪八十年代初量子点概念的提出到现在历经了二十多年, 人们做出了许多努力, 但是现实与理想半导体量子点体系的距离依然不可测度。这与当年量子阱和超晶格伴随着M B E技术的“迅即”成功形成了鲜明对比。为了制备理想的半导体量子点体系, 人们首先需要应对来自基础科学的挑战和困难。这些困难和挑战可以从量子点的结构和生长两个方面说明。
3. 半导体量子点的结构形态
研究、制备和应用半导体量子点首先需要明确量子点的结构形态。在量子理论计算中, 量子点一般被假定为椭圆、球冠、金字塔等形状简单的几何体。但是, 这种假定对材料和器件来说是远远不够地。单晶材料的几何形态和微观结构可以用宏观的概念和晶体格点来说明。量子阱是平面结构, 定义它的结构形态也无困难, 因为半导体的表 (平) 面理论和技术已经很完备。而对于量子点, 目前要精确地定义它们的结构形态却很困难。到现在为止, 关于量子点结构的研究依然沿用的是半导体表 (平) 面科学的概念。在理论和实验研究中, 量子点往往被假定为具有多面体的小晶粒, 人们关注的是决定这些小晶粒形态的晶面取向。但是, 这种假定是不确切的。量子点是三维的纳米结构, 物质结构在原子尺度上的不连续性非常突出。在这种情况下, 晶体表面或平面概念的宏观连续性和微观周期性都已经不再适用。具体地说, 即使可以假定量子点是简单多面体, 那么这些多面体之间的弯曲或连接对其结构的影响应该更为重要。因此研究和定义量子点结构形态首先需要考虑的是纳米尺度上的原子结构, 需要一种似乎可以称为“弯曲表面理论”的基础科学。
在半导体材料科学研究的历史中, 结构和结构缺陷是紧密相连的两个概念。结构缺陷是半导体材料研究的重要方面。半导体单晶材料的主要结构缺陷是位错和点缺陷等。量子阱是厚度只有几纳米或几个原子高度的薄层材料, 因此, 它的主要结构缺陷是高度为一个原子大小的界面台阶。这些结构缺陷对材料的性质有重要的影响, 它们在结构形态上直观而清晰。量子点的尺度只有几纳米, 它的性质对结构缺陷应该更为敏感, 因此量子点结构缺陷的研究尤为重要。但是, 量子点的研究已经进行了二十多年, 相关的论文发表了无数, 而量子点的结构缺陷却几乎是从未被提起。这大概是因为量子点本身的结构形态还无从定义, 因此它的结构缺陷也就无从说起。但是可以肯定, 随着研究的深入, 量子点结构缺陷研究必将成为半导体量子点研究的重要方面。
4. 半导体量子点自组装生长
作为三维纳米结构, 理想量子点的生长制备技术应该是把单个原子按照预定设计逐一地排列。由于量子点要埋藏在介质中, 还需将不同种类的原子完美的键合起来。另外, 为了达到激光器的要求, 量子点的面积密度至少要在1 0 10每平方厘米以上, 而且同一体系, 它们必须是在体积和形状上相同的“全同粒子”。无疑, 要达到这种技术水平对人类来说是非常遥远的。现在, 制备量子点是用MBE晶体生长的“自组装现象”。
4.1 自组装量子点的MBE生长
MBE晶体生长过程是在10-10 Torr以上的超高真空的条件下, 向温度为几百℃的晶体衬底喷射原子或分子束流。经过扩散运动, 沉积到衬底晶体表面的粒子最终成为衬底晶体原子。MBE晶体生长速度可以调节到每秒0.1个原子单层以下。在整体上MBE晶体生长是一个动力学过程, 但是在一定条件下, 平整的晶体生长表面可以达到局域热力学平衡态。因此, 晶体生长过程可以按照台阶流动 (step flow) 的机制进行。这样一来, 除了高度为一个原子的台阶以外, MBE晶体生长表面保持在原子尺度上平整。因此, MBE可以容易地生长量子阱和超晶格这些具有平面结构的半导体材料。
由上面对M B E晶体生长过程的简单描述可以认为它是一种精确的平面技术, 而量子点是三维的纳米结构, 所以MBE似乎不能直接用来生长量子点。人们早期尝试制备量子点的方法是微细加工结合MBE生长。但是微细加工的精度达不到纳米的尺度。更重要的是, 微细加工不可能使不同原子之间完美地键合起来, 必然形成界面缺陷。因此, 为了制备量子点, 应该探索出一种在一定条件下进行的自然而又连续的晶体生长过程。九十年代初, 人们发现如果外延层和衬底的晶格常数不同, 外延层生长会自发地由台阶流动的二维生长方式转换为三维岛状生长, 在生长表面形成纳米颗粒。这些颗粒尺寸的不均匀性只有10%, 表现出量子点的量子效应, 它们被称为自组装量子点。图二示意地描绘出了量子阱的二维台阶生长和量子点自组装的岛三维生长模式。由于自组装现象的发现, 半导体量子点研究开始了新的阶段。在随后的将近十年的时间里, 自组装量子点材料和器件研究是半导体材料科学中最为热门的课题之一。按照理论预计, 自组装量子点激光器的性能应该远远的优于量子阱。但是经过十几年的努力, 量子点激光器在性能上只是接近或略好于量子阱。目前, 人们普遍认为, 自组装量子点体系尺寸不均匀性是进一步提高其功能的根本障碍。
4.2 自组装量子点尺度的不均匀性
前面提到, 作为激光器的工作物质, 在受激条件下光发射的线宽应该尽可能窄。He-Ne气体是全同粒子, 它的光发射线宽决定于量子力学测不准原理、原子热运动多普勒效应和相互碰撞等, 这些因素的作用比较小, 因此气体的光发射线宽在0.1毫电子伏以下。半导体量子阱的线宽决定于界面的平整度, 大约为几个毫电子伏。而自组装量子点体系的发光线宽最大。以In As/Ga As量子点为例, 线宽为～20-30毫电子伏。实验证明, 单个InAs/GaAs量子点的发光线宽为～3毫电子伏。因此, 整个量子点体系的线宽应该决定于～10%的量子点尺寸不均匀性。量子点体系的尺寸不均匀性很有害的, 使量子点体系发光线宽大为增加, 降低了激光器的许多性能参数。另外, 量子点不均匀也使量子点体系的工作效率大为降低。如果单一量子点发光线宽是3毫电子伏, 整个体系的发光线宽按25毫电子伏计, 量子点体系内只能有不到25%的量子点参与激光器工作。
尽管尺寸不均匀性被普遍认为是影响量子点的最重要因素, 但是从量子点自组装现象被发现至今, 在这方面几乎没有实质的进展。在减小量子点尺寸不均匀性的研究上表现出的窘迫性, 揭示了当代材料科学制备技术精确性的极限。量子点的自组装是复杂过程, 人们对它的认识很有限。量子点自组装可能是一个晶体生长过程, 它们的形成决定于动力学因素。自组装量子点也可能代表是一种热力学平衡态, 它们的形成依赖原子在生长表面热运动自发地完成。实际情况也许比以上两种假设要复杂得多, 动力学和热力学因素在量子点自组装过程中的不同阶段发挥着不同的作用。但是, 可以想象最为有利的情形是自组装量子点体系是一个完全的热力学平衡态, 它们的平均大小、形态、密度等结构参数是热力学平衡态的平均值, 不均匀性取决于热力学平衡下的泊松分布。需要指出, 热力学讨论的对象一般是宏观物体, 组成这些宏观物体的粒子数应该在1010～1020以上。这类宏观物体平均参数相对波动的影响非常微弱。而量子点的尺度只有几纳米, 它的粒子数大约为105～106。因此, 热力学平衡态的理想自组装量子点体系的尺寸分布可能很大, 造成的尺寸不均匀性也很大, 是难以克服的本征性质。
5. 结语
从半导体量子阱到量子点是技术上的一个飞跃, 真正实现这一目标还有很长的路要走。以上这些基础性的问题首先需要人们认真思考和面对。
摘要：本文简单介绍了半导体量子点的概念, 以及用分子束外延技术生长半导体量子点的方法;并对目前半导体量子点生长和应用所面临的基础性问题作了讨论。
关键词：半导体量子点,分子束外延,纳米技术,半导体量子点,分子束外延生长,不均匀性
参考文献
[1]王占国, 陈涌海, 叶小玲.纳米半导体技术.化学工业出版社.2004.
半导体与智能电网 篇9
这些例子随处可见。如今的最新手机拥有的功能比20世纪60年代充斥房间的IBM大型主机更加强大。医疗专业人员可通过掌上诊断工具来进行诊断—这曾只是科幻小说中构想出来的情节。在2010年, 印度推出了一款只售35美元的平板电脑, 它于今年5月开始销售。
这些令人惊喜的成果都受惠于半导体行业的迅猛发展:采用新的工艺技术保持创新, 提供封装更小、速度更快、成本更低的集成电路 (IC) 。这种“少即是多”的制造形态为美国和全球经济带来了显著的利益, 而且会继续发展下去。近些年来, 受到速度更快、价格更低的芯片推动, 信息技术已经大幅降低美国的通货膨胀率, 使生产增长率实现了翻番。
下一步会发生什么?我认为应该成功利用这个行业的积极趋势, 用于推动高效发电、输配电和用电。例如“智能电网”。它的重要目标在于, 在电网电能有余量时可以运行某些电器或为车辆充电, 在电网需求高峰时要有相应的节能措施以达到电网平衡和节能的目的。将智能功率转换芯片和相应的通信功能集成到家用电器之内, 将会使该重要的功能有望实现。
功率集成电路 (Power IC) 也有助于限制浪费。目前, 由于电网老化, 约有2/3的电力都会丢失。如果希望用“自修复式系统”替代这些老化的电网, 可以利用结合了传感、通信、存储和处理的设备加以实现。
电缆导体激光打标防盗技术 篇10
目前铜在市场上现货价格约为50 000元/t, 以一根常规3芯240mm2铜芯电缆为例, 其每公里电缆铜含量约为6.4t, 价值高达38万元, 而铜导体成本约占铜芯电缆整个成本的70%～90%, 因此当很多不法分子在利益的趋势下, 铤而走险盗取国家电缆后, 除了造成电力供应中断、城市停转、工厂停工等不可估量的损失外, 也给相关单位带来了巨额的线路修复费用 (电缆重购费用+安装敷设费用) 和很长的修复周期。
虽然目前国家对电缆盗窃犯罪加大了处罚力度, 但是盗窃的侦破工作却进展缓慢。其原因是犯罪分子在盗取电缆后, 将电缆外面带有标识的绝缘、护套等迅速剥离, 只保留最有经济价值的导体 (单根铜线或多根铜线绞合) 部分, 而电缆导体部分没有任何标识, 造成了公安机关在调查过程中无法追溯导体来源, 给侦破工作带来很大阻碍, 而且取证困难;同时, 导体较强的通用性使其可直接用来继续生产电缆, 因而犯罪分子可轻易将导体销售给任何一家电缆制造公司, 而且购买导体的电缆制造公司也无法辨识所购导体是否为盗窃赃物, 从而失去了举报可能性。没有买卖就没有偷盗, 只有阻断电缆盗窃犯罪分子的销路, 加大他们销赃成本和被查处、被举报风险, 才能有效预防电缆偷盗问题。为此, 本公司采用激光打标技术在铜导体单线 (铜线) 上打印不可去除的标识信息, 任何人都可以通过手机、电脑、pad等具备上网功能的设备, 通过标识信息查询到该铜导体的所有者信息, 使盗窃赃物无所遁形。
1 导体激光打标防盗技术简介
导体激光打标防盗技术是采用激光打标机在导线上标识图形、文字、字母、数字等各种信息, 其原理是利用高能量密度的激光脉冲输出, 对铜线局部进行照射, 使其表层材料熔融、气化或产生颜色变化等物理、化学反应, 以留下永久性标识, 而且无法通过溶剂或焚烧等方法清除掉。常用导体激光打标机的主要技术参数如表1所示。
导体激光打标过程为非接触性加工, 不产生机械挤压或应力, 因此不会损坏导体, 同时激光聚焦后的尺寸很小, 热影响区域较小, 加工精细, 对铜导体电性能的影响也可忽略不计。导体激光打标机的印字间距可以根据需要在100～1 000mm范围进行调整。受限于人视力, 铜线规格为2～4mm时, 导体单线打印标识可以直接目视;铜线规格为0.5～2.0mm时, 导体单线打印标识则无法通过肉眼识别, 需要借助放大镜等工具;铜线规格小于0.5mm时, 则不宜采用导体激光打标防盗技术。
2 导体激光打标工艺的实现
导体激光打标的生产线如图1所示, 主要由收放线装置、前后槽型定位轮、激光打标装置三部分组成, 厂家可分开采购, 自行组装。放线装置用于固定需要打印标识的铜线盘具, 铜线从盘具上引出, 通过放线张力控制装置, 进入激光打标装置, 铜线打印标识完成后, 通过收线张力控制装置进入收线装置, 收线装置在驱动电机的带动下将标识打印完成的铜线收入盘具中。张力控制装置保证铜线在生产过程中速度均匀、张力恒定, 使标识大小、间距均匀, 同时避免出现铜线拉细问题。前后槽型定位轮安装在激光打标装置前后;下定位轮上开槽, 槽型为半圆形或V形, 上定位轮可以开槽也可以不开槽, 槽的大小可以根据铜线的直径调整;前后槽型定位轮的槽孔和激光射头应处于同一轴线, 铜线通过槽孔定位, 使铜线的中间位置准确处于激光照射区, 保证打印的标识不偏移和缺失。市场上激光打标装置可选品牌和规格非常多, 通常价格在15万左右。导体激光打标时, 可先根据打印要求在激光打标装置的控制面板上设置打印内容、打印深度、字符线宽、字符高度等参数, 字符高度以铜线直径的1/3～1/2设置为佳;然后根据打印内容的复杂性和激光打标装置的型号和功率调整收放线速度 (约4～5m/s) 。实心导体经激光打标工序后可以直接用于后续的电缆生产;对于绞合导体, 打印标识后的铜单线需经过绞合工序制造成各种规格的带有标识信息的铜导体, 才可用于后续的电缆生产。
3 标识信息的设计和查询
本公司设计的导体激光打印标识的信息内容通常包括两部分:a.哪里查, 即服务器地址 (如www.service.com) , 可通过互联网Internet链接该服务器;b.查什么, 即产品代码, 通过产品代码作为关键词检索、链接网页获得该产品相关信息。
为了实现导体激光打印标识信息的查询, 服务器地址可以指向电缆制造企业的某个电脑终端服务器, 电缆制造企业在完成电缆的生产和检测之后, 将产品相关信息录入该服务器。产品相关信息主要包括以下内容:电缆制造商, 电缆型号、规格、电压等级, 电缆设计制造执行标准, 电缆制造时间 (年月) , 电缆制造长度, 电缆近似重量, 铜导体近似重量, 产品项目名称, 产品所有者, 产品所有者变更情况及日期 (产品所有者发生变更时, 需要变更双方法人出具“所有权变更联合声明”通知制造商, 制造商对信息验证无误后, 才能在服务器中增加所有权变更信息, 这个服务为制造商销售该产品后提供的附加服务) 。上述产品相关信息应与产品代码一一对应, 确保任何人通过电脑、手机、pad等具有上网功能的便携设备, 登陆服务器地址, 在可视窗口中输入产品代码时, 快速查询到该产品的制造商、所有人、所有权变更及日期等所有相关信息。可以预计随着4G移动互联技术的不断普及, 导体激光打印标识信息查询会越来越快、越来越方便。
4 结束语
导体棒问题的归类例析 篇11
一、通电导体棒在磁场中的运动
通电导体棒在磁场中，只要导体棒与磁场不平行，磁场对导体棒就有安培力的作用，其安培力的方向可以用左手定则来判断，大小可运用公式[ F=BILsinθ]来计算. 若导体棒所在处的磁感应强度不是恒定的，一般将其分成若干小段，先求每段所受的力再求它们的矢量和. 由于安培力具有力的共性，可以在空间和时间上进行积累，可以使物体产生加速度，也可以和其它力相平衡，因此通电导体棒问题常常和其它知识进行联合考察，此类问题概括起来一般分为平衡和运动两大类.
例1 如图1所示，在倾角为[θ=30°]的光滑斜面上垂直放置一根长为L，质量为m的通电直导体棒，棒内电流方向垂直纸面向外，电流大小为I，以水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向建立直角坐标系，若所加磁场限定在xOy 面内，试确定以下三种情况下磁场的磁感应强度B.
（1）若要求所加的匀强磁场对导体棒的安培力方向水平向左，使导体棒在斜面上保持静止；
（2）若使导体棒在斜面上静止，求磁感应强度[B]的最小值；
（3）试确定能使导体棒在斜面上保持静止的匀强磁场的所有可能方向.
解析 （1）欲使通电导体棒受安培力水平向左，且棒在重力、安培力和斜面的支持力作用下平衡. 即[tan30°=BILmg]，故磁场方向竖直向上，大小为[B=3mgBIL.]
（2）磁感应强度[B]最小时，安培力和重力的一个分力相平衡，满足[mgsin30°=B1IL]，故磁场方向垂直斜面向上，大小为[B1=mg2IL].
（3） 棒在重力、安培力和支持力作用下平衡，欲使导体棒在斜面上保持静止，所施磁场力的方向应使其所受合外力为零，即[B]与[x]轴正方间的夹角为[0°≤α<150°].
例2 电磁炮是一种理想的兵器，它的主要原理如图2所示，利用这种装置可以把质量为2.0g的弹体（包括金属杆[EF]的质量）加速到6km/s，若这种装置的轨道宽为2m，长为100m，轨道摩擦不计，求轨道间所加匀强磁场的磁感应强度为多大，磁场力的最大功率是多少？
解析 通电导体棒在磁场中受安培力的作用而对弹体加速，根据功能关系，可得[BILS=12mV2]，又功率满足[P=FV]，当速度最大时其功率也最大，即[Pm=BILVm]，代入数值可得[B=]18T和[Pm]=2.16×106 W.
二、导体棒在磁场中运动产生感应电动势
导体棒在磁场中运动时，通常由于导体棒切割磁感应线而产生一定的感应电动势，如果电路闭合将在该闭合电路中形成一定强度的感应电流，将其它形式的能转化成电能，该过程中产生的感应电动势大小遵循法拉第电磁感应定律[E=BLVsinθ]，方向满足右手定则. 由于导体棒的运动形式不一，此类问题通常分成平动和转动两大类，在平动中还可分为双棒运动和导体棒的渐变运动等情况.
例3 如图3所示，两条互相平行的光滑金属导轨位于水平面内，距离为[L]=0.2m，在导轨的一端接有阻值为[R]=0.5Ω的电阻，在[x≥0]处有一与水平面垂直的均匀磁场，磁感应强度为[B]=0.5T. 一质量为[m]=0.1kg的金属直杆垂直放在导轨上，并以[V0]=2m/s的初速度进入磁场，在安培力和一个垂直于杆的水平外力[F]的共同作用下作匀变速运动，加速度大小恒为[a]=2m/s2，方向与初速度方向相反. 设导轨与金属杆的电阻都可以忽略，且接触良好.
（1）电流为零时金属棒所处的位置；
（2）电流为最大值的一半时施加在金属杆上外力[F]的大小和方向；
（3）保持其它条件不变， 而初速度[V0]取不同的值 ， 求开始时[F]的方向与初速度[V0]取值的关系.
解析 （1）导体棒在外力作用下切割磁感线，产生电动势[E=BIL]，由闭合电路欧姆定律，有[I=ER]，故当[I=0]时[V=0]，又棒做匀变速直线运动，因此满足[x=V022a]，于是可解得[x=1m].
（2）因棒匀减速运动，故初速度最大，此时电流在最大[Im=BLV0R]，因此安培力为[F安=Im2BL]，代入数据得[F安=0.02N]. 又根据运动的对称性可知，电流为最大值的一半时棒可能向左运动，也有可能向右运动. 当棒向右运动时[F+F安=ma]，得[F=0.18N]，方向与[x]轴相反；当棒向左运动时[F-F安=ma]，得[F=0.22N]，方向与[x]轴相反.
（3）开始时[F安=ImBL=B2L2V0R]，且[F+F安=ma]，故[F=ma-B2L2V0R]. 因此当[V0
例4 如图4所示，两根竖直放在绝缘地面上的金属框架宽为[L]，磁感应强度为[B]的匀强磁场与框架平面垂直，一质量为[m]阻值为[r]的金属棒放在框架上，金属棒接触良好且无摩擦，框架上方串接一个定值电阻[R]，不计导轨电阻，试分析松手后金属棒在磁场中的运动情况.
解析 松手后，金属棒在重力的作用下开始做自由落体运动，而物体一旦运动起来，棒就有切割磁感应线的速度，于是在[U]型框架中将形成逆时针方向的感应电流，此时导体棒又成了一段通电直导线，必然受到一个竖直向上的安培力作用，因此导体棒将在重力和安培力的共同作用下在竖直面内做变加速运动.
设经[t]时间导体棒达到速度[V]，此时导体棒的加速度为[a]，由法拉第电磁感应定律，有[E=BLV]，由闭合电路欧姆定律，有[I=ER+r]，于是导体棒所受的安培力为[F=BIL]，由牛顿第二定律，有[mg-BIL=ma]，联立可得[a=g-B2L2Vm]. 观察[a]随[V]变化的关系式不难发现：导体棒做的是一种加速度逐渐减小的加度运动，当速为0时，棒的加速度达最大值[g]，当棒的加速度为0时，棒有最大速度[Vm=mgB2L2]，整个运动过程中导体棒的[V-t]曲线如图5所示.
例5 两根足够长的固定的平行金属导轨位于同一水平面内，两导轨间的距离为[l]，导轨上面横放着两根导体棒[ab]和[cd]，构成矩形回路，如图6所示，两根导体棒的质量皆为[m]，电阻皆为[R]，回路中其余部分的电阻可不计，在整个导轨平面内都有竖直向上的匀强磁场， 磁感应强度为[B]. 设两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行，开始时棒[cd]静止，棒[ab]有指向棒[cd]的初速度[v0]，若两导体棒在运动中始终不接触，求：
（1）在运动中产生的焦耳热；
（2）当[ab]棒的速度变为初速度的[34]时，[cd]棒的加速度是多少？
解析 （1）选择两棒作为研究对象，从初始至两棒达到速度相同的过程中，系统不受外力，总动量守恒[mV0=2mV]，而且系统损失的动能全部用于生热，依据能的转化和守恒律，得该过程中产生的总热量[Q=12mV02-12?2m?V2]，即[Q=14mV02].
（2）设[ab]速度[34v0]时，[cd]棒的速度为[v]，则由动量守恒，有[mv0=m?34v0+mv]
此时回路中的感应电动势为[ε=BI（34v0-v）]，感应电流为[I=ε2R]，此时[cd]棒所受的安培力[F=BIL]，于是[cd]棒的加速度为[a=Fm]，联立可得[a=B2L2V04mR].
例6 如图7所示，半径为[L]粗细均匀的金属圆环，其阻值为[R]处在磁感应强度为[B]的匀强磁场中. 另有一长度为[L]，电阻为[R4]的金属棒[OA]可绕[O]轴在磁场中以角速度[ω]逆时针匀速转动. 转动过程中金属棒的[A]端与金属圆环接触良好，一阻值为[R2]的定值电阻分别与杆的[O]端和金属圆环边缘[C]连接. 求电路中总电流的变化范围.
解析 导体棒[OA]在磁场中匀速转动切割磁感线，产生的感应电动势[E=BL?12ω]. 通过金属圆环对外电阻供电，且电流在外电路中顺时针循环.
浅谈半导体光源 篇12
1 半导体激光器
激光器被视为20世纪两大发明之一, 特别是半导体LD倍受重视, 最具实用价值的半导体LD是PN结电流注入的LD。在经历了降低阈值电流、横模控制、纵模控制和波长控制阶段之后, 现在正向高速化、大功率化、二维和三维集成化方向以及超长波长和可见光两个波段延伸。和其它激光器相比, 半导体LD因具有体积小、重量轻、低功耗驱动、高效率输出、调制方便 (可直接调制) 、寿命长和易于集成等一系列优点而得到广泛应用。
半导体LD的分类方法很多, 有按结构分类, 也有按波导机制分类, 还有按性能参数分类和波长分类。在按结构分类中可将LD分为法布里—珀罗 (F-P) 型LD, 分布反馈 (DFB) 和分布Bragg反射 (DBR) LD, 量子阱 (QW) LD和垂直腔面发射激光器 (VCSEL) ;在按波导机制分类中, 可分为增益导引LD和折射率导引LD;在按LD性能参数分类中, 可分为低阈值LD、高特征温度LD、超高速LD, 动态单模LD、大功率LD等;在按波长分类中, 可分为可见光LD, 短波长LD, 长波长LD和超长波长LD (包括中、远红外波段) 。在诸多分类法中, 最基本的是按结构分类, 下面简单介绍一下法布里—珀罗型激光二极管。
F-P型LD是最常见和最普通的LD, 这种LD由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成, 谐振腔由晶体的两个解理面构成。常用的F-P型LD通常为双异质结 (Double Heterojunction, DH) LD, 有源层可以是N型, 也可以是P型。当DH结构LD施加正向偏置时, 电子从N型限制层, 空穴从P型限制层注入到有源层。由于带隙差产生的异质结势垒的存在, 注入到有缘层中的电子和空穴不能扩散而被限制在薄的有源层中, 因此容易实现粒子数反转, 即使只有很小电流流过, 薄有源层中 (0.05~0.2μm厚) 的电子和空穴浓度也会很高。而且激光振荡产生的光增益正比于所注入的电子和空穴浓度, 所以有源层越厚, 获得增益的电流就越小。另一方面, 窄带隙有源层的折射率比限制层的大, 光向折射率大的区域集中, 所以光也被限制在有源层中。当有源层中形成反转分布的电子从导带跃迁到价带或杂质能级, 与空穴复合释放出光子, 这些光子在由两个解理面形成的谐振腔中往复反射传播不断加强而获得光增益, 当光增益大于谐振腔的损耗时, 便有激光向外射出, 如图1所示。从上面简述中可以看出, 激光器实质上是一个受激发射的光振荡放大器。
要实现半导体F-P型LD激射工作, 必须满足四个基本条件:要有能实现电子和光场相互作用的工作物质;要有注入能量的泵浦源;要有一个F-P谐振腔;要满足振荡条件。
2 光放大器
在目前硅基光纤和未来的中红外光纤系统中, 光纤激光器和半导体激光器是潜力巨大的光有源器件。光纤激光器按其机理可分为稀土掺杂光纤激光器、光纤非线性效应激光器、单晶光纤激光器和光纤孤子激光器, 其中以稀土掺杂光纤放大器开发最为成熟。目前稀土掺杂光纤放大器按其掺杂元素和工作机理可分为掺铒光纤放大器 (EDFA) 、掺镨光纤放大器 (PDFA) 、掺铥激光放大器 (TDFA) 和利用光纤非线性效应的拉曼光纤放大器 (RFA) , 其中工作于1.55μm波段的EDFA已大量使用;以TDFA和EDFA以及RFA和EDFA混合的系统已实现超带宽合波传输。
2.1 掺稀土元素光纤激光放大器。
基本原理:当泵浦激光束通过光纤中的稀土离子时, 稀土离子吸收泵浦光, 使稀土原子的电子激励到较高激射能级, 从而实现通常所说的粒子数反转。反转后的粒子以辐射形式或非辐射形式从高能级转移到低能级, 前者就是通常所说的受激辐射, 后者为自发辐射。
由于激射是一种放大过程, 要维持受激辐射的增益首先必须保证有足够的反转粒子数, 泵浦是实现粒子数反转的重要条件。泵浦由外部较高能量光源提供。如果是两个能级参与激射, 要维持受激辐射增益还要求泵浦能量高于较高能级的能量。由于泵浦能量高于激射能级, 所以激射的光子波长应比泵浦光子的波长长, 这一特点为光纤激光器的实用化提供十分有利的条件, 即可以用廉价的、成熟的Ga As激光器作为泵浦光源, 从光纤激光器获得1.3μm, 1.55μm和2~3μm的激光输出。
光纤激光器的工作状态 (连续输出或脉冲输出) 取决于激活的介质。对于连续输出来说, 较高激射能级的自发辐射寿命必须大于较低激射能级的自发辐射寿命。光纤激光器有两种激射状态, 一种是二能级激射, 另一种是四能级激射。两者差别在于较低能级所处的位置。在二能级激光器中, 较低能级基本上处于基态位置, 而在四能级激光器中, 有较低能级向基态跃迁的可能性, 所以通常情况下, 二能级激射的阈值功率高于四能级激射的阈值功率, 因此, 总是希望选取四能级激射机构。此外, 激射的能级数直接影响激光器的阈值功率和掺杂光纤的长度。在四能级激光器中, 阈值功率随光纤长度增加而下降, 想获得低的阈值功率, 应增加光纤的长度。而在二能级激射的激光器中, 在最低阈值功率时有一个最佳光纤长度。
Nd3+掺杂的硅基光纤激光器可激射出900nm, 1060nm和1350nm, 但由于激励态吸收边缘使波长发生漂移, 故不易得到1350nm光谱, 实际上只是得到1400nm激射光谱。Er3+掺杂的光纤激光器可以得到1550nm激射光谱。
2.2 半导体光放大器:
基本原理:半导体光放大器 (SOA) 也是重要的光放大器。其结构类似于普通的半导体激光器, 如图2所示。根据光放大器端面反射率和工作偏置条件可将半导体光放大器分为:法布里—珀罗腔放大器 (FPA) 、行波放大器 (TWA) 和注入锁模放大器 (JLA) 二类。前两类是开发最多的产品。FPA与TWA的区别在于端面的反射率大小, FPA具有较高的端面反射率, 这种高反射为激射提供必要条件, 当作为放大器工作时, 偏置于阈值电流以下。这种放大器的增益理论上可达25~30d B, 且具有低的噪声输出。而TWA却有极低的端面反射率, 通常在0.1%以下, 反射率达到零的放大器称之为“真行波放大器”。
自从光纤放大器出现后, SOA的作用有被光纤放大器替代的趋势。然而, SOA仍有独特的应用场合, 例如它们对有线电视 (CATV) 的多路模拟电视信号提供放大很合适, 有可能广泛应用于信号处理、光子交换等领域。SOA有与其它光子器件和光波导进行单片集成的优点, 有着多种用途, 例如在实现波长转换器和光交换器方面还有着重要用途。
小结:介绍了半导体光源器件和探测器件的结构、工作原理及主要性能参数。LED光源具有较宽的谱宽, 但是发射功率较低;LD光源谱宽很窄, 发射功率高, 利用掺杂稀土稀土元素的光纤可以将LD的输出谱线拉宽并向长波长方向移动。根据光源的输出特性就可以在不同的场合选择不同的光源。
功率探测器件PIN光电二极管具有良好的微弱信号检测能力, 一般情况下可以达到1m A/m W。温度探测器件热敏电阻的温度一电阻曲线不是线性的, 所以在使用和对检测值分析时要加以注意。
摘要：在此从半导体激光器和半导体光放大器两方面来介绍半导体光源的工作原理。
关键词：半导体,光源,激光器
参考文献
[1]伏燕军, 邹文栋, 肖慧荣, 等.半导体激光器驱动电路的光功率控制的研究[J].红外与激光工程, 2005, 34 (5) 6:26-630.
[2]王缜, 贾智东, 丁扬斌, 等.半导体光源的稳光控制电路的设计[J].导弹与航天运载技术田, 2007, 4:59-61.