- 邁斯納效應（Meissner Effect） 2009/08/30
邁斯納效應（Meissner Effect）
國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯超導體在溫度高於其臨界溫度時，磁通線可自由穿過其內部，亦即超導體處於正常態，如同一般金屬或合金內部可有磁場存在；但溫度低於臨界溫度時，則超導體內之磁場便全被排出其內部，成為零磁場狀態，即為抗磁性(Diamagnetism)。
1933年邁斯納(W. Meissner)和奧克森菲爾德(R.Ochsenfeld)對圓柱形超導鉛在垂直其軸向外加磁場下，測量超導圓柱外面磁通密度分佈。
實驗證明超導體的磁性質和完全導體完全不同。他發現了不管是先降溫後加磁場，或是先加磁場再降溫，只要金屬從正常態變到超導態後，磁通線就會完全被排除到超導體之外，而磁場能穿透入超導體表面大約只有10-5~10-6cm，超導體內部的磁感應強度B為零，也就是它具有完全抗磁性。此現象為，稱為邁斯納效應(Meissner effect)。
邁斯納效應說明了超導體的另一個基本特性，只要是處於超導態的材料絕不允許磁場存在於它的體內，而且這種超導體在磁場中的行為與加磁場的順序無關。只要溫度低於超導的臨界溫度，超導體內部 B=0 這種現象產生的過程是：當超導體放入磁場中時，超導體和一般導體一樣會產生感應電流。一般導體具有電阻，所以感應電流很快地消散掉(可由P=I2R得到能量的轉換)。超導體的電阻為零，感應電流就能一直流動，此電流即為「屏蔽電流」。
由於環繞超導表面的屏蔽電流在超導體周圍產生與外部磁場方向相反的磁場，因而阻擋外部磁場進入。 磁浮現象即是由這個原理產生的，可應用在磁浮列車上。簡易觀察超導體所具有獨特的「邁斯納效應」，通常以一小磁鐵磁浮在浸泡有液態氮的高溫超導體之上。
- 蕭特基能障（Schottky effect） 2009/08/30
蕭特基能障（Schottky effect）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞研究生/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯大部分p-n接面有用的特性可以簡單的經由形成一個適當的金屬半導體接點而得到，這樣的趨勢深具吸引力。而當需要高速整流時，金屬-半導體接面特別有用。另一方面，也必須能對半導體形成非整流(歐姆)接觸。
- 超導體的應用（Applications of Superconductivity） 2009/08/30
超導體的應用(Applications of Superconductivity）
國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學洪連輝教授責任編輯超導體的相關現象、應用、材料、理論等研究已有相當大的突破，並有多人獲得諾貝爾獎。利用超導體的兩大特性—零電阻與反磁性，在目前已有許多不同方式的應用：運用一般導體做磁體時，若要產生1特斯拉(即1萬高斯)以上的磁場，則需要利用銅線繞成螺線圈所產生的電磁鐵通上電流。因此在螺線圈的中心則會有穩定的強磁場，但此裝置卻需要消耗大量的電能及大量的冷卻用水。若要求改善此裝置，我們可以用較粗的銅線，如此以來電阻就會比較小，但是為求保持原磁場，那麼表示所繞的螺線圈數就要一定，整個裝置的體積就會變大，那就不符合經濟效益。而超導材料在超導狀態下具有零電阻和抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得這麼大的穩態強磁場。
目前低溫超導材料的應用，大致有「線材」與「薄膜」兩大類。 線材已有許多應用，作為低溫超導材料的主要代表NbTi合金和Nb3Sn，主要是利用超導零電阻現象產生超高磁場及傳輸電流。例如核磁振造影（magnetic resonance image, MRI）及核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）。日本的超導磁浮列車所用的超強磁鐵，就是使用低溫超導線材所製作的超導線圈。
薄膜：超導電子對可以穿隧大約奈米厚絕緣層的現象，就是所謂的「約瑟芬穿隧效應（Josephson Tunneling）」。用超導薄膜可以將約瑟芬穿隧效應應用在各類電子或磁性感測元件上，例如超導量子干涉磁量儀（superconducting quantum interference device, SQUID）就是一種能夠偵測極低磁場的感測器，以量測材料的磁性，還有生物醫學上的應用。因為高溫超導材料對於未來電力傳輸、儲能系統、馬達、發電機、變壓器、磁浮列車、醫療設備、微波通訊和高速電腦等產業，具有很大的影響，或許在未來的高溫超導材料應用工業上占有領先的地位。甚至可以媲美半導體對電子與資訊產業的影響，許多新的應用也將逐步實現。
- 超導體的種類（Superconducting Materials） 2009/08/30
超導體的種類（Superconducting Materials）
國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯到目前為止，具有超導現象的物質還是持續不斷的找尋中。
超導的研究從早期金屬元素、合金、以及金屬化合物等開始著墨，一直在臨界溫度上的提升無法突破。1933年轉向氧化物陶瓷的研究開始，從簡單的一元的氧化物、二元的氧化物，至1960年以後開始的三元氧化物 SrTiO3-x，雖然這些陶瓷超導體的臨界溫度都低於30K。
直到1987年，朱經武博士及吳茂昆博士的研究群大舉的提升了超導的臨界溫度到90K，發現了高溫陶瓷的超導體釔鋇銅氧化物（Y-Ba-Cu-O）。
距歐尼斯(Kamerlingh-Onnes)發現第一個超導體至今，已快屆滿100年了，目前已有二千多種具有超導特性的材料，依照不同的特性可以分類：
1. 由超導臨界溫度的範圍來分類：可分成高溫超導體和低溫超導體。這是液態氮77K的溫度為界限，高溫超導可以由液態氮所能冷卻而形成超導體。低溫超導通常是用液態氦所能冷卻。
2. 由材料來分類：金屬元素（如汞、鋁、鉛和鈮）、合金（如鈮鈦合金和鈮鍺合金）、陶瓷（如鈣鈦礦結構的釔鋇銅氧和層狀結構的二硼化鎂和鐵基氮磷族氧化物）或有機超導體（如富勒烯和碳納米管）。
3. 由物理性質分類：可分成第一類超導體和第二類超導體。第一類超導體超導相變屬於一階相變；第二類超導體超導相變屬於二階相變，且超導的磁性質會有超導和正常態共存的中間態(混合態）的產生，磁場會以量子化的形式進入超導體。
4. 由超導理論來分類：可分成傳統超導體和非傳統超導體。傳統超導體的超導機制可用BCS理論解釋，但是非傳統超導則必須對BCS理論作修正，以金茲堡-朗道(Ginzburg-Landau)理論解釋。 一般而言金屬元素為傳統超導體，且大多為第一類超導體。僅有少數金屬如鈮、釩或因金屬薄膜的厚度造成超導的特徵長度受到改變，而轉變成第二類超導體。而陶瓷氧化物為第二類超導體，如釔鋇銅氧化物超導體則為高溫超導體，可與低溫超導體有所區隔。以實用的角度來看，臨界溫度90K高於液態氮的沸點(77K)，而且氮氣佔空氣的1/4，因此液態氮的取得較容易且便宜。反觀氦氣在空氣的中含量少，要液化和維持液氦的設備都十分昂貴複雜(一公升液態氦約新台幣 800 元) 如此一來使得超導的實用性大為增加，可以說往前跨了一大步。- 超導體的發現（Background of Superconductor） 2009/08/30
超導體的發現（Background of Superconductor）
國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯絕對零度，從熱力學理論相當於-273.15℃，這是溫度的極限。
此為Kelvin所建立絕對溫標的0K。
20世紀初期，許多科學家積極進行追求達到絕對溫度的比賽，目的在逼近這個不能到達的最低溫度，此時尚沒有超導體的概念。研究發現，當溫度降低時，氣體分子活動就會變慢，首先各種氣體紛紛都被液化了。一直到1908年，荷蘭歐尼斯(Kamerlingh-Onnes)將最頑固的氦氣在-269℃變成液體。由於歐尼斯的成果使低溫研究向前跨了一大步。低溫物理的研究便由液化氦氣的技術，更進一步地延伸到1 K左右的區域。1911年時，歐尼斯的研究群在探討金屬水銀(Hg)降低至極低溫時，發現其電阻會隨著溫度下降而下降。偶然間發現其電阻在4.2 K以下驟降為零。
在1911年的發現則開啟了超導體研究的序幕。由於水銀在極低溫時的特殊電性，這顯然已轉變成一種新的狀態，歐尼斯等人把此種特殊狀態下的水銀稱之為”超導體 (superconductor)”。這種特殊的電性之物質狀態，歐尼斯將它命名為超導態(superconducting state)，而把電阻突降的溫度稱為超導臨界溫度(superconducting transition temperature)或稱臨界溫度(Critical temperature)，簡稱TC。這種能在低溫下由正常態(normal state)轉變為超導狀態的導體，也自然被稱為超導體。
- 超導領域的巨人（Nobel Prize in Superconductivity） 2009/08/30
超導領域的巨人（Nobel Prize in Superconductivity）
國立虎尾科技大學電子工程系吳添全助理教授/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯超導領域的研究與應用上已有多位科學家獲得諾貝爾獎殊榮：
1. 1913年，由於歐尼斯(Kamerlingh-Onnes)對物質在低溫狀態下性質的研究以及液化氦氣，歐尼斯被授予諾貝爾物理學獎。荷蘭科學家歐尼斯是超導現象的發現者，低溫物理學的開創者。 Continue reading →- 累崩光二極體 （Avalanche Photodiodes ,APDs） 2009/08/30
累崩光二極體 （Avalanche Photodiodes ,APDs）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯累崩光二極體因為具有高速度與內部增益，所以廣泛的被應用在光通信上。
n+區很薄且經過一個視窗照光，在n+層旁邊有三層不同摻雜濃度的p型層，用以適當的修正整個二極體的電場分佈；第一層是薄的p型層，第二層是厚的淺摻雜p型π層，而第三層是重摻雜的p+層。
這個二極體是逆向偏壓，以增加空乏區中的電場。在零偏壓下，p型的空乏區沒有擴展進入π層，但當外加一個足夠大的逆向偏壓時，p型的空乏區會變寬，通達到π層，因此稱為通達APD，電場由n+型薄的空乏層裡的正施體電荷擴展達到p+型薄的空乏層裡的負受體電荷。 電場可對著整個二極體經由淨空間電荷密度積分而得，此電場與外加電壓有關。
電力線由正離子開始而在負離子結束，它的存在遍及p，π和p+層，意謂著電場在n+p接面最大，然後經過p層緩緩的減少，經過π層時，電場減少的最慢，如同淨空間電荷密度在這也最小，電場在p+型的窄空乏層消失。而光子的吸收和光產生主要發生在寬的π層，因為這裡接近均勻的電場會把電子電洞對分離，並以接近飽和速度將電子和電洞分別往n+和p+層漂移當漂移的電子到達p層，會受到較大的電場作用，因而得到足夠的動能去撞擊電離某些共價鍵而釋放出電子電洞對。
產生的電子電洞對在此區域也會被加速到足夠大的動能，進一步產生撞擊電離而釋放出更多電子電洞，這將導致一種撞擊電離過程的累崩，此光二極體具有內部增益機制，即單一光子吸收會導致很多電子電洞對產生。而通達式APD速度與三個因素有關；第一個因素為光產生的電子越過吸收區到達累崩區所需的時間。第二個是在p區累崩過程的建立和產生電子電洞對的時間。第三個因素是在累崩程中最後一個電洞釋放至到達π區的時間，而累崩的增益可以補足速度的降低。光檢測器電路的整體速度包含了連接到光檢測器的前置放大器速度限制，而APD較不需要前置放大器，因此整體速度會快了一點。通達式APD結構的缺點之一是，n+p區域在照光之前，圍繞在n+p接面介面邊緣的高電場會導致累增崩潰。理想上，在照光區的累崩必須均勻一致而使得一次光電流的累崩能大於暗電流。在實際的矽製APD中，圍繞中央n+區會有一個n型摻雜區當做一個護環，使得圍繞在介面的崩潰電壓可以提高，而且累崩更被侷限在照光區(n+p接面)，而n+和p層一般都做的很薄，以降低在這個區域的吸收，讓主要的吸收發生在厚的π區。
參考資料：光電子學與光子學-原理與應用
- 光纖用通訊LED（Fiber Comminucation LED） 2009/08/30
光纖用通訊LED（Fiber Comminucation LED）
國立彰化師範大學光電科技研究所張淑貞碩士生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯光纖通訊用LED可適用於作為光通訊的光源型式，不僅和通訊距離有關，更取決於需求的頻寬。對於短傳輸用途，例如局部網路，LED是常被選擇的。因為他們可簡單的被驅動，較經濟，有較長的生命期，並可提供所需的輸出功率，即使是他們的輸出頻譜比雷射二極體寬；LED經常和斜射率光纖一齊使用，因為斜射率光纖主要為內膜而非外膜，對長距離傳輸和寬帶通訊必定會使用雷射二極體，因為它們有窄的線寬，高輸出功率以及較高的信號帶寬能力。
有兩種基本形式的LED元件。
假如光輻射是由復合平面區域發射，則此元件為面發射LED (SLED)，假如光輻射是由晶體邊緣區域發射，亦即晶體面垂直主動層的區域，則此LED為一邊緣發射LED (ELED)。最簡單的方法，將面發射輻射耦合到光纖是蝕刻於平面井狀LED結構，並使光纖盡可能貼近井底，即輻射的主動區，這種形式的結構，稱為普羅斯型元件，環氧樹脂被用來黏著光纖，並提供玻璃光纖和LED結構的折射率匹配，以盡可能捕捉較多的光線；注意雙異質結構LED也使用這種方式，光子從主動區(例如p-GaAS)發射時，並沒有被鄰近層，(AlGaAs)具有較大的能隙吸收；
另一種方法是使用截斷式球面透鏡(微透鏡)，其具有高的折射率(n=1.9~2)以聚光到光纖，透鏡以一折射率匹配的黏著劑黏合於LED提供一較大的光強度和光束，並比面發射型LED有較佳的平面度，例如，顯示一操作在~1.5μm下，典型的邊發射LED結構，光帶被較寬能隙包圍之雙異質結構所形成的介質波，導引到晶體的邊緣，注入載子復合發生於InGaAs主動區，其能隙近似0.83eV，復合是被限制於這層，因為週遭環繞著InGaAsP層 (限制層)，其具有較寬能隙(1ev)及InGaAs/InGaAs/InGaAsP層，以形成雙異質結構，光由主動層(InGaAs)發射，並發散至鄰近層(InGaAsP)，其可收納光並引導它沿著晶體到達邊緣，InP具有較寬能隙(1.35eV)，因此，具有比InGaAsP小的折射率，這兩個InP層相連著InGaAsP層，以形成包覆層，並因此可侷限光到雙異質接面DH結構中。 通常有一些透鏡系統是可方便的將ELED的輻射耦合到光纖，例如一半球狀的透鏡，被接合到光纖端，以對準光束到光纖中。斜射率棒型透鏡為一玻璃棒，它的截面具有拋物線的折射率分佈，並延棒軸有一最大的折射率，它像是一個大直徑、短長度斜射率”光纖”，GRIN棒型透鏡能用來聚焦ELED的光，使它進入光纖中，這樣的耦合對單模光纖特別有用，因為他們的核心直徑典型在~10μm。
參考資料：光電子學與光子學-原理與應用 全威圖書有限公司 原著 S.O. Kasap 2003
- 超導體的應用（Applications of Superconductivity） 2009/08/30