msm结构光电二极管肖特基势垒高度度怎么求

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&&&浏览历史极低暗电流InGaAs MSM-PD的光电特性研究
1引言金属一半导体一金属光电探测器(MSM-PD)是八十年代中后期开始在世界上引起重视的一种新型光电探测器,它具有响应速度快、电容小、工艺简单、平面结构及容易与FET-IC集成等优点,它在光纤通讯中的光电信号转换部分具有广泛的应用.In。;。Ga。。。As(简称In-GaAs)是在1.3至1.6Pm波长范围内最合适的光吸收层材料,但是,InGaAs同金属材料接触,其肖特基势垒高度只有O.25eV‘’‘,这就导致了大的暗电流和过量噪声,所以肖特基势垒高度增强层的研究成为InGaAsMSM-PD的首先课题.我们提出了一种新型晶格匹配型的双重肖特基势垒增强层的结构,使得InGaAsMSM-PD的暗电流大为下降,最低已达4.7nA(IOV),与其它晶格匹配型势垒增强层所得的暗电流测试结果比较表明,这种方法极为有效.2双重势垒增强层的设计MSM结构本质上是两个背靠背相连的肖特基结沮成,当施加电压后,一个结正偏,一个结反偏,对其输运过程的了...&
(本文共5页)
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前言 随着大容l改、一长距离光通信的增长,对高灵敏又适合于一单模光纤的光电探涅l器的需要日益增加。然而在p十nGe一APD中,于音增噪声、量子效率和频率响应目前已达到理论极限。而APD的噪声是由信号倍增过程的起伏的倍增噪声和通过倍增区的暗电流(倍增暗电流)引起的噪声组成。其中倍增暗电流又与倍增区的面积成正比,所以,要提高器件的最小可探测度,就要将器件的光敏面积做小。 为了满足长波长单模光纤通信工程需要,我们已经研制了具有snA低倍增暗电流的功3如mGe一APD。该器件过剩噪声因子典型值为F二6.5,。.gVB下的总暗电流最低为。.08拼A,结电容小于o.spF。该器件采用5102膜钝化和金属化祸合封装,大大提高了稳定性和可靠性。并且由于制作工艺成熟,成品率高、成本低、适合大批量的生产。俐酥i阳武立环‘取),O翻n型图lp+一。G少APD结构剖而图_二、器件的结构及特点 我们选用0.25~0.32月cmn型(111)晶向锗单晶,采...&
(本文共4页)
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在1~1.65协m波长范围内工作的光波通讯系统,需要高速、低噪声的InGaAs光电探测器。与在相同波长范围工作的雪崩光电二极管相比,p一i一。光电二极管具有暗电流低、频率带宽友等优点。最近美国贝尔实验室针对光波通讯沟需要,已研制成具有上述优点的p一i一n光电几极管。 这是一种平面的、Zn扩散的InP/IoGaAs光电二极管,是用MOCVD法生长的材料制作的。二极管的暗电流极...&
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气概述 光电倍增管(以下简称PMT)是一种将微弱光信号转换成电信号的光电探测器,它已在各类光学分析仪器、核物理仪器、天文测量仪器等各个领域得到了广泛的应用。暗电.流是rMT的一项重要质量指标。即在没有信号和背景辐射时通过PMT电流的其平均值或直流值(用符号Id表示)。目前国内外生产的各类rMT的Id,·其公称值一般在10一SA左右,最好的可达10一、ZA〔’〕PMT产生Id的原因较多〔2〕但主要的原因是阴极和各极之间的漏电流以及光电阴极和两次发射引起的然电子发射。Id分为阳极Id、倍增极Id和阴极Id三种。通常人们所讲的Iu,一般都是指阳极Id。这是因为阳极ld显得尤其重要,它将影响PMT的使用效果,特别在用直流方法检测阳极输出光电流的各类仪器仪表中,!阳极I‘的大小将会影响整机的信噪比和线性,以及仪器灵敏度的提高。因此,对阳极Id的酬试非常重要。 本文将介绍我们对PMT阳极I礴测试的三种简易方法,并对有关的几个问题进行初步探讨...&
(本文共6页)
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一、引言 IR一CCD焦平面阵列的出现,给发展红外成象和探测系统带来新的前景,它不但促使探测率及空间分辨率日益提高,而且具有单元成本低,元件小型化,简化甚至不要机械扫描的巨大优点。因此,国内外都投入大量的人力物力竞相研制。但就目前国内器件水平状况来看,均匀性并不很理想,而且某些器件尚存在若干元较强的暗电流尖峰。均匀性是直接影响红外成象质量好坏的重要因素之一。均匀性不好会造成图象失真,暗电流尖峰的影响将导致产生固定图象噪声。为了改善红外图象质量,必须对图象信号进行均匀性补偿及暗电流尖峰处理。二、均匀性补偿原理及暗电流尖峰处理原则 P tsi肖特基势垒探测器IR一CCD焦平面阵列的响应率与辐照度或光子通量具有线性的关系。直到其响应使CCD输出进入饱和状态。实际的焦平面阵列工作原理示意图见图1。红外辐射从背面入射到Ptsi肖特基势垒探测器上,内部的热空穴受光发射越过肖特基势垒小。.进入硅衬底,由此产生的净电子收集在Ptsi电极下。该器...&
(本文共5页)
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一、引 言 二、全离子注入平面型 _。…_、__、…,___,,;、。。_。_,、_柏兀吧资什刷眨 随着光纤通信、光纤传感技术的飞速发展—”——””’‘””~和广泛应用,对近红外光电器件的可靠性提出了愈来愈高的要求。光电器件能否长期稳定可 我们从1985年以来,研制了不同结构、靠地工作,已成为光电器件研制中要解决的最 不同光敏面积的五种锗光电器件。其中,光敏重要的问题。对光发射器件,使用者最关心的是 面直径为90qm的全离子注入平面型Ge干D寿命问题;对光接收器件,最关心的是接收机 是最稳定可靠的器件。俞比(光灵敏度)问题。这些都与器件的可 全离子注入平面型灰PD采用了带保护环靠性有关。的P、平面结构。衬底为掺Sb的无位错单晶薄 光电器件的可靠性,直按与器件材料、结 片,电阻率为0.32~0.35 [3·cm,双面抛光后,构、使用目的以及使用光电回路的电学、热学 先注入Be离子以形成保护环,离子注入能量为条件、温度、湿度、压力、...&
(本文共5页)
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  因为PD的主要有源区是势垒区,所以展宽势垒区即可提高灵敏度。p-i-n结光电二极管实际上也就是人为地把p-n结的势垒区宽度加以扩展,即采用较宽的本征半导体(i)层来取代势垒区,而成为了p-i-n结(见图示)。
  p-i-n结光电二极管的有效作用区主要就是存在有电场的i型层(势垒区),则产生光生载流子的有效区域增大了,扩散的影响减弱了,并且结电容也大大减小了,所以其光检测的灵敏度和响应速度都得到了很大的提高。
  p-i-n结光电二极管中i型层的厚度d是一个重要的结构参量,从提高响应速度和灵敏度来看,要求d应该大一些;但是若d过大,则光生载流子在i层中漂移(速度为vd)的时间(d / vd)将增长,这反而不利,因此可根据d / vd = 调制信号周期T的一半来选取,即有d = vd T / 2。 微电子百科-中国微电子网
  另外,为了减小表面半导体层对光的吸收作用,应该采用禁带宽度较大的窗口材料(例如在GaInAs体系中采用InP作为光照区)
  1. 开关时间: 由于电荷的存储效应,PIN管的通断和断通都需要一个过程,这个过程所需时间
  2. 隔离度:开关在断开时其衰减也非无穷大,称为隔离度
  3. 插入损耗:开关在导通时衰减不为零,称为插入损耗
  4. 承受功率: 在给定的工作条件下,微波开关能够承受的最大输入功率
  5. 电压驻波系数: 仅反映端口输入,输出匹配情况
  6. 视频泄漏
  7. 谐波: PIN二极管也具有非线性,因而会产生谐波,PIN开关在宽带应用场合,谐波可能落在使用频带内引起干扰.
  8. 开关分类:反射式和吸收式, 吸收式开关的性能较反射式开关优良
  9. 控制方式:采用TTL信号控制。'1'通'0'断
  虽然一般的p-i-n结光电二极管不像APD那样具有增益,但是它的光生电流随光强变化的线性度较好,而且量子效率也更高,同时结构简单、速度高(可达到30GHz)、工作电压低、偏置电路简单以及成本低廉等,所以它在音频和视频光盘播放机以及光纤通信系统中有着非常广泛的应用。
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Si、InGaAsInPMSM光电探测器的研制.pdf 53页
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硕士学位论文
Si、InGaAs/InPMSM光电探测器的研制
姓名:黄屏
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:陈朝
‰属.半导体.金属(MsM)光电二极管在光电子集成(oEIc)中具有很广泛的
前景。这一结构的器件有两个重要的特性。第一:制作工艺简单;第二:属平面
结构,所以易于与FET和HEMT集成。同时,它还具有响应速度快的特点,可以
用于超高速、大容量的光纡通信中o\l
本文先从MSM.PD光电二极管的发展状况入手,探讨了该器件的结构特点,
基本的光学和电学性质。为了能在厦门大学物理系现有的实验条件下制备出用于
光纤通信的MSM.PD光电探测器,探索了以下几个方面的工作:
1.根据光通信的要求和本实验室的现有条件,进行了版图的设计。糯定
MSM—PD的金属叉指栅状电极指宽、指距均为2—3微米。版图共分四版,第
一版为台面;第二版为小线条光刻:第三版覆盖一层聚酰亚胺;第四版加厚
金属电极。弋
2.为了实现2-3微米精度的栅状电极的光刻,对该器件电极的“剥离工艺”进行
了探讨。旌实验过程中采用正性光刻胶、表面疏水处理、干法刻蚀、等离子去
胶和磁控溅射等方法。怠
3,研究了MSM.PD的光谱响应、暗电流、I—V特性等。对器件的光谱响应进行了
拟合计算,从而得出了光吸收层厚度、指宽、指距等材料参数,所得参数与实
际相吻合。
4..在条件成熟后,将以此为基础,进一步研究InGaAsMSM器#。妊重要的是,
我们还将着限于MSM同HEMT的单片集成,并希望应用于长波长光接收机
(光纤通讯)。并尝试在金钢石衬底上制作紫外MSM—PD。寸
关键词:Si和InGaAs/InP
MSM.PD,光谱响应-电极剥离j正性胶一
———塑羔j———————————————一
InGaAs/InP
Fabrication
Photo—detectors
Metal—Semiconductor—-Metalphotodetectors
circuits.This
integrated
optoelectronics
applications
正在加载中,请稍后...紫外探测器UV-Detector
1 紫外波段的基本特点和典型应用
紫外波段波长范围在200~400nm。分为三部分:UVA
320 ~400nm、UVB 290~320nm
200~290nm。地球表面附近最大的紫外光源是太阳。由于臭氧等大气气体的强烈吸收作用和部分散射作用,
波长在280nm以下的紫外线几乎不能到达地球表面,因此, 200~280 nm
波段的紫外光又称为太阳盲紫外或日盲紫外( Solar
Blind)。现在使用的紫外探测器中,硅基紫外光电管需要附带滤光片,光电倍增管需要在高压下工作,而且体积笨重、效率较低,对实际工作有一定的局限性。为避免使用昂贵的滤波片
及减小设备体积,人们开始关注宽禁带半导体固体紫外探测器。其中氮化合物半导体紫外探测器成为最具吸引力的研究方向之一。
如果紫外告警系统将响应波段置于日盲波段, 由于没有自然光辐照,
背景噪声很小,
虚警率可以大幅
降低。美国研制的紫外型导弹逼近告警系统(MAWS)就采用了工作于日盲区的光电倍增管为探测器。有文
献预测, 随着固体紫外探测器的发展, 这种告警系统将采用多元或面阵器件。
&&& 众所周知,
人们需要一定量的太阳紫外线辐照。但是UVB波段的过量照射会引起皮肤反应甚至病
变。不同波段的紫外线, 对人体的危害程度不同, 损害程度与波长的关系称作红斑曲线。天气预报中紫外指数的定义与红斑曲线和太阳光谱有着紧密的关系。目前美国已经有用GaN
基紫外探测器制备的太阳紫外
指数手表。
&&& 可以估算:
对于日盲型紫外探测器, AlxGa1-xN 材料的铝组分x需要达到40%以上,
也就是所谓的高铝组分AlGaN材料。
制备高铝组分AlGaN材料还有一定的难度, 特别是制备具有器件结构的材料难度较大。其原
因不仅在于传统的MOCVD生长方法中晶格失配大、各种反应过程复杂且难以控制, 而且材料禁带宽度变
宽、掺杂的激活效率变低等。
2 GaN 紫外探测器
金属半导体接触
金属半导体接触的研究是器件应用基础之一, 对于任何电学应用和测试来说, 欧姆接触电极的获得是人们首先需要完成的。针对不同的GaN
基材料分别予以讨论。
2.1.1 n 型GaN 的欧姆电极接触
&&& 几乎所有的n 型GaN
欧姆电极接触的制备都需要使用低功函数金属。如铝(Al)、钛(Ti)、钛铝双层及
其他金属如银(Ag)、钕(Nd)等。这些金属都具有功函数相对较小的特点。目前,
研究和应用比较广泛的是
钛铝双层金属电极。能够形成较好欧姆接触的条件及机理大致如下:
首先, 金属膜制备时Ti:Al之间的比例需要满足一定条件,
其目的是在随后的退火等处理中使两者形成Al3Ti合金且剩余一定的Ti,
最终形成Al3Ti/Ti/GaN结构。研究发现,
Ti 与GaN 的反应物TiN, 也有利于形成小比接触电阻的欧姆接触; 不同退火条件如温度、时间和气氛等,
对接触的性能有较大影响。具有较好结果的Ti/Al 欧姆电极的比接触电阻一般在10- 6~10- 7 Ω·cm2 数量级。
2.1.2 p 型GaN 的欧姆接触
&&& 相对于n-GaN
的欧姆接触的制备, 获得具有更小比接触电阻的p 型GaN 的欧姆接触始终是一个挑
战。正是这项技术的突破, 伴随着p-GaN的获得和激活效率的提高, 给GaN 的广泛应用开启了大门。目
前, 这项关键技术是产品性能的重要保证之一。因为欧姆电极比接触电阻的大小将直接影响器件的参数,
如发光二极管(LED)
所谓的开启电压以及开启后的效率等关键参数。因此对p-GaN 的欧姆接触的报道
及系统详细的研究结果和工艺过程介绍比较少见。从文献报道的结果来看, 镍/金(Ni/Au)是较好的选择,
表面处理和退火的工艺条件是关键之一。研究发现,清洁的GaN 表面以及退火中氧的存在可能有利于欧
姆接触的形成。具有较好结果的Ni/Au 欧姆电极的比接触电阻一般在10- 4~10- 5 Ω·cm2 数量级。
2.1.3 n-AlGaN 和p-AlGaN
的欧姆接触
&&& 由于AlGaN
的禁带宽度更宽、掺杂元素的激活效率等问题, 对AlGaN 材料的欧姆接触研究相对较
少, 仍有待深入研究。制备AlGaN 器件的关键是稳定的低电阻欧姆接触, 制备AlGaN 欧姆接触一般也是
考虑降低其有效势垒高度或在界面处实现重掺杂。目前AlGaN 欧姆接触的研究内容包括:
选取适当的接触材料研究欧姆接触形成。
例如在n-AlGaN 上用Ti/Al/Ni/Au 多层金属沉积构成欧姆接触; 一些新的接触材料也有报道,
如V/Al/Pd/Au
在n-Al0.6Ga0.4N 上得到的比接触电阻3&10- 6 Ω·cm2 。相比而言, p-AlGaN
材料的欧姆接触面临的困难较大, 对p 型材料需用功函数更高的金属来形成低势垒接触, 但实际金属最高功函数没有超过6 eV,
只能选用Pt、Ni、Au、Pd 等高功函数金属, 其中Ni/Au 是常见的双层研究体系。为了比较容易实现p"AlGaN 的欧姆接触,
还可以在p-AlGaN 上制作p-GaN 帽层作为与金属电极的接触层。
(2) 退火工艺的选择。大量的实验研究表明,
的应用有利于改善接触质量。退火过程如温度、时间、
气氛等明显影响接触电学性能和接触的可靠性。
(3) 接触前的表面处理工艺。在金属沉积前,
利用酸系列溶液HCl:HF:H2O、王水和碱系列溶液KOH,
(NH4)2S 等腐蚀GaN 和AlGaN 表面, 国内外有很多实现低阻欧姆接触的报道。经过表面处理, 可以有效去
除表面氧化物, 降低表面态密度。但酸系列和碱系列对欧姆接触形成的影响还没有达到共识, 由于材料和
制作工艺的差异, 即使同一种表面处理方法得到的欧姆接触比电阻大小也明显不同。此外, 金属沉积前利
用反应离子刻蚀改善欧姆接触的方法也是常见的。总之, AlGaN 和金属间形成欧姆接触与接触制作
中的物理或化学过程紧密相关, 为寻求合适的材料和恰当的工艺技术方法去实现这种低电阻接触, 深入理
解AlGaN 欧姆接触形成机理, 是制备AlGaN 器件急需解决的问题。
2.2 GaN 材料的刻蚀
&&& 耐腐蚀是GaN
基材料的优点之一, 但同时也给刻蚀带来了困难。GaN 的束缚能是8.92 eV/atom, AlN
是11.52 eV/atom。室温下所有的酸对GaN 腐蚀都很慢, 热碱对它腐蚀也很慢。采用电化学/光化学增强的
方法可以提高刻蚀速率。但由于湿法腐蚀存在图形转移精度差、表面/侧面粗糙、难以控制等缺点很难用于
实用器件的制备。因此无论是商用还是科学研究, 均广泛采用干法刻蚀技术,
包括物理、化学以及二者相
结合的刻蚀方法。物理方法是通过溅射的机制来达到刻蚀材料的目的, 虽然可以获得各向异性的刻蚀, 但
容易造成较大的损伤、粗糙的表面、沟道现象, 选择性较差, 从而会对器件的性能造成较大的影响。化学方
法是采用易于与刻蚀材料表面吸附发生化学反应且易挥发的刻蚀源来刻蚀。其离子能量相对较低, 垂直
和横向的刻蚀速率相同, 经常是各向同性刻蚀, 但由于能量小损伤也小。采用二者相结合的RIE离子辅助等离子体刻蚀可以获得各向异性的刻蚀和相当高的刻蚀速率。
&&& 主要的刻蚀技术包括:
离子束刻蚀、反应离子刻蚀、高密度等离子体刻蚀(ECR、ICP、MRIE)、化学辅助离子束刻蚀、反应离子束刻蚀、低能电子增强刻蚀等。
各种反应等离子体主要包括Cl2 基、I2 和Br2 基及CH4/H2/Ar 等。目前ICPCl2
基等离子体刻蚀倍受人们的重视。
2.3 GaN 基紫外探测器的比较
&&& 从文献报道来看, III
族氮化物光电探测器大致有光导型
、MSM、肖特基结型以及光电二极管型等多种器件芯片结构。
&&& 光导型探测器结构简单,
内部增益高, 但是宽禁带材料容易存在的持续光电导现象给应用带来一系
列问题, 主要表现在响应速度慢、响应时间是光照强度的函数、暗电流高、长波波段会出现假信号现象等,
不适合于直流、高速的工作要求。最近对持续光电导的研究发现, 大偏置下的GaN
光导器件的持续光电导可以得到极大地消退。这一现象的发现可能为GaN光导器件应用带来新的机会。
&&& 肖特基型光电探测器包含一个半透明的肖特基接触和一个欧姆接触。肖特基器件一般具有平滑短波
区响应光谱, 主要原因是肖特基器件的空间电荷区位于半导体表面, 抑制了在pin 结器件中短波时量子效
率的降低, 这是肖特基器件的一大优势, A1GaN 肖特基器件的可见光抑制比可达到104, 最小时间常数为
纳秒数量级, 可用于环境监测并制成紫外光探测器阵列,但受势垒高度的限制,耗尽层窄,漏电流比pin探测器高, 这类器件已经商业化。
光电二极管型探测器一般采用pn和pin结的形式。从入射方向看, 有背照射和正照射两种方式。另
外从器件结构看, 还有同质结和异质结的区别。由于GaN
基材料的直接带隙特性决定了材料的吸收系数
较大, 容易出现短波方向的响应幅度下降, 因此有效吸收的结区应尽量靠近光线入射的一边。采用异质结
的结构有利于改善光谱形状。
&&& 3 GaN 基面阵紫外探测器的研究进展
面阵探测器是光电器件的发展方向之一, 大规模、多波段集成的成像探测器件的使用是简化应用系
统、提高系统能力的重要手段之一。GaN基紫外面阵探测器主要是朝着大规模日盲型发展。目前所有的报
道中, 均采用与红外焦平面类似的工艺, 制备中采用背照射GaN基光电二极管阵列和硅读出电路, 通过
铟柱互连方式得到混成的紫外焦平面器件。1999 年美国Nitronex 公司与北卡罗来那大学、Honeywell
技术中心以及美国夜视实验室成功地实现了基于GaN/AlGaN pin 型背照射32&32
列阵焦平面探测器数字照相机。响应波段为320~365nm, 峰值响应率达到0.2 A/W( 358 nm) ,
内部量子效率达到80%, R0A 为1.5&109 Ωcm2, 计算得到的峰值探测率达到6.1&1013 cmHz1/2W-
1。2000 年他们成功展示了用128&128紫外焦平面探测器制备的数字照相机,
响应波长在320~365 nm。2002年该研究小组又成功制成了320&256 的日盲紫外探测器, 但其中只有部分像元能够有效成像,
且质量不如可见盲探测器清晰, 主要原因可能是高质量的高铝组分的A1GaN材料制备困难。
紫外探测器在军工(军事)上有何具体应用?
比如可以用于在白天探测导弹或飞机,如果此时用红外,会受日光影响。
紫外线(尤其是日盲区280nm以下)在进入大气层时被吸收,而红外线则能穿过大气,所以大气环境里的红外干扰比较严重,而紫外环境相对较干净。所以紫外探测器可以在强红外干扰环境下探测热源。
而且现在有的加油站里也在用紫外热源探测器来探测是否有危险热源。而红外探测器就容易因为干扰热源太多而产生误报警。
氧化锌纳米管是一种极微小的中空细管,外径只有头发丝的1/1000。据悉,氧化锌纳米管能将光能转化为电能,也能将电能转化为光能,能从运动中产生电能,还能探测各种气体。
在所有性质中,最吸引研究人员注意的就是第一种—将光能转化为电能。新一代反狙击技术正是利用了这种性质。任何燃烧火药的武器在发射时都会发出紫外线,
即便是消声设施做得极好的狙击步枪也不例外。紫外线中四散的紫外光子会撞击探测器上的氧化锌纳米原子,在这个过程中发生能量转化,光子的动能被转化为电
能。探测器强大的处理能力能根据电流的强弱判断紫外光子的撞击方向,从而准确锁定狙击手方位。
&&& 早在20世纪50年代,
人们就开始了对紫外探测技术的研究。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展起来的又一军民两用光电探测技术。仅就军用方面,
譬如光电对抗而言, 继红外对抗和反对抗技术的日趋成熟,
紫外对抗和反对抗技术也越来越受到军方的重视。20世纪80年代后期国外已开始紫外技术的军用研究,
并已取得一定的进展。美海军C2130S直升机和P23S运输机上就有世界上第一台紫外线告警器AAR
247。不久就有上千套分别装备于美、英、加、澳等国的飞机, 1991
年在海湾战争中曾投入实战。紫外探测技术在医学、生物学方面也有着广泛的应用,
特别是近几年在皮肤病诊断方面有着独特的应用效果。利用紫外探测技术在检测诊断皮肤病时可直接看到病变细节。也可用它来检测癌细胞、微生物、血色素、红血球、白血球、细胞核等,
这种检测不但迅速、准确, 而且直观、清楚。
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