無偏二極管原理是什么?

無偏二極管原理是什么?

無偏二極管原理
從伏打電池原理我們知道兩種金屬A和B之間存在著一定的電位差，那么在制造時，讓二極管的兩端保留著這個電位差，這種二極管并不是以單向?qū)щ姙橹鞯摹?

在兩種金屬A和B的界面上，制造出大量的空穴（作者稱為小井），這種空穴非常小，僅僅能讓電子通過。而空穴與空穴之間存在著自建電場，電子無法通過空穴外面穿過金屬界面。

當(dāng)伏打電池的電流形成回路，電流從金屬A一端流向金屬B的一端后，兩塊金屬內(nèi)部的電子達(dá)到了平恒，兩塊金屬之間不再有電位差。

當(dāng)金屬A的溫度升高，而金屬B仍保持原來的溫度，金屬A內(nèi)部的分子自由運(yùn)動的速度升高，金屬內(nèi)部的自由電子運(yùn)動速度跟著升高，自由電子自身的動能也跟隨著增高。在金屬A內(nèi)部自由運(yùn)動的電子，在雜亂無章的運(yùn)動時，撞到了兩種金屬界面上的空穴，自由電子由于自身的動能增加，電子就穿過金屬界面進(jìn)入了金屬B，這樣金屬B內(nèi)部的自由電子數(shù)量就增加了，在外部就顯示出金屬AB之間有了電位差，就可以形成新的電流了。
需光照，也不需溫差，即便將它放入一個密封的金屬盒中，電流電壓也不會受任何影響。

無偏二極管工作原理的分析

當(dāng)用高真空鍍膜時，膜是平的，見圖4中的3。當(dāng)用1.5 Pa～2Pa的氮蒸鍍硅時形成如圖中2的花紋，直徑為0.7μm。1是銻層,為帶井電極。經(jīng)數(shù)百次實(shí)驗證明如下規(guī)律:?

a) 當(dāng)兩塊金屬板夾一層半導(dǎo)體薄層時，如兩塊金屬板都是平的，無論電極的材料、形狀如何變化均無電流、電壓；?

b) 如兩塊金屬板一塊是平的，另一塊板上有很多井，當(dāng)井的直徑很小時，則產(chǎn)生電流、電壓。出現(xiàn)電流與否與材料無關(guān)，與井的形狀也無關(guān)；

c) 帶井電極是負(fù)的；

d) 井的數(shù)目愈多電流愈大;井的直徑愈小電流愈大。

在一個密封的金屬盒中，唯一存在的能量形式是物質(zhì)的熱運(yùn)動。

圖4 玻璃襯板的無偏二極管的微觀結(jié)構(gòu)圖?

據(jù)以上實(shí)驗結(jié)果，對無偏二極管的工作原理分析如下：固體無偏二極管由３層物質(zhì)組成(見圖5)，外邊的兩層1、3彼此平行,由金屬構(gòu)成;中間的一層2由半導(dǎo)體構(gòu)成。兩個金屬電極板中的一個是平的3,另一個是電極1上挖了很多井的6。當(dāng)井的直徑D1很小時,井壁的異性電荷5，9的吸引作用將很顯著。由于該吸引力的作用,可使電荷5，9趨于井壁的表面，形成電場E。該電場的方向與電極板平行。由于電場E很強(qiáng),使從平的電極發(fā)出的電子4和從井底發(fā)出的電子7軌跡彎曲，電子4，7被井壁收集。這樣，該井將具有收集電子的功能，形成電流IT?。?

圖5 無偏二極管工作原理圖

以上的實(shí)驗與分析說明無偏二極管是可行的。但作為能源研究項目，人們最關(guān)心的是它能否應(yīng)用?怎樣做才能達(dá)到應(yīng)用目的?這是本課題最核心的問題。

二極管輸出電壓ET是由于導(dǎo)電電子的熱運(yùn)動引起的，實(shí)驗結(jié)果如下：

由于導(dǎo)電電子熱運(yùn)動速度是不相同的，它們近似服從麥克斯韋爾分布。因此，無偏二極管工作電壓可以在很大的范圍內(nèi)變化。實(shí)驗表明當(dāng)負(fù)載較重時它可輸出30mV～50mV，負(fù)載很輕時可達(dá)600mV。串聯(lián)實(shí)驗可以證明，將多個二極管串聯(lián)可以線性增加電壓。無偏二極管在使用中應(yīng)該將多個二極管串聯(lián)，才能得到較高的電壓，以滿足應(yīng)用。

目前的實(shí)驗得到的電流很小，增加電流是否可能？為此,作者進(jìn)行了長時間的研究。實(shí)驗表明二極管輸出電流IT和井的直徑D1的5次方成反比。用純理論計算的方法也可以推導(dǎo)出IT和D1之間的定量關(guān)系。由于該問題是一個關(guān)鍵問題，除用上述兩種方法外，還用了另外兩種方法求導(dǎo)IT和D1之間的公式，總共用了4種方法。4種方法結(jié)果基本一致，其結(jié)果是：

D1為井的直徑，單位以cm計算；IT為電流，單位以A/cm２計算。

為了給出一個直觀的概念，將IT和D1之間的關(guān)系列于表2。顯然，縮小井的直徑是增加電流最有效的辦法。

由上述討論可知，串聯(lián)可以得到很高的電壓，縮小井的直徑可以獲得強(qiáng)大的電流，有應(yīng)用前景。

理論分析

能量來源的分析 ?

在半導(dǎo)體中有很多的導(dǎo)電電子,每立方厘米半導(dǎo)體中有10～18個導(dǎo)電電子。它們在作雜亂無章的熱運(yùn)動，其速度為107cm/s，是人造衛(wèi)星速度的幾十倍。可見導(dǎo)電電子的能量是很大的。顯然，要巧妙地用自然力控制電子的運(yùn)動，就可以得到很大的能量。此外，這種獲得能量的過程,可以不斷地自動重復(fù)，分析如下。?

圖6上面的器件是無偏二極管。其中右邊的電極為平板電極，左邊的電極為帶井電極。顯然，前者為正，后者為負(fù)。中間部分為半導(dǎo)體材料。由于DT是無偏二極管，故將其兩端用導(dǎo)線相連時，則有一連續(xù)、持久的直流電流IT流過導(dǎo)線。如果在回路中串聯(lián)電阻RT,二極管DT的端電壓也是ITRT，該電壓在二極管DT內(nèi)部形成一個電場E1:

圖6 能量來源的分析

式中，d表示兩電極之間的距離,電場E1方向如圖所示,與電子運(yùn)動方向相同。由于DT具有無偏單向?qū)щ娮饔茫噪娮涌梢杂呻姌O3到達(dá)電極1，反之困難。電極3中的電子由3到1運(yùn)動過程中，受到減速力eE1的作用。當(dāng)它到達(dá)電極1后，克服減速力F1所作的功w1為：

減速力F1與電子熱運(yùn)動方向相反，F(xiàn)1使該電子愈走愈慢。也可以這樣理解，該電子推動電子流流動，因而該電子要降速。電子降速是獲得能量的根源。

如果單位時間有n1個電子由電極3到達(dá)電極1,它們總共損失的能量W1為?

以n1e作為電流的單位,則有:?

就是,二極管將熱運(yùn)動速度較高的電子的多余能量W1拿出來,轉(zhuǎn)變成電阻的功耗。由于熱運(yùn)動速度較高的電子的速度降低了，使二極管溫度下降，其溫度低于環(huán)境溫度，它將從環(huán)境中吸收熱量。電流IT使電阻RT發(fā)熱，電阻向環(huán)境散發(fā)熱量Q3。

負(fù)載發(fā)熱，二極管吸熱二者相等，通過環(huán)境構(gòu)成循環(huán)。能量不斷地自然循環(huán)，為人類所使用。

上述能量循環(huán)過程如圖7所示。能量循環(huán)的推動力是導(dǎo)電電子的熱運(yùn)動。?

圖7 能量循環(huán)圖?

內(nèi)能發(fā)動機(jī) ?

人類從自然界獲得能量，有兩種途徑。一種是向物質(zhì)要能量：如內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、原子能反應(yīng)堆，這類機(jī)器統(tǒng)稱為物質(zhì)發(fā)動機(jī)，它們的共性是散發(fā)余熱；另一種獲得能量的途徑是向內(nèi)能庫要能量，由無偏二極管組成的內(nèi)能發(fā)動機(jī)就是其中的一種，這類發(fā)動機(jī)的共性是散發(fā)余冷。內(nèi)能發(fā)動機(jī)不直觀，由于歷史原因，如科學(xué)的局限性，以前人們認(rèn)為是不可能的，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它的制造已變成可能。

圖8的右部分是一般的熱機(jī)，它由高溫?zé)嵩?、低溫?zé)嵩?、蒸汽機(jī)3部分組成。蒸汽機(jī)從高溫?zé)嵩传@得能量Q1，將其中的一部分轉(zhuǎn)化成有用的輸出功W1，將余熱Q2送入低溫?zé)嵩粗校羝麢C(jī)效率η1為

圖8的左部分是內(nèi)能發(fā)動機(jī)。它的工作熱機(jī)是無偏二極管。導(dǎo)電電子的熱運(yùn)動速度和導(dǎo)電電子數(shù)目之間的關(guān)系如圖8所示。它近似為麥克斯韋分布。熱運(yùn)動速度高的導(dǎo)電電子相當(dāng)于高溫?zé)嵩矗瑹徇\(yùn)動速度低的導(dǎo)電電子相當(dāng)于低溫?zé)嵩础?

無偏二極管中熱運(yùn)動速度高的參加能量轉(zhuǎn)化的導(dǎo)電電子能量總和為Q1，其中W1部分轉(zhuǎn)化為電阻的能量，降速后的電子能量總和為Q2,顯然有：??

式(8)與式(9)完全相同。兩種發(fā)動機(jī)工作過程也極為相似，工作中必須有兩個熱源。?

圖8 內(nèi)能發(fā)動機(jī)與蒸汽機(jī)的比較?

兩種發(fā)動機(jī)所不同的是：蒸汽機(jī)必須不斷添加燃料，余熱散發(fā)到環(huán)境中之后無法循環(huán)利用。而內(nèi)能發(fā)動機(jī)的余熱Q2和散發(fā)到環(huán)境中的熱量Q3可以自動地再回到二極管中。熱運(yùn)動速度低的電子可以通過碰撞變成熱運(yùn)動速度高的電子。內(nèi)能發(fā)動機(jī)利用這一巧妙循環(huán)，給人類不斷地提供能量。巧用循環(huán)對人們并不陌生。人們所用的空氣、水都是通過巧用循環(huán)得到的。顯然，導(dǎo)電電子速度是不相同的，有的快有的慢,是內(nèi)能發(fā)動機(jī)輸出能量的關(guān)鍵。假設(shè)，導(dǎo)電電子速度是相同的，如圖9所示。電子從電極3向電極1的運(yùn)動過程中就不可能降速。導(dǎo)電電子的能量就拿不出來。無偏二極管就不可能輸出電流、電壓。

圖9 假設(shè)的電子分布圖

能量等效定律 ?

自然界中能量有多種形式，如電能、化學(xué)能、動能、位能等等，多種能量可以互相轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)出等效性。然而，無論何種能量一旦轉(zhuǎn)變成散發(fā)到環(huán)境中的熱量，如不另外作功,該熱量再也轉(zhuǎn)化不回來了。也就是散發(fā)到環(huán)境中的熱量與其它能量形式之間是不能等效的。無偏二極管可將散發(fā)到環(huán)境中的熱量自動地轉(zhuǎn)化為電能，電能又可轉(zhuǎn)化成其它形式的能量。這樣，無論能量的形式如何，不論是單一熱源中的熱量，還是兩個熱源中的熱量，均可彼此相互轉(zhuǎn)化，且彼此等效。顯然用下述語言描述全部實(shí)驗是合理的，簡稱能量等效定律：

自然界中的能量有各種不同的形式，不論能量的形式如何，均可借助于無偏二極管和現(xiàn)有的其它技術(shù)手段，任意轉(zhuǎn)化，彼此等效，不產(chǎn)生其它影響。

這一定律的陳述與能量守恒定律的形式很相象。如能將能量守恒定律與能量等效定律合并成一個新的定律，則新定律更加完善，稱為能量守恒、等效定律：

自然界中的能量有各種不同的形式，能夠從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，在轉(zhuǎn)化中能量的數(shù)量不變，彼此等效。?

下劃線部分是作者增加的，其余部分是原來的能量守恒定律的內(nèi)容。能量守恒、等效定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(10)所示：

去掉雙向箭頭，公式兩端以等號連接，就是原來的能量守恒定律。雙向箭頭表示可以任意轉(zhuǎn)化，表示等效。

式(10)也可以理解為物質(zhì)守恒、等效定律的表達(dá)式。由于，式(10)也可以理解為物質(zhì)和能量合到一起的守恒、等效定律。這樣，式(10)也可以不指出它是能量的，還是物質(zhì)的，而將它統(tǒng)稱為守恒、等效定律。為了簡單，也可以將兩句話中間的頓號取消，而成為守恒等效定律。守恒等效定律可以解釋宇宙的永恒性。

無偏二極管遵守?zé)崃W(xué)第二定律

從表面上看，本實(shí)驗與熱力學(xué)第二定律相矛盾，但是仔細(xì)分析起來，人們將看出兩者并不矛盾。

熱力學(xué)第二定律內(nèi)容如下：在一個孤立系統(tǒng)中，熵趨于增大。

對于熱力學(xué)第二定律必須有正確的理解，它所闡明的是大量分子集合表現(xiàn)出來的統(tǒng)計規(guī)律。對于包含分子數(shù)目很少的體系，第二定律是不適用的。因為分子很少時，微觀粒子不對稱熱運(yùn)動效應(yīng)是不能忽略的。例如只包含兩個分子的長方形體系，很有可能出現(xiàn)體系的一半有兩個分子,而另一半則是空著的情況。

對于包含大量分子的體系，微觀粒子不對稱熱運(yùn)動效應(yīng)是可以忽略不計的。例如一個包含一萬個分子的長方形體系,可以出現(xiàn)其左半部分有5001個分子，而右半部分有4999個分子的情況，這時分子的不對稱熱運(yùn)動效應(yīng)完全可以忽略不計。熱力學(xué)第二定律有效。

上述對熱力學(xué)第二定律的解釋是物理學(xué)界所公認(rèn)的，不存在任何疑議。

如將公認(rèn)的熱力學(xué)第二定律和公認(rèn)的對熱力學(xué)第二定律的解釋合到一起，定律則簡明扼要，不用解釋。這時熱力學(xué)第二定律應(yīng)為：在一個微觀粒子不對稱熱運(yùn)動效應(yīng)可以忽略不計的孤立系統(tǒng)中，熵趨于增大。

顯然，這一新的表述，也應(yīng)該是被公認(rèn)的。稱為完整的熱力學(xué)第二定律。將本實(shí)驗與完整的熱力學(xué)第二定律相比較，人們會發(fā)現(xiàn)，它們之間無任何矛盾。

無偏二極管具有誘人的應(yīng)用前景。它由硅構(gòu)成，資源豐富，體積小。將多個無偏二極管串聯(lián)，可以構(gòu)成強(qiáng)大的發(fā)電器，帶動各種電器，如作為手機(jī)、筆記本電腦、電動汽車等的電源。它不污染環(huán)境，從取之不盡的環(huán)境中獲取能量，不需加油，不需充電，是一種新型的理想能源。