無偏置二極管,無偏置二極管是什么意思

無偏置二極管,無偏置二極管是什么意思

無任何偏置電流、電壓就具有單向?qū)щ娮饔玫亩O管稱無偏二極管。由于導(dǎo)體、半導(dǎo)體中導(dǎo)電電子的熱運(yùn)動(dòng)，當(dāng)將該管兩端用導(dǎo)線相連時(shí)，則有一持續(xù)的直流電流流過該導(dǎo)線且能帶動(dòng)負(fù)載?，F(xiàn)能達(dá)到的指標(biāo)是：100mV，0.1μA。電壓已達(dá)頂峰，電流還有很大的提高潛力，有廣泛的應(yīng)用前景。

無偏二極管獲取能量的途徑與常規(guī)發(fā)電完全不同。它是向內(nèi)能庫要能量。在導(dǎo)體、半導(dǎo)體中有很多導(dǎo)電電子，它們以很高的速度作熱運(yùn)動(dòng)，由于運(yùn)動(dòng)方向雜亂無章，互相抵消電流為零。無偏二極管在無任何偏置電流、電壓的條件下，具有單向?qū)щ娞匦?，故可將雜亂無章的熱運(yùn)動(dòng)定向化，當(dāng)將其兩端用導(dǎo)線相連時(shí)，便形成了電流。這一能量是二極管中熱運(yùn)動(dòng)速度高的電子降速換來的，因而二極管將降溫；降溫后的二極管從周圍環(huán)境吸收熱量。二極管發(fā)出的電流流過負(fù)載電阻，負(fù)載電阻發(fā)熱，熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中，通過環(huán)境再還給二極管，自然形成循環(huán)，二極管便可持續(xù)輸出能量。它發(fā)電時(shí)不

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(shí)，讓二極管的兩端保留著這個(gè)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(chǎng)，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(dòng)的速度升高，金屬內(nèi)部的自由電子運(yùn)動(dòng)速度跟著升高，自由電子自身的動(dòng)能也跟隨著增高。在金屬A內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)的電子，在雜亂無章的運(yùn)動(dòng)時(shí)，撞到了兩種金屬界面上的空穴，自由電子由于自身的動(dòng)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。

無偏二極管的制作方法

材料

材料有硅粉、鉻粉、鍺粉、磷、鎢絲電極、載玻片、可伐合金、鎳鉻絲、金屬銻、氬氣和氮?dú)獾取?

儀器

儀器有超凈室、DMX-220A型真空鍍膜機(jī)、顯微鏡。

制作方法

圖1為二極管外觀圖，其中31是方形載玻片，作二極管的襯板；3是鉻層；2是硅層；1是銻層。制作方法見圖2，圖中的34是鍍膜機(jī)轉(zhuǎn)軸；26是模板；32是載料圓盤；31是方形載玻片；33是彈性壓片；23是蒸鍍膜用電極。

圖1 玻璃襯板無偏二極管外觀結(jié)構(gòu)圖

鉻層3制作過程為：將鎳鉻絲電極裝在圖2中的23處，將模板26和方形載玻片31放在載料圓盤上。抽真空至5×10-3Pa，將鎳鉻絲通電至發(fā)紅，由于鉻的升華特性，載玻片上便可得到一層好的鉻膜層。?

硅層2制作過程為:將螺旋型電極裝在圖2中的23處，電極上涂硅粉，將模板26和鍍好鉻的載玻片31放在載料圓盤上。抽真空至5×10-3 Pa，再加1.5 Pa氮?dú)?，通電將電極加熱使硅熔化，在鉻層上便形成了一層硅膜。?

銻層1制作過程為：將螺旋電極裝在圖2中的23處，將銻塊夾到螺旋電極的螺旋中，將模板26和鍍好鉻和硅的載玻片31放在載料圓盤上。抽真空至5×10-3Pa，將電極通電，便可得到鍍銻層。二極管制作結(jié)束。

圖2 無偏二極管制作方法圖

無偏二極管的性能

測(cè)量無偏二極管性能時(shí)，必須將它放入一個(gè)密封金屬盒中。在這個(gè)密封盒中，光電池等器件輸出電流電壓應(yīng)為零。制作成功的二極管性能見表1。

不摻雜的樣品性能，可以保持?jǐn)?shù)年。摻雜的樣品性能可以保持?jǐn)?shù)日至數(shù)月。這可能是由于用鍍膜機(jī)摻雜不均勻所引起的。用鍍膜機(jī)制作二極管，簡(jiǎn)單易行,但膜不堅(jiān)固，難以得到較理想的穩(wěn)定性。

以可伐合金為襯板，硅為半導(dǎo)體材料，摻雜2％鉻粉制成的二極管，經(jīng)過28天后，其放電性能見圖3。其橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為min；左邊的縱坐標(biāo)為二極管輸出電壓，單位為mV；右邊的縱坐標(biāo)為二極管電流，單位為μA。圖中有兩條曲線，上邊一條是電流曲線；下邊一條是電壓曲線。

圖3 可伐合金襯板的無偏二極管性能

無偏二極管工作原理的分析

當(dāng)用高真空鍍膜時(shí)，膜是平的，見圖4中的3。當(dāng)用1.5 Pa～2Pa的氮蒸鍍硅時(shí)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(yàn)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(dòng)。

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(yàn)結(jié)果，對(duì)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(gè)金屬電極板中的一個(gè)是平的3,另一個(gè)是電極1上挖了很多井的6。當(dāng)井的直徑D1很小時(shí),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(chǎng)E。該電場(chǎng)的方向與電極板平行。由于電場(chǎng)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(yàn)與分析說明無偏二極管是可行的。但作為能源研究項(xiàng)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(dòng)引起的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

由于導(dǎo)電電子熱運(yùn)動(dòng)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(yàn)表明當(dāng)負(fù)載較重時(shí)它可輸出30mV～50mV，負(fù)載很輕時(shí)可達(dá)600mV。串聯(lián)實(shí)驗(yàn)可以證明，將多個(gè)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(gè)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(yàn)得到的電流很小，增加電流是否可能？為此,作者進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究。實(shí)驗(yàn)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(jì)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(gè)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(jì)算；IT為電流，單位以A/cm２計(jì)算。

為了給出一個(gè)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(gè)導(dǎo)電電子。它們?cè)谧麟s亂無章的熱運(yùn)動(dòng)，其速度為107cm/s，是人造衛(wèi)星速度的幾十倍?？梢妼?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(dòng)，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(dòng)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(shí)，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(gè)電場(chǎng)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(chǎng)E1方向如圖所示,與電子運(yùn)動(dòng)方向相同。由于DT具有無偏單向?qū)щ娮饔?，所以電子可以由電極3到達(dá)電極1，反之困難。電極3中的電子由3到1運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)電子流流動(dòng)，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(shí)間有n1個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)力是導(dǎo)電電子的熱運(yùn)動(dòng)。?

圖7 能量循環(huán)圖?

內(nèi)能發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)就是其中的一種，這類發(fā)動(dòng)機(jī)的共性是散發(fā)余冷。內(nèi)能發(fā)動(dòng)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)嵩础⒄羝麢C(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?，蒸汽機(jī)效率η1為

圖8的左部分是內(nèi)能發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)速度高的導(dǎo)電電子相當(dāng)于高溫?zé)嵩?，熱運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)工作過程也極為相似，工作中必須有兩個(gè)熱源。?

圖8 內(nèi)能發(fā)動(dòng)機(jī)與蒸汽機(jī)的比較?

兩種發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)的余熱Q2和散發(fā)到環(huán)境中的熱量Q3可以自動(dòng)地再回到二極管中。熱運(yùn)動(dòng)速度低的電子可以通過碰撞變成熱運(yùn)動(dòng)速度高的電子。內(nèi)能發(fā)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(yàn)是合理的，簡(jiǎn)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(gè)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(hào)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(jiǎn)單，也可以將兩句話中間的頓號(hào)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(yàn)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(gè)孤立系統(tǒng)中，熵趨于增大。

對(duì)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(jì)規(guī)律。對(duì)于包含分子數(shù)目很少的體系，第二定律是不適用的。因?yàn)榉肿雍苌贂r(shí)，微觀粒子不對(duì)稱熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng)是不能忽略的。例如只包含兩個(gè)分子的長(zhǎng)方形體系，很有可能出現(xiàn)體系的一半有兩個(gè)分子,而另一半則是空著的情況。

對(duì)于包含大量分子的體系，微觀粒子不對(duì)稱熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng)是可以忽略不計(jì)的。例如一個(gè)包含一萬個(gè)分子的長(zhǎng)方形體系,可以出現(xiàn)其左半部分有5001個(gè)分子，而右半部分有4999個(gè)分子的情況，這時(shí)分子的不對(duì)稱熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng)完全可以忽略不計(jì)。熱力學(xué)第二定律有效。

上述對(duì)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(duì)熱力學(xué)第二定律的解釋合到一起，定律則簡(jiǎn)明扼要，不用解釋。這時(shí)熱力學(xué)第二定律應(yīng)為：在一個(gè)微觀粒子不對(duì)稱熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng)可以忽略不計(jì)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(yàn)與完整的熱力學(xué)第二定律相比較，人們會(huì)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(gè)無偏二極管串聯(lián)，可以構(gòu)成強(qiáng)大的發(fā)電器，帶動(dòng)各種電器，如作為手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)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。