無偏置二極管,無偏置二極管是什么意思

無任何偏置電流、電壓就具有單向導電作用的二極管稱無偏二極管。由于導體、半導體中導電電子的熱運動，當將該管兩端用導線相連時，則有一持續的直流電流流過該導線且能帶動負載。現能達到的指標是：100mV，0.1μA。電壓已達頂峰，電流還有很大的提高潛力，有廣泛的應用前景。

無偏二極管獲取能量的途徑與常規發電完全不同。它是向內能庫要能量。在導體、半導體中有很多導電電子，它們以很高的速度作熱運動，由于運動方向雜亂無章，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，具有單向導電特性，故可將雜亂無章的熱運動定向化，當將其兩端用導線相連時，便形成了電流。這一能量是二極管中熱運動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境吸收熱量。二極管發出的電流流過負載電阻，負載電阻發熱，熱量散發到周圍環境中，通過環境再還給二極管，自然形成循環，二極管便可持續輸出能量。它發電時不

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，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導電為主的。

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，兩塊金屬內部的電子達到了平恒，兩塊金屬之間不再有電位差。

當金屬A的溫度升高，而金屬B仍保持原來的溫度，金屬A內部的分子自由運動的速度升高，金屬內部的自由電子運動速度跟著升高，自由電子自身的動能也跟隨著增高。在金屬A內部自由運動的電子，在雜亂無章的運動時，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入了金屬B，這樣金屬B內部的自由電子數量就增加了，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、氬氣和氮氣等。

儀器

儀器有超凈室、DMX-220A型真空鍍膜機、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是鍍膜機轉軸；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構圖

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氮氣，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。二極管制作結束。

圖2 無偏二極管制作方法圖

無偏二極管的性能

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

不摻雜的樣品性能，可以保持數年。摻雜的樣品性能可以保持數日至數月。這可能是由于用鍍膜機摻雜不均勻所引起的。用鍍膜機制作二極管，簡單易行,但膜不堅固，難以得到較理想的穩定性。

以可伐合金為襯板，硅為半導體材料，摻雜2％鉻粉制成的二極管，經過28天后，其放電性能見圖3。其橫坐標為時間，單位為min；左邊的縱坐標為二極管輸出電壓，單位為mV；右邊的縱坐標為二極管電流，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

當用高真空鍍膜時，膜是平的，見圖4中的3。當用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。經數百次實驗證明如下規律:?

a) 當兩塊金屬板夾一層半導體薄層時，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，當井的直徑很小時，則產生電流、電壓。出現電流與否與材料無關，與井的形狀也無關；

c) 帶井電極是負的；

d) 井的數目愈多電流愈大;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的熱運動。

圖4 玻璃襯板的無偏二極管的微觀結構圖?

據以上實驗結果，對無偏二極管的工作原理分析如下：固體無偏二極管由３層物質組成(見圖5)，外邊的兩層1、3彼此平行,由金屬構成;中間的一層2由半導體構成。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,使從平的電極發出的電子4和從井底發出的電子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，人們最關心的是它能否應用?怎樣做才能達到應用目的?這是本課題最核心的問題。

二極管輸出電壓ET是由于導電電子的熱運動引起的，實驗結果如下：

由于導電電子熱運動速度是不相同的，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變化。實驗表明當負載較重時它可輸出30mV～50mV，負載很輕時可達600mV。串聯實驗可以證明，將多個二極管串聯可以線性增加電壓。無偏二極管在使用中應該將多個二極管串聯，才能得到較高的電壓，以滿足應用。

目前的實驗得到的電流很小，增加電流是否可能？為此,作者進行了長時間的研究。實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出IT和D1之間的定量關系。由于該問題是一個關鍵問題，除用上述兩種方法外，還用了另外兩種方法求導IT和D1之間的公式，總共用了4種方法。4種方法結果基本一致，其結果是：

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，串聯可以得到很高的電壓，縮小井的直徑可以獲得強大的電流，有應用前景。

理論分析

能量來源的分析 ?

在半導體中有很多的導電電子,每立方厘米半導體中有10～18個導電電子。它們在作雜亂無章的熱運動，其速度為107cm/s，是人造衛星速度的幾十倍。可見導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，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。中間部分為半導體材料。由于DT是無偏二極管，故將其兩端用導線相連時，則有一連續、持久的直流電流IT流過導線。如果在回路中串聯電阻RT,二極管DT的端電壓也是ITRT，該電壓在二極管DT內部形成一個電場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,與電子運動方向相同。由于DT具有無偏單向導電作用，所以電子可以由電極3到達電極1，反之困難。電極3中的電子由3到1運動過程中，受到減速力eE1的作用。當它到達電極1后，克服減速力F1所作的功w1為：

減速力F1與電子熱運動方向相反，F1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,二極管將熱運動速度較高的電子的多余能量W1拿出來,轉變成電阻的功耗。由于熱運動速度較高的電子的速度降低了，使二極管溫度下降，其溫度低于環境溫度，它將從環境中吸收熱量。電流IT使電阻RT發熱，電阻向環境散發熱量Q3。

負載發熱，二極管吸熱二者相等，通過環境構成循環。能量不斷地自然循環，為人類所使用。

上述能量循環過程如圖7所示。能量循環的推動力是導電電子的熱運動。?

圖7 能量循環圖?

內能發動機 ?

人類從自然界獲得能量，有兩種途徑。一種是向物質要能量：如內燃機、蒸汽機、原子能反應堆，這類機器統稱為物質發動機，它們的共性是散發余熱；另一種獲得能量的途徑是向內能庫要能量，由無偏二極管組成的內能發動機就是其中的一種，這類發動機的共性是散發余冷。內能發動機不直觀，由于歷史原因，如科學的局限性，以前人們認為是不可能的，但隨著科學技術的發展，它的制造已變成可能。

圖8的右部分是一般的熱機，它由高溫熱源、低溫熱源、蒸汽機3部分組成。蒸汽機從高溫熱源獲得能量Q1，將其中的一部分轉化成有用的輸出功W1，將余熱Q2送入低溫熱源中，蒸汽機效率η1為

圖8的左部分是內能發動機。它的工作熱機是無偏二極管。導電電子的熱運動速度和導電電子數目之間的關系如圖8所示。它近似為麥克斯韋分布。熱運動速度高的導電電子相當于高溫熱源，熱運動速度低的導電電子相當于低溫熱源。?

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

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

圖8 內能發動機與蒸汽機的比較?

兩種發動機所不同的是：蒸汽機必須不斷添加燃料，余熱散發到環境中之后無法循環利用。而內能發動機的余熱Q2和散發到環境中的熱量Q3可以自動地再回到二極管中。熱運動速度低的電子可以通過碰撞變成熱運動速度高的電子。內能發動機利用這一巧妙循環，給人類不斷地提供能量。巧用循環對人們并不陌生。人們所用的空氣、水都是通過巧用循環得到的。顯然，導電電子速度是不相同的，有的快有的慢,是內能發動機輸出能量的關鍵。假設，導電電子速度是相同的，如圖9所示。電子從電極3向電極1的運動過程中就不可能降速。導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、化學能、動能、位能等等，多種能量可以互相轉化，表現出等效性。然而，無論何種能量一旦轉變成散發到環境中的熱量，如不另外作功,該熱量再也轉化不回來了。也就是散發到環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到環境中的熱量自動地轉化為電能，電能又可轉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，均可彼此相互轉化，且彼此等效。顯然用下述語言描述全部實驗是合理的，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有的其它技術手段，任意轉化，彼此等效，不產生其它影響。

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，能夠從一種形式轉化為另一種形式，在轉化中能量的數量不變，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容。能量守恒、等效定律的數學表達式如式(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化，表示等效。

式(10)也可以理解為物質守恒、等效定律的表達式。由于，式(10)也可以理解為物質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，還是物質的，而將它統稱為守恒、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。

無偏二極管遵守熱力學第二定律

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

熱力學第二定律內容如下：在一個孤立系統中，熵趨于增大。

對于熱力學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出來的統計規律。對于包含分子數目很少的體系，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動效應是不能忽略的。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動效應是可以忽略不計的。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動效應完全可以忽略不計。熱力學第二定律有效。

上述對熱力學第二定律的解釋是物理學界所公認的，不存在任何疑議。

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

顯然，這一新的表述，也應該是被公認的。稱為完整的熱力學第二定律。將本實驗與完整的熱力學第二定律相比較，人們會發現，它們之間無任何矛盾。

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