二极管是电子世界的重要元器件

二极管是电子世界的重要元器件。

在没出现自冷二极管以前，国内在这个领域基础研究的贡献不算突出。

二极管主要的特性就是，一头正一头负，单向导电，一般的压降0.3V-0.7V，目前发展出来的二极管有发光二极管LED、整流二极管、检波二极管、齐纳二极管、肖基特二极管、稳压二极管等等。

各类普通二极管外观

近期出现的一个新型的二极管，叫自冷二极管。

虽然表面还是两个电极，一个正一个负，但内部加入了一个汤姆逊致冷结构，内部呈现NP-N结构，整体压降降低至0.25V-0.65V之间，最终的结果就是同样的结构外形，但发热量显著下降。

这种巧妙的结构来自国内的一个研究机构，美国科学家们也因此掉了眼镜，因为这种结构，能让同样的芯片做更重的活儿。

自冷二极管，他是怎么做到的呢？先看一下普通二极管的内部机构：

常规二极管内部结构

在二极管的P极和N极中间，由于各自电子与空穴的富裕而相吸相斥，导致P和N之间，自动形成了一层空档，这层空档的自建电压在0.3V-0.7V之间，如果电子想从这流过去，必须在正向建立一个大于这个内部自建电压的电压，二极管才能导通。

如果电压反过来，将会导致中间自建电压的空档越来越大，电流将无法流过。

所以二极管有单向导电的特性。

举个例子解析一下自冷二极管在LED中如何发挥作用。

LED主要由带PN结构的固体半导体（芯片）、电极和光学系统组成。

外部电源给P/N结两端加以正向电压，使电流从P区流入N区，N区不断注入电子，P区则不断注入正电荷，当电子和电荷的能量达到一定值时，P/N结处的电子与电荷便产生跨越，此时，电子与空穴相结合，在结合的过程中产生大量的能量，而这些能量以光的形式释放出来，即为LED发光原理。

普通二极管发光是因为电子能级跃迁

来一个更形象、更直接一点的示意图，那就幼儿园都能懂LED的发光与材料内电子能级之间的关系。

微观层面，LED发光的核心原理

上图可见，电子从右边电子内能高的N材料经过PN结流入电子内能低的P极，等于说P材料内的空穴运行半径比N材料中的电子运行半径小一些。

这个半径差也就是N和P材料之间的电子能级差，这个能级差越大，发光越猛烈，不过并不是所有有能级差的材料之间都能发光，因为发光的条件，还需要能级差刚好落在可见波长的能量范围内，否则发不出光来。

那怎么样才是自冷LED呢？很简单，只需要在P极金属基座外蒸镀一层高能级的N材料，巧妙地把顺向的能量流向反过来走一趟用而已。

正向NP结之间，由于需要发光，能级差必须在对应光波厂的能量上，导致N和P材料的可选择的材料种类非常受限。

N和Ｐ之间的能级差太高不行，太低也不行。

但在PN结之外增加的N层，他不需要考虑发光的问题，可以用所有电子势能尽量高的所有N材料。

这样有利于吸入金属板上更多的能量。

如上图可见，电子带着能量从负极进入，在N材料的晶格框架上运行，来到PN结的位置，由于P的空穴半径小，电子把多出的能量放出去变成光和热，通过P的空穴后，经过低电阻率的金半接触后进入导体，此时电子为自由电子，本身承载的能量无需吸放，但再通过金半接触与新增加的高势能N材料的接触面时，由于此N材料中的电子势能需求量大，晶格上电子运行半径大，必须在接触面吸入能量Q，否则电子无法进入大半径轨道。

当这个吸入的能量Q大于金半接触面的电阻所发出的焦耳热量q时，这个热量差(Q-q）就是这个自冷结构的核心竞争力所在。

金半接触的电阻率有很多方法降低，最简单就是扩大接触面。

而吸入的能量Ｑ，也有办法提高，选择能级高的Ｎ材料，足以让Ｑ大于ｑ，吸热就一直在发生。

在微电子原理上，这个结构没有任何障碍。

不过老是有很多人会把这个混淆为半导体制冷片的原理。

其实这只是运用了其中的一个能隙差异的汤姆逊效应而已，和半导体致冷技术有异曲同工之妙。

他们老担心吸进去的热量哪去了？不放出来能行么？

电子携带能量在能隙间跳跃，电势会变

电子从负极过来，流过LED,然后进入新加的N材料，实际的测试效果，电势提高了，也就是器件中的压降降低了。

降低的压降量视乎你的新加的N材料与原来P材料之间的材料内电子能级的差。

每个氧化镉电子和碳化硅电子之间，最大能级差别几乎达到6ev，1库伦电流流过的话，需要的能量达到6ev*(6.25×10^18)＊（1.60×10^-19J)/ev=6J, 当电流流过新加的N结构与金属基板之间的焦耳热量只要低于6焦耳，吸热将会源源不断地发生。

芯片核心的温度就会降低。

这个降低的温度，将能使LED寿命更长，更不容易烧毁。

同样，这样的结构放在大功率整流二极管等应用时，同样具有非常积极的效果。

同样的体积，可以承受更大的电流。

这么巧妙的小结构，产生那么强的积极效果。

晶体管从1947年被发明以来，结构上不断地被推陈出新，但这次的自冷二极管，让人发现，晶体管除了放出焦耳热，还可以利用自身结构回收多于的热量，让人豁然开朗。

1947年12月发明的活动矿石二极管

怪不得，美国科学家也为此掉眼镜。

因为这个结构推广到其他三极管、晶闸管、场效应管、IGBT、集成电路等功率芯片中时，只要能让芯片冷下来，芯片技术将会再来一次翻天覆地的变化。

一根针尖接触在锗石上，就形成世界上第一个二极管。

当年由此开创的晶体管世界，会在中国继续盛放么？