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令人惊奇的LED自冷二极管技术


二极管,电子世界的重要元器件。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。

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。


来一个更形象和直接一点的示意图,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,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,能级差必须在光波上,导致N和P材料的可选择的材料种类非常受限。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,电子把多于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,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。


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?不放出来么?

电子会带着能量在能隙间跳跃,特征是电压会不同

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,电压提高了,也就是器件中压降降低了。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。

不同材料,内部电子势能不同

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的花骨朵,会在中国继续盛放么?


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