二十世纪人类最伟大的杰作—P-N结
（兼简述光的本性，电的本性）
宇宙研究网站长 吴东敏
二十世纪人类最伟大的杰作—P-N结，它彻底改变了人类文明。P-N结是半导体二极管的核心构件，从结的两端分别引出一根电极就成了二极管，两根电极分别叫正极和负极。
二极管的主要特性是，它具有单向导电的作用。把通常的7号电池的正极与二极管的正极连接，把电池的负极与二极管的负极连接，二极管就有电流通过，如果接反了极性，二极管就没有电流通过，这就是二极管的单向导电作用。P-N结的用途非常之大，人类制造出来的P-N结总数按地球70亿人口去分，每人可以分到多少万个？如果去统计的话，一定不是一个小的数字。
一块太阳能电池板就是一个P-N结，一个发光二极管（一个LED照明灯）就是一个P-N结。这些P-N结形体比较大。最小的P-N结存在于芯片之中，芯片别名叫大规模集成电路。指甲盖大小的芯片中，含有数亿个P-N结已经比比皆是，如果2纳米的芯片制造出来以后，单个芯片的P-N结数量将可以达到数百亿个以上。
一，制作P-N结的半导体材料
半导体材料有单质和许多合金化合物。最典型而且用途最广的是硅（元素符号Si，原子量28），地球中硅含量非常高，占25.7%，通常以硅氧化物和硅酸盐的形式存在，以硅为主的岩石，沙土，玻璃，水泥，陶瓷，无处不在。把硅提纯出来制取多晶硅，单晶硅。用于太阳能电池板的单晶硅材料其纯度达99.99%以上，制造芯片的单晶硅纯度更高，达到九个九。单晶硅的电阻率较高，叫作本征半导体。掺有少量三价元素硼的单晶硅的电阻率迅速降低，成为P型半导体，多数载流子是“空穴”，通常叫作“空穴”型半导体。掺有少量五价元素磷的单晶硅的电阻率迅速降低，成为N型半导体，其中多数载流子是电子，通常叫作电子型半导体。
二，二极管
二极管的种类繁多。按照功能用途分类，主要有：普通二极管，检波二极管，整流二极管，限幅二极管，调制二极管，混频二极管，开关二极管，变容二极管，稳压二极管，阻尼二极管，发光二极管（单色，双色，多色，红外，激光），光敏二极管，恒流二极管，双基极二极管，隧道二极管，金属-半导体二极管（肖特基二极管），等数十个种类。它们在制造时形成的P-N结由于材料不同，掺杂元素及其分量各异，还有工艺不同，形成的P-N结的大小尺度厚度电性不同，使二极管有各种各样不同的伏安，频率，温度，击穿及其它光电特性，制成各种不同用途的二极管。
按照制造结构分类有：点接触型二极管，合金型二极管，平面型二极管，台面型二极管，键型二极管，扩散型二极管，外延型二极管，合金扩散型二极管等多种。
三，三极管
把两个P-N结巧妙地制造在一起，就成了三级管，有P-N-P和N-P-N两种形式。可以引出三个电极，分别称为：发射极，基极，集电极。在场效应三极管（便于大规模集成）中分别称为：源极，栅极，漏极。与二十世纪初期发明的玻璃真空电子三极管的阴极，栅极，阳极相对应。
1948年第一个晶体三极管诞生在美国贝尔实验室，用半导体锗材料制作，这是如今电子时代开启的里程碑标志。此后十多年，由半导体硅材料制造的硅二极管，硅三极管的出现，现代电子技术才真正开始飞速发展。
由两个P-N结构成的三极管有电流或电压的放大作用。用基极偏流控制集电极电流，或者用栅极偏压控制漏极电流，可以使三极管工作在截止区，放大区，饱和区（也叫导通区）。
工作在放大区的三极管可实现对电压，电流，功率的放大作用，可实现振荡，变频和对高频电流，中频电流，视频音频电流的放大。使现代电子通信成为可能。
工作在截止区与饱和导通区的三极管可构成开关电路，传输0与1两种数字信号，多个三极管和二极管构成的逻辑门电路，有与门电路，或门电路，非门电路，与非门电路，或非门电路及其组合成的逻辑运算和操作电路，使现代电子计算成为可能。
故此，由P-N结构成的三极管把现代电子通信和电子计算两大类科学有机地联系在一起，改变了这个世界。
四，P-N结的工作原理
这里仅以LED光源与太阳能硅光电池为例阐述P-N结的工作原理。这两个都是二极管，一个属于电光器件，另一个是光电器件，都涉及到光的本性和电的本性问题。趁此机会，也回答我的书《宇宙的真谛》前言中提出的第10条问题：“LED光源（发光二极管）是怎样发光的？描述电变成光的过程？”
光的本性，电的本性是宇宙难题。近代科学400年以来，伟大的科学巨匠自从笛卡尔，牛顿，惠更斯，胡克，库仑，法拉第，高斯，安培，麦克斯韦，赫兹，薛定谔，德布罗意，玻恩，汤姆逊，普朗克，爱因斯坦等物理学大佬，直至如今的科学界，始终都没有把光电的本质真正认识和辨别清楚。有的认为光是微粒，有的认为光是波，光的波粒二像性一直困扰着科学界。有的认为电是一种微粒（电荷），是一种“场”，是一种“波”。直到1897年，汤姆逊发现了“电子”的存在和对荷质比的测定，1909年密立根对电子电量和质量的测定与计算，才进了一大步。接下来的问题是电子为什么会发光呢？从事带电粒子加速器，正负电子对撞机，大型强子对撞机，同步辐射光源，自由电子激光器等科技前沿研发和工作的科学家对光与电的本质认识清楚了吗？如果认识清楚了，就不是宇宙难题！
1，电子与正电子
1897年，汤姆逊在阴极射线研究中发现电子。1932年，安德森在威尔逊云室（带电粒子径迹探测器）里拍摄射线径迹时发现正电子。二十世纪三十年代又发明了带电粒子加速器，经过不断改进发展，现代的同步辐射加速器和对撞机的制造给国计民生和科技进步带来飞速发展。中国也不甘落后，通过技术引进和发展，上世纪九十年代，北京正负电子对撞机同步辐射装置（第一，第二代光源）已有15条光束线和相应的实验站，用于物理，化学，生物，医药，材料等科学研究方面。中科大合肥国家同步辐射实验室，建成了800MeV，流强为100到300mA的电子储存环和200MeV电子直线加速器作为注入器的第二代同步辐射光源。上海张江同步辐射光源是第三代世界上性能最好的高能光源。这些高纯度高亮度光源与对撞机的工作物质是电子束流和正电子束流。
获得高强度电子束流的办法比较简单一些，由热电子辐射，加速，聚焦可以获得，把它导入加速器中加速，获取能量达到1.5GeV以上的高能电子束。
正电子束流的获得比较不容易，正电子存在于原子核内，用低能加速器把电子束加速到100MeV以内，对原子核进行轰击，使核內质子或中子解体，再用电场或磁场分离出正电子束流，然后加速，再导入储存环。在此插句题外话，2016年3月，中科院上海光机所用强激光（拍瓦飞秒级装置）对高压氩气靶照射，敲开了氩原子核，也分离出电子流和正电子流。这两个实验强有力的支持了“二粒三构”理论学说原理，沉重地打击了原子核由夸克构成的高能物理（物质由62种粒子构成，其中36种夸克12种轻子，14种玻色子）神学理论。
高能电子束流转弯时从弯道切线方向辐射出强光。正负电子对撞计实验发出的只有强烈光辐射。在这两个实验中，中国学者吴东敏于2010年建立了电子与正电子的结构模型。在模型中，电子与正电子由许多D粒子（光粒子）和M粒子（以太粒子）所构成。从此，“二粒三构”理论学说浮出水面。
电子的密度比原子核的密度还要大，超过1000万吨/立方厘米，一个电子的内部约有100亿亿颗光粒子。光粒子携带负电，光粒子之间必须通过尺度很小，密度很大，携带微量正电，且荷质比很小的以太粒子，作为中介粒子，把所有光粒子连接起来。强大的万有引力与库仑引力使电子成为非常稳定的粒子。
正电子由许多正微子依靠万有引力并克服正微子之间库仑斥力而结合在一起，稳定性很差，通常只存在于原子核中。正微子由光粒子吸附大量的携带正电的以太粒子构成，万有引力和库仑引力使正微子成为较为稳定的粒子，呈正电性。正微子的结构稳定性大大超过正电子。
2，电子发光与光的本性（简述）
由于电子的荷质比很大，所以电子是自旋速度很大的粒子，它通常吸附了空间中存在的大量正微子，中微子等以太物质，构成一个高速自旋的电子旋涡状态的结构。正微子，中微子，以太粒子来自太阳，是太阳风的主要成分。游离的以太粒子数量很大，在空间中形成泡沫结构，扩散到整个太阳系所有空间之中，它是光和万有引力的传播媒质。
在加速器半径较大的圆形轨道中，电子携带着旋涡物质一起加速。如果要在轨道某几处建立工作出口，就要使电子束流发生转弯，由于惯性，在转弯处，旋涡中的正微子中微子被挤压并从切线方向甩出，其表面的以太物质脱落，会形成大量的游离裸光粒子，一批光粒子之间，由于库仑斥力非常大，它们会在以太泡沫中以光的速度辐射出强光。发光的波长与频率由这批粒子周边的以太泡沫浓度或者密度和厚度来决定，如果以太泡沫越浓越密（泡沫越小）越厚，则光子辐射阻力越大，此时光粒子之间的距离就越小，表示辐射波长λ越短，光的频率f会越高，表达式：f=c/λ。
宇宙中一切发光现象的本质相同，必须出现大量的游离的光粒子存在于以太泡沫结构中形成光源。原子核外高速运行的电子发生轨道转移，电子旋涡物质受到挤压甩出脱落，都会产生数量大小不同的游离光粒子，形成光源。如蜡烛木材燃烧，钢铁等金属烧红，陶瓷烧制，气体放电等等不计其数的发光例子的原理相同。属于电子外表旋涡结构的电磁以太（正微子，中微子）发光，简称电子发光。
在正负电子对撞机中，正负电子内部结构解体，外部的正微子，中微子解体，大量的光粒子在库仑斥力的作用下，产生强烈的光辐射。
在核裂变，核聚变，恒星燃烧等核反应中，有一部分电子和正电子对撞解体成为光粒子，光粒子之间巨大的库仑斥力，辐射时会产生巨大的能量。这就是核能的本质。
宇宙中所有的发光现象按光源的本质归纳为两大类：电磁以太发光（包括通常的电子发光）和电子解体发光。
3，电流物质（载流子）与电的本性（简述）
正微子从未引起科学家的重视。正微子是最重要的粒子，直径尺度约为10-20 m，密度约为1000万吨/立方厘米以上，携带微量正电。银铜铝等金属导体内部，有许多携带负电的自由电子。空间中来自太阳的大量正微子进入导体内部被电子的电场所吸引，正微子只进不出，所以在金属内部的正微子浓度很大。空间中的中微子不带电，进到导体内部后，又可以从导体中出来，所以在金属内部的浓度不大，它是电阻物质。空间中的负微子虽然含量很小，但由于导体中电子负电场的斥力，被拒止而不能进入到导体内部。尼龙线，通常的塑料，陶瓷，木棍等非金属物质，由于内部自由电子的数量微乎其微，因此，其内部的正微子数量少的可怜，所以不导电，成为绝缘体。
导体中有许多正微子呈气态，成为“电子气”。单个正微子的体积比电子约小1000万亿倍，是携带正电的电流粒子，也是半导体理论中，P型半导体内的“空穴”物质，是携带正电的多数载流子（简称多子）。电子在P型半导体中是少数载流子（简称少子）。
电子是携带负电的电流物质，它在导线中的流速很慢，经科学家测量，流速不到每秒1米，在发电，输电，配电系统中，电子不能成为输运电能的主要电流物质，但它是在导线内部广大空间中建立负电场的不可缺少的载流子。在半导体理论中，电子是N型半导体中的多数载流子（简称多子）。
几乎所有的电流效应都由导体中的正微子产生，如：电流的热效应，光效应，磁效应，霍尔效应，微波效应，趋肤效应等等。
人类把水力，火力，核能，燃料，风能通过水轮机，蒸汽轮机，内燃机或直接转化为机械能，带动机械式同步发电机输出电能，供日常生产生活需要。发电机有型号大小，发电方式，同步转速的不同，制成不同的发电机。但其发电原理是相同的：线圈绕组（导线）在直流电磁铁产生的恒定磁场里作机械切割运动，驱使导线内的正微子向导线的一端驱赶，形成导线两端的正微子气体浓度差（称电动势或称电压），许多导线的两端串联一起，形成较高的电压。用导线输出电压到各种用电器，形成正微子气体的流动（产生电流）。
其他的发电方式有：各种化学电源（干电池，铅蓄电池，锂离子电池等），燃料电池，磁流体发电，太阳能光伏发电等。主要载流子都是正微子气体。
4，LED光源发光原理
二极管中，P型半导体与N型半导体之间，由于载流子的相互扩散作用，N区中的电子受到P区正电的吸引跑到P区的界面内，P区中的空穴（正微子气体）受到N区负电的吸引跑到N区的界面内，达到饱和状态，形成一个较薄的P-N结。在P区接电池正极，N区接电池负极时，在电压的驱动下，正微子气体进入P区后受到P-N结的N端电子的吸引，由于粒子速度的惯性作用，很快地穿过P端到达N区，形成较大的正向电流。如果电池反接，进入N区的正微子气体，受到P-N结P端正微子气体的正电斥力，被拒之而不能穿过P-N结，不能形成反向电流（反向电压较高时有非常小的反向漏电流）。如果把电子看成载流子，在二极管中流动，表现的情况与上述相同。这就是所有二极管或P-N结单向导电的工作原理。
LED光源是一个特殊的二极管，与其它二极管不同的是使用的半导体材料不同。通常有镓（Ga），砷（As），磷（P），铝（Al），氮（N），铟（In）等元素的化合物，有：磷化镓（GaP），砷化镓（GaAs），镓铝砷（GaAlAs），氮化镓（GaN），铟镓氮（InGaN）等等多种化合物。以氮化镓（GaN）为例，它是全球热点研究的第三代发光二极管（电照明）的主要材料。氮化镓的电阻率很大，掺杂后可以制成p型（P-GaN）和N型（N-GaN）半导体，它们具有工作电压高，导通电阻低，开关频率高等优点。在两块半导体之间由于渗透扩散作用会产生单向导电的异质结。在正向电压的驱动下，载流子进入异质结会受到结中带电离子的加速，发生碰撞。正微子或电子旋涡物质的正微子中微子表面的以太粒子发生脱落成为裸光子，大量的裸光子互相排斥瞬间产生光辐射。镓的熔点很低，它在其化合物中常以离子态存在，使化合物电离，对载流子有吸引，加速，碰撞作用，它像“剃刀”一般剃除正微子中微子表面的以太粒子成为裸露的光粒子，库仑斥力使无数光粒子发生光辐射。不同材料的发光颜色不同，覆盖频率几乎从红外到紫外整个波段范围。发光二极管的电光转换效率可以达到80%，工作寿命达到十万小时。
5，太阳能硅电池发电原理
太阳电池有多种多样，有硅太阳电池，薄膜太阳电池，化合物太阳电池，有机半导体电池等。硅太阳电池以单晶硅太阳电池的光电转换效率最好，可以达到23.4%，是当今世界广泛采用的光伏发电方式。其主要部件是太阳能硅片，实质上就是一个面积较大的面接触型的二极管，每片含有一个P-N结。
通常太阳电池硅片的制造方法简述如下：把制成的P型半导体单晶硅锭，在线切割机上用微晶碳化硅（SiC，金刚砂，硬度9）磨料进行切片。每片厚度约为0.2-0.3mm。再对硅片表面用含有氢氧化钾的碱醇混合液进行清洗制绒，使其增加对太阳光的吸收率。然后将硅片的一面用三氯氧磷（POCl3）在高温下进行磷扩散，表面的P型单晶硅转换成N型。在P型与N型之间形成一个P-N结。再对N型表面用导电银胶印制电极。电极线宽通常为0.2mm的条格型。N型表面作为采集太阳光的正面。
硅电池的发电原理通常认为；当太阳照射到P-N结时，产生电子-空穴对，并在内建电场的作用下，电子驱向N型区，空穴驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，于是在P-N结的附近形成了与内电场方向相反的光生电场。在N区与P区间产生电动势。当接通外电路时便有了电流输出。这种用以每秒30万公里速度的光粒子在P-N区打击出无数“电子-空穴对”的理论是现代理论物理学家的经典解释，且问：a，太阳光子是击中哪区的电子呢还是原子核呢？b，在任何情况下，怎么会有电子驱向N型区，空穴驱向P型区的现象？岂不是电的同性相斥变成同性相吸吗？显然，这种权威解释不能服人。
太阳硅电池的发电原理到底怎样？首先从光的本性开始。2003年，中国学者吴东敏从通常使用的平面镜做了实验，把太阳光用镜子反射到室内光线很暗的墙面上，出现一个很亮的光影。其实这种实验很多人小时候都做过，只是没有引起重视而已。从镜子制造工艺知道，玻璃表面用化学方法，沉积了一层粒子极小的非常致密的银子。由于银铜铝等金属，在原子之间都有一批自由电子，形成致密的负电场。可以断定：光子必须携带负电。这样才能使每秒30万公里速度的高密度粒子改变方向，反射出来。接触距离趋向无穷小，库仑斥力趋向无穷大。
阳光照射到硅电池板上，进入N区到P-N结的P端（异性相吸）但不能穿过P-N结的N端（同性相斥），使大量光子速度由每秒30万公里立即降到0。速度为0的光子立即吸收空间中的以太粒子成为负微子（不可能变成为电子）。大量的负微子集聚，使N极携带负电，与P极产生电势差。单片太阳电池的电压为0.5-0.7伏。直射光子与散射光子都能产生光伏电压。当外电路接通后，正极的正微子通过电路跑到负极与负微子复合，形成电流。
国外的太阳硅电池与中国不同，经常采用在N型单晶硅片上生长出P型单晶硅的方法，制造P-N结。太阳光从P区射入，进到P-N结的N端外侧（同性相斥），不能进入P-N结，因此在P区聚集了大量的光子，同样，静态的光子吸收以太粒子后产生了大量的负微子，使P极携带负电，与N极产生电势差。所以不管太阳硅电池的P极还是N极朝向太阳，都能发电。朝太阳的这面永远是电池的负极。也是因为光粒子携带负电的原故。
以上才是太阳硅光电池发电的真正原理。
2022，04，15 于浙江嘉兴