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第一章 早晨 1 1 起床（第3页）

在老式的数字手表中，数字通常显示为明亮的红色或绿色。

这就是所谓的LED（LightEmittingDiode），即发光二极管。

二极管是一种特殊的电路元件，由两个半导体构成的PN结组成。

半导体是指导电性能介于金属（优良的导电体）与绝缘体之间的材料。

对于金属来说，其电导率会随着温度的升高而减小，而半导体则相反。

典型的半导体材料有硅（Si）和锗（Ge）。

半导体的特性归因于其特殊的电子结构。

由瑞士物理学家费利克斯·布洛赫（FelixBloch，1905—1983）提出的一个固体物理学理论——能带理论表明，区分金属、半导体和绝缘体的是一个特殊的参数，即能隙（energygap）[14]。

能隙表示所谓的价带（valend）和导带（band）之间的能量差。

价带和导带代表了由固体结构内电子占据的能级（energylevel）组成的能带（energyband）。

金属的能隙为零（当价带和导带相邻时）甚至为负（当价带和导带交叠时）。

这使得电子可以自由地从价带进入导带，这也是其导电性好的原因。

相反，绝缘体的能隙很大，电子不能从价带跃迁至导带。

半导体的能隙介于金属和绝缘体之间，这就说明半导体的电导率虽然不为零，但绝对是低于金属的（图1）。

图1　绝缘体、半导体和金属的电子能带示意图

A电子伏特（eV）为能量单位，1eV=1.60×10-19J（焦耳）。

——编者注

对于半导体，如果温度升高，电子就会获得更多的能量，这就增加了部分电子跃迁至导带的可能性，从而增加物体的电导率。

另外，半导体还有一个重要的特点：如果在它们的晶体结构中掺入少量其他元素作为杂质，半导体的导电性能就会大大增加。

这个过程在技术上称为掺杂（doping）。

如果作为杂质引入的外来元素相比于原来的半导体有一个多余的电子（如硅类半导体中掺入磷元素），则称为N型掺杂（N-typedoping），因为半导体中引入了带负电荷的电子。

反之，如果引入的外来元素缺少一个电子（比如掺入硼元素），则称为P型掺杂（P-typedoping）。

这是因为缺少带负电荷的电子，就相当于引入了正电荷。

这个由于缺少电子而表现出正电性的空位被称为电子空穴（elehole）。

如果把一个P型半导体和一个N型半导体连接起来，就会得到一个PN结（PNjun），即二极管。

这种结具有单向导电性，也就是只允许电流向一个方向流动。

而电流通常是指电荷的定向移动。

在固体导体中，移动的电荷一般是电子。

在PN结中，电子只能从N型区流向P型区，而不能反过来。

如果将PN结二极管插入交流电路（以一定频率周期性改变电流方向的电路）中，只有当电流方向“正确”

时，电流才会流通，反之则不会通过。

最终，交流电流将转化为脉冲电流（pulset）。

如果再加上其他器件（如电容器），就可以获得与直流电（电流的方向始终不变）非常相似的电流。

因此，二极管主要应用于电流整流器（rectifier）中，将交流电转换成直流电。

我们日常普遍使用的各种设备（手机、平板电脑、笔记本等）的充电器就是由整流器和变压器（改变电压）组合而成的。