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矿石检波器

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发表于 2024-1-9 01:39:16 | 显示全部楼层 |阅读模式

1874 年,卡尔·费迪南德·布劳恩发现了某些天然矿石具有单向导通的特性,这可以被视为人类第一次发现半导体的整流特性,也是矿石检波二极管最早的雏形。随后,在 1894 年,贾格迪什·钱德拉·博斯利用方铅矿的单向导电性,制成了世界上第一个检波器——矿石检波器。英文叫:crystal detector,又叫:cat's whisker radio detector(猫须检波器),因为它是用一根细金属丝,与方铅矿进行接触,利用接触点的单向导电性进行检波的。

早期人们并没有完全理解矿石检波器的内在机理,直到 20 世纪 30 年代,人们才逐渐认识到矿石检波器实际上是利用金属-半导体接触点形成的肖特基势垒具有的单向导电性进行检波的。

肖特基势垒具有单向导电性的原理是基于金属与半导体(通常是N型半导体)接触时形成的势垒。当金属与 N 型半导体接触时,由于金属的功函数通常高于半导体的功函数,电子会从半导体流向金属,直到两者的费米能级相等。这个过程会在半导体表面形成一层正的空间电荷区,同时产生一个由半导体指向金属的内建电场。

这个内建电场会阻止电子从金属流向半导体,从而形成肖特基势垒。此时,半导体一侧的能带会向上弯曲,形成势垒高度。这个势垒高度决定了电子从金属流向半导体的难易程度。

在正向偏压下(即金属接正电压,半导体接负电压),内建电场会被削弱,半导体一侧的势垒高度降低,从而允许电子从金属流向半导体,形成正向电流。此时,肖特基势垒表现出单向导电性。

反之,在反向偏压下,内建电场会增强,势垒高度增加,电子从半导体流向金属的难度增大,因此反向电流很小。这就是肖特基势垒具有单向导电性的原理。

需要注意的是,肖特基势垒的单向导电性与 PN 结二极管有所不同。在 PN 结二极管中,正向偏压下是由于 P 区和 N 区的多数载流子相互扩散而形成电流;而在肖特基势垒中,正向电流主要是由于金属中的电子进入半导体的导带而形成的。因此,肖特基二极管通常具有更低的正向压降和更快的开关速度。

矿石检波二极管在无线电技术的发展过程中发挥了重要作用。例如,在 1900 年,美国人格林里夫·惠特勒·皮卡德基于矿石检波器成功制造了世界上第一个矿石收音机,这为无线电广播的迅速普及奠定了基础。此外,在无线电通信、电视接收等领域,矿石检波二极管也得到了广泛应用。

矿石检波器的工作原理是基于其单向导电性。当无线电波通过矿石检波器时,矿石会只允许电流在一个方向上通过,从而将无线电信号中的高频成分滤除,只保留音频信号。这样,矿石检波器就能将无线电波转换为可听的声音信号,通过耳机或扬声器播放出来。

除了方铅矿,具有单向导电性的矿石还有黄铁矿硫化锌等。需要注意,这些矿石的导电性能可能受到多种因素的影响,如矿石的纯度、颗粒大小、温度等。因此,在实际应用中,可能需要对矿石进行一定的处理或选择,以获得最佳的导电效果。

矿石检波器有固定矿石检波器和活动矿石检波器两种类型。固定矿石检波器的矿石是固定的,无法调整其位置或压力。而活动矿石检波器则允许通过调整矿石的位置或压力来改变其单向导电性,以获得最佳的检波效果。

矿石检波器是矿石收音机的重要组成部分,矿石收音机是一种最简单的无线电接收装置,主要用于接收中波公众无线电广播。这种收音机无需电源,节能环保,而且可以用来测试天线或地线的效率,引导初学者和小朋友进入无线电广播的天地。尽管现代的无线电接收设备已经更加先进和稳定,但矿石检波器作为电子技术的早期应用之一,在无线电发展史上仍然具有重要的地位。


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