徐业林，河北省秦皇岛市人，1938年生，1962年在兰州大学现代物理系毕业，他有幸投入中国科学院生物物理研究所贝时璋先生门下，忠实实践贝时璋的研究路线：“如今单纯的物理或生理研究，都难以产生大的成果；而在生物和物理的交叉地带很有可能产生。”他48年如一日，坚持整体观察与严谨实验探索相结合，为振兴中华开拓创新，终于突破了物理学内部分支学科（热力学、微电子学等）界限，于2000年发现“无偏二极管发电现象”。

“无偏二极管发电现象”是一项重大科学发现。经过徐业林的系统论证，对热力学第二定律应做补充修正，该项发现应属难以推翻的重大科学事实。

一、一项科学发现：无偏二极管发电现象

徐业林认为，人类从自然界获得能量有两种途径，一种是向物质要能量，如内燃机、蒸汽机、原子能反应堆，共同特性是散发余热；一种是向物质的内部要能量，共同特点是散发余冷（从环境吸取热量）。由于历史的局限性，以前人们认为后者是不可能的。

徐业林坚持向物质的内能要能量的研究方向，在重大科学问题上开拓创新。他从生物研究入手；从气体研究[1]，到固体研究，百折不回；历经36年艰辛探索，终于实现了一项重大科学发现：固体无偏二极管发电现象。

2000年3月29日，《光明日报》刊登记者刘路沙的报道《不需光照能发电的二极管制成》。由于这是第一篇有关固体无偏二极管（简称“无偏二极管”）的报道，而且比较准确、简明，为便于读者全面了解，将全文引述如下：

“一般发电需要燃煤、燃油或靠原子能反应、化学反应等，这些物质用完了，电也就发不出来了。中国科学院生物物理研究所物理实验室徐业林研究员经过36年艰苦探索，研制成功一种能从周围环境中不断吸收能量发出电能的新型半导体器件——无偏二极管。

无偏二极管获取能量的途径与常规发电完全不同，它是从内能库要能量。在导体、半导体中有很多电子，它们以很高的速度作热运动，由于运动方向杂乱无章，互相抵消电流为零。无偏二极管在无任何偏置电流、电压的条件下，具有单向导电性，故可将杂乱无章的热运动定向化，当将其两端用导线相连时，便形成了电流。这一能量是二极管中热运动速度高的电子降速换来的，因而二极管将降温；降温后的二极管从周围环境吸收热量。二极管发出的电流流过负载电阻，负载电阻发热，热量散发到周围环境中，通过环境再还给二极管，自然形成循环，二极管便可持续输出能量。当发电时不需光照，也不需温差，即使将它放入一个金属盒中，电流电压也不会受任何影响。

目前，徐业林研制的无偏二极管，在带动负载的情况下，负载电压达100毫伏特，负载电流达0.1微安培；短路电流为5微安培，电压已达理论上限，电流理论上限为每平方厘米数百安培。

无偏二极管具有诱人的应用前景。它由硅构成，资源丰富，体积小，将多个无偏二极管串联，可以构成强大的发电器，带动各种电器，如作为手机、笔记本电脑、电动汽车等的电源。它不污染环境，从取之不尽的环境中获得能量，不需加油，不需充电，是一种新型的理想能源。

这一成果已申请国家专利，最近又通过了专家评议。专家们认为该实验结果真实可信，理论分析合乎道理，建议有关部门给予大力资助和支持，以尽快使它走向实际应用。已为此奋战了36年的徐业林更是热切盼望得到企业界的支持。”

二、无偏二极管定义、工作原理与特性

无任何偏置电流、电压，就具有单向导电作用的二极管叫作“无偏二极管”。“无偏二极管”为微观电子无序的热运动创造出一个不对称的环境，使之转化成宏观有序的电流。这是在历史上首次依靠一项科学发明，实现了人类将环境中的热能自动转化为电能的理想。

                              
  图 1 玻璃衬板无偏二极管外观结构图。       图 2 玻璃衬板的无偏二极管的微观结构图。

其中31是方形载玻片，作二极管的衬板；3是铬层；2是硅层；1是锑层。其中31是方形载玻片，作二极管的衬板；3是铬层；2是硅层；1是锑层。

“无偏二极管”的工作原理：在两块金属板之间夹一层半导体，两块金属板中的一块是光滑的，另一块布满了小坑。在不需要外加电能、化学能、太阳能等能量的条件下，只要环境温度高于-273摄氏度，就能奇迹般的输出直流电。“无偏二极管”具有以下五个特性：

（1）无论进行任何形式的、多么严密的屏蔽，电流均存在，且无任何变化；而在相同的条件下，光电池、普通二极管等一般器件电流均为零。

（2）有坑就有电流，没有坑就没有电流；坑的直径愈小电流愈大；有坑的电极一定是负极。

（3）电流存在与否，与金属、半导体材料的种类无关；只要具有上述结构就有电流。

（4）该电流只与环境温度有关，环境温度升高，电流增加，反之降低；除环境温度以外的任何因素，如光照、无线电波、放射线等均无法改变电流。

（5）该器件输出电功率时，自行降温。由此可知，其输出的电能是吸收环境的热量转化而来的。

这一发现已经经过数百次科学实验的重复验证。经过近5年的审查，获得了美国、英国、俄国、中国的发明专利。[2]

三、徐业林阐明无偏二极管的机理

徐业林系统地研究了无偏二极管发电现象之后，从理论与实践的结合上，阐明了无偏二极管的机理：[3]

（1）每立方厘米半导体中有10¹⁸个导电电子，作杂乱无章的热运动，热运动的平均速度10⁷cm/s，是人造卫星速度的几十倍，可见导电电子的能量很大。人类面临的难题是，能否与如何控制导电电子的运动，获取这种能量。

图 3 无偏二极管工作原理图

（2）当无偏二极管有坑的电极板上的坑的直径很小时，坑壁的异性电荷吸引作用显著，使异性电荷趋于坑壁表面，形成与电极板平行的电场，由于电场强度很大，使平的电极板发出的电子以及从坑底发出的电子轨迹弯曲，被坑壁收集，形成单向电流。

（3）将无偏二极管的两端用导线相连时，就会有连续、持久的直流电流I_T通过导线。如果在回路中串联电阻R_T，无偏二极管的端电压就是I_TR_T，该电压在无偏二极管内部形成电场E_l：

E_l = I_TR_T / d

式中：d为无偏二极管内部两极之间的距离。无偏二极管连续、持久的电子流通过负载电阻，在无偏二极管内部，导电电子则从平的电极板（阳极）克服电场力的减速力做功，回到有坑的电极板（阴极）。

（4）能量来源：无偏二极管能够输出能量的关键，在于导电电子速度是不同的，有快有慢，它们近似服从麦克斯韦分布。如果导电电子速度相同，就不会有无偏二极管发电现象。

图 4 能量来源的分析

无偏二极管能量来源在于，热运动速度较高的电子速度降低（电子平均速度随之降低），消耗了能量，转变成电阻的功耗（数量上等于电子克服电场力减速力作的功），使无偏二极管温度下降，其温度低于环境温度。电子降速是获得能量的来源。电流使电阻发热，电阻向环境散发热量。无偏二极管从环境吸收热量，热运动导电电子速度提高，恢复初始状态。如此循环往复，就是无偏二极管能量的来源。

（5）实验表明，无偏二极管输出电流I_T和坑的直径D_l的5次方成反比。纯理论方法推导的I_T、D_l二者之间的定量关系基本一致。

考虑到无偏二极管机理解释，对于科学共同体认可的关键作用，徐业林还应用其他两种方法，求导I_T、D_l二者之间的定量关系，同样得到与实验结果基本一致的结果：

式中：I_T为电流密度，单位为A/cm2;D_l为坑的直径，单位为cm。实验结果与理论推导充分一致，证明机理阐述正确。

图 5 内能发动机与蒸汽机的比较

（6）无偏二极管与热力学第二定律的关系

关于无偏二极管发电现象与热力学第二定律的关系，2004年12月17日徐业林有如下表述：

热力学第二定律是一个经验定律，没有进行严格的科学证明，定律产生当时没有既量子力学，也没有微电子学。随着现代科学技术的飞跃发展，一切被人们认为不可能实现的很多幻想，却奇迹般地变成了现实。上述铁证（按：指无偏二极管发电现象与负温效应实验）就是其中一例。在上述铁证面前，我们唯一的选择是让理论跟着实验走，来完善老的热力学第二定律，而不能相反，更不能削足适履。

（A）在一个微观粒子不对称热运动可以忽略不计的孤立系统中，熵趋于增大；

（B）在一个微观粒子不对称热运动不可以忽略不计的孤立系统中，熵趋于减小。

将（A）与（B）合到一起，这就是补充后的热力学第二定律，称为完整的热力学第二定律。在完整的热力学第二定律中，“第二类永动机”的说法已经不复存在。

[1]徐业林，《从单一室温环境获得能量的实验与研究》，科学出版社，1988年8月。

[2]《天地生人学术讲座人物志》（1990.4-2010.6），第69页，天地生人学术讲座，2010.7。

[3]徐业林，《无偏二极管的实验与分析》，《导弹与航天运载技术》，2000年，第3期，第1-8页。

选自《科技原创苦旅》

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