CN113330590A - 半导体热电发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热电发生器，更具体地，涉及对梯度带隙结构的热电特性，即具有交替掺杂剂的梯度带隙半导体的特性和其间的异质结的特性，以及本征半导体材料的特性起作用的热电发生器，并且尤其可以用于为家用电器供电和为便携式电子设备的电源元件充电。本发明的半导体热电发生器包括半导体组件，所述半导体组件被配置为能够从周围环境提取热，所述半导体组件包含至少一对互连的梯度带隙半导体，其中至少一个梯度带隙半导体的宽带隙侧连接到至少一个其它梯度带隙半导体的窄带隙侧。所述梯度带隙半导体之间的结使用本征半导体材料配置，所述梯度带隙半导体使用交替掺杂剂配置，其中成对连接的梯度带隙半导体的宽带隙侧掺杂受主杂质。本发明的技术成果在于提高了热电发生器的效率、功率和输出，扩展了热电发生器的功能性。
Description
技术领域
本发明涉及热电发生器，更具体地，涉及对梯度带隙结构的热电特性(即具有交替掺杂剂的梯度带隙半导体的特性和其间的异质结的特性)以及本征半导体材料特性起作用的热电发生器，并且尤其可以用于为家用电器供电和为便携式电子设备的电源元件充电。
背景技术
现有技术公开了热元件(专利RU 2248647 C2，IPC H01L 35/08，公布于2005年3月20日，第8号公告)，其配置有一个或多个非本征半导体的至少一个n层和至少一个p层，而n层(多个n层)和p层(多个p层)的排列使得它们形成至少一个р-n结，其中，至少一个n层和至少一个n层选择性地电接触，并且在平行于至少一个n层和p层之间的边界层施加或移除温度梯度，其中，至少一个р-n结实际上是沿着n层(多个n层)和p层(多个p层)的主要的公共最长延伸形成的，因此实际上是沿着它们的公共边界层形成的。
已知解决方案的缺点是效率、功率、输出较差，不可靠性，功能性降低，这是由其设计引起的，特别是由于通过使半导体均匀掺杂并且没有带隙宽度梯度，以及半导体通过主要包括导体的边界层选择性接触引起的。
已知的解决方案效率、功率和输出较差，因为使用无带隙梯度的均匀掺杂半导体无法获得足够功率的电流来为大多数家用电器供电，来为便携式电子设备的电池进行快速充电，由于半导体准费米能级的微小差异和产生的电子空穴对的数量有限。尽管已知的解决方案在半导体之间具有р-n结，但是因为在用于半导体接触的已知解决方案的实施例中使用的诸如金之类的导体没有带隙，在边界层中使用导体材料减少了产生的电流量。所产生电流的功率不足反过来又限制了已知解决方案的功能，因为它限制了该解决方案能够通电或充电的设备范围。
在已知解决方案的一个实施例中，半导体掺杂一种类型的杂质的梯度不允许显著提高效率，增加在热电过程中产生电流的电子和空穴的数量，并且相应地，整体上增加热元件功率，因为发生在半导体中的扩散和漂移电流需要主要和辅助电荷载流子的运动。
现有技术还公开了一种用于车辆的能量发生器(专利US 2017211450А1，IPCF01N 5/02，H01L 35/22，H01L 35/30，H01L 35/32，公布于2017年7月27日)，其包括热电转换器，该热电转换器包括n型半导体、р型半导体、介于它们之间的本征半导体，其中，本征半导体的带隙宽度小于n型半导体和P型半导体的带隙宽度，并且还包括用于流体热载体通过的通道，该流体热载体通道被配置为向热电转换器提供热量，并且该热电转换器相对于热载体通道安装，使得本征半导体表面垂直于热载体流。
已知解决方案的缺点是效率、功率、输出较差和功能性降低，这是由其热电转换器的设计引起的，即通过制造没有带隙宽度梯度的半导体。
已知的解决方案效率、功率和输出较差，因为使用无带隙宽度梯度的均匀掺杂半导体无法获得足够功率的电流来为大多数家用电器供电，来对便携式电子设备的电池进行快速充电，由于半导体准费米能级的微小差异和产生的电子-空穴对数量有限。尽管存在位于n型半导体和n型半导体之间并且是附加电子源的本征半导体，但由于p-n结的存在，由已知解决方案产生的电流量是有限的，因为已知的解决方案仅可用于对有限范围的设备充电或供电。
与所要求保护的发明最接近的现有技术是热电发生器(专利UA118506C2，IPCH01L35/00，公布于2019年1月25日，第2号公告)，包括配置为从周围环境中提取热量的半导体组件。该热电发生器包括至少一对互连的梯度带隙半导体，所述梯度带隙半导体由p型梯度带隙半导体和n型梯度带隙半导体组成，其中，至少一个p型梯度带隙半导体的宽带隙侧Р与至少一个n型梯度带隙半导体的窄带隙侧n连接，并且如果至少有一对梯度带隙半导体可用，则至少一个n型梯度带隙半导体的宽带隙侧n与至少一个p型梯度带隙半导体的窄带隙侧p连接。
尽管最接近的解决方案具有许多优点，例如提高效率、无需在半导体触点处保持温差、成本效益、设计简单且易于使用、降低制造成本、增强功能和使用范围，这是由于使用梯度带隙半导体和它们之间的异质结、梯度带隙半导体的相互排列，特别是它们的宽带隙侧和窄带隙侧引起的，最接近的解决方案的特点是每单位面积的输出不够高，因为最接近的解决方案的梯度带隙半导体是均匀掺杂的。即包含受主或施主杂质，这减小了梯度带隙半导体准费米能级的差异并限制了电子-空穴对的产生。
此外，最接近的解决方案不包含半导体本征材料，这也限制了热电过程中电子-空穴对的产生，这发生在最接近的解决方案的作用过程中，从而限制了扩散和漂移电流的功率。然而，由于半导体组件和接触元件的设计特点，最接近解决方案的输出减少，导致需要增加梯度带隙半导体和接触元件的面积，从而增加整个热电发生器的总体尺寸，这使得使用最接近的解决方案变得复杂，并导致材料消耗增加。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是创造一种新型半导体热电发生器，其特征在于提高效率、功率、输出和增强功能性。
所述技术问题是通过以下事实解决的：在半导体热电发生器中，包括被配置成从周围环境提取热量的半导体组件，包括至少一对互连的梯度带隙半导体，其中，至少一个梯度带隙半导体的宽带隙侧与至少另一个梯度带隙半导体的窄带隙侧连接，根据该提案，梯度带隙半导体结点采用半导体本征材料配置，两个梯度带隙半导体均采用交替掺杂剂配置，而至少一对梯度带隙半导体的宽带隙侧掺杂受主杂质。
此外，根据该提案，位于梯度带隙半导体结点的其中一个梯度带隙半导体的窄带隙侧的边缘区域由半导体本征材料制成。
再次，根据该提案，在梯度带隙半导体结点中具有半导体本征材料的中间层，它们通过中间层连接。
再次，根据该提案，半导体组件的外表面具有欧姆触点，并且一个端子连接到半导体组件的每个外表面。
此外，根据该提案，在具有欧姆触点的半导体组件外表面上，有被配置成从热载体提取热量的接触元件，并且一个端子连接到半导体组件的每个外表面上。
再者，根据该提案，所述半导体组件包括一对梯度带隙半导体，并且它们中的每一个具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gej，所述宽带隙侧Sip包括掺杂有受主杂质的硅，所述窄带隙侧Gej包括本征锗，同时，一个梯度带隙半导体的窄带隙侧Gei与另一个梯度带隙半导体的宽带隙侧Sip连接，但不连接到作为半导体组件的外表面的梯度带隙半导体的互连侧，端子连接到半导体组件的外表面并且在所述外表面上具有欧姆触点。
此外，根据该提案，所述半导体组件包括一对梯度带隙半导体，其中一个梯度带隙半导体具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gen，所述宽带隙侧Sip包括掺杂有受主杂质的硅，所述窄带隙侧Gen包括具有施主杂质的锗，另一个梯度带隙半导体具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gei，所述宽带隙侧Sip包括掺杂受主杂质的硅，所述窄带隙侧Gei包括本征锗，在一个梯度带隙半导体的窄带隙侧Gen和另一个梯度带隙半导体的宽带隙带侧Sip之间具有本征锗Gei的中间层，梯度带隙半导体通过该中间层连接，但不连接到与中间层连接的梯度带隙半导体的侧面，这侧面是半导体组件的外表面，端子连接到半导体组件的外表面并且在所述外表面上具有欧姆触点。
再者，根据该提案，所述半导体组件包括一对梯度带隙半导体，且它们中的每一个具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gen，所述宽带隙侧Sip包括掺杂有受主杂质的硅，所述窄带隙侧Gen包括掺杂有施主杂质的锗，在一个梯度带隙半导体的窄带隙侧Gen和另一个梯度带半导体的宽带隙侧Sip之间具有本征锗Gei的中间层，所述梯度带隙半导体通过中间层连接，但不连接到与中间层连接的梯度带隙半导体的侧面，这侧面是半导体组件的外表面，端子连接到半导体组件的外表面并且在所述外表面上具有欧姆触点。
本发明的技术成果在于提高了热电发生器的效率、功率和输出，并扩展其功能性。
本发明的基本特征与预期技术效果之间的因果关系如下。
所要求保护的发明的一组基本特征由于改进了半导体组件设计而确保了上述技术结果，即提供具有梯度带隙半导体结点的半导体组件，该结点配置为使用半导体本征材料，宽带隙侧掺杂有受体杂质、窄带隙侧掺杂施主杂质或由半导体本征材料制成的梯度带隙半导体。
由于以下原因，所要求保护的半导体热电发生器具有改进的效率、功率和输出。
由于半导体的梯度带隙设计，即它们由具有不同带隙宽度的化学元素或其化合物制成，每个半导体组件半导体具有包括带隙宽度更宽的化学元素或化合物的宽带隙侧，以及包括带隙宽度比相应的宽带隙侧材料的宽度更窄的化学元素或化合物的窄带隙侧。此外，由于半导体梯度带隙性质，带隙宽度随着半导体化学成分在一个方向上从宽带隙侧到窄带隙侧的逐渐变化而逐渐减小。当用周围环境或热载体加热欧姆触点的接触面，然后对梯度带隙导体进行均匀加热时，半导体的这种设计连同可变掺杂和宽带隙侧掺杂受主杂质一起能够获得电动势，该电动势将自由载流子从所述载流子浓度较高的梯度带隙半导体的窄带隙侧移动到所述载流子浓度较低的梯度带隙导体的宽带隙侧。
因此，在梯度带隙导体中，扩散电流从自由载流子浓度高的窄带隙侧到载流子浓度低的宽带隙侧的方向发生。此外，可变掺杂显著地增加了电动势，因为由于如上所述掺杂的梯度带隙半导体的侧面之间的准费米能级的均衡，发生了内建场，该内建场与半导体梯度带隙结构引起的场匹配，从而导致后者的加强，并且还向梯度带隙半导体侧提供必要数量的主电荷载流子和辅助电荷载流子。由于所述扩散电流的出现，空间电荷出现在梯度带隙半导体的相对部分，从而产生与扩散电流方向相反的漂移电流。
同时，上述半导体组件和梯度带隙半导体的设计导致在梯度带隙半导体结点处产生反向电压、异质结偏压、热电流和热发生电流，从而形成异质结。因此，辅助电荷载流子穿过异质结。此外，在梯度带隙半导体中产生的电动势促进辅助载流子通过异质结，也促进辅助电荷载流子从梯度带隙半导体窄带隙侧向半导体宽带隙侧运动，将其转化为主电荷载流子，并放大了梯度带隙半导体中的扩散电流和漂移电流。
同时，位于梯度带隙半导体结点的本征材料是作为电子和空穴的载流子的来源，这些载流子的数量足以维持异质结中放大的热发生电流。
因此，由所要求保护的半导体热电发生器产生的累积电流由梯度带隙半导体中的扩散和漂移电流、位于梯度带隙半导体结点的异质结中的热流和热发生电流组成，并且比最接近的现有技术产生的扩散和漂移电流更强大，同时梯度带隙半导体的总体尺寸和面积相同或更小，这表明提高了热电发生器的效率和单位面积的输出。增加的电流功率又能够增强所要求保护的半导体热电发生器的功能和使用范围，因为它能够对需要更强大电流源的设备充电或通电，这使得能够在不可能使用最接近的现有技术和任何类似的热电发生器的情况下使用所要求保护的热电发生器。
由于在半导体组件的上述设计中，塞贝克效应不用于电流产生的事实，因此实现了提高所要求保护的热电发生器的效率，这反过来又消除了维持半导体触点处的温差和半导体同时加热和冷却所需的能源消耗，以及使用精密设备进行上述操作所需的能源消耗。实际上，所要求的保护的热电发生器的有效操作仅需要加热半导体组件外表面，这可以通过所述组成元件与周围环境中的排放物或与加热的热载体(例如空气或水)的简单接触来完成，而这种加热可能是其它设备运行(例如锅炉或太阳能收集器)的副作用。同时，加热欧姆触点的接触面的大部分热能转化为梯度带隙半导体中载流子的热运动，热电发生器在运行过程中释放的热能在带有热载体的封闭空间内耗散，可用于加热欧姆触点的接触面。
此外，由于减小了半导体热电发生器的总体尺寸，特别是其面积，因此要求保护的热电发生器的使用变得更加用户友好和容易，因为使用具有小面积梯度带隙半导体的热电发生器或并联布置的热电发生器的组件足以产生强大的电流。
提供具有欧姆触点的半导体组件外表面能够降低半导体和欧姆触点金属之间的势垒，这降低了电荷载流子穿过所述势垒的电动势消耗，进而降低了能量消耗并提高了所要求的热电发生器的输出和效率。为了将所要求保护的热电发生器连接到负载、电流-电压转换器或其他类似装置并形成电路，需要将端子连接到半导体组件的每个外表面。
将被配置为从热载体提取热量的接触元件固定到具有欧姆触点的半导体组件外表面使得所要求保护的热电发生器的使用更加用户友好，因为它消除了将所述接触元件固定到包括或传递热载体的设备和装置的需要，并且使得所要求的半导体热电发生器准备好安装到任何合适的设备或装置中以传递热载体，而不需要额外的操作和相应的时间消耗。
所要求的半导体热电发生器的设计由下图阐明。
附图说明
图1-实施例中所要求保护的半导体热电发生器的视图，其中半导体组件包括一对梯度带隙半导体，并且它们中的每一个具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gej，所述宽带隙侧Sip包括掺杂有受主杂质的硅，所述窄带隙侧Gej包括本征锗，同时，一个梯度带隙半导体的窄带隙侧Gei与另一个梯度带隙半导体的宽带隙侧Sip连接，但不连接到作为半导体组件的外表面的梯度带隙半导体的互连侧，端子连接半导体组件的外表面，并且在所述外表面具有欧姆触点。
图2-实施例中所要求保护的半导体热电发生器的视图，其中半导体组件包括一对梯度带隙半导体，其中一个具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gen，所述宽带隙侧Sip包括掺杂有受主杂质的硅，所述窄带隙侧Gen包括具有施主杂质的锗，另一个梯度带隙半导体具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gei，宽带隙侧Sip包括掺杂受主杂质的硅，窄带隙侧Gei包括本征锗，在一个梯度带隙半导体的窄带隙侧Gen和另一个梯度带隙半导体的宽带隙带侧Sip之间具有本征锗Gei的中间层，梯度带隙半导体通过该中间层连接，不连接到与所述中间层连接的所述梯度带隙半导体的侧面，该侧面是半导体组件的外表面，端子连接半导体组件的外表面，并且所述外表面具有欧姆触点。
图3-实施例中所要求保护的半导体热电发生器的视图，其中半导体组件包括一对梯度带隙半导体，且它们中的它们中的每一个具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gen，所述宽带隙侧Sip包括掺杂有受主杂质的硅，所述窄带隙侧Gen包括掺杂有施主杂质的锗，在一个梯度带隙半导体的窄带隙侧Gen和另一个梯度带隙半导体的宽带隙带侧Sip之间具有本征锗Gei的中间层，所述梯度带隙半导体通过该中间层连接，但不连接到与该中间层连接的所述梯度带隙半导体的侧面，该侧面是半导体组件的外表面，端子连接半导体组件的外表面，并且所述外表面具有欧姆触点。
图中使用了以下约定：
Sip-在本实施例中，由掺杂了受主杂质的硅构成的梯度带隙半导体宽带隙侧；
Gej-在本实施例中，由本征锗构成的梯度带隙半导体窄带隙侧；
Gen-在本实施例中，由具有施主杂质的锗构成的梯度带隙半导体窄带隙侧；
Gei-本征锗中间层
→-热载体运动
具体实施方式
图1-3中示出了所要求保护的半导体热电发生器的优选但非排他性实施例的示意图，所述半导体热电发生器包括半导体组件1，所述半导体组件1包括一对互连的梯度带隙半导体2、两个欧姆触点3和两个端子4。此外，这些图以简化的形式示意性地示出了扩散和漂移电流、热电流和热发生电流的方向，以及梯度带隙半导体2的结构和材料。
在这种情况下，热电发生器或热力发生器是指将热能转换为电流的装置。
在示出的实施例中，半导体组件1包括一对互连的可变掺杂的梯度带隙半导体2。在优选实施例中，梯度带隙半导体2通过焊接、拼接或任何其他类似方法在成对连接的梯度带隙半导体2的结点处形成异质结，从而彼此一体连接或与中间层6一体连接。成对连接的梯度带隙半导体2的宽带隙侧掺杂受主杂质。
成对连接的梯度带隙半导体2的结点使用半导体本征材料配置。在图1所示的所要求保护的半导体热电发生器的实施例中，位于梯度带隙半导体2的结点中的一个梯度带隙半导体2的窄带隙侧的边缘区域由半导体本征材料制成。在图2和图3所示的半导体热电发生器的实施例中，在梯度带隙半导体结点处具有半导体本征材料的中间层6，梯度带隙半导体2通过该中间层连接。在上述所有实施例中，半导体本征材料是锗。然而，这种材料可以是带隙宽度比梯度带隙半导体2的宽带隙侧的带隙宽度窄的任何材料。
在图1所示的优选实施例中，每个梯度带隙半导体2由宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gei组成，以及它们之间具有混合化学成分的中间区域，宽带隙侧Sip包括掺杂了受主杂质的硅，窄带隙侧Gei包含本征锗，其中锗含量在朝着宽间隙侧的方向上逐渐减少，硅含量在朝着宽带隙侧的方向上逐渐增加。
在图2所示的优选实施例中，一个梯度带隙半导体2具有包括掺杂有受主杂质的硅的宽带隙侧SiP和包括具有施主杂质的锗的窄带隙侧Gen，另一个梯度带隙半导体2具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gei，宽带隙侧Sip包括掺杂有受主杂质的硅，在一个梯度带隙半导体2的窄带隙侧Gen和另一个梯度带隙半导体2的宽带隙侧SiP之间具有本征锗Gei的中间层6，所述梯度带隙半导体2通过中间层6连接。
在图3所示的优选实施例中，每个梯度带隙半导体2具有包括掺杂有受主杂质的硅的宽带隙侧SiP和包括具有施主杂质的锗的窄带隙侧Gen，一个梯度带隙半导体2的窄带隙侧Gen和另一个梯度带隙半导体2的宽带隙侧SiP之间具有本征锗Gei的中间层6，所述梯度带隙半导体2通过中间层6连接。
然而，考虑到上述条件，梯度带隙半导体2可以由具有不同带隙宽度的任何半导体材料制成，并且可以组合在梯度带隙半导体中。此外，在优选实施例中，用于梯度带隙半导体2的宽带隙侧的受主杂质是三价硼，而用于相应实施例中的梯度带隙半导体2的窄带隙侧的施主杂质是五价磷。然而，构成梯度带隙半导体2的半导体材料的其它类似材料可以用作受主和施主杂质。
在所要求保护的本发明的示出的实施例中，梯度带隙半导体2为板的形式并且在水平面中连接。梯度带隙半导体2可以通过液相外延法、气相离子束外延法、扩散法或通过在铝或镍衬底上溅射锗或硅来制备。然而，与梯度带隙半导体材料的性质相对应的其它材料可以用作衬底。
在半导体组件1的外表面(梯度带隙半导体2的外表面)上有两个欧姆触点3。在示出的实施例中，欧姆触点3是与半导体组件1的外表面整体连接的水平定向板，在本发明的优选实施例中，欧姆触点3由铝制成。然而，欧姆触点3可以由具有高导热性、耐化学性和耐高温性的其它材料制成。
两个端子4连接到一个梯度带隙半导体2的窄带隙侧和另一个梯度带隙半导体2的宽带隙侧，其外表面是半导体组件1的外表面。在优选实施例中，端子4连接到梯度带隙半导体2的所述表面和欧姆触点3，并涂有绝缘层。端子4金属触点的材料可以是例如铜或其它具有明显金属性质的化学元素。
在示出的实施例中，所要求保护的半导体热电发生器位于两个用于热载体5传递的装置之间，流体或气体热载体通过该装置。这种用于热载体传递的装置可以是例如太阳能收集器盘管、加热装置的部件或其他类似装置。
所要求保护的半导体热电发生器按如下方式使用。
端子4的触点连接到例如电流-电压转换器，形成电路并且将所述半导体热电发生器定位在热载体5传递装置之间，使得欧姆触点3与热载体5传递装置的表面直接接触，或者在所述热电发生器的相应实施例中与配置成从热载体提取热量的接触元件直接接触。之后，在传递装置中热载体5被外部热源加热，例如通过燃料、气体或积聚的太阳光。
来自热载体的热能通过欧姆触点3，通过半导体组件1的外表面，并且均匀地加热梯度带隙半导体2，从而开始所要求的热电发生器的操作。由于梯度带隙半导体2的两侧之间电荷载流子运动，通过梯度带隙半导体2之间的异质结产生扩散电流、漂移电流、热电流和热发生电流，而扩散电流、热电流和热发生电流的方向是相同的。
因此，电流出现在所形成的电路中，并且通过端子4传送到例如电流-电压转换器，并且可用于为家用电器、技术设备供电，为便携式电子设备的电池充电等。
同时，热载体5的加热不需要相当大的能量消耗和复杂的设备，并且其速率容易由所要求保护的半导体热电发生器的用户控制。为了停止所要求的热电发生器，将端子4的导线与闭合电路的装置断开或停止加热热载体5，或将所要求保护的半导体热电发生器从传递装置中的热载体5之间的空间移除就足够了。
同时，有必要考虑到所要求保护的半导体热电发生器的上述三个优选实施例中的每一个在特定热载体温度下具有最佳输出。因此，如果热载体温度等于或超过梯度带隙半导体2的窄带隙侧电子获得转换成载流子所需能量的温度，则使用图1所示的所要求保护的半导体热电发生器的实施例。如果热载体温度等于或低于梯度带隙半导体2的窄带隙侧电子获得转换成载流子所需能量的温度，则使用图2所示的所要求保护的半导体热电发生器的实施例。如果热载体温度基本上低于梯度带隙半导体2的窄带隙侧电子获得转换成载流子所需能量的温度，则使用图3所示的所要求保护的半导体热电发生器的实施例。
此外，为了增加所生成电流的功率，可以通过位于半导体组件1的外表面之间的金属触点并联连接几个所要求保护的热电发生器。
现有的专利和科学技术信息来源没有公开具有所要求保护的一组基本特征的半导体热电发生器。因此，所提出的技术方案符合新颖性可专利性标准。
对上述技术解决方案和最接近的现有技术的比较分析已经证明，表征所提出的发明的一组基本特征的实现导致了上述定性的新的技术特性，其组合在现有技术中以前没有建立，这使得能够得出关于所提出的技术解决方案符合发明水平专利性标准的结论。
所提出的技术解决方案是工业适用的，因为它不包括在工业生产周围环境中在现代技术发展阶段不能复制的任何结构元素和材料。
Claims (8)
1.一种半导体热电发生器，包括被配置成从周围环境提取热量的半导体组件，所述半导体热电发生器包括至少一对互连的梯度带隙半导体，其中，至少一个梯度带隙半导体的宽带隙侧与至少另一个梯度带隙半导体的窄带隙侧连接，其特征在于，所述梯度带隙半导体之间的结使用半导体本征材料配置，所述梯度带隙半导体使用交替掺杂剂配置，而成对连接的梯度带隙半导体的宽带隙侧掺杂受主杂质。
2.根据权利要求1所述的半导体热电发生器，其特征在于，位于所述梯度带隙半导体之间的结中的其中一个所述梯度带隙半导体的窄带隙侧的边缘区域由半导体本征材料制成。
3.根据权利要求1所述的半导体热电发生器，其特征在于，在所述梯度带隙半导体之间的结中具有半导体本征材料的中间层，所述梯度带隙半导体通过所述中间层连接。
4.根据权利要求1所述的半导体热电发生器，其特征在于，所述半导体组件的外表面具有欧姆触点，并且一个端子连接到所述半导体组件的每个外表面。
5.根据权利要求1所述的半导体热电发生器，其特征在于，在具有欧姆触点的所述半导体组件外表面上，具有被配置成从热载体提取热量的接触元件，并且一个端子连接到所述半导体组件的每个外表面。
6.根据权利要求1所述的半导体热电发生器，其特征在于，所述半导体组件包括一对梯度带隙半导体，并且它们中的每一个具有宽带隙侧SiP和窄带隙侧Gej，所述宽带隙侧SiP包括掺杂有受主杂质的硅，所述窄带隙侧Gej包括本征锗，而一个所述梯度带隙半导体的窄带隙侧Gej连接另一个梯度带隙半导体宽带隙侧SiP，但不连接到作为所述半导体组件的外表面的梯度带隙半导体的互连侧，端子连接所述半导体组件的外表面，并且在所述外表面上具有欧姆触点。
7.根据权利要求1所述的半导体热电发生器，其特征在于，所述半导体组件包括一对梯度带隙半导体，其中一个梯度带隙半导体具有宽带隙侧SiP和窄带隙侧Gen，该宽带隙侧SiP包括掺杂有受主杂质的硅，该窄带隙侧Gen包括施主杂质的锗，另一个梯度带隙半导体具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gej，该宽带隙侧Sip包括掺杂有受主杂质的硅，该窄带隙侧Gej包括本征锗，在一个梯度带隙半导体的窄带隙侧Gen和另一个梯度带隙半导体的宽带隙侧Sip之间具有本征锗Gei的中间层，所述梯度带隙半导体通过所述中间层连接，但不连接到与所述中间层连接的所述梯度带隙半导体的侧面，该侧面是所述半导体组件的外表面，端子连接所述半导体组件的外表面，并且所述外表面上具有欧姆触点。
8.根据权利要求1所述的半导体热电发生器，其特征在于，所述半导体组件包括一对梯度带隙半导体，且它们中的每一个具有宽带隙侧Sip和窄带隙侧Gen，该宽带隙侧Sip包括掺杂有受主杂质的硅，该窄带隙侧Gen包括掺杂有施主杂质的锗，在一个梯度带隙半导体的窄带隙侧Gen和另一个梯度带隙半导体的宽带隙带侧Sip之间具有本征锗Gei的中间层，所述梯度带隙半导体通过所述中间层连接，但不连接到与所述中间层连接的所述梯度带隙半导体的侧面，该侧面是所述半导体组件的外表面，端子连接所述半导体组件的外表面，并且所述外表面上具有欧姆触点。
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6060656A (en) * | 1997-03-17 | 2000-05-09 | Regents Of The University Of California | Si/SiGe superlattice structures for use in thermoelectric devices |
| JP2006269818A (ja) * | 2005-03-24 | 2006-10-05 | Aisin Seiki Co Ltd | 熱電半導体素子、熱電変換装置 |
| US20080295879A1 (en) * | 2006-07-26 | 2008-12-04 | Translucent Photonics, Inc. | Thermoelectric and Pyroelectric Energy Conversion Devices |
| WO2013035100A1 (en) * | 2011-09-08 | 2013-03-14 | Yeda Research And Development Co. Ltd. At The Weizmann Institute Of Science | Efficiency-enhanced thermoelectric devices |
| US20140264459A1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-09-18 | U.S.A. as represented by the National Aeronautics and Space Administration | High Mobility Transport Layer Structures for Rhombohedral Si/Ge/SiGe Devices |
| US20170211450A1 (en) * | 2016-01-25 | 2017-07-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Power generator for vehicle |
| US9887087B1 (en) * | 2014-07-08 | 2018-02-06 | Michael Keith Fuller | Semiconductor and other materials by thermal neutron transmutation |
| WO2019004988A1 (ru) * | 2017-06-30 | 2019-01-03 | Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ | Термоэлектрический генератор |
| JP2019033149A (ja) * | 2017-08-07 | 2019-02-28 | 株式会社三五 | 熱電発電モジュール及び当該熱電発電モジュールを含む熱電発電ユニット |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US118506A (en) | 1871-08-29 | Improvement in pressure-gauges for water-backs of stoves, ranges | ||
| AT410492B (de) | 2000-05-02 | 2003-05-26 | Span Gerhard Dipl Ing Dr | Thermoelektrisches element mit mindestens einer n-schicht und mindestens einer p-schicht |
| JP4025651B2 (ja) * | 2001-05-02 | 2007-12-26 | アンリツ株式会社 | 複数の光吸収層間に加速用のスペーサ層を介在させた半導体受光素子及びその製造方法 |
| WO2013192559A1 (en) * | 2012-06-22 | 2013-12-27 | Izar Solar Inc | Manufacturing semiconductor-based multi-junction photovoltaic devices |
| EP2808908B1 (en) * | 2013-05-31 | 2023-04-19 | Mellanox Technologies, Ltd. | High-speed photodetector |
-
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Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6060656A (en) * | 1997-03-17 | 2000-05-09 | Regents Of The University Of California | Si/SiGe superlattice structures for use in thermoelectric devices |
| JP2006269818A (ja) * | 2005-03-24 | 2006-10-05 | Aisin Seiki Co Ltd | 熱電半導体素子、熱電変換装置 |
| US20080295879A1 (en) * | 2006-07-26 | 2008-12-04 | Translucent Photonics, Inc. | Thermoelectric and Pyroelectric Energy Conversion Devices |
| WO2013035100A1 (en) * | 2011-09-08 | 2013-03-14 | Yeda Research And Development Co. Ltd. At The Weizmann Institute Of Science | Efficiency-enhanced thermoelectric devices |
| US20140264459A1 (en) * | 2013-03-13 | 2014-09-18 | U.S.A. as represented by the National Aeronautics and Space Administration | High Mobility Transport Layer Structures for Rhombohedral Si/Ge/SiGe Devices |
| US9887087B1 (en) * | 2014-07-08 | 2018-02-06 | Michael Keith Fuller | Semiconductor and other materials by thermal neutron transmutation |
| US20170211450A1 (en) * | 2016-01-25 | 2017-07-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Power generator for vehicle |
| WO2019004988A1 (ru) * | 2017-06-30 | 2019-01-03 | Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ | Термоэлектрический генератор |
| JP2019033149A (ja) * | 2017-08-07 | 2019-02-28 | 株式会社三五 | 熱電発電モジュール及び当該熱電発電モジュールを含む熱電発電ユニット |
Also Published As
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| EP3886188A1 (en) | 2021-09-29 |
| WO2020197525A1 (ru) | 2020-10-01 |
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