CN1351764A - 混合热离子能量变换器和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实现一种固态热离子能量变换器,并针对一热能变换为电能以及电能变换为冷却的方法和装置(10,104,108)。本发明通过横截面积朝接点方向逐渐减小的小平面接触点(13,42,44)维持发射极(12)与集电极(16)之间热隔离。小平面接触点(13,42,44)可与发射极(12)、障体(14)或集电极(16)关联。维持发射极(12)与集电极(16)热隔离可供发射电子输送通过障体(14),并减少导热过程的电子输送。因此,通过收集发射电子并减少不能收集的热传导电子提高效率。本发明原理对空穴传导和电子都有效。

Description

混合热离子能量变换器和方法
                              发明领域
本发明涉及热能量变换到电能量，并将电能量变换到冷却，尤其涉及效率和功率密度提高的热离子变换器，通过减小像力效应造成势垒高度，便于改变换器利用电子隧道和热离子发射。
                              发明背景
为了满足对以较低工作温度且功率密度大到足以商用，将热能变换为电能的装置的需要，开发了本发明。本发明还以提供有效冷却的相反方式工作。
热离子能量变换是一种通过热离子发射直接将热能变换为电能的方法。此方法中，通过对金属加热并对部分电子提供足够的能量，克服金属表面阻力，以便逸出，从金属表面以热离子方式发射电子。与产生电能的其他最常用方法不同，热离子变换不需要直接形式的能量或工作液体，只需要电荷，以便将热变为电。
其最基本的形式中，通常的热离子能量变换器包含连接热源的一个电极、连接冷源并由介入空间与该第一电极隔开的一个第二电极、将该2电极连接到电负载的导线以及一个壳体。该壳体中的空间为高度真空或填入适当稀薄的蒸汽，如铯。
通常热离子变换器中的基本处理过程如下。热源用足够高的温度对一个电极供热，以热离子方式将电子从该电极蒸发到真空或填充稀薄蒸汽的介入空间，该电极即发射极。电子通过此空间移动到其他电极，该电极即集电极，保持与冷源接近的低温。在集电极，电子凝集，并经过连接在发射机和集电极之间的电线和电负载返回热电极。
由电极之间的温度差维持通过该负载的电子流。因此，将电功传给负载。
热离子能量变换依据的概念是与热源接触的低电子逸出功的阴极会发射电子。这些电子由高逸出功的冷阴极吸收，并可通过作有用功的外部负载流回阴极。实际的热离子发生器受阴极可用金属或其他材料逸出功限制。另一重要限制是空间电荷效应。阴极与阳极间的空间存在带电电子，会形成减小热离子流的额外势垒。
典型的常规热离子发射极工作在1400至2200K的温度范围，而集电极工作温度范围为500至1200K。在最佳工作条件下，能量变换总效率为5％至40％，电功率密度为约1～100瓦/厘米2，电流密度为约5～100安/厘米2。总的来说，对考虑辐射损耗的设计而言，发射极温度越高，效率、功率密度和电流密度也越高。一个典型变换器所提供功率的电压为0.3至1.2伏，即与普通电解电池的电压大致相同。高额定功率的热离子系统常包含电串联的多个热离子变换器单元。每一个热离子单元通常额定功率为10瓦至500瓦。
热离子变换器的高温属性对某些应用有利，但其所需发射极温度通常超过许多常规热源的实际能力，对另外一些应用受到限制。对比之下，通常的热电变换器可在热源温度500至1500K范围内工作。然而，即使在最佳条件下，热电能量变换器的总效率仅为3％至10％，电功率密度通常小于几瓦/厘米2，电流密度为约1至100安/厘米2。
根据物理学的观点，热电器件与热离子器件相似。两种情况下，都在金属或半导体上有温度梯度，并且两种情况依据的概念均为电子的运动是电流。然而，电子的运动还携带能量。受迫电流对热离子器件和热电器件都输送能量。热电器件与热离子器件的主要差别在于电流是扩散(热电器件)，还是发射(热离子器件)。如果电子以发射方式推出并跨越势垒，热离子器件就具有较高的效率。对热离子器件而言，全部动能从一个电极载送到其他电极。热电器件中电子的运动为准均衡并且扩散，能借助西贝克(Seebeck)系数描述，该系数为均衡系数。
在窄势垒结构中，电子跨越势垒时不会运行到足以受到碰撞。在这些环境下，热离子发射理论是电流传输的较精确表示。电流密度由下式给出：
j＝A0T2e-eΨ/KT
其中，A0为查理森常数，Ψ为势垒高度(电子逸出功)，e为电荷，K为波尔兹曼常数，T为温度。查理森常数A0＝(emK2T2)/(2π2h2)，其中m为有效电子质量，h为普朗克常数。
扩散理论适合势垒厚度(长度)大于1维电子平均自由程的势垒，而热离子发射理论适合厚度(长度)小于平均自由程的势垒。然而，如果势垒变得非常窄，则量子力学隧道的电流传输变得更重要。
这里仍需要提供一种在低温领域高效率且高功率密度变换热能为电能的较充分解决方案。
                              发明概述
本发明寻求解决上文所列出的背景技术遇到的问题。具体而言，如以下本发明所实现的目的和优点所证明，本发明的装置和方法超越背景技术，构成一热离子功率变换技术中的重要进步。
本发明的一个目的是产生势垒离子变换器的高功率密度和效率，但工作在典型热电器件的工作范围。
本发明的另一目的是维持发射极和集电极之间的热隔离。
本发明的再一目的是使热膨胀效应最小。
按照本发明的说明，或通过本发明实践学习，会明白本发明另外的目的和优点。
简而言之，由一种装置达到上述和其他目的，该装置包含导电且导热的电子发射极、接收发射极来的电子的导电导热集电极、配置在所述发射极与集电极之间并且与其密切接触以便滤除从发射极传到集电极的高能量电子的固态障体、配置在发射极与障体或障体与集电极之间或其组合之间并与其密切接触的一个或多个导电导热小面接触点、靠近小面接触点和发射极与障体或障体与集电极或其组合的非导热导电空间，以及连接发射极和集电极的电负载。
冷却实施例中，由施加在发射极与集电极之间的电位辅助载流子传送，并且发射极连接由发射极热流冷却的热负载。热交换器散逸集电极上热电子来的热量。
                            附图简要说明
为了充分理解达到上述本发明优点和目的的方式，通过参照附图中说明的本发明具体实施例，提供本发明较具体的说明。应当理解这些附图仅说明本发明典型实施例，因而不应认为是对本发明范围的限制。通过利用附图，将较详细说明本发明的当前较佳实施例和当前理解的最佳形态，附图中：
图1为本发明热离子变换器的截面图；
图2示出具有三角形截面图；
图3示出利用氢化钽粉并以蜂窝结构支持该粉的发射极的透视图；
图4A和图4B示出置于金属发射极和金属集电极之间的真空中的低导热性半导体障体的截面图；
图5示出各种温度下理查森热离子电流密度对势垒高度的曲线；
图6示出圆片的热膨胀图和纳米线定位；
图7示出矩形片的热膨胀图和纳米线定位；
图8示出各种纳米线的截面；
图9是本发明一实施例的截面图，其中小面接触点与障体关联；
图10是一种障体结构的截面图该结构包含金属层、n型半导体层、p型半导体层和金属层；
图11是一种障体结构的截面图该结构包含金属层、n型半导体层和金属层；
图12是一种障体结构的截面图该结构包含金属层、p型半导体层和金属层；
图13是包含谐振隧道二极管的障体结构的截面图；
图14示出特定GaAs-AlXGa1-XAX异结构的发射概率；
图15A示出带金属层的非金属集电极的截面图；
图15B示出带有金属层和表面障体的非金属集电极的截面图，该表面障体与配置在集电极和障体之间的材料匹配，防止电子漏回发射极；
图16是包含TaH的发射极和包含Al2O3的障体的I_V曲线；
图17是在与图16不同的温度下包含TaH的发射极和包含Al2O3的障体的I_V曲线；
图18是包含TaH的发射极和包含Al2O3的障体其取决于温度梯度的电压曲线；
图19是Al基片上包含TiH2的发射极、包含PbTe的障体和包含Pt的集电极的I_V曲线；
图20示出提供冷却的热离子变换器的截面图；
图21示出冷却实施例中点接触形式(微球)的障体的截面图；
图22示出微球形式的障体的截面图，该微球包含有外金属层和半导体层的非导热核心材料。
                            本发明详细说明
本发明实施一种热离子能量变换器，并且针对图1中一般说明的能量变换方法和装置。本发明10包含导电且导热的电子发射极12、接收发射极12来的电子的导电导热集电极16、配置在所述发射极12与集电极16之间并与其密切接触以便滤除从发射极12传到集电极16的高能量电子的固态障体14，以及连接所述发射极12和集电极16的电负载。
本发明10如图1所示，通过小面接触点13维持发射极12与集电极16之间的热隔离。维持发式机机12与集电极16之间的热提供通过障体隔离14的发射式电子传送，并减少通过传热性的声子和电子的传送。因此，通过收集发射电子并减少不能收集的导热性电子，提高效率。重要的是要注意本发明原理对空穴传导和电子传导都有效。这里所提供的金属包含合金。
由截面面积朝小面接触点13递减的小面几何形状规定小面接触点13。例如，图1示出一种由球形颗粒组成的障体14规定的小面接触点13，其中小面几何形状为球形。小面接触点可与发射极12、障体14或集电极16组成一体。发射极12、障体14或集电极16具有一个或多个配置在发射极12与障体14之间、或障体14与集电极16之间或其组合之间，并且与其密切接触的小面接点13。
小面接触点13还例如沿小接触点13与集电极16之间的非接触表面，在50埃或更小的距离提供量子力学隧道。此距离取决于所用的材料及其相应的逸出功。小面积接触点13还借助减小像力效应造成的势垒高度，沿小接触点13与集电极16之间的非接触表面，在25埃或更小的距离提供热离子发射。此距离也取决于所用的材料及其相应的功函数。像力效应的讨论见Coutts，T.J.著《薄金属的导电(ElectricalConduction in Thin Metal Films)》(第54至55页，纽约Elsevier科学出版公司，1974年)。
图2示出起点发射极或接触点作用的三角形截面的小面积接触点13。小面积接触点形状的各种其他例子包括(但不受此限制)用诸如微光刻制版和全息图像光刻制版、Tonk法(液体金属表面的电不稳定性)、离子铣或其等效方法制作的抛物面形接点、椭圆形接点、弧形接点、纳米管、颗粒、树状体。
包含真空、氙、氡或其他非传导气体(但不受此限制)的非导热导电空间15靠近小面接触点13、发射极12和障体14，或靠近障体14和集电极16或其组合。空间15减少会受到热传送并且辅助维持发射极12与集电极16之间热隔离的电子。
在发射极12的逸出功小于集电极16的逸出功的情况下，发射极12与集电极16之间连接电负载RL时，出现电子流。决定负载电阻时，注意任何电功率源的最大效率通常出现在功率源的内阻等于负载电阻的情况下。因此，如果内阻很小，则所期望的负载电阻也要很小。
如果调整障体14，以拣选热电子，发射极12就会受到冷却，从而电子流会集电极造成16上电位升高。为了达到所希望的变换器效率，障体14必须用较低的能量有效阻止电子。发射极12与障体14匹配，使得在势垒高度所规定的一致能量下，发射极12上的电子浓度大于集电极16上的电子浓度。
利用发射极端反射率低而集电极端反射率高的材料有利于维持高效率。1.发射极
发射极12包含导电导热材料，诸如金属、合金、半导体或掺杂半导体材料。发射极12还包含基片上的导电导热层，其材料诸如包含(但不受此限制)被覆金属层或其他导热导电材料的SiO2、晶体或等效物。
本发明的另一实施例中，小面接触点利用与发射极12相同的高声子能量材料与发射极相关联，该材料最好具有至少为约3KT的平均能量，以便利用电子与声子的相互作用使电子能量分布畸变。呈现这些特性的材料为与化学计量无关的氢化金属MeXHY。这些离子包括TiHX、VHX、ZrHX、NbHX、TaHX、ScHX、YHX、ThHX、UHX等全部稀土氢化物或其组合，但不受此限制。形成氢化物的许多金属可为标准金属的合金，甚至标准金属浓度高而不丧失其声子频谱中的高能量分量，并且可具有氧化作用方面较好的性能，其例子为TaCu或TiCu合金。发射极12还应提供导热和导电性。
图3示出发射极机的一个例子，该发射极包含蜂窝结构18中支持的氢化金属粉17。
总的来说，全部氢化金属MeXHY具有100meV以上的频谱声子能量，例外的是Pd和Pd合金。MeXHY优于MeXDY(或MeXTY)，因为1H1同位素较轻，并且提供较高的声子频率(能量)。还要注意声子频率基本上与轻浓度无关(见Landont-Bornstein著《科学技术中的数字数据和函数关系，第3组：晶体和固态物理学(Numerical Data andFunctional Relationships in Science and Technology，Group III：Crystal andSolid State Physics)》，1983年，卷136，“金属：声子状态、电子状态和费米面(Metals：Phonon States，Electron States and Fermi Surfaces)”，第333至354页，其内容具体在此引入)。
具有高声子能量的其他稳定材料包含BH、B4C、BN(六角形)、BN(方形)、金刚钻或其组合，但不受此限制。采用非导体基片的发射极12还必须具有厚度小于电子平均自由程的导体层或掺杂层(诸如银)，以便将电子发射进入障体14。或者，发射极12包含非导热导电材料时，可将导体层或掺杂层置于障体14上。导体层或掺杂层提供导热性和导电性。例如，如果发射极12包含BN微球，导体层或掺杂层包含Ag(电子平均自由程为400埃)，则导体层或掺杂层的厚度最好在50～200埃之间。2.障体
具有禁带的大多数半导体导热性很低，诸如几W/(m.k)，或为铜或银导热性的1/100。这提供对应发射极12与集电极16之间热隔离至少几度的障体几何形状选择。图4A和图4B中说明此实例，其中在金属发射极12与金属集电极16之间的真空中放置低导热性半导体障体14(例如固定的柱体、微球等)。发射极12温度高于集电极16。虚线19表示等温线(两种材料中标度不同)。金属中由于导热性较高，等温线19的间隔较大。100∶1的导热性差估值导致达1微米的桥接界面线性尺寸(例如直径)。区域A由于面向金属-半导体界面上的低势垒(1eV的几分之一)，会发射电子。区域B不发射电子，因为面向具有几eV势垒的金属-真空界面。区域A对区域B的比率规定该间隙导热性的减小(无辐射分量)。例如，1∶100的比率提供发射极12与集电极16之间的100K热隔离。发射极12面积减小1/100，会要求较高的电流密度。图5中示出作为势垒高度和温度的函数的理查森电流密度图线。图线20代表300K时的值，图线22代表350K时的值，图线24代表400K时的值，图线26代表500K时的值，图线28代表700K时的值，图线30代表800K时的值，图线32代表900K时的值。例如总面积1cm2且发射极12温度为400K的1W器件要求约103A/cm2的理查森电流。可用0.35eV的势垒(诸如PbTe)取得此电流。104～105A/cm2是具有小禁带的掺杂半导体的电子迁移实际极限。
可用诸如激光刻制版或全息图像光刻制版构成图4A和图4B所说明的实施例。然而，某些材料必须考虑热膨胀特性。例如，具有10-5K-1热膨胀系数的1cm2金属片端在温度变化100K时会移动105埃，与仅有几百埃的桥接长度不相符。因此，障体14最好是可移动(滚动或滑动)的障体。可移动障体14可包含配置在发射极12和集电极16之间的微球或短微线。微球较好，因为没有热膨胀方向问题。图1中示出微球的实施例，其中按照沉淀、悬浮或等离子溅射制作方法可得5～100nm规模的半导体球14。然而，亚微米光刻制版技术的进步使得纳米线法从技术的角度看是可行的。纳米线法对发射极12和集电极16端都要求材料均匀无应力。最简单的设计是径向扩展的圆片。图6示出圆片的膨胀图34和纳米线定位36。要注意该片穿过纳米线的移动会使几个热循环后劣化，应避免。矩形片提供较复杂的热膨胀图38，如图7所示。图7示出纳米线定位40比较复杂，并且在绝对尺寸变化较小时起作用，以免第2级效应。该片最好具有小的热膨胀系数，使高温时绝对尺寸变化最小。
圆片和矩形片发射极12和集电极16的几何形状不是唯一的结构。然而，每一种结构尤其本身的热膨胀图，必须根据所设计的纳米线取向进行相应的数学分析。纳米线截面可随所用材料、工作温度和温度梯度而不同。截面42的一些离子包括图8中所示的截面，但不受此限制。
只能用肖特基势垒形成本实施例的电子势垒。下面的表1中示出与金属接触的一些半导体的已知肖特基势垒例。可对基本上任何肖特基势垒，或通过比较界面材料电子逸出功与真空能级，扩充该表(见“半导体微结构的带结构工程”，NATO ASI系列，系列B：物理学，189卷，1988年，第4页；Lerach，L.和Aldrecht，H著《低掺杂n型InSb上正向偏置肖特基势垒的电流传送》，第531至544页，North-Holland出版公司，1978年；Brillson，L.著《半导体的接触点：基础和技术》，Noyes出版社，1993年；Rhoderick，E.和Williams R.H.著《金属半导体接点》，第2版，Clarendrn出版社，1988)。通过液体沉淀、介电泳、振动/充电、掩蔽或其等效方法，可制作球体14的定位。例如，介电泳将粉末当作电荷含入电介质媒体，诸如乙醇。重要的是使用新鲜的乙醇，因为乙醇会从大气吸取水，这将使媒体有些传导性，处理过程会劣化。施加电场，则电荷移动。施加的电压和混合物中粉末的浓度，控制该被覆。利用超声波或振动使粉末散开。
如上所述，如果发射极12包含非金属材料，则可在发射极12或障体14上设置金属层。例如，由图1所示微球组成的导体14包含外金属层和置于发射极12上的金属接点。
              表1
    材料     势垒(eV)
    Si     0.5-0.8
    n-Ge     0.18-0.45
    n-GaAs     0.70
    n-InAs     0.50
    n-GaSb     0.07
    n-InSb     ～0.1
    Sb     ～0.1
    n-PbS     ～0.2
    n-PbSe     ～0.2
    p-Cu2O     0.4
    p-Se     0.30-0.55
    n-CDs     0.88
    DySi2     0.37
    IrSi3     0.94
  HgXCdX-1Te   0.0-0.5
    p-Ge     0.26
  B(非晶态)     0.43
    LaB6     0.35
    YbB6     0.30
    Pd2Si     0.7
    n-PbTe     0.32
    p-GaAs     0.55
    n-InP     0.32-0.54
表1示出势垒高度在0.1eV至1.0eV范围内的各种材料。表1所列各种材料，其全部实际温度均包含在图5中。例如，在工作温度800K、面积覆盖1∶100和势垒材料流通电流极限103A/cm2(≈1W/cm2的变换器比功率)时，n-GaAs或Pd2Si(0.7eV)是可接受的障体材料。半导体也可掺提供子带传导的杂质。例如，Ge掺杂Te，提供隔开导带底部0.3eV的施主子带宽，因而使本征表面势垒变化0.15～0.20eV的值。
图1中所示实施例可包含用诸如激光烧蚀或其等效方法以所希望的每单位面积密度在各种基片上堆积的100埃直径的半导体球。半导体和电介质上的表面光洁度最好在几埃RMS内，然而，该表面必须金属化。10埃RMS表面的金属被覆通常采用磁控管溅射。标准光学抛光提供1～3弧分的平行度。在一侧无软片时，只有约100微米以上的距离能保证无电短路。厚度约0.1mm或更小的材料，诸如玻璃、晶体、Si、Ge、云母或其等效物，可起局部弹簧的作用，补偿平行度，其条件是采用热传导垫片(诸如碳纤维或其等效物)作为压缩用的中间层。
为了说明热操纵和压缩的问题，图9所示实施例在两块平滑的1×1cm2方形钼片或镀钼片46和48之间包括100埃的锗球44，片46和48之间的温度差为100K，并且10W的热流通过变换器。片46和48中的一块薄到(例如10～20微米)足够柔软，以局部补偿平行度问题。
由热源(图中未示出)提供热流q。温度T2的冷片46与温度T1的热片48之间维持温差。本例中，T1-T2＝100K。片48由厚10微米且两面镀2000埃钼加以金属化的硅晶片材料组成。用激光烧蚀在片46上堆积Ge纳米球44。在片48上为均匀负载提供碳纤维薄层50，并通过平压片52传导热和电流。由校准弹簧54调整纳米球44上的机械负载。原则上，弹簧54也贴附在片46上，而不是片52上。弹簧54提供的压缩力规定球44的形变，并间接规定球-片界面上的热特性和电接触特性。整个器件封装在真空腔体内，并且抽空到剩余压力在5×10-4乇以下。在此压力下，空气的导热性小于室温下的辐射损耗(见Kaganer，M.G.著《低温工程的热绝缘》，第7至106页，以色列科学程序翻译公司，1969年)。Kaganer讨论界面的热阻是多个参数的复函数。为了简化，以下实例假设球44的热阻等效于界面1000平方埃的棒。通过导热率k(锗的该值为40W/(mk))的一个接点的特定热流(qi＝kT/y)获得4×10-6W的值。为了在10W维持100K温度梯度，总热流要求2.5×106个球，或球44之间隔开约6微米，该结构对应于薄硅晶片标准的约3弧分的片平行度。
因为Mo的弹性模数(300GPa)远大于Ge的弹性模数(82GPa)，可认为在压缩下，Ge球会变形，而片46保持平坦。计算表示提供1000安接触面积需要约10-7N的力。本例中，总压缩为0.25N，比较小，仅考虑用10微米厚硅片补偿部分片平行度。用较薄的片或较柔软的片材(诸如玻璃)，可改善其结果。
上述例子还说明此器件优化原理。如果所希望温度差增加到200K，则必须对该器件提供20瓦热流。如果只有10瓦，则纳米球数必须减少一半，依此类推。
下列参考文献中描示各种障体材料的例子，在此引用其内容：Burstein，E.和Lundgvist，S.著《固体隧道现象》，第47至78页，127至134页，149至166页和193至205页，纽约Plenum出版社，1969年；Mizuta，H.和Tanoue，T.著《谐振隧道二极管的物理和应用》，第52至87页，纽约康桥大学出版社，1995年；Duke，C.B.著《固体中的隧道》，第44至158页和第279至290页，纽约Academic出版社，1969年；Conley，J.W.和Tiemann，J.J.著“金属半导体势垒的隧道实验概念”，应用物理杂志，Vol.38，No：7(1967年6月)，第2880至2884页；Stinrisser，F.和Davis，L. C.著“《金属-锗接点的电子和声子隧道光谱学》，Physical Review，Vol.176，No：3(1968年12月15日)，第912至914页，Hicks.L. D.和Dresselhous，M.S.著“量子阱结构效应的热电性能系数”，Physical Review B，Vol.47，No：17(1993年5月15日)，第12272页至12731页；Abram，R.A.和Jaros，M.著“半导体微结构的结构工程设计”，Series B，Physics，Vol.189，纽约Plenum出版社，1998年，第1至6页和21至31页；Ferry等著“超小器件中的量子传送”，Series B，Physics，Vol.342，纽约，Plenum出版社，1995年，第191至200页，Shakorui，A.和Bowers，J.E.著“异结构综合热离子冷却器”，Applied Physics Letters Vol.71，No：9(1997年9月1日)，第1234至1236页。
应用薄障体材料领域的技术人员认识到需要清洁，以免污染诸如细菌、外界颗粒、尘埃等。在设置障体的基片上准备光滑表面光洁度，也很重要。
纯电介质具有极高的势垒特性。例如，电介质的典型禁带为4～6eV。很难将电子热激励到这种能量，以提供显著的电流。电介质内的杂质和晶格缺陷提供低势垒的局部导带。
电介质中晶格缺陷和杂质的行为还未深入探索，见例如Hill，R.M.著《薄电介质膜中的单载流子传送》，第39至68页(阿姆斯特丹，Elsevier出版公司，1967年)，在此引用其内容。原则上通过改变杂质的类型和浓度，可控制势垒高度。通过缺陷的多级隧道带来的传导，也提供低电子能量的一些传导性。
相关领域的技术人员认识到由各种淀积法可用于形成极薄电介质被覆，其中包括CVD(化学汽相淀积)、PVD(物理汽相淀积)，有各种方式，诸如磁控管、电子束、脉冲激光淀积或其等效方式。已知这些淀积法淀积10～500埃电介质层，诸如Al2O3和SiO2等。
电子能量拣选障体13也可利用半导体，而不是电介质。由于可为所希望势垒高度值选择金属-半导体界面势垒，金属-半导体势垒比金属-电解质-金属结容易调节。金属-半导体结展现高度衰退半导体(诸如高掺杂半导体)的隧道特性，顾及薄势垒。
可用3种半导体障体：〔1〕传导或掺杂材料62/n型半导体64/p型半导体66/传导或掺杂材料68(见图10，注意，n型和p型层可倒换)；〔2〕传导或掺杂材料70/n型半导体72/传导或掺杂材料74(见图11)；〔3〕传导或掺杂材料76/p型半导体78/传导或掺杂材料80(见图12)。本实施例中，可由局部电场加速电子注入p型区。下列参考文献中揭示半导体材料的例子，在此引用其内容。见Landolt Bornstein著《科学技术的数字数据和函数关系》，第3组：“晶体和固体物理”，1982年，卷17b～17i和1987年，卷22a“半导体”；Madelung，O.著《科学技术数据：半导体〔IV族元素和III-V族化合物除外〕》，第1至153页，纽约，Springer-Verlag玻璃，海德堡；Conwell，E.M.，“半导体I”，Bulletin of American Physical Society，Vol.10，第593页，1965年6月14日；Hall R.N.和Racette J.H.著“从隧道实验推断的带结构参数”，第2078至2081页，卷32附册，No：10(1961年10月)。
对禁带能量Eg而言，第1势垒具有指数系数Eg和约为Eg/2的第2指数系数(无与表面缺陷和晶格关联的肖特基势垒)。
半导体的势垒高度低于相应的电介质势垒。障体14的厚度对半导体不严格，其势垒高度可用适当的半导体材料调整。例如，半导体的厚度与电介质所需几十埃的厚度相比，可在几百埃的区域内，比电介质厚。较厚的障体14容易制造得多，因为对针孔、尘埃和其他污染不敏感。此外，电流与势垒高度呈指数关系。
对势垒高度Ψ等于150meV的半导体，根据理查森公式，室温下的电流污染不敏感。此外，电流与势垒高密度非常高，约≥106A/cm2，而在Ψ等于约300meV时为104A/cm2。本实施例中可用势垒高度在0.7eV以下的半导体，因为可提供适当大的电流密度(＞1A/cm2)。
谐振隧道RT障体81包含2个或多个障体82和86，并且障体82和86之间具有足以使电子形成驻波的间隔84(见图13)。间隔84一般为100埃或更小，需要精确的淀积法，诸如分子束外延(MBE)或其等效方法。RT器件物理和技术的揭示见Mizuta，H.和Tanoue，T.著《谐振隧道二极管的物理和应用》，第1至235页(康桥大学出版社，1995年)，在此引用其内容。
谐振隧道障体81的优点在于依赖发射选择电子能量。图14给出特定GaAs-AlXGa1-XAs异结构的发射概率例。从图14可看到存在少量发射峰，分别具有多个基波。RT基波可调谐到发射极材料(诸如TiH2)的第1声子谐波。可自动匹配高次谐波，从而提供要从费米分布尾部拣选的电子，所得效率高。RT的泄漏电流比其他类型的障体小得多。例如，0.1eV能量的电子渗透RT障体81的概率远小于0.25eV能量的电子。这种拣选效率提供高变换器效率。3.集电极
集电极16的材料必须具有以下特征，以确保变换器工作正常。集电极16必须提供导热性和导电性。图15示出具有基片88的集电极16，该基片不导电，被覆传导或掺杂层90，以便导电。如果集电极用作电子拣选障体14的基片，必须抛光到表面光洁度优于障体14的厚度。例如，对厚150～200埃的障体14而言，整个集电极16表面光洁度必须优于50埃。金属光学工业中公知满足＜50埃表面光洁度要求的金属。这些金属包括Cu、Mo、W、Al、其组合或等效材料，但不受此限制。
一种替换的方法是利用光学抛光的电介质或半导体集电极16，该集电极具有良好的导热性，并且被覆传导或掺杂材料，以获得需要的导电。这些材料包括硅、砷化镓、蓝宝石、晶体(熔融二氧化硅)或其等效物，但不受此限制。这些材料可方便地提供优于10埃的表面光洁度。玻璃具有1～2W/(m.K)的低导热性，因而实际仅用于低功率密度的变换器。高熔点单晶和金刚钻可用于要求较严的应用。
对高声子能量材料用作发射极12的实施例而言，集电极16必须在其声子频谱中设有高能量分量。此外，由于声子频率通常随金属原子的质量而降低，集电极16的材料必须具有足以在KT以下使频谱截止的原子质量。以下参考文献中阐述满足此规范的一系列金属：Landolt-Bornstein著《科学技术的数字数据和函数关系》，第3组：“晶体和固体物理”，1981年卷13a“金属：声子和电子状态”、“费米面”，第7至180页；Qhothevich等著《金属中电子声子交互作用点接触频谱图》(1995年)，在此引用其内容。这些金属的例子包括Au、BiH、Pb、Pt、W、Zr、Ta和Sm。
集电极16的材料的热膨胀系数最好与障体14的材料的热膨胀系数匹配，以免变换器在热循环下工作时被覆剥离。此外，集电极16的材料必须具有足够的机械完整性，以经受工作温度。
障体14和集电极16的材料没有选择得避免电子通过障体14漏回时，必须在集电极16和障体14之间配置导电的障体匹配材料92(见图15B)。电子逸出功Ψc的障体匹配材料91、电子逸出功Ψe的发射极12的材料和电子逸出功Ψb的障体14材料，其选择法则为Ψc＞Ψb≥Ψe。实际的ΔΨ取决于工作温度和应用。
从作为参考点的真空能级测量电子能量时，根据电子逸出功，对发射极12、障体14和集电极16的电子能量进行定位。集电极16的材料的逸出功太小，则集电极16起发射电子附加障体的作用，因而应避免。诸如Pt或Ir之类逸出功很大的金属较佳。然而，发射极材料电子逸出功小时，未必需要这种材料。4.实例
4(a)带电介质障体的变换器
用包含装在蜂窝结构18中的氢化钽粉末17的发射极(见图3)组装变换器。在带有显微镜线性定位台的刚体显微镜架上组装变换器，该定位台提供0.5微米的间隔调整。用调定直流电源对筒形加热器(Omega，100W)馈电，并由抛光铜棒提供氢化钽粉的热接点。加热器和铜棒均按玻璃陶瓷绝缘包装，并以弹簧加载到显微镜架。在定位台上安装铜制的水冷散热片，该定位台另外带有激光镜架，对接触面进行3维校准。借助稳定度为1小时±0.5℃的蠕动泵，在室温下，从大水池供应冷却水。用连接捕获数据用的Keitaly2001万用表(准确度±0.02℃)的两个铂RTD测量铜棒的温度。利用各RTD的不锈钢壳作为电线，使发射极与集电极之间的电路连接。用Hewlett Packard的HP 34420A型毫微伏电压表(Rn＝10GΩ)测量外电路的电压。
用Kepco ABC25-1DM外电源和Keithly 2001作为电流表，测量一例I-B曲线。将电阻器组(准确度1％)与电路并联，可提供高达0.5GΩ的负载而不影响毫微伏电压表。利用电压负载测量规定I-V曲线。发射极粉末17包含TaH或TiH2颗粒，该颗粒从初始的10～20微米球磨到平均值0.2～0.5微米大小的颗粒。通过将粉末17拍入粘接到铜片上的低导热性蜂窝结构18，或者通过在铜片上烘干酒精中的悬浮粉末，形成发射极。此样例用的蜂窝结构18购自宾夕法尼亚Berwyn的Goodfellow公司。该蜂窝结构的部件号为AR312620，具有以下规格：厚度为5mm，蜂窝壁0.05，蜂窝规模3mm。
测试各种集电极基片，包括金属化的光学抛光蓝宝石、光学抛光的可伐合金和钼以及金属化的光玻璃。在基片90(例如TaH发射极用的Ta)堆积厚度200～500埃的障体匹配材料92。通过PVD(物理汽相淀积，磁控管溅射)或CVD(化学汽相淀积)堆积Al2O3电介质层。不拘泥于控制这两种方法所堆积的集中在发射极样品上的杂质或缺陷。所获得的在1cm2面积上无电短路的最小障体厚度约为250埃。有些障体样品中，在室温不短路但在35℃～40℃时失效。在发射极与集电极温度差别35℃下采用电介质障体时，观察到的最高电压为0.22V。观察到的最大电流为约2μA。有些样品具有隧道二极管典型的S形电流-电压曲线(见图16)。图16中，发射极的温度为约31.96℃，发射极与集电极的温度差为约11.06℃。S形曲线94不平滑，示意非晶态电介质中存在局部化导带。有些样品具有类似于隧道二极管S形曲线开头部分的I-V曲线96和98(见图17)。对I-V曲线96而言，发射极的温度为约22.5℃，发射极与集电极的温度差为约3.1℃。I-V曲线98则发射极温度为约24.5℃，发射极与集电极的温度差为约5.4℃。图18中，线100表示电压取决于温度梯度，多数样品该关系基本上为线性。线性的V(T)线100表示线性地取决于通过样品热流的声子机制。该热流是温度差的线性函数，而电子分布是温度的指数函数。
这些测试提供对变换器的初始概念性证明，该变换器具有高达10～15mV/K的电压输出，显著高于任何已知的热电器件。利用Al2O3障体的变换器的电流密度低，预计是由于障体较厚和没有导带控制。然而，可对导带进行工程设计。文献中指导用连续的Al2O3层，以约小到20埃的尺寸，能达到电流增益106倍。
4(b)带半导体障体的变换器
利用磁控管溅射堆积PbTe被覆作为半导体障体，制成变换器。磁控管溅射靶是掺入0.3～0.5原子％的Al的99.99％纯p型PbTe。PbTe具有高电子逸出功(4.8～5.1eV)，对形成避免电子回流的障体提出挑战。仅数量有限的金属(如Pt和Au)具有较高的电子逸出功。用3000埃的导电用Ta层、500埃的金障体匹配层和350埃作为障体材料的PbTe，被覆抛光的玻璃基片。这时，肖特基势垒的高度未知。
在100℃～200℃的PVD温度下，PbTe常形成结晶被覆。本例中，样品的淀积温度为30℃～100℃因而不排除非晶态被覆。
表2中示出测试结果，其中按17mm2的截面积利用TaH粉末发射极。发射极的温度为26.9℃，集电极的温度为22.0℃。
             表2
电阻性负载(Ω) 输出电压(mV)
    106     5.2
    104     2.7
    103     2.4
    500     2.3
    100     2.2
    10     0.020
该结果显然没有达到“超越势垒”的电流，其原因在于与所期望100mV以上的范围相比，电压扩散太小(例如仅为5.2mV)。这意味着此例中实际势垒大于或接近于1eV。传导性呈现与电介质中声子辅助杂质导带的传导性相似。然而，不考虑空气导热性，重复计算使器件的效率为5.7％的理想卡诺循环。考虑空气热传导时，在温度300K和温度差4.9K下，效率为6.6％。测量误差不显著，电压为10-3％，电阻(电流)为1％，温度为0.02℃。测试期间温度漂移小于0.2℃。
4(c)带半导体障体的变换器
从与上述相同的PbTe溅射靶(掺入Al0.3～0.5原子％)构成与与节4(b)中所构成变换器结构相同的变换器。本变换器与节4(b)中的变换器主要的区别在于抛光到50埃RMS表面光洁度的铝集电极基片(15×12×3mm3)。用3000埃的Ta和300埃的Pt被覆Al。Pt层上方的PtTe层为240埃。发射极也包含TiH2的微球。
按发射极温度为31±0.5℃进行测试，发射极与集电极的温度差为7.5±0.5℃。图19中示出改变负载电阻所得的I-V曲线102。
与4(b)中产生的I-V曲线不同，电压扩散足够类似于“超越势垒”电流的传送。因为Al基片具有高导热性，不能作效率估计。然而，本变换器的输出大于节4(b)产生的输出。5.冷却实施例
提供冷却的热离子变换器104的主要组成部分(见图20)与上述热变换为电的热离子变换器10的组成部分基本相同。主要差别是：由外电场EExt辅助载流子的传送，并且发射极12连接热负载。借助绝缘材料106使发射极热绝缘。不是热交换为电实施时的加热发射极12，而是由流向图20所示热离子变换器104中发射极12的热流Q负载冷却热负载。集电极16的背面起热交换器的作用，并且热流Q交换耗散来自热电子的热。热交换器领域的技术人员知道有许多完成热交换的手段，包括空气和液体冷却或其等效方法，但不受此限制。
上文说明提供发射极12与集电极16之间大量热隔离的障体结构。
重要的是注意声子辅助电子传送在冷却实施例中比在热变换为电的实施例中重要性小，其原因在于冷却方式主要取决于工作电压。例如，在电流显著时，不能从声子得到0.3eV以上的增益。可从外电压源Eext获得工作电压。
图21示出提供冷却的热离子变换器108，其中利用点接触式的障体14。障体14可包含例如与图1所示实施例相同的球形半导体颗粒。
图22所示障体14包含的颗粒具有可传送发射载流子的薄半导体层114、用于导电和匹配电子逸出功的传导或掺杂层112，以及核心材料110(见图22)。核心材料可为电介质、传导或掺杂材料、半导体或塑料，只要这些材料足够硬，并且具有适当的工作温度和热膨胀系数。本实施例中，颗粒的一侧起发射极的作用，另一侧起集电极的作用。重要的是注意传导或掺杂层112必须具有数值在发射极12与集电极16之间的逸出功。6.应用
由于能量变换是现代文明的基础，有效的能量交换器具有大量的用途，诸如用于现有大发电厂、太阳能电厂、住宅用供电、住宅用太阳能供电、汽车、航海、太阳能航海、便携电子设备、环境热泵、冷却(冷藏、空调等)、航空航天等。
发电厂具有大量废热，潜热在300℃以下。以20～40％的卡诺效率变换废热，将额外增加10～20％的发电厂总效率，并等效节省燃料。
低成本变换器的增多会降低太阳聚能发电厂投资费用，并且效率高于当前蒸汽发电循环。降低工作温度也会降低维修费用。
基于直热电能变换的住宅用供电对安装供电线路有困难或不方便的边远地区较理想。热源可为矿物燃料或太阳聚能器的形式。太阳聚能器的形式可为利用昼夜温差的太阳加热水池。约100立方米的水配合100平方米的表面覆盖，可为住房温差10℃的面积供电。
热离子变换器与普通发动机驱动的发电机和电动机相组合，会增加大量好处。
直接能量变换在电动车辆中有大量应用。一种应用涉及采用工作温度约150℃至200℃的热离子器件提升总效率。另一种应用是汽车采用电驱动器和普通发动机，并配合基于变换器阵列作为中间辐射器的发电机。
汽车推动器的应用也可用于航海。此外，可按帆形使用太阳聚能器。现代刚体翼形帆可装入轻便价廉塑料菲涅耳透镜与热离子变换器的组合，供利用风能和太阳能以帆形太阳能元件的约100～200W/m2推动航船。
由于变换器能以自保持方式利用很小的温度梯度，可用表面上非对称交换建立散热片之间的温度梯度(例如可将1个散热片热绝缘)。此外，该系统会运转，对环境进行冷却，并产生电流，直到出现某些异常。总之，这里揭示的方法和装置是对热离子能量变换当前技术状态的极大改进。
本发明可按其他特定形式实施而不偏离其精神实质或基本特征。所述实施例应认为全部仅属说明而非限定。因此，本发明的范围由所附权利要求书指明，而非上述说明。落入权利要求书等效含义和范围内的全部变化均包含在该范围内。
希望得到专利保护的权利要求为：

Claims (27)

1.一种固态热离子变换器，其特征在于，包含：
导电且导热的电子发射极；
接收来自发射极的电子用的导电导热集电极；
配置在所述发射极与集电极之间用于滤除从发射极传到集电极的高能量电子的障体；
与所述发射极、障体或集电极综合并且配置在发射极与障体之间或障体与集电极之间或其组合之间并与其密切接触的一个或多个导电导热小面接触点；
靠近小面接触点、发射极和障体或障体和集电极或其组合的非导热导电空间；
连接所述发射极和集电极的电负载。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射极包含金属、金属、半导体材料或掺杂半导体材料。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射极包含基片上的导电导热层。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射极包含具有高声子能量频谱的材料。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述材料包含TiHX、VHX、ZrHX、NbHX、TaHX、ScHX、YHX、ThHX、UhX全部稀土氢化物或其组合。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射极包含BH、B4C、BN(六角形)、BN(方形)、金刚钻或其组合的基片，并且具有配置在基片与障体之间的传导或掺杂层。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述传导和掺杂层厚度小于所述传导和掺杂层中的电子平均自由程。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集电极包含金属、合金、半导体或掺杂半导体材料。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集电极包含基片上的导电导热层。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包含配置在障体与集电极之间用于避免电子漏回的障体匹配材料。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述障体包含n型Ge、p型Ge、n型GaAs、n型InAs、n型GaSb、n型InSb、Sb、n型PbS、n型PbSe、p型Cu2O、P型Se、n型CDs、DySi2、IrSi3、HgXCdX-1Te、p型Ge、非晶B、LaB6、YbB6、Pd2Si、n型PbTe、P型GaAs、n型InP或其组合。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述障体包含谐振隧道障体。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述谐振隧道障体包含2个或多个障体和障体之间提供电子形成驻波的空间。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述障体包含可移动障体。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述可移动障体包含微球、微线或固定柱体。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述障体包含电介质材料。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述电介质材料包含非晶Al2O3或SiO2。
18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述障体包含第1传导和掺杂层、n型半导体层、p型半导体层和第2传导或掺杂层。
19.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述障体包含第1传导和掺杂层、n型半导体层和第2传导或掺杂层。
20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述障体包含第1传导和掺杂层、p型半导体层和第2传导或掺杂层。
21.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述1个或多个小面接触点的形式为点接触。
22.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述1个或多个小面接触点包含抛物面形接点、椭圆形接点、弧形接点或其组合。
23.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述1个或多个小面接触点包含纳米管、颗粒、树状物或其组合。
24.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非传导空间包含真空或非传导气体。
25.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射极连接热负载，所述发射极与集电极之间施加电位而不是负载，所述集电极还包含起热交换作用的背面。
26.一种热变换为电所用的固态热离子变换器的构成方法，其特征在于，包含下列步骤：
提供导电且导热的电子发射极；
提供接收来自发射极的电子用的导电导热集电极；
形成配置在所述发射极与集电极之间用于滤除从发射极传到集电极的高能量电子的障体；
形成与所述发射极、障体或集电极综合并且配置在发射极与障体之间或障体与集电极之间或其组合之间并与其密切接触的1个或多个导电导热小面接触点；
形成靠近小面接触点、发射极和障体或障体和集电极或其组合的非导热导电空间；
提供连接所述发射极和集电极的电负载。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述发射极连接热负载，所述发射极与集电极之间施加电位而不是负载，所述集电极还包含起热交换作用的背面。
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