CN1768432A - 固态能量转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有半导体或半导体－金属实施方式的固态能量转换器，用于将热能转换为电能，或将电能转换为致冷。在n型热－电实施方式中，由金属或半导体制作的高掺杂的n*发射器区域注入载流子进入n型带隙区域。p型层位于发射器区域和带隙区域之间，允许对应的费米能级间断并形成势垒以通过能量将电子分类。附加的p型层可以选择性地形成于转换器的集电器侧。具有较高载流子浓度(p*)的这些层的一种形式在转换器的冷侧作为阻挡层，而具有接近带隙中的载流子浓度的另一层(p**)减少热电回流分量。在装置的两侧上的欧姆触点通过外部负载闭合电路以将热转换为电。在制冷机的情况下，外部负载通过外部电源替代。
Description
技术领域
本发明涉及热能到电能以及电能到致冷的转换，更具体地说，涉及利用半导体二极管实现形式的固态热电子转换器。
背景技术
热电子能量转换是通过热电子发射将热能直接转换为电能的方法。在此过程中，通过加热金属并将充分的能量给予一部分电子以克服为了逃逸金属表面的阻碍力，电子从金属表面热电子发射。与大多数其他传统产生电能的方法不同，除了电荷，热电子转换既不需要能量的中间形式，也不需要工作液体，以便将热转为电。
在其最基本的形式中，传统的热电子能量转换器包括连接到电源的一个电极，连接到热沉(heat sink)并通过中间空间与第一电极分离的第二电极，将电极连接到电负载的导线，以及外壳。外壳中的空间既可以高度抽空，也可以用适合的变稀薄的气体如铯填充。
传统的热电子转换器中的基本过程如下。热源以充分高的温度将热量供给到电子热电子蒸发成抽空或填充有稀薄气体的极间空间的一个电极，即发射器。电子通过此空间向保持在接近热沉的低温的另一电极，即集电器移动。在此，电子浓缩并通过外部电导线和在发射器和集电器之间连接的电负载返回到热电极。通过电负载的电子流动由于电极之间的温度差而得以持续。因此，电功输送到负载。
热电子能量转换基于与热源接触的低电子逸出功阴极将发射电子的概念。这些电子通过冷的、高逸出功阳极吸收，且其可以通过其进行有用功的外部负载流回到阴极。实际的热电子发生器受到用于阴极的适合金属或其它材料的逸出功的限制。另一个重要的限制是空间电荷作用。在阴极和阳极之间的空间中存在的带电荷电子将产生降低热电子流的额外势垒。这些限制将有害地影响最大电流密度，因此，是发展大型电子转换器中存在的主要问题。
传统的电子转换器通常分为真空转换器或充气转换器。真空转换器具有在电极之间的抽空介质。这些转换器已经在实际中限制了应用。
在充气转换器第一类中的实施方式设置有在产生正离子的极间空间中的蒸发物质。此蒸发物质通常为蒸发的碱性金属如铯、钾以及铷。由于这些正离子的存在，释放的电子可以更容易地从发射器传递到集电器。在此传统装置形式的发射器温度部分通过产生正离子物质的蒸发温度确定。总体上说，如果离子的有效产量可以在这些传统装置中实现，发射器温度至少为正离子产生物质储存器温度的3.5倍。
在充气转换器的第二类中的实施方式设置有第三电极以产生离子，而这些传统装置中的极间空间中的气体为惰性气体如氖、氩或氙。虽然这些转换器可以在低温操作，如大约1500K，但其更复杂。
典型的传统热电子发射器在从大约1400K到大约2200K的温度范围操作，而热电子集电器在从大约500K到大约1200K的温度范围操作。在最佳的操作条件下，能量转换的整个效率范围从5％到40％，电能量密度级为1到100W/cm2，而电流的密度级为5到100A/cm2。总体上说，发射器温度越高、效率越高、能量和电流密度在设计时要考虑辐射损失。能量从典型转换器的一个单元传递的电压为0.3到1.2V，也就是大约与普通电解电池的电压相同。具有高能量额定频率的热电子系统包括串连电连接的多个热电子转换器。每个热电子转换器单元通常额定为10到500W。
热电子转换器的高温特征可以对于一定的应用是有优势的，但因为要求发射器的温度通常超过了许多传统热源的实际能力，所以，限制了其他应用。相反，通常的热电转换器在大约500K到大约1500K的热源温度范围操作。然而，即使在最佳条件下，热电能量转换器的整个效率也只在3％到10％的范围，电能量密度通常低于几W/cm2，而电流密度级为1到100A/cm2。
从物理学的观点看，热电装置与热电子装置相似。在这两种情况下，在金属或半导体上设置有温度梯度，而两种情况都基于电子运动为电的概念。然而，电子运动也输送能量。强制电流输送用于热电子和热电装置的能量。热电和热电子装置的主要不同在于输送机构：用于热电子的发射和扩散运动以及用于热电学的欧姆输送。欧姆流为宏观扩散，而不是微观扩散。其区别特征为是否存在过量载流子。在热电学中，通常存在的载流子是造成电流的原因。在热电子中，电流是由于在带隙中设置过量的载流子产生。如果电子发射地穿过或越过带隙，热电子装置就具有相对高的效率。对于热电子装置，所有的动能都从一个电极输送到另一个电极。在热电装置中的电子运动为准均衡的且为电阻性的，可以根据为均衡参数的塞贝克系数说明。
在具有窄势垒的结构中，电子将不会移动足够远以当其经过势垒时承受碰撞。在这些环境下，热电子发射理论的发射形式可以更精确地表示电流输送。
根据本技术的目前状态，通过利用真空转换器或充气转换器，已经探索了上述问题的解决途径。降低真空转换器空间电荷效果的努力旨在降低极间分离到微米级。降低充气转换器空间电荷效果的努力导致正离子在发射器前进入电子云。然而，这些传统的装置依然存在缺点，例如与其限制的最大电流密度以及温度模式相关的缺点。
结果，依然需要在低温模式下提供高效率和高能量密度地将热能转换为电能的更满意的解决方案。
发明内容
本发明涉及一种固态能量转换器装置，以及具有半导体或半导体金属的实施方式用于将热能转换为电能或电能转换为致冷的方法。在本发明的n型热-电实施方式中，由金属或半导体材料制作的高掺杂的n*发射器区域将载流子注入n型带隙区域。P型层位于发射器区域和带隙区域之间，允许相应的费米能级间断，并形成势垒以通过能量将电子分类。
附加的p型层可以选择性地形成于带隙区域的集电器侧。具有更高载流子浓度(p*)的这些层的一种形式作为所述装置的冷侧的阻挡层，而具有接近所述带隙中n型浓度的载流子浓度的另一层(p**)降低了热电回流分量。可以单独使用这些p型层或在收集器侧一起使用。在所述装置两侧上的欧姆触点通过外部负载闭合电路。在制冷机的情况下，外部负载被外部电源替代。
在本发明的附加实施方式中，可以形成p型转换器以及热二极管组。本发明对空穴和电子进行工作。可以用本发明的装置实现接近热动力极限的效率。
从下面的说明和附属权利要求可以使本发明的这些和其他特征变得更加清晰，或通过本发明的实施得到清晰地体现。
附图说明
为了说明获得本发明的上述和其他特征的方式，将参照在附图中说明的其具体实施方式对本发明上述简要说明进行更具体的说明。应该理解，这些附图只是本发明的典型实施方式，因此不能认为限制了其应用范围，本发明将参照其他特征进行说明和解释，并通过利用相应的附图进行具体说明，其中：
图1是显示改进规定的半导体装置的热电性能的本发明中的热二极管实施方式的简要说明视图；
图2是显示相对导带的底部，作为电离的受主浓度(左)和电离的施主浓度(右)的函数的用于InSb(锑化铟)的费米能级的曲线图；
图3A和3B是显示计算载流子浓度杂质分布曲线图以及用于He-4注入的相应势垒形状的曲线图；
图4是显示作发射器势垒高度的函数的相对电输出的曲线图；
图5是显示费米能级的理想计算位置以及用于具有1018cm-3Te(碲)掺杂和p-型势垒的InSb带隙区域的导带的底部的曲线图；
图6是显示起集电器势垒高度作用的规格化为热电性能的相对电输出的视图；
图7是显示用于具有与另一注入势垒组合的发射器势垒的本发明最佳转换器的计算能量等级的曲线图；
图8是显示用于具有与阻挡层组合的发射器势垒的本发明最佳转换器的计算能量等级的曲线图；
图9是显示用于具有与另一注入势垒和阻挡层两者组合的发射器势垒的本发明最佳转换器的计算能量等级的曲线图；
图10A是显示只包括发射器注入势垒组的本发明的热二极管转换器的简图；
图10B是显示包括发射器注入势垒加补偿层组的本发明另一热二极管转换器的简图；以及
图10C是显示包括发射器注入势垒加集电器注入势垒组的本发明另一热二极管转换器的简图。
具体实施方式
本发明涉及具有用于热能转换为电能，或电能转换为致冷的半导体或半导体-金属实施形式的固态能量转换器装置。本发明可以用空穴以及用电子实现。可以用本发明的装置实现接近热动力极限的效率。
参照附图，图1是显示热二极管10形式的本发明固态能量转换器的一个实施方式的简图，其改进了给定半导体装置的热电性能。如图1所示，热二极管10具有n型导电性，并包括具有与热的热交换表面14热连通的发射器区域12。发射器区域12包括具有用于电子发射的施主浓度n*的n型区域16。具有施主掺杂n的半导体带隙区域18为与发射器区域12电和热连通。具有受主浓度p*的p型阻挡层20介于发射器区域12和带隙区域18之间。阻挡层20构成为在发射器区域12和带隙区域18之间提供势垒以及费米能级间断。
作为图1的进一步显示，热二极管10可以选择性地包括与冷的热交换表面24热连通的集电器区域22。当存在时，带隙区域18与集电器区域22电和热连通。第一欧姆触点26与发射器区域12电接触，第二欧姆触点28与集电器区域22电接触。第一和第二欧姆触点26、28通过外部负载(RL)闭合电路30用于热电转换。另外，第一和第二欧姆触点26、28可以通过外部电源(PS)而不是外部负载闭合电路30，用于电到致冷的转换。
集电器区域22可以包括具有邻接带隙区域18的载流子浓度p**的附加注入阻挡层(pI)以减少热电回流分量。集电器区域22还可以包括具有与带隙区域18中的施主浓度同样的受主浓度p*的附加补偿层(PC)，并作为转换器的冷侧的阻挡层。
集电器区域22还可以包括p型层、附加注入层(PI)以及附加补偿层(PC)，注入层置于带隙区域和补偿层之间。
应该理解，发射器区域12和带隙区域18极大地改进了热二极管10的热电性能，而即使没有集电器区域22，装置也是可行的。
发射器区域12由电和热传导材料如金属、金属合金、半导体、或掺杂半导体形成。发射器还可以包括在基体上的电和热传导材料。用于发射器区域的适合材料的非限制实施例包括Hg1-xCdxTe、Cd3As2、CdSnAs2、SiGe合金、TAGS、InAs1-xSbx、GaxIn1-xAsySb1-y、PbTe、PbSe、PbS、Ge1-xSnx和类似物。发射器区域12还可以具有大于1μm的厚度，或大约2个载流子散射长度。
带隙区域18可以形成有半导体材料如InSb、HgCdTe、Cd3As2、CdSnAs2、Ge1-xSnx、CdGeAs2、InGaSbAs、PbTe、PbS、PbSe和类似物。用于带隙区域的半导体材料可以为具有n型杂质如碲的掺杂晶片的形式。带隙区域18可以分割为以便其包括半导体材料的第一层，以及减少由金属或不同的高n掺杂半导体材料制作的热流密度的第二层。
带隙区域18中的半导体带隙(第一层)可以与一个或多个载流子散射长度同样薄以保持势垒结构。例如，半导体带隙可以至少为1个载流子散射长度宽，优选为至少5个载流子散射长度宽。带隙区域可以具有达到大约1mm的整个厚度。可以用于带隙区域的金属材料包括Mo、钢和类似物。
P型阻挡层20可以具有达到大约1μm的厚度，并可以通过半导体如掺杂有p型杂质(例如，Co、Zn、Ge、Mn、Mg、Fe、Cu、Ag、Cr等)的InSb的沉积作用形成。此后将更具体地说明，p型层的p*掺杂浓度与带隙区域的n掺杂浓度的关系为pi＞pn(m* p/m* n)，其中m* p为空穴的有效质量，m* n为电子的有效质量，而角标i表示在给定温度的载流子的电离分数。
在本发明固态能量转换器的另一实施方式中，图1的热二极管10可以形成有p型传导性。此实施方式包括与热的热交换表面热连通的发射器区域12，发射器区域包括具有用于空穴发射的受主浓度p*的p型区域。具有掺杂p的施主的半导体带隙区域18与发射器区域12电和热连通。具有施主浓度n*的n型阻挡层20介于发射器区域12和带隙区域18之间。p型热二极管可以选择性地包括与冷的热交换表面热连通的集电器区域22。第一欧姆触点与发射器区域12电接触，第二欧姆触点与集电器区域22电接触。
本发明的转换器装置可以本领域的技术人员已经熟知的通常用于形成金属和半导体层的传统沉积技术形成。
实施例
提供下列实施例用于说明本发明，其目的不是限制本发明的范围。
实施例1-发射器和转换器的设计
在本发明的研制中，由于其工业的适用性，将锑化铟(InSb)用作典型的半导体材料。InSb具有已知最高的电子活动性以及最大的散射长度(在室温下0.8微米)。另一方面，InSb的热传导率相对较高，可以获得平均热电以下的品质因数(ZT＝0.2，用于最佳条件)。应该理解，实验达到用于InSb的大多数结果可以施用于具有各种其他半导体，根据其性质进行修正。然而，在两种极端的情况下，当能带隙太小(低于kBT，其中kB为玻耳兹曼常数，而T为绝对温度)，或太大时此方法可能不工作，以便其很难在合理的势垒高度如低于10kBT内产生热流感应费米能级间断。
掺杂有碲(n型)的晶片(带隙)用于本设计。掺杂等级为每立方厘米1018原子(atoms/cm3)左右。用于n型转换器的基本设计为n*/p/n，其中n*为发射器(既可以为金属，也可以为半导体)，p为阻挡层，而n为带隙材料。相应的p型转换器布局为p*/n/p，其中p*为发射器，n为阻挡层，而p为带隙材料。为简化起见，将不进一步说明p型转换器的实施方式，应该理解，涉及的物理学原理的内容相同，而设计的变化很明显。在转换器的集电器侧上，附加的p型补偿层进一步改进了装置的性能。将在后面说明的附加电流注入效果可以提供更加高的装置性能。
在形成根据本发明的转换器中，具有n*区域的发射器层通过沉积高度掺杂有碲的InSb层，或通过沉积In、Mo、或In-Ga共晶形式的金属层形成。p型层形成为产生用于热电子注入的势垒，并提供费米能级间断，因此，防止了发射器外的电短路。在n型带隙上的任何其他p型层都产生势垒，但只有足够高浓度的p型势垒浓度可以保证费米能级间断。换言之，p型层起到隔离物的作用。作为施主和受主浓度的函数的相对于导带的底部的费米能级的定位通过凯恩表(Kane’s diagram)说明。图2为用于InSb的凯恩表，其显示了作为电离受主浓度(左)和电离施主浓度(右)的函数的费米能级(meV)的曲线图。图2说明了用于300K、350K、400K、450K、500K、550K、以及600K的温度的结果。
p型层利用基于InSb空缺形成与Te(50meV)同样电离化能量的p型杂质的事实的方法形成。这在n-和p-型杂质的相对浓度在整个温度变化范围上保持相同意义来说很容易。通过注入惰性气体注入导致的空位浓度通过TRIM-91软件模拟(Ziegler和Biersack，IBM，1991)。图3A为当在掺杂有Te到1×1018cm-3的InSb中注入20-350keV4He的计算的载流子浓度杂质分布曲线图，而图3B为用于在室温注入的对应的计算的势垒形状。
此具体的杂质分布和其他方面利用工业注入器(Core Systems Inc.，sunnyvale，California)实现。注入的InSb晶片切成小片，通常为几个平方毫米，并在测试设备上测试，在别处说明(参见例如，P.Hagelstein以及Y.K ucherov，2001年秋材料研究学会会议学报，波士顿，MA，G.S.Nolas编辑，691卷，319-324页，其在此合并参考)。没有离子注入层的同样几片晶片提供热电参考数据。显示在图4中的累积测试结果用于在作为用于不同发射器势垒高度和温度的多个热电性能的相对电输出的曲线图中的0.5mm厚的晶片。
势垒宽度与图2所示相同。性能的峰顶为接近一个kBT宽(kB为玻耳兹曼常数，而T为绝对温度)。在313K时，相对热电性能没有改变，直到势垒高度达到接近4kBT。最佳的势垒高度随着温度上升下降。可以达到观测的热电输出的6倍。
电子的有效质量为m* n＝mn/mo＝0.0136(mo为自由电子质量)，而用于空穴的有效质量为m* p＝mp/mo为0.2(参见G.Slack，热电CRC手册，420页，CRC出版，1995)。比率为14.7且当空穴浓度为比电子浓度高大约14.5-15.5倍时，出现实验的最佳性能。换言之，当有电子移位的补偿层时，费米能级间断以及此具体情况的最大输出发生。应该注意，在带隙中的低掺杂级时，最大性能可以为比补偿级高的势垒掺杂级以提供更高的势垒。但在大多数情况下，补偿条件足够。在此处合并参考的公开的专利号No.US 6,396,191,B1中，说明了当p和n型杂质的浓度相同时，在局部补偿点的最大集电器性能。
在一般情况下，局部补偿可以写为用于规定的半导体：
pi＝ni (1)
其中pi为电离受主杂质浓度，ni为电离施主杂质浓度。杂质的电离分数定义为(以受主为例)pi＝p/(1+g exp-{EF-Ei/kBT})，其中Ei为用于规定杂质的电离能量，EF为费米能级，g为退化因数，其在InSb的情况下为4，kB为玻耳兹曼常数，而T为绝对温度。对于电子移位补偿，对应于最大发射器性能：
pi＞ni(m* p＞m* n) (2)
等式(2)允许人们最佳化用于InSb以及可能为任意的其他半导体的发射器侧。在热电性能中6次增加将InSb装置提高到相对好的热电状态。费米能级的理想计算位置以及用于具有1018cm-3Te掺杂和p型势垒的InSb带隙的导带的底部显示在图5的视图中。
具有大于散射长度厚度的固有材料层在功能上显示为与局部补偿层相同，并可以认为为用于制作的另一方法。在此情况下，n型转换器同n*/i/n/i*一样，其中为n*发射器，i为发射器固有层，n为带隙材料，而为i*集电器固有层。应该理解，在一些情况下，优选局部和电子势垒移位两者的组合。
如果开始使用更有效的材料，如Hg1-xCdxTe、Cd3As2、CdSnAs2、SiGe合金、TAGS、InAs1-xSbx、GaxIn1-x AsySb1-y等，可以实现接近热动力极限的效率。用掺杂In的Hg0.86Cd0.14Te的发射器进行实验，可以观测到40％的理想卡诺循环，但即使此值也还可以提高。用于更高温度操作的实际装置需要在发射器的界面上比势垒材料中的载流子的隧道长度薄的薄扩散阻挡层，以防止浓度分布消失。公知的扩散势垒层通常由难熔的材料如TiN、ZrN、HfN、TaN、W等制作。在HgCdTe的情况下，已知的扩散势垒材料为Yb(氧化镱)。
实施例2-集电器的设计
同样的注入方法用于研究转换器的集电器侧上的势垒高度的效果。实验结果显示在图6的曲线图中，为作为集电器势垒高度的函数的标准化热电性能的形式。集电器的温度(Tc)为接近室温。可以观测到两个不同的作用。在低势垒高度时，一个峰值为局部补偿左右，其中p型杂质的浓度等于n型杂质的浓度。对于此情况，用于施主和受主的电离能量相同。在较高势垒高度时，对应于温度，假设有从带隙到集电器触点注入电流，第二峰值位置与图4完全相同。此外，此峰值对应于电子移位补偿层。发射器和集电器通过为比发射器和集电器层两者的厚度厚多倍的半导体层分隔开。结果，可以合理的假设当整个转换器的断路电压小于两个势垒高度时，至少在限制范围内发射器和集电器侧在很大程度上独立地作用。这样就提供了使发射器势垒与另一注入势垒、阻挡层或两者相组合的机会。
例如，图7为用于与具有与另一注入势垒组合的发射器势垒(具有1018cm-3Te掺杂以及0.5mm厚的InSb带隙)的最佳转换器的计算能量级的曲线图。发射器的热侧温度Thot＝300℃，而集电器的冷侧温度Tcold＝10℃。图8为用于与具有阻挡层组合的发射器势垒(具有1018cm-3Te掺杂以及0.5mm厚的InSb带隙区域)的最佳转换器的计算能量级的曲线图。发射器的热侧温度Thot＝300℃，而集电器的冷侧温度Tcold＝10℃。图9为用于与具有另一注入势垒以及阻挡层两者组合的发射器势垒(具有1018cm-3Te掺杂以及0.5mm厚的InSb带隙区域)的最佳转换器的计算能量级的曲线图。发射器的热侧温度Thot＝300℃，而集电器的冷侧温度Tcold＝10℃。
势垒高度可以从图4和6的实验图表获得。同样的势垒高度还可以利用凯恩表(参见图1)获得，用于集电器阻挡层的利用公式(1)，用于发射器和集电器注入层的利用公式(2)。在存在集电器注入层的情况下，热电性能相应的增强(在断开电路中，电压低于相应的势垒高度)可以高达大约9，在阻挡层存在的情况下大约为8，或当这些层都存在时，大约为14。
对于更薄的板，热电性能的增强可以更明显，因为热电断路电压较低且与集电器势垒不干涉。所有0.5mm厚度板(带隙)的性能增强来自于具有小于带隙本身的组合厚度300倍的两个薄层。当热载流子穿过势垒后，其在带隙中传播并散开。当接近5-10散射后，热带电完全热能化且带隙中的载流子分布返回到无扰动的费米分布。对于InSb，散射长度在室温接近为0.8微米，意味着当4-8微米后，带隙不对装置性能起更多的作用。
如果多个装置制作为组，且接触电阻不超过附加装置的增益，则效率可以通过增加更多厚度大于5-10散射长度的装置获得。这种方法在对分离装置具有较少说明的专利号No.US 6,396,191 B1中进行了说明。理想情况是，每个装置的势垒或至少装置的障碍物应该调节为遵守公式(2)的操作温度。串连的多个装置可以只形成有发射器注入势垒、发射器和集电器注入势垒、发射器和集电器阻挡势垒、或同时形成所有三个势垒。
例如，图10A为本发明的热二极管转换器的示意性描述图，所述热二极管转换器包括具有在热侧(TH)上具有n*/p/n设计结构的第一二极管110、以及在冷侧(TC)上以n*层终止的与第一二极管110同样结构的多个重复N次二极管120。图10B为本发明的热二极管转换器的示意性描述图，所述热二极管转换器包括发射器势垒加补偿层(集电器阻挡势垒)组200。组200具有在热侧(TH)上具有n*/p/n/pc设计结构的第一二极管210，在冷侧(TC)上以n*层终止的同样结构的重复N次二极管220。图10C为本发明的另一热二极管转换器的示意性描述图，所述热二极管转换器包括发射器势垒加集电器注入势垒组300。组300具有在热侧(TH)上具有n*/p/n/pi设计结构的第一二极管310，具有在冷侧(TC)上以n*层终止的同样结构的重复N次二极管320。
此外，本发明的热二极管转换器还包括发射器势垒加补偿层以及集电器注入势垒组。此组具有与图1所示二极管相似的n*/p/n/pi设计结构的第一二极管，以及具有用图10A到10C所示的以n*层终止的第一二极管同样结构的重复N次二极管。
在此存在表示注入势垒的一些方法。一种为势垒停止所有具有低于势垒高度的能量的载流子。超过所述势垒的载流子组成主要的向前移动的载流子，且在从势垒的散射长度距离处，有效的载流子温度高于势垒高度。对于100meV的势垒，其大约为1200K，从此层的费米能级分布进行一些稀释。假设直线装置在每个方面起作用，可以认为势垒为同样材料的热电层，但具有比室温高4倍的塞贝克系数，或与同样层但没有势垒相比高16倍的品质因数。
当几个散射长度的载流子再次处于热平衡中后，势垒注入可以被重复。尽管与两个热电板的组不同，但串连的下一个装置具有等同的塞贝克系数，其更加倾向于为界面温度的函数，而不是势垒高度的函数，并可以接近所述第一装置。现在两个装置的组具有接近两倍的塞贝克系数以及两倍的热和电阻力，但因为品质因数随着塞贝克系数的平方上升，相等同的品质因数上升。
在0.5mm厚的装置中，提供采用大约50-60个势垒结构。在实际中，在每个界面上的接触阻力将减少通过装置的热流，且注入流为整个热流的一部分，所以，相对热的效果的效果量将下降。假设断路电压与温度直线相关，简单的模型表明由于理想的触点只将声子失配分量归功于接触热电阻，所以界面的最佳数大约为20，同时品质因数上具有25倍增益。当大约100界面后，就不需要增益。更复杂的组可以包括温度调节势垒和类似物。
图10A-10C中显示的设计对于致冷应用很有用，因为同样的珀耳帖(Peltier)系数正比于各个势垒高度的总和。性能系数正比于珀耳帖系数的平方，且即使几个势垒也将获得更好的致冷性能。
如上所述，在大约5-10散射长度后，带隙就不对装置性能具有太大的贡献。这就意味着大多数半导体材料的厚度可以用金属代替。在此情况下，金属层用于减少比热流(specific heat flow)。装置可以通过如上所述在金属板上沉积发射器和集电器的半导体结构而予以制作。金属应该在热膨胀系数上与半导体相匹配。在一些情况下，在金属和发射器以及集电器结构之间必须设置半导体的薄中间非晶层。对于p型转换器，金属带隙更有问题，因为需要可靠的欧姆触点。
本发明可以以其他的具体形式实施，而不会脱离其主题精神或基本特征。说明的实施方式在各个方面来说都是示例性的，而不是限制性的。因此，本发明的范围通过附属权利要求说明而不是通过上述说明限定。在权利要求的含义以及等同物范围的所有变更都包含在其保护范围内。
Claims (36)
1.一种具有n型传导性的固态能量转换器，包括：
与热的热交换表面热连通的发射器区域，所述发射器区域包括具有施主浓度为n*的用于电子发射的n型区域；
具有施主掺杂n的半导体带隙区域，所述带隙区域与发射区域电和热连通；以及
具有介于发射器区域和带隙区域之间的受主浓度为p*的p型阻挡层，所述p型阻挡层构成为在发射器区域和带隙区域之间提供势垒和费米能级间断。
2.根据权利要求1所述的固态能量转换器，还包括：
与冷的热交换表面热连通的集电器区域。
3.根据权利要求2所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述带隙区域与集电器区域电和热连通。
4.根据权利要求2所述的固态能量转换器，还包括：
与发射器区域电连通的第一欧姆触点。
5.根据权利要求4所述的固态能量转换器，还包括：
与集电器区域电连通的第二欧姆触点。
6.根据权利要求5所述的固态能量转换器，其特征在于：
第一和第二欧姆触点通过外负载闭合电路用于热到电的转换。
7.根据权利要求5所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述第一和第二欧姆触点通过外部电源闭合电路用于电到致冷的转换。
8.根据权利要求1所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述发射器区域包括金属或高掺杂的半导体。
9.根据权利要求1所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述带隙区域为至少1个载流子散射长度的宽度。
10.根据权利要求1所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述带隙区域为至少5个载流子散射长度的宽度。
11.根据权利要求1所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述带隙区域分割成部分，并包括半导体材料的第一层，以及金属或不同半导体材料的第二层。
12.根据权利要求1所述的固态能量转换器，其特征在于：
p型阻挡层的p*掺杂浓度与带隙区域的n掺杂浓度的关系为pi＞pn(m* p/m* n)，其中m* p为空穴的有效质量，m* n为电子的有效质量，而角标i表示在规定温度下的载流子的电离分数。
13.根据权利要求2所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述集电器区域包括具有邻接带隙区域的载流子浓度为p**的附加注入阻挡层以减少热电回流分量。
14.根据权利要求2所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述集电器区域包括具有在转换器的冷侧作为阻挡层的受主浓度为p*的附加补偿层，而受主浓度与带隙区域中的施主浓度相同。
15.根据权利要求2所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述集电器区域包括两个p型层，载流子浓度为p*的一层作为在转换器的冷侧的阻挡层，载流子浓度为p**的另一层作为附加注入阻挡层并邻接带隙区域以减少热电回流分量。
16.根据权利要求13所述的固态能量转换器，其特征在于：
附加注入阻挡层的p**掺杂浓度与带隙区域的n掺杂浓度的关系为pi＞ni(m* p＞m* n)，其中m* p为空穴的有效质量，m* n为电子的有效质量，而角标i表示在规定温度下载流子的电离分数。
17.一种具有n型传导率的固态能量转换器，包括：
与热的热交换表面热连通的发射器区域，所述发射器区域包括具有施主浓度为n*的用于电子发射的n型区域；
具有受主浓度为p*的邻接发射器区域的p型层，所述p型阻挡层构成为提供势垒和费米能级间断；以及
分段带隙区域，其邻接所述p型阻挡层，并包括半导体材料的第一层，以及金属或不同的高度n掺杂半导体材料的第二层，所述第二层减少热流密度。
18.根据权利要求17所述的固态能量转换器，还包括：
与发射器区域电连通的第一欧姆触点。
19.根据权利要求17所述的固态能量转换器，还包括：
与带隙区域电连通的第二欧姆触点。
20.根据权利要求17所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述第一层为至少1个电子散射长度的宽度。
21.根据权利要求17所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述第一层为至少5个电子散射长度的宽度。
22.一种具有p型传导率的固态能量转换器，包括：
与热的热交换表面热连通的发射器区域，所述发射器区域包括具有受主浓度为p*的用于空穴发射的p型区域；
具有施主掺杂p的半导体带隙区域，所述带隙区域与发射器区域电和热连通；以及
介于发射器区域和带隙区域之间具有施主浓度为n*的n型阻挡层，所述n型阻挡层构成为在发射器区域和带隙区域之间提供势垒和费米能级间断。
23.根据权利要求22所述的固态能量转换器，还包括：
与冷的热交换表面热连通的集电器区域。
24.根据权利要求23所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述带隙区域与集电器区域电和热连通。
25.根据权利要求23所述的固态能量转换器，还包括：
与发射器区域电连通的第一欧姆触点。
26.根据权利要求25所述的固态能量转换器，还包括：
与集电器区域电连通的第二欧姆触点。
27根据权利要求26所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述第一和第二欧姆触点通过外部负载闭合电路用于热到电的转换。
28.根据权利要求26所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述第一和第二欧姆触点通过外部电源闭合电路用于电到致冷的转换。
29.根据权利要求22所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述带隙区域为至少1个载流子散射长度的宽度。
30.根据权利要求22所述的固态能量转换器，其特征在于：
所述带隙区域为至少5个载流子散射长度的宽度。
31.一种固态能量转换器，包括：
热二极管组，其包括：
在所述转换器的热侧上的具有n*/p/n设计结构的第一二极管；以及
具有与第一二极管同样结构的以n*层在所述转换器的冷侧上终止的多个二极管。
32.一种固态能量转换器，包括：
热二极管组，其包括：
在转换器的热侧上的具有n*/p/n/pc设计结构的第一二极管；以及
具有与第一二极管同样结构的以n*层在所述转换器的冷侧上终止的多个二极管。
33.一种固态能量转换器，包括：
热二极管组，包括：
在转换器的热侧上的具有n*/p/n/pi设计结构的第一二极管；以及
具有与第一二极管同样结构的以n*层在所述转换器的冷侧上终止的多个二极管。
34.一种固态能量转换器，包括：
热二极管组，其包括：
在转换器的热侧上具有n*/p/n/pi/pc设计结构的第一二极管；以及
具有与第一二极管同样结构的以n*层在所述转换器的冷侧上终止的多个二极管。
35.一种用于将热能转换为电能，或电能转为致冷的方法，包括步骤：
通过位于发射器区域和带隙区域之间的p型阻挡层将载流子从高掺杂的n*发射器区域注入进n型带隙区域；
实施对应的费米能级间断；以及
形成势垒以通过能量将电子分类。
36.一种用于将热能转换为电能或电能转为致冷的方法，包括步骤：
通过位于发射器区域和带隙区域之间的n型阻挡层将载流子从高掺杂的p*发射器区域注入进p型带隙区域；
实施对应的费米能级间断；以及
形成势垒以通过能量将电子分类。
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