DE102007047340A1 - Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie bereitgestellt. Die Vorrichtung beinhaltet einen ersten magnetischen Bereich, einen zweiten magnetischen Bereich und einen Halbleiterbereich, der zwischen dem ersten magnetischen Bereich und dem zweiten magnetischen Bereich konfiguriert ist, wobei die Verbindung zwischen dem Halbleiterbereich und dem ersten und zweiten magnetischen Bereich eine Diodenbarriere bildet, die Stromfluss verhindert, um elektrische Energie zu speichern.

Description

  • HINTERGRUND
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Speichern elektrischer Energie. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Magnetvorrichtung zum Speichern elektrischer Energie.
  • Stand der Technik
  • Teile zur Energiespeicherung sind in unserem Leben sehr wichtig. Bausteine wie Kondensatoren werden in Schaltkreisen und Batterien verwendet, welche in tragbaren Geräten verwendet werden, wobei die Teile zur Speicherung elektrischer Energie die Leistung und die Lebensdauer der elektrischen Geräte beeinflussen.
  • Allerdings haben herkömmliche Teile zur Energiespeicherung einige Nachteile. Beispielweise haben Kondensatoren den Nachteil des Leckstroms, der die Gesamtleistung verringert. Batterien haben den Nachteil des Memory-Effekts beim teilweisen geladen/entladen werden, der die Gesamtleistung verringert.
  • Der Riesen-Magnetwiderstandseffekt (GMR) ist ein quantenmechanischer Effekt, der in Strukturen mit abwechselnden dünnen magnetischen und dünnen nichtmagnetischen Bereichen beobachtet wird. Der GMR-Effekt zeigt eine signifikante Änderung des elektrischen Widerstands vom Zustand hohen Widerstands bei Nullfeld, zum Zustand niedrigen Widerstands bei hohem Feld gemäß einem angelegten äußeren Feld.
  • Folglich kann der GMR-Effekt verwendet werden, um der Isolator mit guter Leistung zu sein. Somit kann die Vorrichtung mit dem GMR-Effekt implementiert werden, um elektrische Energie zu speichern. Allerdings muss, mit der weiterhin schrumpfenden Gerätegröße, mehr Kapazität in begrenztem Bereich gespeichert werden.
  • Aus den vorhergehenden Gründen besteht ein Bedarf an einer Vorrichtung mit dem GMR-Effekt, um elektrische Energie zu speichern und hohe Kapazitätswerte zu haben.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie bereitzustellen.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hat die Vorrichtung einen ersten magnetischen Bereich, einen zweiten magnetischen Bereich und einen Halbleiterbereich, der zwischen dem ersten magnetischen Bereich und dem zweiten magnetischen Bereich konfiguriert ist, wobei die Verbindung zwischen dem Halbleiterbereich und dem ersten und zweiten magnetischen Bereich eine Diodenbarriere bildet, die Strom daran hindert, vom ersten magnetischen Bereich zum zweiten magnetischen Bereich zu fließen, um elektrische Energie zu speichern.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, hat die Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie mehrere magnetische Bereiche und mehrere Halbleiterbereiche sind jeweils zwischen zwei angrenzenden magnetischen Bereichen konfiguriert, wobei die Verbindung zwischen jedem der Halbleiterbereiche und der magnetischen Bereiche eine Diodenbarriere bildet, die Strom daran hindert, zwischen den magnetischen Bereichen zu fließen, um elektrische Energie zu speichern.
  • Die Diodenbarriere fungiert als dielektrisches Material mit einer sehr hohen Dielektrizitätskonstanten. Die Dielektrizitätskonstante der Diodenbarriere kann 5 bis 9 Größenordnungen höherer sein, als die von normalem dielektrischem Material. Da die Kapazität direkt proportional zur Dielektrizitätskonstanten ist, erhöht eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten die Kapazität in der Energiespeichervorrichtung.
  • Weiterhin können die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Kapazität auch durch Verringern der Dicke des Halbleiterbereichs erhöhen. Da der Abstand zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Bereich auch die Kapazität beeinflusst, kann Verringern der Dicke des Halbleiterbereichs die Kapazität der Vorrichtung erhöhen.
  • Schließlich kann, da die Kapazität auch proportional zur Verbindungsfläche ist, durch Aufweisen einer Verbindung mit einer rauen Oberfläche die Oberfläche der Verbindung vergrößert werden und dies führt zu einer größeren Kapazität.
  • Es muss verstanden werden, dass die vorhergehende allgemeine Beschreibung und die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft sind und vorgesehen sind, um eine weitergehende Erklärung der beanspruchten Erfindung bereit zu stellen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNGEN
  • Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die folgende Beschreibung, die beigefügten Ansprüche und die begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden, worin
  • 1 eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 1A ein Schaltzeichen für die Verbindung zwischen dem Halbleiterbereich und dem ersten und zweiten magnetischen Bereich zeigt, die eine Diodenbarriere bildet; und
  • 2 die Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Es wird nun detailliert Bezug auf die derzeitigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung genommen, von denen Beispiele in den begleitenden Zeichnungen illustriert sind. Wo immer möglich, werden dieselben Bezugszeichen in den Zeichnungen und der Beschreibung verwendet, um auf gleiche oder ähnliche Teile Bezug zu nehmen.
  • Alle Figuren sind nur zur Erklärungsvereinfachung der grundlegenden Lehren der vorliegenden Erfindung erstellt; die Erstreckung der Figuren bezüglich Anzahl, Position, Verhältnis und Abmessungen der Teile, um die Ausführungsform zu bilden wird erklärt werden oder wird innerhalb der Fähigkeiten des Fachmanns liegen, nachdem die folgende Beschreibung gelesen und verstanden wurde.
  • Es wird Bezug auf 1 genommen, eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 zum Speichern elektrischer Energie beinhaltet einen ersten magnetischen Bereich 110, einen zweiten magnetischen Bereich 120 und einen Halbleiterbereich 130, der zwischen dem ersten magnetischen Bereich 110 und dem zweiten magnetischen Bereich 120 konfiguriert ist. Der erste magnetische Bereich 110, der zweite magnetische Bereich 120 und der Halbleiterbereich 130 können Dünnschichten sein. Der Halbleiterbereich kann aus einem Halbleitermaterial hergestellt sein. Die Verbindung 140 zwischen dem Halbleiterbereich 130 und dem ersten und zweiten magnetischen Bereich bildet eine Diodenbarriere 150, wie in 1A gezeigt, einem Schaltdiagramm der Vorrichtung 100, um Strom daran zu hindern, vom ersten magnetischen Bereich 110 zum zweiten magnetischen Bereich 120 zu fließen, und so elektrische Energie darin zu speichern.
  • Die gebildete Diodenbarriere kann eine Schottky-Diodenbarriere 150 mit gleichrichtenden Eigenschaften sein, so dass, wenn eine geringe Spannung über die Schottky-Diodenbarriere 150 angelegt wird, die Diodenbarriere 150 im „aus"-Zustand bleibt, was Strom daran hindert, zwischen den magnetischen Bereichen 110, 120 zu fließen. Die geringe Spannung ist kleiner als die Anschaltspannung der Diodenbarriere 150. Wegen der stromflussverhindernden Eigenschaften der Diodenbarriere 150 fungiert der Halbleiterbereich 130 als ein dielektrisches Material. Die dielektrischen Eigenschaften der Diodenbarriere 150 können weiter verbessert werden, indem ein Magnetfeld an den Halbleiterbereich 130 angelegt wird. Das Magnetfeld kann durch den ersten und zweiten magnetischen Bereich 110, 120 bereitgestellt werden. Das Magnetfeld fungiert als eine Kraft, um zu verhindern, dass aus dem Halbleiterbereich 130 Ladungen entweichen. Folglich sorgt das Magnetfeld für zusätzliche dielektrische Eigenschaften der Diodenbarriere 150. Die dielektrischen Eigenschaften eines Materials wird durch die Dielektrizitätskonstante des Materials repräsentiert, deren Beziehung zur Kapazität
    Figure 00050001
    ist, wobei C die Kapazität einer Energiespeichervorrichtung ist, ε0 eine Konstante (ungefähr 8,85·10–12) ist, εk die Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Bereich 110 und 120 ist, A die Oberfläche der Verbindung ist, und r der Abstand zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Bereich 110 und 120 ist. Gemäß Gleichung (1) wird die Kapazität steigen, wenn die Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Bereich 110 und 120 steigt. Folglich ist, wegen der starken dielektrischen Eigenschaften der Diodenbarriere und des Magnetfeldes, die Dielektrizitätskonstante des Halbleiterbereichs 130 viel größer als die normaler dielektrischer Materialien. Die Dielektrizitätskonstante des Halbleiterbereichs 130 kann 5 bis 9 Größenordnungen höherer sein, als die von normalen dielektrischen Materialien.
  • Um die Kapazität der Vorrichtung 100 weiter zu erhöhen, können zwei zusätzliche strukturelle Veränderungen implementiert werden. Erstens kann die Kapazität gemäß Gleichung (1) steigen, wenn der Abstand zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Bereich 110 und 120 verringert wird. Folglich kann die Kapazität der Vorrichtung 110 weiter erhöht werden, wenn die Dicke des Dünnschichthalbleiterbereichs 130 verringert wird. Beispielsweise kann die Kapazität durch Verringern der Dicke des Halbleiterbereichs 130 auf weniger als 30 Angström gegenüber typischen Kondensatoren mit einer Dicke des Halbleiterbereichs 130 im Millimeterbereich wesentlich verringert werden. Wenn die Dicke auf weniger als 30 Angström reduziert wird, wird das Verfahren zum Bestimmen der Kapazitätsänderung durch die Taylorreihenentwicklung definiert, welche Terme aufeinander folgender Ordnung definiert. Terme zweiter und möglicherweise dritter Ordnung können wichtig sein, um die Durchschlagspannung der Vorrichtung 100 zu senken. Daher ist das Verringern der Dicke des Halbleiterbereichs 130 als ein Kompromiss zwischen Kapazität und Durchschlagspannung zu verstehen.
  • Zweitens kann, da die Kapazität in Gleichung (1) direkt proportional zu A ist, die Oberfläche der Verbindung 140 vergrößert werden, indem eine unebene Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Bereich 110, 120 und dem Halbleiterbereich 130 vorliegt. Die Oberflächenrauheit führt zu einer effektiveren Verbindungsfläche als eine flache Oberfläche und kann folglich die Kapazität wesentlich erhöhen.
  • Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung 100 gestapelt werden, um eine Mehrschichtvorrichtung 200 zum Speichern elektrischer Energie zu bilden. Unter Bezug auf 2 beinhaltet die Vorrichtung 200 eine Vielzahl magnetischer Bereiche 202 und eine Vielzahl von Halbleiterbereichen 204. Die Halbleitebereiche 204 sind jeweils zwischen den magnetischen Bereichen 202 konfiguriert, so dass die Kapazitäten, die von jeder der Verbindungen 206 bereitgestellt werden, parallel geschaltet werden können, um eine größere Kapazität zu erzeugen. Ähnlich der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet die Verbindung 206 zwischen jedem der Halbleiterbereiche und der magnetischen Bereiche eine Diodenbarriere, die Stromfluss zwischen den magnetischen Bereichen verhindert, so dass elektrische Energie durch die Vorrichtung 200 gespeichert wird.
  • Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie. Die Vorrichtung hat eine höhere Kapazität als ein herkömmlicher Kondensator. Auch kann die Vorrichtung in vielen Anwendungen als Batterie verwendet werden, die eine kürzere Lade- und Entladezeit aufweist als herkömmliche Batterien. Die Vorrichtung hat mit Batterien nicht die Memory-Einschränkungen gemein, so dass die Vorrichtung ohne Leistungsverlust zwischen jeder Aufladung ganz oder teilweise entladen werden kann, und so gegenüber herkömmlichen Batterien eine viel höhere Anzahl von Aufladungen aufweist. Schließlich werden Aufheizprobleme, die bei Batterien auftreten, für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kein Problem sein, da die Vorrichtung aus magnetischen Geräten hergestellt ist.
  • Es wird für Fachleute ersichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen am Aufbau der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang oder dem Wesen der Erfindung abzuweichen. Hinsichtlich des Vorhergehenden ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung Modifikationen und Variationen dieser Erfindung abdeckt, falls sie in den Schutzumfang der nachstehenden Ansprüche und ihrer Äquivalente fallen.

Claims (20)

  1. Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie, umfassend: einen ersten magnetischen Bereich; einen zweiten magnetischen Bereich; und einen Halbleiterbereich, der zwischen dem ersten magnetischen Bereich und dem zweiten magnetischen Bereich konfiguriert ist; wobei die Verbindung zwischen dem Halbleiterbereich und dem ersten und zweiten magnetischen Bereich eine Diodenbarriere bildet, die Stromfluss vom ersten magnetischen Bereich zum zweiten magnetischen Bereich verhindert, um elektrische Energie zu speichern.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterbereich eine Dünnschicht ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Halbleiterbereich eine Dicke von weniger als 30 Angström hat.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Halbleiterbereich aus dielektrischem Material gebildet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste magnetische Bereich eine Dünnschicht ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite magnetische Bereich eine Dünnschicht ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbindung eine unebene Grenzfläche hat.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Diodenbarriere darüber eine Spannung von weniger als der Einschaltspannung erfährt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrische Energie in der Diodenbarriere gespeichert ist, wenn ein magnetisches Feld daran angelegt ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Diodenbarriere eine Schottky-Diodenbarriere ist.
  11. Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie, umfassend: eine Vielzahl magnetischer Bereiche; und eine Vielzahl Halbleiterbereiche, die jeweils zwischen zwei angrenzenden magnetischen Bereichen konfiguriert sind; wobei die Verbindung zwischen jedem der Halbleiterbereiche und der magnetischen Bereiche eine Diodenbarriere bildet, die Stromfluss zwischen den magnetischen Bereichen verhindert, um elektrische Energie zu speichern.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Halbleiterbereich eine Dünnschicht ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Halbleiterbereich eine Dicke von weniger als 30 Angström hat.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Halbleiterbereich aus dielektrischem Material gebildet ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste magnetische Bereich eine Dünnschicht ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der zweite magnetische Bereich eine Dünnschicht ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Verbindung eine unebene Grenzfläche hat.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Diodenbarriere darüber eine Spannung von weniger als der Einschaltspannung erfährt.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die elektrische Energie in der Diodenbarriere gespeichert ist, wenn ein magnetisches Feld daran angelegt ist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Diodenbarriere eine Schottky-Diodenbarriere ist.
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