JP2011124412A - 熱電子発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】コレクターの温度を下げずにコレクターのバックエミッションを抑制することにより、発電効率を向上させることができる熱電子発電素子を提供する。
【解決手段】エミッター１とコレクター２とを対向配置させた熱電子発電素子において、半導体材料を用いてエミッター１およびコレクター２をそれぞれ構成する。そして、エミッター１のドーパント濃度をコレクター２のドーパント濃度よりも濃くする。これにより、コレクター２からエミッター１へ到達する熱電子の数を少なくすることができる。このため、エミッター１とコレクター２を同じ温度で加熱しても、発電効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子に関する。

従来より、高温の電極表面から熱電子が放出される現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子が、例えば特許文献１で提案されている。この熱電子発電素子では、高効率な発電を実現するために、電極間の距離をナノメートルオーダー程度に短くし、トンネル現象を利用して熱電子放出効率を向上することが検討されている。また、高い起電力を実現するために、熱電子発電素子を直列に接続することが検討されている。

しかしながら、このような微小な間隔で電極間を保持するのは困難であり、機械加工による方法では加工精度上の限界の寸法である。また、直列に接続する素子間の配線を介してエミッタ電極（以下、エミッターと呼ぶ）からコレクタ電極（以下、コレクターと呼ぶ）へ熱が伝達されて、発電効率が低下してしまう問題がある。

さらに、コレクターの温度が上昇するとコレクターからも熱電子が放出されるバックエミッションが発生し、コレクターのバックエミッションがエミッターから放出される熱電子電流を相殺してしまうため発電効率が低下してしまう。このため、エミッターの温度はコレクターの温度よりも高くなければいけない。言い換えれば、温度が高い電極がエミッターとなり、温度が低い電極がコレクターとなる。通常、コレクターに冷却機構等の冷却手段を設けてコレクターを冷却し、エミッターとコレクターとの温度差を維持している。

一方、熱電子発電素子のエミッターとコレクターにダイヤモンド半導体を用いると、負性電子親和力（Negative Electron Affinity；ＮＥＡ）の効果により各電極表面から極めて高効率な熱電子放出が可能となるため、金属に比べて低温で高効率な発電が可能となることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００４−３４９３９８号公報

F.A.M.Koeck, Y.j.Tang, R,j. Nemanich、Organizing Committee NDNC2007、NDNC 2007 New Diamond and Nano Carbons 2007、2007年5月28日、p97, "Direct thermionic energy conversion from nitrogen doped diamond films"、North Carolina State University, Raleigh, NC, USA, Arizona State University, Tempe, AZ, USA

しかしながら、熱電子発電素子のエミッターとコレクターとにダイヤモンド半導体を用いたとしても、各電極にダイヤモンド半導体を用いない場合と同様に、コレクターの温度が高くなるとコレクターから熱電子が放出される、つまりコレクターにバックエミッションが発生するので、熱電子発電素子の発電効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、コレクターの温度を下げずにコレクターのバックエミッションを抑制することにより、発電効率を向上させることができる熱電子発電素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、熱源からの熱が加わることによって熱電子を放出するエミッター（１）を半導体不純物が添加された半導体材料により構成し、エミッター（１）から放出された熱電子を移動させるコレクター（２）をエミッター（１）に対して一定間隔離間して対向配置すると共に半導体不純物が添加された半導体材料により構成している。そして、コレクター（２）を構成する半導体材料に添加された半導体不純物のドーパント濃度が、エミッター（１）を構成する半導体材料に添加された半導体不純物のドーパント濃度よりも薄いことを特徴とする。

これによると、コレクター（２）のドーパント濃度がエミッター（１）のドーパント濃度よりも薄いので、コレクター（２）から放出される熱電子の数をエミッター（１）から放出される熱電子の数よりも少なくすることができる。すなわち、コレクター（２）のドーパント濃度をエミッター（１）のドーパント濃度よりも薄くすることにより、エミッター（１）の温度に対してコレクター（２）の温度を下げることと同等の効果を得ることができる。したがって、コレクター（２）の温度をエミッター（１）の温度よりも低くしなくても、コレクター（２）のバックエミッションを抑制することができ、ひいては熱電子発電素子の発電効率を向上させることができる。

請求項２に記載の発明のように、エミッター（１）を構成する半導体材料および前記コレクター（２）を構成する半導体材料を、それぞれダイヤモンドとすることができる。

ダイヤモンドは負性電子親和力を持った材料であり、金属に比べて低温での発電効率を高めることができる。

例えば、エミッター（１）およびコレクター（２）にそれぞれＮ（窒素）を添加すると共に、コレクター（２）のドーパント濃度をエミッター（１）の１０分の１とすると、エミッター（１）およびコレクター（２）の温度を６００℃とすることで発電が可能である。また、エミッター（１）にＰ（燐）を添加し、コレクター（２）にＮ（窒素）を添加すると共に、コレクター（２）のドーパント濃度をエミッター（１）の１０分の１とすると、エミッター（１）およびコレクター（２）の温度を６５０℃とすることで発電が可能である。

これら６００℃や６５０℃という温度は、エミッター（１）およびコレクター（２）を金属材料で構成した場合にこれらを約１５００℃で加熱しないと発電しない素子に比べて非常に低温である。

さらに、エミッター（１）にＳｂ（アンチモン）を添加し、コレクター（２）にＮ（窒素）を添加すると、エミッター（１）およびコレクター（２）の温度を４００℃とすることで発電が可能である。この４００℃という温度は、上記の１５００℃という温度に対して非常に低い温度であることがわかる。このように、熱電子発電素子を構成する半導体材料としてダイヤモンドを用いることにより、金属よりも低温で発電することができる。

請求項３に記載の発明のように、エミッター（１）を構成する半導体材料および前記コレクター（２）を構成する半導体材料を、それぞれ窒化ホウ素とすることができる。

窒化ホウ素は負性電子親和力を持った材料であり、ダイヤモンドよりもバンドギャップが狭いがダイヤモンドの材料の特性と似ているため扱いやすい。また、ダイヤモンドよりも半導体不純物のドーピング技術が楽であるという利点もある。

請求項４に記載の発明では、エミッター（１）を構成する半導体材料および前記コレクター（２）を構成する半導体材料を、それぞれ炭素原子を主にした非晶質構造を有した炭素膜とすることができる。

この炭素膜は、負性電子親和力を持った材料であるため、バンドギャップすなわちフェルミ準位を調整することができる。このため、熱電子発電素子の起電力等の発電特性を調整することができる。この場合、非晶質構造の状態を制御することによっても発電特性を調整することができる。

請求項５に記載の発明では、エミッター（１）のうちコレクター（２）に対向した表面（１ｃ）およびコレクター（２）のうちエミッター（１）に対向した表面（２ｃ）が、それぞれ水素終端されていることを特徴とする。

このように、エミッター（１）の表面（１ｃ）およびコレクター（２）の表面（２ｃ）を水素終端すると、極めて安定な負性電子親和力を得ることができ、高効率な熱電子放出を長時間において実現することができる。

請求項６に記載の発明では、エミッター（１）と当該エミッター（１）に対向配置されたコレクター（２）とにより構成された電極部（５）が、複数直列に接続されていることを特徴とする。

これにより、電極部（５）が１つの場合よりもさらに発電効率を向上させることができる。また、各電極部（５）のコレクター（２）の温度を下げる必要がなく、エミッター（１）からコレクター（２）への熱移動に対する対策も必要ないので、複数直列に接続された電極部（５）全体を加熱することができる。したがって、各電極部（５）の直列接続の構造を簡素化することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る熱電子発電素子の模式図である。 ダイヤモンド半導体薄膜の表面を水素終端した場合と酸素終端した場合それぞれのエネルギーバンド図である。 φ_Ｅ＜φ_Ｃにおいて、エミッターとコレクターとのドーパント濃度が等しい場合のエネルギーバンド図である。 φ_Ｅ＜φ_Ｃにおいて、エミッターとコレクターとのドーパント濃度が等しい場合の熱電子発電素子の出力電圧（Ｖｏ）と出力電流（Ｊｏ）との関係を示した図である。 φ_Ｅ＜φ_Ｃにおいて、エミッターのドーパント濃度がコレクターよりも濃い場合のエネルギーバンド図である。 φ_Ｅ＜φ_Ｃにおいて、エミッターのドーパント濃度がコレクターよりも濃い場合の熱電子発電素子の出力電圧（Ｖｏ）と出力電流（Ｊｏ）との関係を示した図である。 φ_Ｅ＞φ_Ｃにおいて、エミッターとコレクターとのドーパント濃度が等しい場合のエネルギーバンド図である。 φ_Ｅ＞φ_Ｃにおいて、エミッターとコレクターとのドーパント濃度が等しい場合の熱電子発電素子の出力電圧（Ｖｏ）と出力電流（Ｊｏ）との関係を示した図である。 φ_Ｅ＞φ_Ｃにおいて、エミッターのドーパント濃度がコレクターよりも濃い場合のエネルギーバンド図である。 φ_Ｅ＞φ_Ｃにおいて、エミッターのドーパント濃度がコレクターよりも濃い場合の熱電子発電素子の出力電圧（Ｖｏ）と出力電流（Ｊｏ）との関係を示した図である。 φ_Ｅ＞φ_Ｃにおける発電領域を示した図である。 エミッターおよびコレクターからの熱電子放出特性（理想状態）を示した図である。 熱電子発電素子の熱電子放出特性（理想状態）を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る熱電子発電素子の模式図である。 他の実施形態に係る熱電子発電素子の模式図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。以下で示される熱電子発電素子は、互いに対向配置された一対の電極間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。

図１は、本実施形態に係る熱電子発電素子の模式図である。この図に示されるように、熱電子発電素子は、互いに対向配置されたエミッター１およびコレクター２からなる一対の電極によって構成され、エミッター１とコレクター２との間を移動する熱電子を利用して、これらの間に接続された負荷３に対して電力を供給する。なお、図１ではエミッター１およびコレクター２の断面図を示してある。

エミッター１およびコレクター２は、基板１ａ、２ａ上にダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂを形成することによって構成された電極である。例えば、基板１ａ、２ａとしては、ダイヤモンド基板、Ｓｉ（シリコン）基板やＭｏ（モリブデン）基板等の導電性・耐熱性を持った基板を用いることができる。ダイヤモンド基板を用いる場合には、例えば３ｍｍ□のものが用いられ、Ｍｏ基板を用いる場合には、例えば１インチ□のものが用いられる。

また、基板１ａ、２ａへのダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂの形成は、例えばＣＶＤ法やスパッタ法にて行われ、マイクロ波プラズマＣＶＤ、ＲＦプラズマＣＶＤ、ＤＣプラズマＣＶＤ、ＲＦプラズマスパッタ、ＤＣプラズマスパッタなどにより行われる。ダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂを構成するダイヤモンドは、単結晶と多結晶のいずれであっても構わない。例えば、高圧合成によって生成したダイヤモンド基板を用いる場合、その上にダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂを例えばＣＶＤ法にて形成すると単結晶となる。ダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂの厚さに関しては、熱電変換に対する膜厚依存性が確認されなかったことから特に制限はないが、基板１ａ、２ａの表面全面に偏り無く同じ厚みで形成されていると好ましい。

さらに、ダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂの各表面１ｃ、２ｃは水素終端されている。この水素終端の効果について、ダイヤモンド半導体薄膜１ｂの表面１ｃを水素終端した場合と酸素終端した場合とを比較して説明する。

図２（ａ）はダイヤモンド半導体薄膜１ｂの表面１ｃを水素終端した場合、図２（ｂ）はダイヤモンド半導体薄膜１ｂの表面１ｃを酸素終端した場合のエネルギーバンド図である。

まず、ダイヤモンド半導体薄膜１ｂの表面１ｃを水素終端した場合、図２（ａ）に示されるように、負性電子親和力（ＮＥＡ）により、真空準位が伝導帯よりも低くなる（ΔＥ＜０）。このため、伝導帯にある電子は、エネルギー＝０で真空に放出させられる。さらにこのために真空準位とフェルミ準位との差として表される仕事関数が小さくなる。これに対して、図２（ｂ）に示されるように、ダイヤモンド半導体薄膜１ｂの表面１ｃを酸素終端した場合、正の電子親和力により真空準位が伝導帯よりも高くなる（ΔＥ＞０）。このため、伝導帯にある電子を真空に放出するにはエネルギーが必要となる。このため仕事関数も大きくなる。

このように、ダイヤモンド半導体薄膜１ｂの表面１ｃの終端構造によって、電子親和力の極性を変えることができる。そして、ダイヤモンド半導体薄膜１ｂの表面１ｃを水素終端すると、極めて安定な負性電子親和力を得ることができ、高効率な熱電子放出を長時間において実現することが可能となる。これは、ダイヤモンド半導体薄膜２ｂの表面２ｃを水素終端した場合についても同様である。

そして、上記のように構成されたエミッター１およびコレクター２は、互いのダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂ同士が向かい合うように一定間隔離間して対向配置されている。ダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂ同士の間の間隔は、熱電変換に適した間隔とされており、例えば２０〜３０μｍとされている。この間隔は、エミッター１とコレクター２とを空間を空けて離間配置することによって保たれるようにしても良いが、スペーサーとして例えばこの間隔と対応する膜厚の図示しない絶縁膜をダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂで挟み込み、ダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂと絶縁膜を接触させた状態で固定することで、より確実に間隔が保たれるようにすることができる。絶縁膜として、例えば雲母が用いられる。

このように対向配置されたエミッター１およびコレクター２は、図１に示されるように、内部が真空とされた真空室４に配置されている。これにより、エミッター１のダイヤモンド半導体薄膜１ｂとコレクター２のダイヤモンド半導体薄膜２ｂとの間が真空に保たれる。

さらに、本実施形態では、ダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂそれぞれに、半導体不純物が添加されている。ダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂに添加される半導体不純物に応じて、エミッター１のダイヤモンド半導体薄膜１ｂとコレクター２のダイヤモンド半導体薄膜２ｂとがＮ型とＮ型、Ｎ型とＰ型（Ｐ型とＮ型）、Ｐ型とＰ型の導電型の各組み合わせが可能となる。なお、Ｎ型とＰ型（Ｐ型とＮ型）やＰ型とＰ型の各組み合わせの場合、エミッター１およびコレクター２を高温で加熱する必要があるので、Ｎ型とＮ型の組み合わせが好ましい。

そして、エミッター１を構成するダイヤモンド半導体薄膜１ｂに添加された半導体不純物のドーパント濃度が、コレクター２を構成するダイヤモンド半導体薄膜２ｂに添加された半導体不純物のドーパント濃度よりも濃くなっている。

具体的に、エミッター１のドーパント濃度は例えば１×１０^２０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）であり、コレクター２のドーパント濃度は例えば１×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）である。このように、エミッター１のドーパント濃度がコレクター２のドーパント濃度の１０倍になっている。

上記のようにドーパント濃度を規定する場合、エミッター１のドーパント濃度は１×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以上が望ましい。エミッター１のドーパント濃度が１×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）以下では、励起される熱電子が少なく発電効率が低いためである。

さらに、コレクター２におけるドーパント濃度はエミッター１におけるドーパント濃度の１０分の１以下が望ましい。このように、コレクター２におけるドーパント濃度を、エミッター１におけるドーパント濃度よりも薄くすることで、コレクター２で励起される熱電子の数をエミッター１で励起される熱電子の数よりも少なくすることが可能となる。

ダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂに添加する半導体不純物としては、例えば、Ｎ（窒素）、Ｐ（燐）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｓ（硫黄）等が用いられる。それぞれのドナー準位は、Ｎ（窒素）が１．７ｅＶ、Ｐ（燐）が０．５７ｅＶ、Ａｓ（ヒ素）が０．４ｅＶ、Ｓｂ（アンチモン）が０．２ｅＶ、Ｓ（硫黄）が０．４ｅＶである。

次に、上記構成の熱電子発電素子の作動について説明する。上述のように、熱電子発電素子は、電極表面から熱電子が放出される現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。具体的には、外部の熱源から熱がエミッター１に加わると、熱電子がエミッター１であるダイヤモンド半導体のフェルミ準位から伝導帯に励起される。ダイヤモンド半導体の伝導帯は負性親和力であるため真空準位より高く、伝導帯に励起された熱電子は障壁なく真空中へ飛び出す。

また、エミッター１とコレクター２との間は真空であり、距離が短く形成されているので、熱電子はエミッター１の表面（つまりダイヤモンド半導体薄膜１ｂの表面）からコレクター２の表面（つまりダイヤモンド半導体薄膜２ｂの表面）まで移動することができる。コレクター２に移動した熱電子は、負荷３を介してエミッター１に戻ることができる。これにより、熱電子発電素子は負荷３に対して電力を供給することができる。

このようにして発電を行う場合、コレクター２のドーパント濃度をエミッター１のドーパント濃度よりも薄くすることによりコレクター２から放出された電子がエミッター１へ到達する数が少なくなり発電効率が向上する。以下、このことについて図３〜図１３を参照して説明する。

まず、エミッター１から放出される熱電子の流れ、すなわち最大エミッター電流Ｊ_Ｅは数１で表される。

一方、コレクター２から放出される熱電子の流れ、すなわち最大コレクター電流Ｊ_Ｃは数２で表される。コレクター２から放出される熱電子の流れは、エミッター１から放出される熱電子の流れを相殺するバックエミッションとなる。

数１および数２において、Ａはリチャードソン定数、ｎ_Ｅはエミッター１のドーパント濃度、ｎ_Ｃはコレクター２のドーパント濃度、Ｔはエミッター１およびコレクター２の温度、ｅは基本電荷、ｋはボルツマン係数である。また、φ_Ｅはエミッター１を構成する半導体材料（つまりダイヤモンド半導体薄膜１ｂ）の仕事関数、φ_Ｃはコレクター２を構成する半導体材料（つまりダイヤモンド半導体薄膜２ｂ）の仕事関数である。

これら数１および数２に示されるように、エミッター１の最大エミッター電流Ｊ_Ｅはエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅに比例し、コレクター２の最大コレクター電流Ｊ_Ｃはコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃに比例している。したがって、各最大電流Ｊ_Ｅ、Ｊ_Ｃの大きさは、ドーパント濃度ｎ_Ｅ、ｎ_Ｃの大きさに比例して変化する。

なお、エミッター１やコレクター２の各最大電流Ｊ_Ｅ、Ｊ_Ｃがドーパント濃度ｎ_Ｅ、ｎ_Ｃにそれぞれ比例することについては、例えば、Mariko Suzuki, Tomio Ono, Naoshi Sakuma, Tadashi Sakai, Diamond & Related Materials 18 (2009) 1274-1277の記載（特に、Fig.6に関する記載）を参照することができる。

続いて、エミッター１とコレクター２とでドーパント濃度が等しい場合と異なる場合の発電について、エミッター１のダイヤモンド半導体薄膜１ｂにＰ（燐）を添加し、コレクター２のダイヤモンド半導体薄膜２ｂにＮ（窒素）を添加した熱電子発電素子を例に説明する。

はじめに、エミッター１とコレクター２とで温度およびドーパント濃度が等しい場合（Ｔ_Ｅ＝Ｔ_Ｃ、ｎ_Ｅ＝ｎ_Ｃ）について、図３および図４を参照して説明する。

図３はエミッター１とコレクター２とのドーパント濃度が等しい場合のエネルギーバンド図である。また、図４はエミッター１とコレクター２とのドーパント濃度が等しい場合の熱電子発電素子の出力電圧Ｖｏと出力電流Ｊｏとの関係を示した図である。図４のグラフの横軸は熱電子発電素子の出力電圧Ｖｏであり、縦軸は熱電子発電素子の出力電流Ｊｏである。

図３に示されるように、負性電子親和力（ＮＥＡ）を持ったエミッター１およびコレクター２の仕事関数φ_Ｅ、φ_Ｃは、伝導帯の底よりも低いレベルに位置する。これは、負性電子親和力の作用によるものであり、負性電子親和力を持たない材料の場合は真空準位が伝導帯よりも高いエネルギー準位に存在する。そして、半導体不純物に応じてエミッター１のフェルミ準位とコレクター２のフェルミ準位とがそれぞれ決まり、このフェルミ準位の差が起電力となる。

なお、図３の「金属」は、エミッター１やコレクター２を構成する基板１ａ、２ａや配線等の金属部材に相当する。また、エミッター１の仕事関数φ_Ｅとコレクター２の仕事関数φ_Ｃとを結ぶ破線は空間電荷の障壁であり、真空に飛び出た熱電子は少なくともこの障壁を飛び越えて移動する。図４では、各最大電流Ｊ_Ｅ、Ｊ_Ｃについて空間電荷の影響を除いてある。後述の図５および図６についても同様である。

そして、図４（ａ）に示されるように、エミッター１の電子放出については、出力電圧Ｖｏがφ_Ｅ−φ_Ｃよりも小さい領域では、一定値の最大エミッター電流Ｊ_Ｅが流れる。また、出力電圧Ｖｏがφ_Ｅ−φ_Ｃよりも大きい領域では、図中のＪｏの式で表されるように、最大エミッター電流Ｊ_Ｅが指数関数的に減衰していく。

一方、コレクター２の電子放出については、出力電圧Ｖｏがφ_Ｅ−φ_Ｃよりも大きい領域では、一定値の最大コレクター電流Ｊ_Ｃが流れる。また、出力電圧Ｖｏがφ_Ｅ−φ_Ｃよりも小さい領域では、最大コレクター電流Ｊ_Ｃが指数関数的に減衰していく。このコレクター２の電子放出は、上述のバックエミッションである。

そして、図４（ａ）に示されるグラフにおいて、エミッター１の電子放出Ｊｏの切片はＶｏ＝０として演算すると、Ｊｏ＝Ａｎ_ＥＴ^２ｅｘｐ（−（ｅφ_Ｃ／ｋＴ））となる。ドーパント濃度はｎ_Ｅ＝ｎ_Ｃであり、エミッター１およびコレクター２の温度はＴ_Ｅ＝Ｔ_Ｃであるから、Ｖｏ＝０におけるエミッター１の電子放出Ｊｏの切片（＝Ａｎ_ＥＴ^２ｅｘｐ（−（ｅφ_Ｃ／ｋＴ）））とコレクター２の電子放出Ｊ_Ｃ（＝Ａｎ_ＣＴ^２ｅｘｐ（−（ｅφ_Ｃ／ｋＴ）））の切片とは等しい値となる。

したがって、図４（ａ）に示されるエミッター１の電子放出からコレクター２の電子放出を相殺すると、図４（ｂ）に示されるように、発電を示す曲線はＶｏ＝０のときＪｏ＝０を通る曲線となる。Ｖｏ＞０で発電が行われたことになるので、エミッター１とコレクター２のドーパント濃度が等しく温度も等しいときには、発電は行われないことがわかる。

なお、図４（ｂ）に示される「Ｒ」の直線は負荷３の抵抗を示しており、負荷３に印加される電圧および負荷３に流れる電流を示す直線であるが、発電を示す曲線がＶｏ＝０のときＪｏ＝０を通るため、負荷３には電圧は印加されず電流も流れない。

これを図３に示されるエネルギーバンド図で表すと、エミッター１のフェルミ準位に位置する電子の数とコレクター２のフェルミ準位に位置する電子の数とが同じであるので、エミッター１からコレクター２に放出される熱電子の数とコレクター２からエミッター１に放出される熱電子の数とが同じである。したがって、エミッター１から熱電子は放出されているものの、この熱電子の放出はコレクター２から放出される熱電子（バックエミッション）により相殺されるので、トータルで出力電流Ｊｏは０ということになる。

このように、エミッター１とコレクター２との温度が同じ場合、仕事関数が小さいほうが励起される熱電子が多くなる。しかしながら、仕事関数が小さな電極から仕事関数が大きな電極に熱電子が到達するためには仕事関数差のエネルギーを超える必要がある。このため、励起された電子はエミッター１からコレクター２への数とコレクター２からエミッター１への数が同じとなり発電はしない。

これに対し、エミッター１とコレクター２とで温度が等しく（Ｔ_Ｅ＝Ｔ_Ｃ）、エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅがコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも濃い場合について、図５および図６を参照して説明する。図５はエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅがコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも濃い場合のエネルギーバンド図である。また、図６はエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅがコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも濃い場合の熱電子発電素子の出力電圧Ｖｏと出力電流Ｊｏとの関係を示した図である。

まず、コレクター２におけるＮ（窒素）のドーパント濃度ｎ_Ｃはエミッター１におけるＰ（燐）のドーパント濃度ｎ_Ｅよりも薄いので、コレクター２のフェルミ準位に存在する電子の数はエミッター１のフェルミ準位に存在する電子の数よりも少ない。

そして、図６（ａ）に示されるように、エミッター１の電子放出については図４（ａ）と同じである。一方、コレクター２の電子放出については、ドーパント濃度ｎ_Ｃがエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅよりも薄いので、Ｖｏ＝０におけるコレクター２の電子放出Ｊ_Ｃ（＝Ａｎ_ＣＴ^２ｅｘｐ（−（ｅφ_Ｃ／ｋＴ）））は、エミッター１の電子放出Ｊｏの切片（＝Ａｎ_ＥＴ^２ｅｘｐ（−（ｅφ_Ｃ／ｋＴ）））よりも小さい値となる。

すなわち、ｎ_Ｅ＞ｎ_Ｃとなったことで、図４（ａ）のＶｏ＝０における最大コレクター電流Ｊ_Ｃが図６（ａ）のＶｏ＝０における最大コレクター電流Ｊ_Ｃまで下がったことになる。このため、Ｖｏ＞０の領域において、エミッター１の電子放出Ｊｏがコレクター２の電子放出Ｊ_Ｃよりも大きくなる発電領域が形成される。

したがって、図６（ａ）に示されるエミッター１の電子放出Ｊｏからコレクター２の電子放出Ｊ_Ｃを相殺すると、エミッター１の電子放出Ｊｏのうちコレクター２のバックエミッションに相殺されない分が残るので、図６（ｂ）に示されるように、発電を示す曲線はＶｏ＝０およびＪｏ＝０を通らない曲線となる。このように、エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも濃くした熱電子発電素子では、エミッター１とコレクター２との温度が等しい状態でも発電が行われる。これにより、負荷３には当該負荷３の抵抗に応じて出力電圧Ｖｏおよび出力電流Ｊｏが供給されることとなる。

これを図５に示されるエネルギーバンド図で表すと、エミッター１のフェルミ準位に位置する電子の数がコレクター２のフェルミ準位に位置する電子の数よりも多いので、エミッター１からコレクター２に放出される熱電子の数がコレクター２からエミッター１に放出される熱電子の数（バックエミッション）よりも多くなる。このため、エミッター１から放出される熱電子のすべてがコレクター２から放出される熱電子で相殺されないため、トータルでエミッター１からコレクター２に放出される熱電子が発電に寄与する。したがって、エミッター１とコレクター２とを同じ温度で加熱したとしても、エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも濃くすることで発電が可能となる。

以上のように、「エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも濃くする」、すなわち、「コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃをエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅよりも薄くする」ことにより、エミッター１とコレクター２とを同じ温度で加熱しても発電が可能となる。

上記では、エミッター１の仕事関数φ_Ｅがコレクター２の仕事関数φ_Ｃよりも小さい場合（φ_Ｅ＜φ_Ｃ）について説明したが、エミッター１の仕事関数φ_Ｅがコレクター２の仕事関数φ_Ｃよりも大きい場合（φ_Ｅ＞φ_Ｃ）についても同様に発電が可能である。これについて、図７〜図１１を参照して説明する。

図７および図８は、上記の図３および図４に対応した図である。図８（ａ）に示されるように、φ_Ｅ＞φ_Ｃにおいてエミッター１とコレクター２とで温度およびドーパント濃度が等しい場合（Ｔ_Ｅ＝Ｔ_Ｃ、ｎ_Ｅ＝ｎ_Ｃ）、φ_Ｅ＜φ_Ｃの場合と同様にＶｏ＝０におけるエミッター１の電子放出の切片はコレクター２の電子放出の切片と等しい値になる。

したがって、エミッター１の電子放出からコレクター２の電子放出を相殺すると、図８（ｂ）に示されるように発電を示す曲線はＶｏ＝０のときＪｏ＝０を通る曲線となり、発電は行われない。すなわち、図７に示されるように、エミッター１からコレクター２に放出される熱電子の数（つまりエミッター１で励起された熱電子の数）とコレクター２からエミッター１に放出される熱電子の数（つまりコレクター２で励起された熱電子の数）とが同じである。したがって、トータルで出力電流Ｊｏは０となる。

また、図９および図１０は、上記の図５および図６に対応した図である。図１０（ａ）に示されるように、φ_Ｅ＞φ_Ｃにおいて、エミッター１とコレクター２とで温度が等しく（Ｔ_Ｅ＝Ｔ_Ｃ）、エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅがコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも濃い場合（ｎ_Ｅ＞ｎ_Ｃ）、φ_Ｅ＜φ_Ｃの場合と同様にＶｏ＝０においてコレクター２の電子放出はエミッター１の電子放出よりも小さい値となる。

したがって、エミッター１の電子放出からコレクター２の電子放出を相殺すると、エミッター１の電子放出のうちコレクター２のバックエミッションに相殺されない分が残るので、図１０（ｂ）に示されるように、発電を示す曲線はＶｏ＝０およびＪｏ＝０を通らない曲線となる。したがって、エミッター１の仕事関数φ_Ｅがコレクター２の仕事関数φ_Ｃよりも大きく（φ_Ｅ＞φ_Ｃ）、エミッター１とコレクター２との温度が等しくても（Ｔ_Ｅ＝Ｔ_Ｃ）、エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも濃くすると発電が行われる。

すなわち、図９に示されるように、エミッター１からコレクター２に放出される熱電子の数がコレクター２からエミッター１に放出される熱電子の数（バックエミッション）よりも多いので、エミッター１から放出される熱電子のすべてがコレクター２から放出される熱電子で相殺されない。このため、発電が可能となる。

図１１は、φ_Ｅ＞φ_Ｃにおける発電領域を示した図である。図１１の下段に示されるように、φ_Ｅ＞φ_Ｃにおいても、エミッター１の電子放出はＶｏ＜φ_Ｅ−φ_Ｃの領域で一定値（Ｊ_Ｅ）となり、Ｖｏ＞φ_Ｅ−φ_Ｃの領域で指数関数的に減少する。同様に、コレクター２の電子放出は、Ｖｏ＞φ_Ｅ−φ_Ｃの領域で一定値（Ｊ_Ｃ）となり、Ｖｏ＜φ_Ｅ−φ_Ｃの領域で指数関数的に減少する。このような電子放出の分布から、図１１の上段に示されるように、コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃがエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅよりも薄くされたことにより、エミッター１の電子放出がコレクター２の電子放出に相殺されない領域が形成される。この領域が発電領域となる。

以上のように、エミッター１とコレクター２のどちらの仕事関数が大きくとも発電は可能である。すなわち、ドーパント濃度が同じであると共にエミッター１とコレクター２の温度が同じ場合は発電しないが、エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも高くすることによりエミッター１とコレクター２の温度を同じにしても発電ができることがわかる。

このように、エミッター１とコレクター２とが同じ温度でありながら発電が可能であるということは、コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃをエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅよりも薄くするということが、コレクター２の温度をエミッター１の温度よりも低くすることと同等の効果があるということである。このことについて、図１２および図１３を参照して説明する。

図１２は、エミッター１の温度およびコレクター２の温度と、エミッター１とコレクター２とのドーパント濃度の比率とをそれぞれ変化させたときのエミッター１・コレクター２の熱電子放出特性（理想状態）のシミュレーション結果である。図１２は上記の図４（ａ）や図６（ａ）に対応する図であり、横軸は熱電子発電素子の出力電圧Ｖｏ、縦軸は熱電子発電素子の出力電流Ｊｏである。

なお、エミッター１の仕事関数をφ_Ｅ＝１．４ｅＶとし、コレクター２の仕事関数をφ_Ｃ＝１．０ｅＶとした。また、エミッター１の温度を９００Ｋとした。後述の図１３についても同様である。

図１２に示されるように、ドーパント濃度が等しい場合（ｎ_Ｅ／ｎ_Ｃ＝１）についてみてみると、コレクター２を７００Ｋで加熱したときの最大コレクター電流Ｊ_Ｃ（７００Ｋ：▲）に対して、６００Ｋで加熱したときの最大コレクター電流Ｊ_Ｃ（６００Ｋ：■）が低い値となる。エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃの１００倍とした場合（ｎ_Ｅ／ｎ_Ｃ＝１００）のＪ_Ｃ（９００Ｋ：●）とＪ_Ｃ（８００Ｋ：＊）との関係やＪ_Ｃ（８００Ｋ：＊）とＪ_Ｃ（７００Ｋ：×）との関係についても同様である。

さらに、コレクター２を７００Ｋで加熱した場合、ドーパント濃度が等しい場合（ｎ_Ｅ／ｎ_Ｃ＝１）の最大コレクター電流Ｊ_Ｃ（７００Ｋ：▲）に対して、エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃの１００倍とした場合（ｎ_Ｅ／ｎ_Ｃ＝１００）の最大コレクター電流Ｊ_Ｃ（７００Ｋ：×）が低くなっている。このように、コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃをエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅよりも薄くすることにより、コレクター２の温度をエミッター１の温度よりも低くした効果が得られることがわかる。

また、図１３は、熱電子発電素子の熱電子放出特性（理想状態）のシミュレーション結果を示した図であり、上記の図４（ｂ）や図６（ｂ）に対応する図である。コレクター２の温度を変化させ、エミッター１とコレクター２との温度差をΔＴとした。

図１３に示されるように、ドーパント濃度が等しい場合（ｎ_Ｅ／ｎ_Ｃ＝１）、温度差ΔＴ：１００Ｋの出力電流Ｊｏ（８００Ｋ：▲）に対して温度差を大きくしていくと、温度差ΔＴ：２００Ｋの出力電流Ｊｏ（７００Ｋ：■）、温度差ΔＴ：３００Ｋの出力電流Ｊｏ（６００Ｋ：◆）の順に出力電圧Ｖｏが大きくなる。エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃの１００倍とした場合（ｎ_Ｅ／ｎ_Ｃ＝１００）についても同様に、温度差ΔＴ：０Ｋの出力電流Ｊｏ（９００Ｋ：＋）、温度差ΔＴ：１００Ｋの出力電流Ｊｏ（８００Ｋ：●）温度差ΔＴ：２００Ｋの出力電流Ｊｏ（７００Ｋ：＊）温度差ΔＴ：３００Ｋの出力電流Ｊｏ（６００Ｋ：×）の順に出力電流Ｊｏが大きくなる。

さらに、コレクター２を７００Ｋで加熱した場合、すなわち温度差ΔＴ：２００Ｋの場合、ドーパント濃度が等しいとき（ｎ_Ｅ／ｎ_Ｃ＝１）の出力（７００Ｋ：■）に対して、エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃの１００倍としたとき（ｎ_Ｅ／ｎ_Ｃ＝１００）の出力（７００Ｋ：＊）が高くなっている。

すなわち、ドーパント濃度が等しく温度差ΔＴ：２００Ｋの場合の出力（７００Ｋ：■）と、ドーパント濃度が１００倍異なり温度差ΔＴ：０Ｋの場合の出力（９００Ｋ：＋）とがほぼ同じ曲線を描いていることから、コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃをエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅに対して１／１００に薄くすることにより、コレクター２の温度をエミッター１の温度に対して２００℃低くした効果が得られる。

言い換えると、コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃをエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅに対して１／１０に薄くすることによりコレクター２の温度をエミッター１の温度よりも１００℃低くした効果が得られる。したがって、エミッター１とコレクター２との温度差を１００℃以上にすれば熱電子発電素子として機能を発揮するので、コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃをエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅの１／１０以下にすることが望ましい。

上記のように、エミッター１において半導体不純物としてＰ（燐）を添加したＮ型のダイヤモンド半導体薄膜１ｂとし、コレクター２において半導体不純物としてＮ（窒素）を添加したダイヤモンド半導体薄膜２ｂとすることができる。ダイヤモンドに燐原子を添加すると、そのドナー準位は伝導帯から約０．６ｅＶに存在する。エミッター１の燐濃度を２×１０^２０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）、コレクター２の窒素濃度を１×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）とし、コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃをエミッターの２０分の１とすることができる。これによると、エミッター１を６５０℃で加熱し、コレクター２を強制冷却せず自然冷却したとしても発電が可能であった。

以上により、コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃをエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅよりも薄くすることにより、コレクター２から放出された電子がエミッター１へ到達する数が少なくなるので発電効率が向上する。

その他、半導体不純物の例とその組み合わせについて説明する。エミッター１およびコレクター２において半導体不純物としてＮ（窒素）を添加したＮ型のダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂとする。ダイヤモンドに窒素原子を添加すると、そのドナー準位は伝導帯から約１．７ｅＶに存在する。エミッター１およびコレクター２において半導体不純物を同じ材料にすることによりドナー準位も同じになるが、コレクター２におけるＮ（窒素）のドーパント濃度ｎ_Ｃをエミッター１におけるＮ（窒素）のドーパント濃度よりも薄くすることにより、コレクター２からの熱電子放出確率がエミッター１からの熱電子放出確率よりも低くなる。

このような場合、エミッター１およびコレクター２においてドナー準位は同じでも、コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃがエミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅよりも薄いため、コレクター２の実効的なフェルミ準位はエミッター１よりも深くなり、熱励起される確率が低くなる。

さらに、ドナー準位は同じでもコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃが薄いため実効的なフェルミ準位は深くなり熱励起される確率が低くなる。エミッター１の窒素濃度を１×１０^２０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）とし、コレクター２の窒素濃度を１×１０^１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）として、コレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃをエミッター１の１０分の１とした。これによると、エミッター１およびコレクター２の温度を同じ６００℃としても発電が可能であった。

また、エミッター１において半導体不純物としてＳｂ（アンチモン）を添加したＮ型のダイヤモンド半導体薄膜１ｂとし、コレクター２において半導体不純物としてＳ（硫黄）を添加したＮ型のダイヤモンド半導体薄膜２ｂとすることができる。ダイヤモンドにＳｂ原子を添加すると、そのドナー準位は伝導帯から約０．２ｅＶに存在し、またダイヤモンドに硫黄原子を添加すると、そのドナー準位は伝導帯から約０．４ｅＶに存在することが知られている。

この場合、エミッター１およびコレクター２を４００℃に加熱することで発電が可能である。この温度は、エミッター１およびコレクター２を金属材料で構成した場合に加熱する温度（約１５００℃）に対して非常に低い温度である。したがって、従来の加熱温度に対して約１０００℃以上も低い加熱温度で発電することができる。

以上説明したように、本実施形態では、エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも濃くすることによりコレクター２から放出された電子がエミッター１へ到達する数が少なくなりこれまでに比べて発電効率を向上させることができる。すなわち、コレクター２からエミッター１への熱電子放出が抑制されるので、発電効率を向上させることができる。

さらに、従来では熱電子発電素子ではコレクター２の温度をエミッター１の温度よりも低くしないと発電せず、コレクター２とエミッター１との温度差が小さくなると発電効率が低くなるという欠点があった。しかしながら、本実施形態ではエミッター１として高濃度ドープダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、コレクター２として低濃度ドープダイヤモンド半導体薄膜２ｂを用いているので、エミッター１とコレクター２との温度差がなくとも発電が可能となり、コレクター２を冷却する必要がない。

このように、負性電子親和力（ＮＥＡ）を持った半導体材料（本実施形態ではダイヤモンド半導体）に対して、エミッター１のドーパント濃度ｎ_Ｅをコレクター２のドーパント濃度ｎ_Ｃよりも濃くしたことにより、以下の特性を得ることができる。

第１に、エミッター１を構成する半導体材料の仕事関数φ_Ｅが、コレクター２を構成する半導体材料の仕事関数φ_Ｃ以下となる。すなわち、エミッター１とコレクター２の温度が同じ場合、仕事関数が小さいエミッター１で励起される熱電子がコレクター２よりも多くなる。

第２に、エミッター１における半導体不純物のドーピング深さが、コレクター２における半導体不純物のドーピング深さ以下となる。ここで、「ドーピング深さ」とは、伝導帯の底からフェルミ準位までのエネルギー深さである。

第３に、熱源からの熱が加わったコレクター２の温度は、熱源からの熱が加わったエミッター１の温度以下となる。すなわち、ドーパント濃度が薄くなることは温度が下がることと同等だからである。

以上により、コレクター２の温度を下げずにコレクター２のバックエミッションを抑制でき、ひいては発電効率を向上させることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図１４は、本実施形態に係る熱電子発電素子の模式図である。この図に示されるように、図１で示された熱電子発電素子が複数個直列に接続されている。

具体的には、エミッター１と当該エミッター１に対向配置されたコレクター２とを１つの電極部５とすると、この電極部５が複数直列に接続されている。つまり、電極部５が最小単位の熱電子発電素子であり、この最小単位の熱電子発電素子が複数直列接続されたもので１つの熱電子発電素子が構成されている。

本実施形態では、一方の電極部５のコレクター２を構成する基板２ａと他方の電極部５のエミッター１を構成する基板１ａとが配線６で接続されている。そして、３つの電極部５が配線６を介して直列接続されている。また、直列接続された３つの電極部５が真空室４に配置されている。

以上のように、最小単位の熱電子発電素子（つまり電極部５）を複数直列接続することにより、電極部５が１つの場合よりもさらに発電効率を向上させることができる。

また、上述のように、各電極部５のコレクター２の温度を下げる必要がなく、配線６を介してエミッター１からコレクター２に移動する熱に対する対策も必要ない。すなわち、エミッター１およびコレクター２の温度がそれぞれ同じであっても発電するため、エミッター１とコレクター２との間の配線６による熱伝導の影響を考慮する必要がなく、コレクター２に冷却機構が必要ないので、単純な構造で直列化が可能であり、高い出力電圧を得ることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、基板１ａ、２ａの上にダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂを形成したものを、エミッター１やコレクター２としていたが、ダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂそのものをエミッター１やコレクター２としても良い。すなわち、エミッター１やコレクター２は半導体不純物が添加された半導体材料で構成されたものでも良い。

上記各実施形態では、半導体材料としてダイヤモンド半導体薄膜１ｂ、２ｂを用いていたが、他の半導体材料を用いても良い。例えば、エミッター１やコレクター２を構成する半導体材料をＢＮ（窒化ホウ素）としても良い。また、半導体材料として炭素原子を主にした非晶質構造を有した炭素膜を用いることもできる。これらＢＮや炭素膜は負性電子親和力を持った半導体材料であるので、上記のダイヤモンドと同様に熱電子発電素子に用いることができる。

上記第２実施形態では、配線６を用いて複数の電極部５を直列接続していたが、配線６を用いずに各電極部５を電気的に接続することも可能である。例えば、図１５（ａ）に示されるように、一方の電極部５のコレクター２と他方の電極部５のエミッター１とを接続する場合、コレクター２を構成する基板２ａのうちダイヤモンド半導体薄膜２ｂが形成された面とは反対側の面とエミッター１を構成する基板１ａのうちダイヤモンド半導体薄膜１ｂが形成された面とは反対側の面とを貼り合わせるかもしくは接合する。これにより、配線６を用いずに一方の電極部５と他方の電極部５とを直列接続することができる。

また、図１５（ｂ）に示されるように、負荷３に接続されたエミッター１とコレクター２との間に位置するエミッター１およびコレクター２については、エミッター１とコレクター２とを共通の基板７で構成することもできる。この場合、基板７の両面にダイヤモンド半導体薄膜をそれぞれ形成し、一方の薄膜に添加する半導体不純物のドーパント濃度を他方の薄膜に添加する半導体不純物のドーパント濃度よりも薄くすることで、１つの基板７にエミッター１とコレクター２とを形成することができる。これにより、１つの基板７に形成された一方のダイヤモンド半導体薄膜２ｂは一方の電極部５を構成し、他方のダイヤモンド半導体薄膜１ｂは他方の電極部５を構成することとなる。

上述のように、エミッター１およびコレクター２を同じ温度で加熱しても発電できるので、図１４や図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示されるように、複数のエミッター１およびコレクター２をどのように配置することも可能である。すなわち、コレクター２の温度を下げるための配置の工夫や部材、冷却機構等は一切不要である。したがって、上記の熱電子発電素子を用いることで、複数の電極部５を直列接続する際の自由度を高めることができる。

１ エミッター
１ｃ エミッターの表面
２ コレクター
２ｃ コレクターの表面
５ 電極部

Claims (6)

1. 互いに対向配置された一対の電極間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子であって、
   半導体不純物が添加された半導体材料により構成され、熱源からの熱が加わることによって熱電子を放出するエミッター（１）と、
   前記エミッター（１）に対して一定間隔離間して対向配置されていると共に半導体不純物が添加された半導体材料により構成され、前記エミッター（１）から放出された前記熱電子を移動させるコレクター（２）と、を備え、
   前記コレクター（２）を構成する半導体材料に添加された半導体不純物のドーパント濃度が、前記エミッター（１）を構成する半導体材料に添加された半導体不純物のドーパント濃度よりも薄いことを特徴とする熱電子発電素子。
2. 前記エミッター（１）を構成する半導体材料および前記コレクター（２）を構成する半導体材料は、それぞれダイヤモンドであることを特徴とする請求項１に記載の熱電子発電素子。
3. 前記エミッター（１）を構成する半導体材料および前記コレクター（２）を構成する半導体材料は、それぞれ窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１に記載の熱電子発電素子。
4. 前記エミッター（１）を構成する半導体材料および前記コレクター（２）を構成する半導体材料は、それぞれ炭素原子を主にした非晶質構造を有した炭素膜であることを特徴とする請求項１に記載の熱電子発電素子。
5. 前記エミッター（１）のうち前記コレクター（２）に対向した表面（１ｃ）および前記コレクター（２）のうち前記エミッター（１）に対向した表面（２ｃ）が、それぞれ水素終端されていることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の熱電子発電素子。
6. 前記エミッター（１）と当該エミッター（１）に対向配置された前記コレクター（２）とにより構成された電極部（５）が、複数直列に接続されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱電子発電素子。

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