MXPA02008675A

MXPA02008675A - Diodo termico para conversion de energia.

Info

Publication number: MXPA02008675A
Application number: MXPA02008675A
Authority: MX
Inventors: Peter L Hagelstein
Original assignee: Eneco Inc
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2003-04-14
Also published as: EP1282935A2; AU6803001A; EP1282935A4; CA2401810C; IL151600A0; KR20030047875A; CN1428020A; WO2001069657A8; KR100743506B1; AU2001268030B2; CA2401810A1; EP1282935B1; BR0109001A; CN1428020B; WO2001069657A3; US6396191B1; WO2001069657A2

Abstract

Se describe una implementacion de diodo semiconductor en un convertidor de energia termionica en estado solido y el metodo para la conversion de energia termica a energia electrica, y energia electrica a refrigeracion. En las modalidades de esta invencion, una region n* altamente impurificada puede servir como una region de emisor, de la cual los portadores pueden ser inyectados en una region de espacio vacio. La region de espacio vacio puede ser de tipo p, intrinseca o de tipo n moderadamente impurificada. Un contacto ohmico caliente esta conectado a la region de tipo n*. Un contacto ohmico frio sirve como un colector y esta conectado al otro lado de la region de espacio vacio. El contacto ohmico frio tiene una region de recombinacion formada entre el contacto ohmico frio y la region de espacio vacio y una capa de compensacion de bloqueo que reduce el componente de flujo hacia atras termoelectrico. El emisor calentado con relacion al colector genera un EMF que impulsa corriente a traves de una carga en serie. El principio inventivo trabaja para la conductividad en cavidades, asi como para electrones.

Description

o t DIODO TÉRMICO PARA CONVERSIÓN DE ENERGÍA MATERIAL ANTECEDENTE 1. Campo de la Invención Esta invención se refiere a la conversión de energia térmica a energía eléctrica, y energía eléctrica a refrigeración, y más particularmente a un convertidor ter ióníco en estado sólido que utiliza la implementación de diodo semiconductor. 2. Tecnología Relevante La conversión de energía termiónica es un método para convertir energía de calor directamente a energía eléctrica mediante emisión termiónica. En este proceso, los electrones son termiónicamente emitidos desde la superficie de un metal al calentar el metal y al impartir suficiente energía a una porción de los electrones para superar las fuerzas retardadoras de la superficie del metal con el fin de escapar. Distinto a la mayoría de otros métodos convencionales de generación de energía eléctrica, la conversión termiónica no requiere tampoco una forma intermediaria de energia o un fluido de trabajo, diferente a las cargas eléctricas, con el fin de cambiar el calor en electricidad. En su forma más elemental, un convertidor de energía termiónico convencional consiste de un electrodo conectado a una fuente de calor, un segundo electrodo conectado a un absorbedor de calor y separado del primer electrodo por un espacio intermedio, guías que conectan los electrodos a la carga eléctrica y un encerramiento. El espacio en el encerramiento es ya sea altamente evacuado o rellenado con un vapor rarificado adecuado, tal como cesio. El proceso esencial en un convertidor termiónico convencional es como sigue. La fuente de calor suministra calor a una temperatura suficientemente alta a un electrodo, el emisor, del cual los electrones son termiónicamente evaporados en el espacio de interelectrodo evacuado o rellenado con vapor rarificado. Los electrones se mueven a través de este espacio hacia el otro electrodo, el colector, que es mantenido a una baja temperatura cercana a aquella del absorbedor de calor. Ahí los electrones se condensan y retornan al electrodo caliente vía las guías eléctricas externas y una carga eléctrica conectada entre el emisor y el colector. Una modalidad de un convertidor termiónico convencional 100 es ilustrada esquemáticamente en la figura 1. Estos dispositivos convencionales típicamente comprenden un emisor 110, o cátodo de baja función de trabajo del electrón, un colector 112, o ánodo de alta función de trabajo del electrón, comparativamente mas frío, un encerramiento 114, conductores eléctricos adecuados 116, y una carga externa 118. El emisor 110 es expuesto al flujo de calor 120 que ocasiona que este cátodo emita electrones 122, cerrando de esta manera el circuito eléctrico y proporcionando una intensidad eléctrica a la carga 118. Como se indicó anteriormente, el espacio de interelectrodo 130 en los convertidores termiónicos convencionales es un medio evacuado o un medio rellenado con vapor rarificado. El flujo de electrones a través de la carga eléctrica es sostenido mediante la diferencia de temperatura entre los electrodos. Así, el trabajo eléctrico es suministrado a la carga. La conversión de energía termiónica se basa en el concepto de que un cátodo de baja función de trabajo del electrón en contacto con una fuente de calor emitirá electrones. Estos electrones son absorbidos mediante un ánodo de alta función de trabajo, frío, y ellos pueden fluir nuevamente al cátodo a través de una carga externa donde realizan trabajo útil. Los generadores termiónicos prácticos están limitados por la función de trabajo de los metales disponibles u otros materiales que son utilizados para los cátodos. Otra limitación importante es el efecto de espacio carga . La presencia de electrones cargados en el espacio entre el cátodo y el ánodo crearán una barrera potencial extra que reduce la corriente termiónica. Estas limitaciones perjudicialmente afectan la densidad de corriente máxima, y así presentan un mayor problema en el desarrollo de convertidores termiónicos a gran escala. Los convertidores termiónicos convencionales son típicamente clasificados como convertidores al vacío o convertidores rellenados con gas. Los convertidores al vacío tienen un medio evacuado entre los electrodos. Estos convertidores tienen limitadas aplicaciones prácticas. Las modalidades en una primera clase de convertidores rellenados con gas son proporcionadas con una sustancia vaporizada en el espacio de interelectrodo que genera iones positivos. Esta sustancia vaporizada es comúnmente un metal álcali vaporizado tal como cesio, potasio y rubidio. Debido a la presencia de estos iones positivos, los electrones liberados pueden más fácilmente viajar del emisor al colector. La temperatura del emisor en estos tipos de dispositivos convencionales es en parte determinada por la temperatura de vaporización de la sustancia que genera los iones positivos. Generalmente, la temperatura del emisor debe ser de por lo menos 3.5 veces la temperatura del depósito de la sustancia generadora de iones positivos, si la producción eficiente de iones va ser alcanzada en estos dispositivos convencionales . Las modalidades en una segunda clase de convertidores rellenados con gas son proporcionadas con un tercer electrodo para generar iones. El gas en el espacio de interelectrodo en estos dispositivos convencionales es un gas inerte tal como neón, argón y xenón. Aunque estos convertidores pueden operar a temperaturas más bajas, tal como aproximadamente 1500 K, ellos son más complejos. Los emisores termiónicos convencionales típicos son operados a temperaturas que varían de 1400 a 2200 K y colectores a temperaturas que varían de 500 a 1200 K. Bajo condiciones óptimas de operación, las eficiencias globales de conversión de energía varían ae 5 a 40%, las densidades de potencia eléctrica son del orden de 1 a 100 watts/cm2, y las densidades de corriente son del orden 5 a 100 A/cm2. En general, entre más alta es la temperatura del emisor, más alta es la eficiencia y las densidades de potencia y de corriente con diseños que tienen en cuenta las pérdidas por radiación. El voltaje en el cual la potencia es suministrada de una unidad de un convertidor típico es de 0.3 a 1.2 voltios, es decir, aproximadamente el mismo como aquel de una celda electrolítica. Los sistemas termiónicos con una alta clasificación de potencia frecuentemente consisten de muchas unidades convertidoras termiónicas conectadas eléctricamente en serie. Cada unidad convertidora termiónica típicamente es clasificada en 10 a 500 watts. Los atributos de alta temperatura de los convertidores termiónicos son ventajosos para ciertas aplicaciones, pero son restrictivos para otras. Esto es debido a que las temperaturas del emisor requeridas generalmente están más allá de la capacidad práctica de muchas fuentes de calor convencionales. En contraste, los convertidores termoeléctricos típicos son operables a temperaturas de la fuente de calor que varían de 500 a 1500 K. Sin embargo, aun bajo condiciones óptimas, las eficiencias globales de los convertidores de energía termoeléctricos solamente varían de 3 a 10%, las densidades de potencia eléctrica son normalmente menores que unos cuantos watts/cm2, y las densidades dé corriente son del orden de 1 a 100 A/cm2. Desde un punto de vista de propiedades físicas, los dispositivos termoeléctricos son similares a los dispositivos termiónicos. En ambos casos un gradiente de temperatura es colocado en un metal o semiconductor, y 'ambos casos son basados en el concepto de que el movimiento de electrones es electricidad. Sin embarcfo, el movimiento de electrones también lleva energía. Una corriente forzada transporta energia para ambos dispositivos termiónicos y termoeléctricos. La diferencia principal entre los dispositivos termoeléctricos y termiónicos está en el mecanismo de transporte: transporte balístico y difusivo para dispositivos termiónicos y transporte óhmico para dispositivos termoeléctjricos. El flujo óhmico es microscópicamente difusivo, pero no macroscópicamente. La característica distintiva es sí están presentes portadores en exceso. En dispositivos termoeléctricos, los portadores normalmente presentes son responsables para la corriente. En dispositivos termiónicos, la corriente es debido a la colocación de portadores en exceso en el espacio vacío. Un dispositivo termiónico tiene una eficiencia relativamente alta si los electrones balísticamente van sobre y a través del espacio vacío. Para un dispositivo termiónico toda la energía cinética es llevada de un electrodo al otro. El movimiento de los electrones en un dispositivo termoeléctrico es de cuasiequilibrio y óhmico, y puede ser descrito en términos de un coeficiente de Seebec , el cual es un parámetro de equilibrio. En estructuras con barreras angostas, los electrones no viajarán lo bastante para sufrir colisiones a medida que cruzan la barrera. Bajo estas circunstancias, la versión balística de la teoría de emisión termiónica es una representación más precisa del transporte de corriente. La densidad de corriente es dada por: J = Ao^e'^^B1 donde Ao es la constante de Richardson, f es la altura de barrera (función de trabajo del electrón) , e es la carga del electrón, kB es la constante de Boltzmann y T es la temperatura. La constante de Richardson Ao es dada por Ao = (emkB2'f) / (27?h2) l donde m es la masa de electrón efectiva y h es la constante de Planck reducida. La ecuación de densidad de corriente electrónica anterior proporciona el lenguaje cuantitativo para explicar algunas de las observaciones descritas en lo anterior. Por ejemplo, esta ecuación para la corriente de emisión muestra que la clasificación de emisión se incrementa rápidamente con la temperatura y disminuye exponencialmente con la función de trabajo. Soluciones a los problemas anteriores se han buscado de acuerdo con el presente estado de la técnica al utilizar convertidores al vacío o convertidores rellenados con gas. Intentos para reducir los efectos de espacio-carga con los convertidores al vacío han involucrado la reducción de la separación de interelectrodo en el orden de micrómetros. Intentos para reducir los mismos efectos con los convertidores rellenados con gas han conducido a la introducción de iones positivos en la nube de electrones enfrente del emisor. No obstante, estos dispositivos convencionales aun presentan desventajas tales como aquellas relacionadas con las densidades de corriente máximas limitadas y los regímenes de temperatura. Consecuentemente, aun permanece una necesidad para proporcionar una solución más satisfactoria para la conversión de energia térmica a energia eléctrica a regímenes de temperaturas menores con altas eficiencias y altas densidades de potencia. BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se desarrolló para satisfacer una necesidad por un dispositivo que convierta eficientemente la energía térmica a energía eléctrica a temperaturas de operación relativamente bajas y con densidades de potencia y eficiencias lo bastante altas para aplicaciones comerciales. La presente invención también opera en modo inverso para proporcionar enfriamiento eficiente. La presente invención busca resolver un número de los problemas que se han experimentado en la técnica antecedente, como se identificaron anteriormente. Más específicamente, el aparato y método de esta invención constituye un avance importante en la técnica de conversión de potencia termiónica, evidenciado por las características de las modalidades de esta invención. Brevemente resumidos, los objetos de la presente invención son alcanzados mediante el convertidor en estado sólido que comprende un emisor, que tiene por lo menos una región que comprende un primer donador a una concentración Nd*, un colector y una región de espacio vacío entre el emisor y el colector en comunicación eléctrica y térmica con el emisor y el colector. La región de espacio vacío comprende un semiconductor con un segundo donador a una concentración Nd» que es seleccionada de modo el logaritmo natural de la relación Nd* / ?a está entre 0 y aproximadamente 7. Otras modalidades de la presente invención comprenden un convertidor termiónico en estado sólido que utiliza la implementación de diodo semiconductor, que comprende un emisor que comprende una región de tipo n*; una región de espacio vacío entre el emisor y un colector, la región de espacio vacío que está adyacente a la región de tipo n*; y un contacto óhmico frío conectado a la región de espacio vacío, el contacto óhmico frío que tiene una región de colector de recombinación formada entre el contacto óhmico frío y la región de espacio vacío. En algunas modalidades de esta invención, un colector proporciona un elemento de recombinación y tal colector está en comunicación eléctrica con un contacto óhmico frío. Un contacto óhmico caliente está en contacto eléctrico con el emisor. La región de espacio vacío puede ser de tipo n, tipo p, o intrínseca. Para utilizar la corriente eléctrica generada por las modalidades del convertidor de esta invención, el circuito eléctrico típicamente es cerrado externamente con una carga eléctrica conectada al contacto óhmico caliente y el contacto óhmico frío. Se entiende que los términos tales como "comunicación eléctrica", "conexión eléctrica" y "contacto eléctrico" se refieren a una relación entre los elementos, mediante la cual la corriente eléctrica puede fluir entre tales elementos, sí tales elementos están en contacto directo o el flujo de corriente eléctrica es facilitado mediante por lo menos un conductor qµe enlaza tales elementos. Aun otras modalidades de la presente invención comprenden una pluralidad de placas, cada una que comprende un emisor y un colector con una región de espacio vacío entre las mismas. En modalidades de refrigeración, el transporte de portador es asistido por un campo eléctrico externo. Un primer contacto óhmico sobre el emisor, que comprende en una modalidad una región de tipo n*, es conectado a una carga térmica que es enfriada mediante el flujo de calor de los electrones que dejan el emisor. Como es descrito en relación las modalidades dé convertidores de calor-a-electricidad de acuerdo con esta invención, los electrones en las modalidades de refrigeración circulan del emisor, de preferencia de un contacto óhmico caliente sobre la región de tipo n*, a la región de espacio vacío. Una región de espacio vacío está en una modalidad adyacente al emisor, y un segundo contacto óhmico que tiene una región de colector de recombinación está formada entre el segundo contacto óhmico y la región de espacio vacío. La región de espacio vacío en las modalidades de esta invención puede ser de tipo n, tipo p o intrínseca. Un intercambiador de calor disipa el calor de los electrones calientes sobre el segundo contacto óhmico conectado a la región de espacio vacío. BREVE DESCRIPCIÓN DB LOS DIBUJOS Con el fin de entender más completamente la manera en la cual son obtenidos las ventajas y objetos mencionados anteriormente de la invención, una descripción más particular de la invención será presentada con referencia a las modalidades específicas de la misma, que son ilustradas en los dibujos anexos. Entendiendo que estos dibujos representan solamente modalidades típicas de la invención y por lo tanto no van hacer considerados limitativos de su alcance; las modalidades actualmente preferidas y el mejor modo actualmente entendido de la invención será descrito con detalle adicional por medio del uso de los dibujos acompañantes en los cuales: La FIG. 1 esquemáticamente muestra una modalidad de un convertidor termiónico convencional. La FIG. 2 es una vista en sección transversal de un diodo térmico de la presente invención. La FIG. 3 es una gráfica del parámetro de conductividad normalizado ? como una función de la temperatura para InSb, suponiendo que N*D=1020cpf3. La FIG. 4 muestra las concentraciones de electrones y de cavidades para una estructura termiónica n*pn* en InSb, donde la concentración de donador en la región del emisor y la región del colector es de 1020 cm"3, y la concentración de aceptador en la región de espacio vacío es de 10a7 cm"3. La FIG. 5A muestra las concentraciones de electrones para una estructura termiónica n*nn* en InSb, donde la concentración de donador en la región del emisor y la región del colector es de 1020 cm"3, y la concentración de donador en la región de espacio vacío es de 1014 cm"3. La FIG. 5B muestra la conductividad normalizada ? como una función de la temperatura para varios semiconductores . La FIG. 6 muestra las concentraciones de electrones y de cavidades para una estructura termiónica n*nn* en InSb, donde la concentración de donador en la región del emisor y la región del colector es de 1020 cm"3 y la concentración de donador en la región de espacio vacío es 8 x 1017 cm"3. La FIG. 7 muestra la altura de barrera normalizada ?u como una función de la concentración de impurificación. La FIG. 8 muestra la corriente de cortocircuito como una función de la altura de barrera normalizada para las estructuras consideradas anteriormente con T^x = 600 K y ?t - 0.5. La FIG. 9 muestra la característica de corriente y voltaje para un diseño de InSb de 625 µ de espesor, con una concentración de electrones del emisor de 1020 electrones/cm3, una temperatura del emisor Tßx = 600 K y una temperatura del colector Tmin = 300 K. La FIG. 10 muestra la potencia de carga por área unitaria para un diseño de InSb de 625 µ de espesor, con una concentración de electrones del emisor de 1020 electrones/cm3, una temperatura del emisor 1 = 600 K y una temperatura del colector Tpdn = 300 K.

La FIG. 11 muestra la potencia térmica disipada por área unitaria como una función del voltaje para un diseño de InSb de 625 µ de espesor, con una concentración de electrones del emisor de 1020 electrones/cm3, una temperatura del emisor Ttaax = 600 K y una temperatura del colector Tmin = 300 K. La FIG. 12 muestra la eficiencia como una función del voltaje para un diseño de InSb. Los cálculos son mostrados para las densidades del donador de espacio vacío de 1017 (la curva más baja en la gráfica), 3 x 1017, 5 x 1017 y 7 x 1017 (la curva más alta sobre la gráfica) en unidades de cm"3. La FIG. 13 muestra los resultados de una optimización numérica de la eficiencia como una función de la impurificación de espacio vacio sobre un amplio rango de densidades de .impurificación a una concentración de impurificante ionizado del emisor fijada de 1020 cm"3. La FIG 14 muestra los resultados para la eficiencia óptima como una función de la impurificación del emisor con la impurificación del espacio vacío fijada de ND = 7 x 10a7 cm"3. La FIG. 15 muestra la potencia térmica y de carga por área unitaria para diseños de diodos térmicos. La FIG. 16 muestra la eficiencia de un diseño con una concentración de electrones del emisor de 10 electrones/cm"3 y una densidad del donador de espacio vacío de 7 x ÍO17 cm"3. La FIG. 17 muestra la eficiencia optimizada como una fracción del límite termodinámico. La FIG. 18 muestra el flujo de potencia térmica bajo condiciones de conversión de energía óptima a diferentes temperaturas . La FIG. 19 es una vista en sección transversal de un diodo térmico compensado. La FIG. 20 muestra la corriente como una función de la impurificación del espacio vacío para un diseño de diodo térmico de InSb. La FIG. 21 muestra la optimización de eficiencia como una función de la impurificación de espacio vacío con compensación de tipo p utilizando concentraciones N"a de 7 x 1017, 1018, 2 x 1018 y 3 x 1018 cm"3. La FIG. 22 muestra una vista en sección transversal de un solo diodo térmico compensado con temperatura incrementada indicada por la flecha marcada T. La FIG. 23A muestra la eficiencia bajo condiciones optimizadas como una función de la temperatura del emisor para diferente impurificación de espacio vacío con compensación perfecta. Se supone una estructura de diodo térmico compensado de InSB de 625 µ de espesor, con una densidad de electrones del emisor de 1020 cm"3 y una temperatura del colector de 300 K.

La FIG. 23B muestra la eficiencia normalizada al límite termodinámico bajo condiciones optimizadas como una función de la temperatura del emisor para los diferentes casos mostrados en la Figura 23A. La FIG. 24 ilustra una modalidad que tiene cuatro diodos apilados. La FIG. 25 ilustra una modalidad que tiene múltiples diodos apilados, que tienen un límite curvo y que forman una geometría en forma de cuña. La FIG. 26 ilustra una modalidad de diodos apilados en donde el limite del apilamiento se aproxLma a una curva ideal como es mostrado en la Figura 25. Las FIGS. 27A-27B muestran la eficiencia como una función de la temperatura para modalidades optimizadas de diodos térmicos compensados, en donde la temperatura del colector es de aproximadamente 300 K de acuerdo con esta invención. Las FIGS. 28 y 29 muestran la dosis necesaria para crear una capa compensada sobre un rango amplio de energías iónicas en un diodo de InSb del tipo n, .impurificado a una concentración n . La FIG. 30 muestra los resultados para una dosis de implantación de contacto óhmico requerida para alcanzar una impurificación poco profunda de 1021 cm"3 de Te para un diseño de InSb.

La FIG. 31 muestra el rango de iones para la FIG. 30. La FIG. 32 muestra los resultados para la impurificación de Ag para alcanzar un contacto óhmico. La FIG. 33 muestra los resultados para la impurificación de Ag para alcanzar un contacto óhmico. La FIG. 34 muestra el comportamiento de temperatura de un espacio vacío de InSb. La FIG. 35 muestra la dependencia de temperatura en la altura de barrera para una capa de entrecara impurificada con Te a 3 x 1019 cm"3 depositada sobre InSb impurificado con Te a 1 x 1018 cm"3 con un emisor de In. La FIG. 36A muestra los estados en la superficie de un contacto de metal-semiconductor. La FIG. 36B ilustra esquemáticamente una modalidad de la presente invención que comprende una capa de reducción de metal-semiconductor-entrecara-b rrera . La FIG. 37 muestra las curvas I-V para un solo diodo y un apilamiento de tres diodos de InSb. La FIG. 38 muestra una gráfica de la eficiencia de una placa para InSb como una función de la dosis de implantación de ion Ar para una muestra cuyo tamaño es de 0.50 x 1.0 x 1.5 mm3. La FIG. 39 muestra una gráfica del rango de implantación de ion 4He como una función de la energía iónica para un objetivo de InSb. La FIG. 40 muestra los resultados de una simulación para el número de desocupaciones por ion como una función de la energía de ion 4He para la implantación de ion referida en la FIG. 39. La FIG. 41 muestra una gráfica de la densidad de corriente de salida para una modalidad que comprende una muestra de Hgo.ßeCdo.nTe como una función de la temperatura del lado caliente para la muestra con una capa de emisor de Cu y para la muestra con una capa de emisor de In-Ga. La FIG. 42 muestra una gráfica de la densidad de corriente de salida para una modalidad que comprende una muestra de Hgo.86Cdo.14Te como una función de lá temperatura del lado caliente para la muestra con un sustrato de Al y para la muestra con un sustrato de In-Ga. La FIG. 43 muestra una gráfica de la eficiencia absoluta como una función de la temperatura para una modalidad de un diodo térmico sin compensación que comprende una muestra de Hgo.86Cdo.14Te. La FIG. 44 muestra una gráfica de la eficiencia, expresada como un porcentaje de la eficiencia del ciclo de Carnot ideal, como una función de la temperatura para la misma modalidad referida en la FIG. 43. La FIG. 45 muestra una gráfica de la eficiencia absoluta para una modalidad de un convertidor intercalado como una función de la temperatura de la placa caliente. La FIG. 46 muestra una gráfica de la eficiencia, expresada como un porcentaje de la eficiencia del ciclo de Carnot ideal, como una función de la temperatura de la placa caliente para la misma modalidad referida en la FIG. 45. La FIG. 47 muestra una gráfica para la cifra de mérito normalizada de Hg?_xCdxTe con relación a aquella de InSb como una función de x. La FIGl 48 ilustra un diodo térmico para proporcionar enfriamiento. La FIG. 49 muestra un diodo térmico compensado para proporcionar enfriamiento. La FIG. 50 muestra el coeficiente de desempeño como una función de la temperatura para modalidades de refrigeración. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención comprende un convertidor de energía termiónico en estado sólido 10, generalmente ilustrado en la Figura 2, y se dirige a un método y aparato para la conversión de energía. Una modalidad del convertidor de energía termiónico en estado sólido inventivo 10 comprende un diodo semiconductor que tiene una región de tipo n* 14 como un emisor, una región de espacio vacío 16 adyacente a la región de tipo n* 14, un contacto óhmico caliente 12 conectado a la región de tipo n* 14 y un contacto óhmico frío 20 que es un colector y conectado a la región de espacio vacío 16. En una modalidad, el contacto óhmico frío 20 tiene una región de colector de recombinación 18 formada entre el contacto óhmico frío 20 y la región de espacio vacío 16. La región de recombinación en algunas modalidades de esta invención comprende una capa distinta. En otras modalidades de esta invención, la región de recombinación es obtenida al tratar y/o al dañar la superficie de un contacto óhmico o colector. La formación de una región de recombinación en el contexto de esta invención así incluye procedimientos para incorporar una capa de recombinación y proced.imientos para tratar y/o dañar la superficie de un contacto óhmico o colector. Los términos región n* son utilizados en la presente para referirse a una región n que tiene una concentración de electrones más alta que una región n . Las modalidades ilustrativas de materiales comprendidos en las regiones n* son dadas en lo siguiente. Una caracterización general de la región n* y la región n en términos de sus densidades en número de donador relativas Na* y Nd es proporcionada después en la presente. Ejemplos de regiones de tipo n son proporcionados mediante las regiones que incluyen InSb impurificado con Te a una concentración de aproximadamente 1016 cm"3 a aproximadamente 1019 cm"3. Las concentraciones en el orden de 1020 cm"3 también son contempladas como caracterizaciones de la concentración de impurificante de materiales en las regiones de tipo n en las modalidades de esta invención. Ejemplos de regiones de tipo n* son proporcionados por las regiones que incluyen InSb impurificado con Te a una concentración de aproximadamente 1019 cm"3 a aproximadamente 3"1019 cm"3. Las concentraciones de aproximadamente 31020 cm"3 también son contempladas como caracterizaciones de la concentración de impurificante de materiales en las regiones de tipo n* en las modalidades de esta invención. Además de Te, los impurificantes en algunas otras modalidades de la presente invención incluyen por lo menos uno de S, Se y Sn. Además, el símbolo n** es utilizado en la presente para referirse a una región n que tiene una concentración de electrones más alta que una región n*. Ejemplos de regiones de tipo n** son proporcionados mediante las regiones que incluyen un material tal como In, Te, Ga y Fe. Una carga eléctrica Ri, conectada al contacto óhmico caliente 12 y al contacto óhmico frío 20 es proporcionada con la intensidad eléctrica generada por una modalidad de un convertidor de acuerdo con esta invención. El emisor puede ser un metal. La región de espacio vacio 16 puede ser ya sea moderadamente impurificada con tipo n, tipo p o intrínseca. Los electrones son colectados en la región de colector de recombinación 18. El emisor calentado con relación al colector genera un EMF que impulsa corriente a través de una carga en serie. Se nota que el principio inventivo trabaja para la conductividad de cavidad, así como para electrones. También, la referencia a metales en la presente incluye aleaciones. En contraste con los dispositivos termiónicos convencionales, las modalidades de convertidores de acuerdo con la presente invención son dispositivos en estado sólido. Sin embargo, la técnica anterior enseña dispositivos que dependen de un espacio de interelectrodo evacuado o un espacio de interelectrodo rellenado con gas. Las características generales de estos dispositivos convencionales se han resumido en lo anterior. En lugar de un espacio evacuado o rellenado con gas, las modalidades de la presente invención incorporan un material semiconductor. Los semiconductores son valiosos, no por su conductividad, sino por dos propiedades inusuales. Primero, la concentración de portadores libres, y consecuentemente la conductividad, se incrementa exponencialmente con la temperatura (aproximadamente 5% por grado Celsius a temperaturas ordinarias) . Segundo, la conductividad de un semiconductor se puede incrementar grandemente, y a un grado precisamente controlado, al agregar pequeñas cantidades de impurezas en el proceso llamado impurificación. Puesto que hay dos tipos de portadores de carga móvil (electrones y cavidades), de signo opuesto, se pueden crear distribuciones extraordinarias de portadores de carga. El diodo semiconductor utiliza esta propiedad. Los semiconductores, puros o impurificados, tipo p o tipo n, son bilaterales; la corriente fluye en cualquier dirección con igual facilidad. Sin embargo, si existe una región de tipo p en estrecha proximidad a una región de tipo n, hay un gradiente de densidad de portador que es unilateral; la corriente fluye fácilmente en una dirección solamente. El dispositivo resultante, un diodo semiconductor, exhibe una propiedad de control muy útil de transporte de portador que puede ser utilizada para la conversión de energía. La siguiente descripción escrita y el material gráfico se refieren a modelos y/o simulaciones de fenómenos que están asociados con las modalidades de trabajo de la presente invención. Las referencias a estos modelos y/o simulaciones no se proponen para ser explicaciones limitativas de la presente invención. Se entiende que la presente invención no está limitada o restringida a cualquier explicación única de sus procesos físicos implícitos. Los modelos y/o simulaciones se proponen para resaltar variables relevantes que pueden ser utilizadas para diseñar modalidades adicionales contempladas dentro del alcance de la presente invención, aunque tales modalidades no son explícitamente referidas en el contexto de esta descripción escrita. Con estas herramientas de diseño,. las enseñanzas de esta descripción escrita y la habilidad ordinaria en la técnica, se pueden diseñar modalidades adicionales que están dentro del alcance de la presente invención y las reivindicaciones. Por consiguiente, la siguiente descripción escrita y el material gráfico describen modalidades de la presente invención y proporcionan modelos que se pueden utilizar para diseñar modalidades adicionales contempladas dentro del alcance dentro de la presente invención. Se entiende que los títulos en el siguiente material son proporcionados como guías para propósitos de organización y no como declaraciones limitativas o restrictivas que consideran esta descripción escrita y las figuras, que van hacer interpretadas en su totalidad como un conjunto. Los resultados para un diodo térmico de InSb son presentados después, debido al que el InSb es uno de los materiales semiconductores para las modalidades de la presente invención. El comportamiento de la modalidad de InSb se muestra que es consistente con la inyección de portadores desde el emisor en una región de espacio vacío, con transporte permitido a través del espacio vacío al colector. Estos resultados son consistentes^ con la eficiencia que depende de la impurificación del espacio vacío, en cuanto a que la impurificación del espacio vacío determina la altura de barrera y el flujo de corriente. Estos resultados también muestran que la optimización de eficiencia de un diodo térmico de acuerdo con la presente invención utilizando InSb, puede alcanzar 5.5% con un emisor a 600 K y una densidad de electrones del emisor de 1020 cm"3. La siguiente descripción escrita y las figuras también describen la compensación como una técnica para incrementar la eficiencia de las modalidades de la presente invención. La compensación incluye la supresión de la corriente de retorno. Los métodos para formar contactos óhmicos en las modalidades de la presente invención son subsecuentemente descritos . Ejemplos de modalidades de la presente invención que comprenden InSb con una capa de compensación, incluyen pastillas de InSb con un impurificante de tipo n, tal como Te, y una capa de emisor de Te implantada mediante una técnica tal como la deposición electrónica con magnetrón. La capa de compensación en estas modalidades es formada mediante la implantación de impurezas de tipo p. Esta impureza de tipo p comprende por lo menos un tipo de iones tales como iones Ar y He, que compensan el impurificante de tipo n. Otro material para construir un emisor n*/n de acuerdo con esta invención comprende Hg?-xCdxTe. Por ejemplo, una pastilla de Hgo.ßßCdo.nTe es utilizada en las modalidades de esta invención para construir un emisor n*/a al hacer reaccionar Hgo.eeCdo.14Te con un sustrato de impureza de tipo n tal como Al e In-Ga, para crear de esta manera una región n* de inyección de electrones. Una forma de un material de In-Ga para este propósito es In0.7bGa0.25- Las modalidades con este emisor exhiben una densidad de corriente eléctrica de salida que se incrementa como una función de la temperatura del lado caliente. En lo siguiente se muestra que estas modalidades alcanzan eficiencias que están por arriba del 30% de una eficiencia de cicló de Carnot ideal. Hg?_?CdxTe es parte de una configuración de placas múltiples o conjunto intercalado en otras modalidades de esta invención. Por ejemplo, una modalidad de estos conjuntos intercalados comprende una placa de InSb impurificada con un material de tipo n, tal como Te, y una capa de emisor de InSb depositada electrónicamente con Te y recubierta con un material tal como In-Ga, más específicamente, tal como Ino.75Gao.25- Una segunda placa en este material intercalado comprende Hg?-xCdxTe, donde x es en una modalidad 0.14. Ejemplos de modalidades de acuerdo con la presente invención incluyen los parámetros de diseño, diodos térmicos no compensados, diodos térmicos compensados y diodos de Schottky. Además, los convertidores de acuerdo con la presente invención incluyen convertidores para convertir energía térmica a electricidad y modalidades de refrigeración. Como se discute posteriormente en la presente, dos tipos de modalidades incluyen los mismos componentes principales, si operan como convertidores termiónicos para refrigeración o como diodos térmicos para convertir energía térmica en electricidad. Se ha encontrado en el contexto de esta invención que Hg?-xCdxTe con x que es de aproximadamente 0.08 a aproximadamente 0.15, exhibe una cifra de mérito termiónica alta mientras que permanece el semiconductor y que permite un diseño y comportamiento de la capa de emisor n*/capa de condensación como es descrito en la presente con respecto a otros materiales. Además, también se ha descubierto en el contexto de esta invención que Hg0.92Cd0.i8Te se comporta como un material termoeléctrico excelente. 1. El Convertidor Termiónico en Estado Sólido Una región n* altamente impurificada 14 en las modalidades de la presente invención puede servir como una región de emisor, de la cual los portadores pueden ser calentados en la región de espacio vacío 16. La región n* comprende un semiconductor impurificado con una alta concentración de impureza de donador (proporcionando electrones) . Por ejemplo, InSb puede ser impurificado con Te o S. Se ha encontrado en el contexto de la presente invención que la conversión de energía es una función de la conductividad normalizada del semiconductor ?, que a su vez es una función de los parámetros del material y la impurificación pico del emisor. Los parámetros relevantes del material han sido examinados en el contexto de esta invención, para determinar regímenes de operación útiles para un número de semiconductores. Esta evaluación es presentada después en la presente para ilustrar como son seleccionados los parámetros relevantes del material para un número de materiales y como esta selección y evaluación se puede entender dentro del alcance de esta invención para complementar los materiales referidos después en la presente. La Tabla 1 lista los parámetros de materiales, incluyendo, la movilidad del electrón y la conductividad térmica, y los estimados asociados de ?. Los valores para la conductividad normalizada ? son estimados utilizando N*D = 1020 cm~3. Se observa un amplio rango (casi cuatro órdenes de magnitud) de valores posibles de la conductividad normalizada ?. Los datos para la construcción de esta tabla fueron tomados del CRC Handbook of Chemistry and Physics, 67a edición. Los materiales con ? pequeñas son más preferidos. De acuerdo con este criterio, un material preferido entre los semiconductores listados en la Tabla 1 se observa que es seleniuro de mercurio, con un valor asociado de ? = 0.014. Con esta conductividad normalizada y un potencial reducido de 5, la eficiencia optimizada de la barrera alcanzará aproximadamente 13.3% y 23.8% para diferencias en las temperaturas del emisor-colector con relación a la temperatura del emisor (?t) de 0.3 y 0.5 respectivamente. Estas eficiencias están cercanas a la mitad de los valores máximos termodinámicos . TABLA 1 Tanto la movilidad como la conductividad térmica, en general, son funciones de la temperatura. En InSb, tanto la movilidad como la conductividad disminuyen con el incremento de temperatura. La dependencia de temperatura resultante de ? es ilustrada en la Figura 3. La Figura 3 muestra el parámetro de conductividad normalizada ? (también referido como "cifra de mérito") como una función de la temperatura para InSb, suponiendo que N*D - 1020 cm'3. Los resultados son mostrados para las regiones de espacio vacío de tipo n con densidades de impurificación ND = 1015, 1016, 1017, 1018 en unidades de cm'3. La conductividad normalizada se observa que diminuye a más alta temperatura. Además, la conductividad normalizada disminuye en la presencia de portadores de fondo, puesto que la movilidad de los electrones en InSb disminuye con el incremento de la densidad de impurificación. Más generalmente, la Figura 5B muestra la conductividad normalizada ? para un número de semiconductores . Los semiconductores listados en la Tabla 1 son ejemplos que incluyen materiales que pueden ser utilizados en las modalidades de la presente invención. InSb es un material entre estos semiconductores. Como será descrito después en la presente, Hg?_xCd?Te es otro semiconductor y exhibe un parámetro de conductividad normalizada de aproximadamente la mitad del valor del mismo parámetro para HgSe.

Se ha encontrado en el contexto de esta invención que las concentraciones en las regiones de emisor y de espacio vacío pueden ser relacionadas con la barrera potencial del emisor-espacio vacío. Más específicamente, la barrera potencial entre el emisor y un espacio vacío de tipo p con relación a las concentraciones de impurificación se encontró que es donde ?? es la barrera potencial del emisor-espacio vacío, Nd* y Na~ son las concentraciones ionizadas del donador y del aceptador, ni es la densidad de portador intrínseca y T^x es la temperatura máxima del emisor. La barrera en las modalidades de esta invención es de hasta aproximadamente 7, de preferencia en el rango de aproximadamente 1.5 aproximadamente 7 y más de preferencia de aproximadamente 3 aproximadamente 7. Desafortunadamente, no es posible alcanzar esto para InSb en la ausencia de una polarización de espacio vacío independiente para una región de espacio vacío de tipo p en la cercanía de la temperatura ambiente. En el caso de un emisor n* a la región de espacio vacío tipo n, la altura de barrera se determinó que es Una altura de barrera normalizada de 5-7 corresponde a una relación de impurificación de e5 - e7, que evalúa numéricamente a 150 - 1100. Si la región n* es impurificada a un nivel de 1020 cm"3, entonces la impurificación de la región de espacio vacío debe estar en el rango de 9 x 1016 cm"3 a 7 x 1017 cm"3. 2. Resultados para el Diodo Térmico de InSb a. Inyección de portador Con referencia a la Figura 2, el emisor es la región n* caliente 14 a la izquierda. La región de espacio vacío 16 es una región gruesa en el centro, que puede ser ya sea de tipo n o de tipo p (aunque se encontró que la eficiencia es más alta si el espacio vacío es de tipo n) . El colector es representado aqui como una región de colector de recombinación 18 y el contacto de metal 20 que es frío. Una premisa de diseños de la presente invención es que los portadores son calentados de una región de emisor caliente 14 en la región de espacio vacío 16, donde se transportan a la región de colector 18 y el contacto 20. Esta sección se enfoca en el punto de la inyección de portador del emisor a la región de espacio vacío, con tres diferentes selecciones de tipo de región de espacio vacío (tipo p, intrínseca y tipo n) . La inyección de electrones en una región de espacio vacío de tipo p daría por resultado un problema mucho más simple de analizar, pero aun existe una barrera significante que se presenta en la región de agotamiento. La eficiencia óptima se presenta cuando la barrera está en el orden de 4 kBT. La barrera entre un emisor n* y un espacio vacío de tipo p esta más cercana a 8-9 kBT. Consecuentemente, para inyectar un número más grande de portadores, es necesaria una barrera inferior. Las barreras inferiores se presentan con regiones de espacio vacío de tipo n moderadas, pero entonces se debe entender la inyección de portador de un portador mayoritario. En el caso de la eyección térmica de electrones en una región de espacio vacío de tipo p, el análisis del transistor de empalme bipolar npn se ha utilizado en el contexto de esta invención para mostrar que estas caracterizaciones de inyección de portador son básicamente correctas. La Figura 4 ilustra soluciones numéricas para la emisión de carga de un emisor de tipo n* caliente en una región de espacio vacío de tipo p. Se observa que los electrones son emitidos en la región de espacio vacío y seleccionados por las cavidades de portador mayoritario, y el transporte de portador minoritario se presenta principalmente a través de la difusión. Las cavidades actúan para seleccionar el campo en la región de espacio vacío.

Una reducción significante en la altura de barrera se presenta cuando la región de espacio vacío es intrínseca. Como las densidades de portador inyectado pueden ser significantes, una región de espacio vacío de tipo n ligeramente impurificada es utilizada con donadores de 1014 cm"3 que simularán una región de espacio vacío intrínseca. Esta región de espacio vacío intrínseca simulada tendrá una barrera potencial menor que una región de espacio vacío intrínseca pura. Los resultados para la inyección de portador en este caso son ilustrados en la Figura 4. La Figura 4 muestra las concentraciones de electrones y de cavidades para una estructura termiónica n *pn* en InSb. La concentración de donador en las regiones de emisor y de colector es de 1020 cm"3 y la concentración de aceptador en la región de espacio vacío es 1017 cm"3. El emisor está a 600 K, y el colector está a 300 K. Tres casos son ilustrados: circuito abierto í = 0 (equilibrio) sin inyección de portador; cortocircuito v = 0 con corriente máxima; y un caso intermedio con v igual a la mitad del voltaje del circuito abierto. Se observa que las densidades de electrones y de cavidades llegan a ser muy casi iguales, lo cual implica que la neutralidad de carga se mantiene en la región de espacio vacío dentro de lo que puede ser discernido en una gráfica de este tipo. Así es verificado numéricamente que la inyección de carga en una región intrínseca es posible y que los electrones inyectados en la región de espacio vacío se presentan que son capaces de transportarse a la región de colector. Los resultados para inyección de portador en este caso son ilustrados adicionalmente en la Figura 5. La Figura 5 muestra las concentraciones de electrones para una estructura termiónica n*nn* en InSb. La concentración de donador en las regiones de emisor y de colector es de 1020 cm"3, y la concentración de donador en la región de espacio vacío es de 1014 cm"3. El emisor está a 600 K y el colector está a 300 K. Tres casos son ilustrados: circuito abierto i = 0 (equilibrio) inyección de portador; cortocircuito v = 0 con corriente máxima; y un caso intermedio con v igual a la mitad del voltaje del circuito abierto. Se observa que las densidades de electrones y de cavidades llegan a ser muy casi iguales, lo cual implica que la neutralidad de carga se mantiene en la región de espacio vacío dentro de lo que puede ser discernido en una gráfica de este tipo. Así es verificado numéricamente que la inyección de carga en una región intrínseca es posible y que los electrones inyectados en la región de espacio vacío se presentan que son capaces de transportarse a la región de colector sin dificultad. El caso donde los portadores son inyectados de una región de emisor de tipo n* en una región de espacio vacío de tipo n moderadamente impurificada ahora es examinada. Los resultados numéricos son ilustrados en la Figura 6. La Figura 6 muestra las concentraciones de electrones y de cavidades para una estructura termiónica n*nn* en InSb. La concentración de donador en las regiones de emisor y de colector es de 1020 cm"3 y la concentración de donador en la región de espacio vacío es de 8 x 1017 cm"3. El emisor está a 600 K y el colector está a 300 K. Tres casos son ilustrados: circuito abierto i = 0 (equilibrio) sin inyección de portador; cortocircuito v con corriente máxima; y un caso intermedio con v igual a la mitad del voltaje del circuito abierto. Se observa que se presenta inyección de electrones y que el transporte aun se mira más o menos difusivo. Los resultados presentados en lo anterior, muestran que la inyección de electrones de una región de emisor n * en la región de espacio vacío se presenta como es esperado en el caso de un espacio vacío de tipo p y también en las regiones de espacio vacío tanto intrínseca como en tipo n . La inyección en una región de espacio vacío de tipo p sería esperada que siga una ley de diodo. El calentamiento de la región de emisor con relación al colector conduce a un EMF térmicamente generado. El colector en esta configuración juega el mismo papel como un contacto metalizado en un diodo. Consecuentemente, la corriente podría ser calculada directamente de una ley de diodo. Sin embargo, la inyección de electrones en las regiones de espacio vacío intrínseca y de tipo n ahora es considerada, para lo cual no habría razón a priori de esperar que sea cumplida una ley de diodo. Por lo tanto, es de interés investigar si el comportamiento de tipo diodo se extiende en los nuevos regímenes y que clases de modificaciones podrían ser esperadas. Para llevar a cabo tal estudio, son requeridas características de corriente contra voltaje, excepto que en el convertidor de energía térmica no se presenta que sea un voltaje ajustable. La altura de barrera puede ser ajustada a través de una selección de la característica de impurificación de la región de espacio vacío. La Figura 7 ilustra la altura de barrera normalizada para el e emplo considerado anteriormente como una función de la impurificación de espacio vacío. La Figura 7 muestra la altura de barrera normalizada ?u como una función de la concentración de impurificación. El emisor se supone que es impurificado para tener 1020 electrones/cm3. Los donadores y aceptadores en el espacio vacío se suponen que son completamente ionizados. Utilizando este resultado como un mapeo entre la impurificación y la altura de barrera, se simuló la corriente de cortocircuito como una función de la impurificación de espacio vacío, y los resultados mostrados como una gráfica de la magnitud de la corriente como una función de la altura de barrera. Esto se ilustra en la Figura 8. La Figura 8 muestra la corriente de cortocircuito como una función de la altura de barrera normalizada para las estructuras consideradas anteriormente con Tm¿,x = 600 K y una diferencia de temperatura del emisor-colector con relación a la temperatura del emisor de 0.5. Se observa que la ley de diodo es obedecida en el régimen de tipo p lejos del intrínseco. También se observa que, cualitativamente, el comportamiento de la ley de tipo diodo genérica persiste bien en el régimen de tipo n. Tal comportamiento es consistente con la inyección postulada de portadores del emisor a la región de espacio vacío, con el transporte permitido a través del espacio vacío al colector. Esta proporciona una verificación numérica de que el modelo desarrollado para este sistema basado en el comportamiento de ley de diodo debe ser relevante. b. La Relación de Corriente-Voltaje, Potencia y Eficiencia Teniendo establecido el efecto termiónico básico, la atención ahora se dirige al punto básico de la optimización de la eficiencia. Ilustradas en la Figura 9 están las curvas representativas que muestran las características calculadas de corriente y voltaje para el ejemplo de InSb de 625 µ de espesor considerado anteriormente, con una concentración de electrones del emisor 1020 electrones/cm3, una temperatura del emisor T^ = 600 K y una temperatura del colector T„¿n = 300 K. Los resultados son mostrados para las densidades de donador de espacio vacío de 1017 (la curva más baja en la gráfica), 3 x 1017, 5 x 1017 y 8 x 1017 (la curva más alta en la gráfica) en unidades de cm"3. Se muestra que dentro de una aproximación excelente, las relaciones de corriente y voltaje son lineales. También se observa que como se definió anteriormente, los electrones calentados del emisor darán origen a una corriente negativa, así como un voltaje de circuito abierto negativo. La Figura 9 gráfica la magnitud tanto de la corriente como del voltaje. La Figura 10 muestra la potencia de carga calculada por área unitaria para el ejemplo de InSb de 625 µ de espesor considerado anteriormente, con una concentración de electrones del emisor de 1020 electrones/cm3, una temperatura del emisor TmaX = 600 K y una temperatura del colector min = 300 K. Los resultados son mostrados para las densidades del donador de espacio vacío de 1017 (la curva más baja en la gráfica) , 3 x 1017, 5 x 1017 y 7 x 1017 (la curva más alta en la gráfica) en unidades de cm"3. La potencia térmica por área unitaria disipada por el dispositivo para las condiciones utilizadas en los ejemplos previos es ilustrada en la Figura 11. La Figura 11 muestra que la potencia térmica calculada, disipada por área unitaria para el ejemplo de InSb de 625 µ de espesor considerado anteriormente, con una concentración de electrones del emisor de 1020 electrones/cm3, una temperatura del emisor T^x = 600 K y una temperatura del colector Tmin = 300 K. Los resultados son mostrados para las densidades 5 del donador de espacio vacío de 1017 (la curva más baja en la gráfica), 3 x 1017, 5 x 1017 y 7 x 1017 (la curva más alta en la gráfica) en unidades de cm"3. Se observa que la potencia está compuesta de una contribución de Ley de Fick constante a corriente cero (en el voltaje de circuito abierto) y un 10 término lineal en la corriente (y por lo tanto lineal en el voltaje) . La Figura 12 muestra la eficiencia como una función • del voltaje para el ejemplo de InSb considerado anteriormente. Los cálculos son mostrados para las densidades 15 de donador del espacio vacío de 1017 (la curva más baja sobre la gráfica), 3 x 1017, 5 x 1017 y 7 x 1017 (la curva más alta sobre la gráfica) en unidades de cm"3. Los puntos son las eficiencias en los puntos óptimos. Los resultados presentados anteriormente muestran • 20 que la eficiencia depende de la impurificación del espacio vacío, en cuanto a que la impurificación del espacio vacío determina la altura de barrera y el flujo de corriente correspondiente. Una impurificación del donador de espacio vacío cercano a 7 x 1017 cm"3 se presenta que está cercana al 25 óptimo. Para explorar esta optimización adicionalmente, la Figura 13 muestra los resultados de una optimización numérica de eficiencia como una función de la impurificación de espacio vacío sobre un amplio rango de densidades de impurificación a una concentración de impurificante ionizado de emisor fijada de 1020 cm"3. Si la impurificación de espacio vacío está cercana a la intrínseca, la eficiencia es baja. Esto es finalmente debido a que la barrera asociada del emisor-espacio vacío es alta. Por consiguiente, las modalidades con impurificación del espacio vacío cercana a la intrínseca que tienen una barrera alta del emisor-espacio vacío tienen una menor eficiencia. Si la impurificación del espacio vacío se obtiene que es muy alta, los efectos beneficiosos de la barrera baja del emisor-espacio vacío son contrabalanceados por el efecto nocivo de la corriente de retorno óhmica. Este punto es examinado adicionalmente después . c. Examen de escalación La eficiencia del diseño de diodo térmico es una función de la impurificación del emisor. El espesor se supone que es de 625 µ, la impurificación del espacio vacío es mantenida a 7 x 1017 cm"3 y las temperaturas del emisor y del colector se suponen que son 600 K y 300 K, respectivamente. Los resultados son mostrados ..en la Figura 14 para la eficiencia óptima como una función de la impurificación del emisor con la impurificación del espacio vacío fijada ND = 7 x ÍO17 cm"3. Se observa que la eficiencia se incrementa monotónicamente con la concentración de electrones del emisor, pero la escalación es menor que la lineal. Esto es debido a dos efectos interesantes: la barrera del emisor- espacio vacío se incrementa a más alta impurificación del emisor, puesto que la impurificación del espacio vacío se mantuvo fijada; y la movilidad de electrones disminuye a más alta concentración del portador. Ambos de estos efectos se combinan para reducir el impacto beneficioso de una impurificación del emisor más grande. Es posible implantar Te (que es el donador de energía de ionización más baja) en el emisor a concentraciones en el orden de 1020 cm"3. La simulación al utilizar el código TRIM-91 índica que tal densidad de impurificante alta conducirá al desarrollo de una capa de emisor amorfa. Tal capa tendrá un espacio vacío de banda, masa efectiva y movilidad diferentes, de lo que los solicitantes han modelado. Además, se esperaría que la proporción de recombinación sería muy alta. Algunas consecuencias de esto pueden ser anticipadas. La inyección de electrones en el espacio vacío será limitada a las densidades del emisor que están disponibles en el orden de una longitud de recombinación en el emisor, como es medido desde el lado de espacio vacío. Este será el caso debajo de las escalas espaciales que están en la trayectoria libre promedio del electrón. La consecuencia de esto es que una región del emisor amorfa grande con una longitud de escala moderada que está en el orden de una miera, muy probablemente presentará una densidad de impurificación efectiva al espacio vacío que es mucho menor que la densidad pico alcanzada en el borde del semiconductor. Por otra parte, un perfil n* agudo podría permitir la libre corriente de los electrones de la región amorfa altamente impurificada a una región cristalina intermedia. Este último cuadro correspondería más estrechamente a las suposiciones de construcción en el modelo bajo discusión aquí. Otro punto importante es que la ionización de los niveles de donador en el emisor probablemente será incompleta. Si la región del emisor fuera cristalina a altos niveles de impurificación, entonces la densidad de los estados de banda de conducción asociados no seria particularmente grande, de modo que el equilibrio de ionización de los donadores probablemente favorecerá la ocupación significante de los donadores. Los datos para la energía de ionización del donador son disponibles (Te se presenta que tiene una energía de ionización de donador de 50 meV en InSb) , de modo que puede ser estimada la fracción de ionización. El uso de un contacto de metal con una baja función de trabajo en el emisor puede evitar los problemas asociados, ya que la inyección termiónica de un metal puede ser muy grande. Dependiendo del modelo utilizado para simular la eficiencia de las modalidades de la presente invención, se concluye que la eficiencia óptima debe ser independiente de la longitud de espacio vacío o que esta independencia es casi mantenida para un espesor de espacio vacío que varía entre 200 µ y 2mm. La potencia térmica se encuentra que es proporcional al ' espesor del espacio vacío inverso en cualquiera de los modelos considerados en el contexto de esta invención, como es ilustrado en la Figura 15 para un diodo térmico. La discusión previa se ha enfocado sobre una pastilla de InSb total de espesor de 625 µ. En la ausencia de efectos de recombinación, las capas gruesas serían preferidas para aplicaciones de I^ grandes, puesto que el flujo térmico asociado sería correspondientemente menor. La longitud de recombinación de los electrones en el InSb cristalino de tipo n en volumen, para las densidades de espacio vacío que se han considerado, es de por lo menos 10 veces el espesor de la pastilla que se ha examinado. Además, la proporción de recombinación total es dominada por la recombinación radiante, que es muy probable que sea intensa radiación atrapada en cristales grandes, tal como es considerado aquí. Consecuentemente, las estructuras en el orden de 1-2 mm deben ser interesantes para aplicaciones de conversión de energía. Los efectos de recombinación en la eficiencia del dispositivo bajo condiciones donde la recombinación llega a ser importante, no han sido estimados. Mientras que los efectos de recombinación generalmente podrían ser supuestos que son universalmente nocivos para la conversión de energía termiónica, esto probablemente no debe ser una segunda suposición en la ausencia de los resultados de la modelación. La razón para esto, es que la recombinación incrementa la corriente inyectada sobre el límite difusivo considerado aquí. Mientras que la perdida térmica es inversamente proporcional a la longitud de espacio vacío, la corriente seria inversamente proporcional a la longitud de recombinación. Se podría imaginar que en este límite, el resultado neto sería un incremento neto en la eficiencia. Esto sería mitigado por el hecho de que la corriente de cavidad requerida para soportar la recombinación llegaría con una caida de potencial asociada. Como la movilidad de cavidad es baja en InSb, la caída de potencial asociada es probable que sea grande. La Figura 16 muestra la eficiencia de un diseño con una concentración de electrones del emisor de 1020 electrones/cm3 y una densidad de donador del espacio vacío de 7 x 1017 cm"3. Los resultados son graficados como una función de la temperatura del emisor suponiendo que la temperatura del colector es de 300 K. Los resultados en los dos casos son muy casi los mismos. La eficiencia optimizada como una fracción del límite termodinámico es ilustrada en la Figura 17. Se observa que el diseño trabaja más o menos igualmente también, comparado al límite termodinámico en todas las temperaturas mostradas . Cuando la diferencia de temperatura es menor, el flujo de potencia térmica es menor para un diseño dado. La Figura 18 muestra el flujo de potencia térmica bajo condiciones de conversión de energía óptima para diseños de 626 µ y 1250 µ a diferentes temperaturas. El flujo de potencia térmica está en el rango de unos cuantos cientos de W/cm2 bajo las condiciones de operación óptimas de interés. d. Resumen La discusión previa consideró un modelo para un "diodo" térmico basado en una implementación de InSb ilustrativa. Este dispositivo utiliza una región de emisor altamente impurificada, una región de espacio vacío que puede ser ya sea de tipo p o tipo n y un colector de metal óhmico con una función de trabajo suficientemente grande arreglada para tener una corriente de inyección termiónica insignificante arriba de la contribución óhmica, debido al equilibrio del portador en el contacto colector. Los resultados reportados anteriormente muestran que para obtener la corriente de inyección termiónica más grande, se requiere una barrera del emisor a espacio vacío que está de preferencia en el orden de 4-5 ksT^x, que implica que el espacio vacío necesita ser de preferencia un semiconductor de tipo n . Por lo tanto, esta invención contempla modalidades cuya barrera del emisor a espacio vacío está de preferencia en el rango de aproximadamente 4 a aproximadamente 5 kBTmaXt así como otras modalidades en las cuales esta barrera está fuera de este rango pero que pueden ser diseñadas con las enseñanzas proporcionadas en la presente. Como se mostró anteriormente, una región n* puede inyectar electrones en una región de espacio vacío de tipo n y el transporte es más o menos difusivo en la región de espacio vacío. Además, también se muestra anteriormente que el diodo térmico es capaz de operación como un convertidor de energía, basado en la emisión termiónica del emisor en el espacio vacío y el transporte subsecuente al colector. También se ha mostrado anteriormente, como optimizar las modalidades de la presente invención como una función de la concentración de donador del espacio vacío. La eficiencia óptima del diodo térmico puede ser tan alta como 5.5% con un emisor de 600 K, suponiendo que una densidad de electrones de 1020 cm"3 puede ser desarrollada' en el emisor. Estos parámetros son característicos de las modalidades de esta invención, aunque las modalidades con otras características que se apartan de esta optimización particular y que son diseñadas de acuerdo con las enseñanzas proporcionadas en la presente, también son contempladas dentro del alcance de esta invención. 3. Resultados para el Diodo Térmico Compensado de InSb La eficiencia de conversión de energía termiónica en las modalidades tales como aquellas esquemáticamente ilustradas en la Figura 2, es finalmente limitada por la presencia de una corriente de retorno óhmica debido a la respuesta termoeléctrica del semiconductor. Si esta corriente de retorno pudiera ser suprimida, entonces sería obtenido un incremento sustancial en la eficiencia. Esta sección muestra que es posible incrementar la eficiencia por aproximadamente un factor de 2, cuando es reducida la corriente de retorno. Un esquema para reducir la corriente de retorno involucra compensar el sustrato tipo n con impurificación de tipo p para producir una capa cercanamente intrínseca en frente del contacto colector en las modalidades de la presente invención, para reducir de esta manera notablemente el suministro de electrones disponibles que iniciaría una corriente de retorno óhmica. Un intercambio es evidente en este procedimiento, debido a que demasiada compensación tipo p puede restringir el flujo de corriente termiónica al colector. El trabajo realizado en el contexto de esta invención muestra que hay una pequeña ventana dentro del espacio de parámetros, en la cual una capa compensada puede ser igualada con la impurificación de espacio vacío, para simultáneamente permitir el flujo de corriente termiónica casi libre y el flujo de corriente de retorno óhmica casi de cero. Los diseños resultantes tienen una eficiencia predicha muy alta para la conversión de energía, y pueden ser competitivos con lo mejor de los dispositivos termoeléctricos. Como ya existen otros semiconductores con mejores relaciones de movilidad a conducción térmica (tales como HgSe y HgTe) , el esquema de diodo compensado puede tener el potencial para desarrollar eficiencias de conversión bien por arriba de los mejores dispositivos termoeléctricos. Como será mostrado después en la presente, -ver por ejemplo la discusión que considera la Figura 38- las capas de compensación desarrolladas en el contexto de esta invención mostraron un desempeño significativamente mejorado para materiales tal como InSb. Esta mejora se cuantificó en un incremento en la eficiencia por un factor de aproximadamente 2. Para Hg?-xCdxTe, esta mejora se traduce en eficiencias que se aproximan al limite absoluto de 50% de una eficiencia de ciclo de Carnot ideal. Debido a que estas y otras modalidades de diodos compensados, con tales semiconductores que exhiben altas relaciones de movilidad a conducción térmica, pueden ser diseñadas por un experto ordinario en la técnica en vista de las enseñanzas y los ejemplos proporcionados en la presente, ellas son contempladas dentro del alcance de la presente invención. Una implementación básica de estructura de diodo térmico en InSb se consideró como un convertidor de energía. La eficiencia del dispositivo se encontró que es limitada un poco por arriba del 10% del límite termodinámico. Una compensación es implementada como sigue. Como se mencionó en lo anterior, podría ser posible incrementar la eficiencia al suprimir la corriente de retorno óhmica de signo opuesto a la corriente termiónica. Una manera de hacer esto es utilizar la impurificación de tipo p para producir una capa compensada en el interior del contacto colector, que prevendría la inyección de electrones desde el lado colector del dispositivo (ver la Figura 19) . La Figura 19 muestra esquemáticamente una modalidad de un diodo térmico compensado de acuerdo con esta invención. El emisor es la región n* caliente 14 a la izquierda. La región de espacio vacío 16 es una región gruesa en el centro, que es de tipo n. El colector es representado aqui como un contacto de metal 20 que está frío. El contacto óhmico caliente 12 está adyacente a la región n* caliente 14. En el interior del contacto de metal está una región compensada 19 creada por medio de la adición de la impurificación de tipo p que suprime la corriente de retorno electrónica. La adición de impurificación de tipo p puede producir una capa de semiconductor de tipo p si no se igualó precisamente a la impurificación de sustrato, que puede inhibir la corriente de electrones termiónica de que alcance al colector. Una región pequeña se encuentra que existe en el espacio de parámetros alrededor de la compensación perfecta, en la cual se pueden seleccionar los números de diseño que permiten la colección simultánea de la corriente termiónica y el rechazo de la corriente de retorno óhmica. La eficiencia calculada para tal dispositivo se encontró que es sustancialmente incrementada sobre aquella de la estructura de diodo básica. Esta sección considera este dispositivo y los problemas asociados. a. La corriente de retorno Antes de proceder, la existencia de la corriente de retorno necesita ser establecida en el diodo térmico básico. Una manera de hacer esto es graficar la corriente, incluyendo el signo, como una función de la concentración de donador del espacio vacío. El resultado es ilustrado en la Figura 20. La Figura 20 muestra la corriente como una función de la impurificación del espacio vacío para el diseño de diodo térmico de InSb ilustrativo, considerado en la última sección. Para el régimen termiónico, qµe corresponde a una corriente negativa (electrones que se mueven de izquierda a derecha), la corriente es calculada bajo condiciones de eficiencia óptima. Para el régimen termoeléctrico, que corresponde a la corriente positiva (electrones que se mueven del colector al emisor), la corriente es tomada bajo condiciones donde el voltaje es la mitad del EMF térmicamente inducido, que es aproximadamente donde el óptimo está en el régimen termiónico. La corriente térmicamente inducida se observa que cambia de signo. A baja impurificación del espacio vacío, no hay bastante conductividad para que el espacio vacío sostenga un componente óhmico bastante grande para competir con la inyección termiónica. Cuando se incrementa la impurificación del espacio vacío, en algún punto la corriente óhmica sobrepasa la corriente termiónica en magnitud, y la conversión de energía termiónica no es posible por más tiempo. Esta corriente de retorno óhmica está constituida de electrones que se originan en el lado colector del dispositivo, y se transportan principalmente mediante arrastre al emisor. b. Optimización de la eficiencia con una capa de bloqueo Los solicitantes ahora consideran la operación predicha del diodo térmico compensado, que incluye una capa de bloqueo intrínseca. En la simulación, los solicitantes modelan la capa de compensación utilizando impurificación de tipo p Gaussiana con una longitud característica de 5 µ. Los resultados para diferentes densidades de aceptador son mostrados en la Figura 21. La Figura 21 muestra la optimización de la eficiencia como una función de la impurificación del espacio vacío con compensación de tipo p utilizando concentraciones N'a de 7 x 1017, 1018, 2 x 1018 y 3 x 1018 cm"3. La línea de guiones indica la eficiencia obtenida en la ausencia de una capa de bloqueo. La eficiencia máxima es obtenida cuando la concentración de aceptador de la capa de compensación es ajustada para igualar la concentración de donador del sustrato. Un incremento sustancial en la eficiencia óptima es obtenido sobre el caso no compensado. La forma de las curvas de eficiencia mostradas en la Figura 21 se pueden entender cualitativamente de consideraciones simples. La eficiencia es maximizada bajo condiciones donde la capa de bloqueo está intrínseca, que permite simultáneamente la transmisión de la corriente termiónica desde el emisor, mientras que se produce una corriente de retorno mínima. A menor concentración de donador del espacio vacío, la capa de compensación produce una región de tipo p, que en esta aplicación se comporta más o menos como un diodo polarizado inverso en el rechazo de la corriente termiónica. A más alta concentración de donador del espacio vacio, la compensación es insuficiente para eliminar el exceso de electrones. Una corriente de retorno es iniciada, con una magnitud que es aproximadamente lineal en la concentración de electrones en la capa de bloqueo. Consecuentemente, una disminución lineal se observa en la eficiencia sobre el lado alto del óptimo. Desde un punto de vista práctico, la capacidad de las guías de corriente eléctrica limita las densidades de corriente a 102 - 103 A/cm2. De otro modo, la caída de voltaje en los alambres llega a ser inaceptable. Además, hay una caída de temperatura a través del diodo de 200-300°C. Para la conductividad térmica dada de InSb, esto se traduce en un espesor de espacio vacío de aproximadamente 1 cm. Este espesor presenta objeciones, tales como la longitud de recombinación qµe es comparable con el espesor de espacio vacío y los problemas tecnológicos con el pulido de pastillas gruesas. Por ejemplo, la mayoría de los equipos de procesamiento de pastillas está diseñado para un espesor menor que 1 mm. Un procedimiento tipico para alcanzar espacios vacíos gruesos es apilar los diodos. Debido a que la corriente a través de los diodos apilados en serie es la misma, esto significa que los diodos apilados deben ser igualados en corriente. Un diodo que produce una corriente más grande da por resultado una caida de voltaje a través de los otros diodos y desempeño reducido debido a barreras potenciales adicionales. „^~ Lo siguiente discute procedimientos para alcanzar la igualación de corriente que pueden ser implementados en el contexto de la presente invención. (1) Igualación de corriente por concentración de impurificación del espacio vacío El siguiente ejemplo supone un material de diodo de InSb, con todos los diodos que tienen la misma geometría y con una temperatura de la fuente de calor de 530 K y una temperatura del absorbedor de calor de 460 K. Una configuración de Un solo diodo es mostrada en la Figura 22. La flecha en la Figura 22 indica que la temperatura T del contacto óhmico caliente 12 es más alta qµe la temperatura del colector 20. De la gráfica ilustrada en la Figura 23A y ajustando un nivel de eficiencia en 6%, cuatro diodos pueden ser apilados como es mostrado en la Figura 24, donde el primer diodo (Di ) tiene una concentración de impurificante del espacio vacío de 5*1017 cm"3, D2 ~ 7'1017 cm"3, D3 ~ 1018 cm"3 y £>4 - 2*1018 cm"3. En esta modalidad todos los cuatro diodos están produciendo la misma corriente y la eficiencia global permanece en 6%. Aunque algunas modalidades de diodos apilados de acuerdo con la presente invención comprenden diodos cuyos elementos respectivos son fabricados con los mismos materiales para cada diodo, se entiende que las modalidades de diodos apilados — éñ el contexto de esta invención no están limitadas a tales apilamientos . Algunas modalidades de diodos apilados de acuerdo con la presente invención comprenden diodos cuyos elementos respectivos son fabricados con materiales diferentes. Por ejemplo, en algunas modalidades de diodos apilados, los emisores en diferentes diodos comprenden materiales diferentes, y/o las regiones de espacio vacío en diferentes diodos apilados comprenden materiales diferentes, y/o los colectores en diferentes diodos apilados comprenden materiales diferentes. (2) Igualación de corriente por geometría El siguiente ejemplo supone la línea de eficiencia más alta en la Figura 23A, correspondiente a una concentración de donador del espacio vacío de 2*1018 cm"3. Un diodo delgado en un apilamiento en serie a 500 K produce una corriente que es aproximadamente dos veces mayor que la corriente producida en un diodo no apilado. La igualación de corriente será alcanzada si el diodo está a una temperatura de 400 K y tiene un área que es dos veces tan grande como el área de un diodo no apilado. Los resultados de esta modalidad son mostrados en la Figura 25, donde el cambio de área está en la forma de una colección de diodos en forma de cuña. El limite de un apilamiento es realmente no una línea recta, sino más bien una curva que toma en cuenta el comportamiento no lineal de la curva de eficiencia en la Figura 23A. El apilamiento mostrado en la Figura 2€ muestra otra modalidad, donde el limite del apilamiento se aprox.ima a una curva ideal como es mostrado en la Figura 25. Las flechas en las Figuras 25-26 indican la temperatura incrementada, T, de TFRIA a TcALIENTE * El diseño de diodo térmico compensado se ha optimizado para operar con eficiencia máxima con un emisor caliente a 600 K. Es de interés determinar la eficiencia del dispositivo a otras temperaturas del emisor. Los resultados numéricos para la eficiencia son ilustrados en la Figura 23A para diferentes impurificaciones de sustrato asumiendo o suponiendo la compensación perfecta. La Figura 23A muestra la eficiencia bajo condiciones optimizadas como una función de la temperatura del emisor para diferente impurificación del espacio vacío con compensación perfecta. Una estructura de diodo térmico compensado de InSb de 625 µ de espesor es supuesta, con una densidad de electrones del emisor de 1020 cm"3 y una temperatura del colector de 300 K. Las concentraciones de donador del espacio vacío y las concentraciones de aceptador igualadas son (con el fin de incrementar la eficiencia como es graficada) 7 x 1017, 1018, 2 x 1018 y 3 x 1018 cm"3. La línea de guiones indica la eficiencia obtenida en la ausencia de una capa de bloqueo. Los resultados para la eficiencia normalizada al límite termodinámico son mostrados en la Figura 23B. La Figura 23B muestra la eficiencia normalizada al limite termodinámico bajo condiciones optimizadas como una función de la temperatura del emisor para los diferentes casos mostrados en la Figura 23A. Se observa que la capa de compensación es efectiva a alta temperatura del emisor. Además, la optimización a alta temperatura se presenta que se produce relativamente óptima a otras temperaturas, de tal manera que no son requeridos diseños separados optimizados para diferentes regímenes de temperatura. Diseños más avanzados que trabajan mejor alrededor de su temperatura de diseño, y no igual a otras temperaturas, serán discutidos después. c. Ejemplos Las Figuras 27A-27B muestran la eficiencia como una función de la temperatura para modalidades optimizadas de diodos térmicos compensados de acuerdo con esta invención. Las curvas en las Figuras 27A-27B son marcadas de acuerdo con el material de espacio vacío, y los números dentro de corchetes representan la concentración de portador. La eficiencia mostrada en la Figura 27B es dada con relación a aquella de un ciclo de Carnot. Una capa compensada en un semiconductor de tipo n se puede hacer mediante, incluyendo pero no limitada a, la introducción de aceptadores. Para InSb impurificado con Te (impureza del donador), la energía de ionización del donador es de 50 meV. La misma energía de ionización es característica para aceptadores - creados por desocupaciones .

Una capa compensada existe si el número de desocupaciones iguala la concentración de donador inicial (n) .

El número de desocupaciones está definido mediante la dosis de iones por área unitaria D(iones/cm2) y el número de desocupaciones creadas por un solo ion V, si las desocupaciones son inducidas por la implantación de iones de un gas inerte. V es una función de la energía iónica E, V = V(E) . El número de desocupaciones es Nv (E) - D' V(E) . En este caso, la concentración de desocupaciones c depende del rango iónico en el material R, que también es una función de la energía iónica R = R (E) . Así, para un tipo de ion dado, la concentración de desocupaciones como una función de la energía iónica es para una capa compensada C(E) = n, o R (E) y V(E) se modelaron utilizando el código de computadora TRIM-91 para InSb y los iones Ne, Ar y Xe. Los resultados de la modelación son mostrados en las Figuras 28 y 29. La dosis necesaria para crear una capa compensada sobre un amplio rango de energías iónicas' en un diodo de InSb de tipo n impurificado a una concentración n, puede ser determinada utilizando las Figuras 28 y 29 y la ecuación para D, dada anteriormente. Las líneas 32 y 38 representan las curvas para Argón, las líneas 34 y 36 para Neón y las líneas 30 y 40 para Xenón en las Figuras 34 y 35, respectivamente. La implantación iónica crea un perfil de concentración de desocupaciones que es más pronunciado en el último 20-30% del rango iónico. Este 20-30% del rango iónico puede ser disminuido a menos de lo que la distancia de perforación de túnel en InSb, que está típicamente entre 100- 150 A, para evitar la formación de barreras adicionales. Que ion es utilizado requiere un equilibrio de los pros y contras, tal como el número de niveles poco profundos que son creados contra el daño a la estructura sólida. Por ejemplo, Xe crea más capas poco profundas; sin embargo, esto ocasiona más daño y el cristal es semiamorfo. d. Resuman Una modificación del diseño de diodo térmico básico introducida en la última sección ha sido expuesta, la cual busca reducir la corriente de retorno óhmica que limita la eficiencia máxima del dispositivo. Se demostró que una corriente de retorno óhmica está presente en los cálculos, y que ésta domina la corriente termiónica a alta impurificación del espacio vacio. La inclusión de una capa compensada en el interior del colector se muestra.pará reducir la corriente de retorno, conduciendo a una más alta eficiencia óptima. Los resultados de la modelación indican que la compensación perfecta produce las eficiencias más altas para una concentración dada de donador del espacio vacío. Esta conclusión es consistente con lo que podría haber sido razonado a priori de simples argumentos físicos. Por lo 5 tanto, las modalidades preferidas de diodos térmicos compensados de acuerdo con la presente invención son caracterizadas por altas eficiencias, tal que un grado más • grande de compensación conduce a una más alta eficiencia. La eficiencia pico o máxima calculada para el diodo térmico 10 compensado es competitiva con los mejores dispositivos termoeléctricos . 4. Contacto Ofamico • Un contacto óhmico es definido como un contacto de metal-semiconductor que tiene una resistencia de contacto 15 insignificante con relación a la resistencia en volumen o de propagación del semiconductor. (Ver Sze, S.M., Physics of Semiconductor Devices. N.Y., John Wiley & Sons, 1981, pp: 304-311, los contenidos de la cual son específicamente incorporados en la presente) . Esta sección describe contactos 20 óhmicos y métodos para fabricar tales contactos de acuerdo con esta invención. Las entrecaras o interfaces de metal-semiconductor introducen barreras potenciales „locales, que son conocidas bajo el nombre genérico de barreras de Schottky. En su forma 25 simplificada, la altura de una barrera de Schottky fb medida con relación al nivel de Fermi puede ser escrita como t> ~ F ~ Xsi donde fm es la función de trabajo del electrón del metal y ?a es la afinidad de electrón del semiconductor. Ejemplos de los valores de barrera de Schottky son 0.70 eV para GaAs y 0.18 eV para InSb. Para un convertidor termiónico de metal- semiconductor en estado sólido, el rango de voltaje de operación es menor que la altura de barrera de Schottky. Esto destruirá el efecto o por lo menos bajará las corrientes de operación. El voltaje de operación típico de la presente invención es de 10-100 mV y la potencia es de 1-10 W. Esto da por resultado una corriente de operación de *Js = 100-1000 A. La pérdida de potencia en una barrera de Schottky es Wpé?dida - Iofb' Para Wpé?dida qµe es menor que 1% de la potencia total, b debe ser menor que 1 meV. La barrera frecuentemente es expresada en términos de una resistencia de contacto. Por lo tanto, a las corrientes establecidas, la resistencia de contacto debe ser menor que 10"5-10~6 ohm. Las referencias, Chang y colaboradores, Specific Contact Resistance of Metal-Semiconductor Barriers. Solid-State Electronics, Vol. 14 (1971), pp. 541-550 y Shannon, J.M. , Control of Schottky Barrier ?eight Using Highly Doped Surface Layers. Solid-State Electronics. Vol. 19 (1976), pp. 537-543, que son incorporadas en la presente por referencia, exponen un método para formar un contacto óhmico. Un campo eléctrico en la entrecara de metal-semiconductor crea una región agotada de portador en el semiconductor. A medida que se incrementa la concentración de impureza ionizada, el ancho de agotamiento llega a ser más angosto. Esto a su vez ocasiona que se incremente el coeficiente de transmisión para formación de túnel. Por consiguiente, todavía un contacto de barrera alta puede llegar a ser óhmico si la barrera es bastante delgada, ' tal que la formación de túnel domina el proceso de transporte de portador. Un nivel de impurificante correspondiente a 10"6 ohm/cm2 es 1020-1021 (Te en InSb) a 300°C. La masa efectiva del electrón para la formación de túnel se incrementa con la temperatura, y a 500°C la concentración requerida es 1021 antes que 1020. Una capa de alta concentración de impurificante debe ser suficientemente delgada, de modo que no introduzca su propia barrera en la formación de contacto de la entrecara del semiconductor. La referencia de Shannon citada anteriormente, estima este espesor como menor que 150 A. Este procedimiento aplica a la impurificación tanto de tipo n como de tipo p, mientras que se mantenga en mente que el signo de la corriente es invertido cuando se va de una región de tipo n a una región de tipo p. ^_a-- --""" La dosis de implantación requerida para alcanzar una impurificación poco profunda de 1021 cm"3 se calculó al utilizar el código de computadora TRIM-91 (G. ziegler, G. Biersack, IBM (1991)). El rango o alcance iónico y la dosis requerida se calcularon por separado para In y Sb. Los resultados del cálculo se promediaron para aprox.imarse al InSb. La diferencia entre In y Sb en este rango de energía fue no mayor que 20%. Te se utilizó como un impurificante de tipo n debido a «que Te tiene la energía de ionización conocida más baja (50 meV) . La Figura 30 muestra los resultados de cálculo para esta dosis, mientras que la Figura 31 muestra el rango iónico. Para impurificación de tipo p, los materiales conocidos para InSb incluyen Ge (energía de ionización de 9 meV) y Ag (JEi = 30 eV) . Ag es evidentemente un ion preferido puesto que es más pesado que Ge y tiene un rango más corto para las mismas energías iónicas, que permite un ancho más pequeño de región agotada. Los cálculos para la impurificación de Ag son mostrados en las Figuras 32 y 33. El proceso de implantación iónica crea desocupaciones que subsecuentemente deben ser recocidas. Otro método para formar un contacto óhmico es por medio del recocido por difusión. Por ejemplo, un contacto óhmico para un diodo que comprende InSb puede ser formado mediante el recocido de capas _ de 'indio sobre pastillas de InSb. El siguiente procedimiento se realizó en una ampolleta de cuarzo limpiada con ácido. La ampolleta se horneó por más de una hora en un alto vacío-r a 800°C. Las muestras de InSb que tienen un recubrimiento de indio se cargaron en las ampolletas de cuarzo, que se bombearon hacia abajo y se rellenaron con 10-100 torr de helio. El helio, que tiene una alta conductividad térmica, proporciona enfriamiento rápido. Después del recocido a varias temperaturas., se midieron las curvas I contra V sobre las muestras para confirmar que existieron contactos óhmicos. Se obtuvieron resultados positivos en el rango de temperatura de 250-400°C con un tiempo de recocido de 10-60 minutos. A temperaturas que exceden los 500°C el indio se disolvió completamente haciendo las muestras no utilizables, aunque las muestras mostraron comportamiento óhmico. 5. Ejemplos a. Parámetros de diseño Con referencia a la Figura 2, las capas térmicamente conductoras, intermedias, pueden ser colocadas en otras modalidades de esta invención entre los contactos óhmicos (12, 20) y los absorbedores de calor para asegurar el contacto térmico. Por ejemplo, una capa depositada de In o similar puede ser utilizada en el lado caliente y una capa depositada de In-Ga eutéctico o similar puede ser utilizada en el lado frió. Estos materiales son suficientemente maleables para asegurar éi contacto térmico adecuado a baja compresión (0.1 - 1.0 MPa).

Por consiguiente, los materiales que pueden ser utilizados para estas capas de acuerdo con esta invención son conductores térmicos maleables, aunque otros materiales pueden ser utilizados en otras modalidades. Otro método para proporcionar contacto térmico es la aplicación de pasta, cola, una aleación de soldadura de baja temperatura, o equivalentes de los mismos. Una capa eléctricamente y térmicamente conductora luego es agregada para servir como una barrera de ' difusión entre una capa térmicamente conductora y un semiconductor. En esta modalidad, la capa térmicamente y eléctricamente conductora es utilizada como un emisor sin una capa de emisión semiconductora adicional. Las características y funciones de esta capa incluyen, pero no están limitadas a, lo siguiente: (1) conduce calor; (2) conduce electricidad; (3) emite electrones; (4) crea una barrera de Schottky en la entrecara de metal-semiconductor; (5) crea una barrera de difusión; (6) previene una reacción química de un semiconductor con una capa subsecuente; (7) iguala la expansión térmica de un semiconductor para prevenir la deslaminación; (8) es térmicamente estable dentro del rango de operación del diodo térmico; y (9) tiene una alta resistencia a la oxidación si no es encapsulada al vacio o encerrada en un ambiente inerte.._-- " " InSb, por ejemplo, tiene un coeficiente de expansión térmica de 5.2 - 5.4 x 10"6 "1 en el rango de temperatura de 300-500 K. Otros materiales posibles incluyen, pero no están limitados a Mo, Cr, W, Ta, Re, Os, Ir, lantanoides y aleaciones de ni.quel, Pt y metales blandos tales como In, Au, Cu o similares. De esta lista, Ta y los lantanoides son propensos a la oxidación, e In tiene una baja temperatura de fusión. También se pueden utilizar semiconductores y semimetales altamente impurificados. Por ejemplo, una capa delgada de Si ti ne una conductividad térmica y eléctrica suficientemente alta. Sin embargo, ciertas precauciones deben ser observadas y, en particular, se debe notar que un espacio vacío grande prohibitivo, cuando es comparado con InSb, asegura la formación de una barrera interna que impide el transporte de corriente. El espesor de las modalidades de capa térmicamente y eléctricamente conductora es diseñado como sigue. La conductividad térmica de preferencia es más alta que aquella de un espacio vacío de semiconductor. Con un espesor de espacio vacío de 100-1000 mieras, el espesor de la capa es de preferencia menor que aproximadamente unas cuantas mieras, puesto que ésta incrementará las perdidas térmicas. En el lado delgado hay unas cuantas consideraciones que definen el espesor de preferencia electrón con el fin de mantener sus propiedades de volumen.

Puesto que la capa está en estrecha aproximada a otro metal (capa intermedia) , esta puede afectar su posición de nivel de Fermi y cambiar la emisión de electrones en el semiconductor. Este efecto se conoce que es significante en los espesores de capa de metal por debajo de 1000 A. Este número es por lo menos unas cuantas longitudes de la trayectoria libre promedio del electrón y puede ser considerado como un límite práctico bajo, con el fin de evitar complicaciones innecesarias. Similares consideraciones del espesor aplican a la región de emisor de semiconductor n*. Una situación preferida para la entrecara del emisor-espacio vacío es cuando la región ha igualado la cristalografía, es decir, cuando la región de emisor es desarrollada epitaxialmente en la parte de arriba de la región de espacio vacío. Para InSb, esto puede ser alcanzado al mantener la temperatura de deposición por arriba de 150°C (PVD) . Para otros materiales de espacio vacío, tal como Hg?-xCdxTe, el desarrollo epitaxial es más complejo. La dispersión y el desempeño disminuido del convertidor se presentan cuando la entrecara del emisor-espacio vacío es desigualada. Un experto en la técnica de contactos eléctricos y térmicos reconoce que hay numerosos"métodos para proporcionar un contacto eléctrico y térmico adecuado, y el alcance de esta invención no está limitado a los ejemplos citados anteriormente, sino que también contempla otras modalidades diseñadas de acuerdo con diferentes criterios. b. Diodos Térmicos no Compensados Los siguientes ejemplos se proponen para ser ilustrativos de modalidades selectas de la presente invención y no restrictivos. La invención puede ser englobada en otras formas especificas sin apartarse de su espíritu o características esenciales. Las concentraciones de impurificante en los siguientes ejemplos (l)-(9) son dadas en unidades de cm"3. (1) metal?/n/metal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr o Ni (1000-4000 A)/InSb (360 mieras; impurificado con 1.1 x 1018 Te, orientación 100)/Pt (1500 A)/In (volumen). El espesor del metal i no puede ser menor que la trayectoria libre promedio de los electrones para el metal específico a una temperatura específica, por ejemplo, para Ag la trayectoria libre promedio es de aprox.imadamente 400 Á. (2) metal?/n*/n/metal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A)/InSb (400 A; impurificado con 3.0 x 1019 Te)/InSb (360 mieras; impurificado con 1.1 x 1018 Te)/Pt (1500 Á)/In (volumen) . (3) ßetali/n**/n*/n n**/raetal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 Á)/InSb (400 A; impurificado con 3.0 x 1019 Te)/InSb (360 mieras; impurificado con 1.1 x 1018 Te)/In (100 A)/Pt (1500 A) /In (volumen) . (4) matAl?/n**/n*/n/n**/tutal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A) /In (100 A)/InSb (400 A; impurificado con 3.0 x 1020 Te)/InSb (360 mieras; impurificado con 1.1 x 1018 Te)/In (100 A) /Pt (1500 A) /In (volumen). (5) mßtal1/n**/n/n**/metal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A) /In (100 A)/InSb (360 mieras; impurificado con 1.1 x 1018 Te)/In (100 A) /Pt (1500 A) /In (volumen) . (6) metal1/n**/n/n**/metal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A)/In (100 Á)/InSb (500 mieras; impurificado con 1.1 x 1018 Te)/In (100 A)/Pt (1500 A)/In (volumen) . (7) metal?/n**/n*/n/n**/mßtal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A)/In (100 A)/InSb (400 A; impurificado con 3.0 x 1020 Te)/InSb (500 mieras; impurificado con 1.1 x 1018 Te)/In (100 A) /Ni (1500 A)/In (volumen). (8) metal?/n**/n/n**/metal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A)/In (100 Á)/InSb (500 micras; impurif icado con 1.9 x 1017 Te)/In (100 A)/Pt (1500 Á)/In (volumen) . (9) metal?/n**/n/n*V?netal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 Á)/In (100 A)/InSb (500 mieras ; impurif icado con 1.9 x 1017 Te)./ln "(TOO A) /Ni (1500 A)/In (volumen) . , c. Diodos térmicos compensados Los siguientes ejemplos se proponen para ser ilustrativos de modalidades selectas de la presente invención y no restrictivos. La invención puede ser englobada en otras formas específicas sin apartarse de su espíritu o características esenciales. Las capas referidas que tienen una baja impurificación (p) también pueden ser de tipo n . Las concentraciones de impurificante en los siguientes ejemplos (l)-(5) son dadas en unidades de cm"3. (1) p»tal?/n**/n*/np/»**/p»ßtal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A)/In (100 Á)/InSb (400 A; impurificado con 3.0 x 1019 Te)/InSb (500 mieras; impurificado con 1 x 1018 Te; 2o de (100) )/p-InSb (400 A; impurificado con 3.1 x 1014 Te)/In (100 A) /Pt (1500 A) /In (volumen). (2) metal?/n**/n*/n/p/n**/metal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A)/In (100 Á)/InSb (400 A; impurificado con 3.0 x 1019 Te)/InSb (500 mieras; impurificado con 1 x 1020 Te; 2o de (100) )/p-InSb (400 A; impurificado con 3.1 x 1014 Te)/In (100 A)/Pt (1500 A) /In (volumen). (3) metal?/n**/n/p/n**/»etal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A)/In (100 Á)/InSb (500 mieras; impurificado con 1 x 1018 Te; 2o de (100) )/p-InSb (400 A; impurificado con 3.1 x 1014 Te)/In (100 A) /Pt (1500 A) /In (volumen) . ---"" ' (4) metal1/n**/n*/np/n**/metal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A)/In (100 A)/InSb (400 A; impurificado con 3.0 x 1019 Te)/InSb (500 mieras; impurificado con 1 x 1020 Te; 2o de (100) )/p-InSb (2000 A; impurificado con 3.1 x 1014 Te)/In (100 A)/Pt (1500 A)/In (volumen). (5) metal1/n**/n*/n/p/n**/pßtal2 : InGa eutéctico (volumen) /Cr (1500 A)/In (100 A)/InSb (400 A; impurificado con 1.0 x 1020 Te)/InSb (500 mieras; impurificado con 1 x 1018 Te)/p-InSb (400 A; donde la región de tipo p es implantada iónicamente con Ar o Ne)/In (100 A)/Pt (1500 A). 6. Diodo de Schottky Distribuido La formación de una barrera de Schottky sobre una entrecara de metal-semiconductor es bien descrita en Rhoderick, E.H. y Williams, R.H., Metal-Semiconductor Contacts. Oxford, Clarendon Press (1988), la cual es incorporada en la presente por referencia. Existen dos modelos principales de una barrera de Schottky. Para el modelo de Schottky-Mott la barrera, fB, se considera que es la diferencia de una función de trabajo del metal, m, y la afinidad de electrón del semiconductor, ?s: fB - fm - Xs. En realidad, F es casi independiente de la función de trabajo del metal fm. La explicación por J. Bardeen es que la barrera es afectada por los estados de la superficie. La compensación de esta carga es afectada por la carga en los estados de la superficie QS3. Y la condición.— de " electroneutralidad es Qm + Qd + Qss - 0, donde. ña es la carga negativa en la superficie del metal y Qd es la carga positiva de donadores no compensados. Las propiedades de la barrera f0 de compensación (nivel neutro) dependen de la posición relativa de f0 y el nivel de Fermi EF. Si fs es medida con relación a la parte superior de la banda de valencia, la barrera de Schottky es como sigue: fs * Eg - f0. La energía de espacio vacío Eg es una función de la temperatura, y en algún grado de la concentración de impurificante. La acumulación de impurezas en la superficie afecta fß como es' descrito en la Sección 4 que considera contactos óhmicos. Una acumulación de impureza parcial en la entrecara también afecta la altura de barrera. La Figura 34 muestra el comportamiento de temperatura del espacio vacio de InSb (ver Landolt-Bórnstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group III: Crystal and Solid State Physics, (1983) Vol. 22b, los contenidos de la cual son específicamente incorporados en la presente) . Los valores de la barrera de Schottky pueden ser determinados mediante el cambio de pendiente de la curva tomada de las mediciones de curva externa I contra V. A temperatura ambiente la altura de barrera fue de 175-180 meV, sin tener en cuenta la concentración de impurificante (Te) en InSb de hasta 1020 cm"3 (en contacto) ."La Figura 35 muestra la altura de barrera como una función de la temperatura para una capa de entrecara de 2000 A impurificada con Te a 3 x 1019 cm"3 depositado en InSb impurificado con Te a 1 x 1018 cm"3 (500 µ) para un emisor de In. Puesto que la altura de barrera disminuye con la temperatura a una velocidad más rápida que Eg, esto significa que el nivel neutro f0 es más alto que EF, y la densidad de los estados en la superficie se incrementa con la temperatura. Las Figuras 34 y 35 proporcionan f0 qµe es estimado a 15-20 meV alrededor de 300°C. Este tipo de barrera es ilustrado en la Figura 36A. La película aislante (óxido) mostrada en la Figura 36A es tan delgada que los portadores pasan en túnel a través sin dar una apariencia de una barrera real, aun si está presente. Se ha encontrado en el contexto de esta invención que la implementación de este tipo de diodo incrementa las temperaturas de operación de* las modalidades de esta invención. a. Resultados experimentales Las muestras se fabricaron en la base de pastillas de InSb impurificadas con Te a 1 x 1018 cm"3. El espesor de la pastilla fue de aproximadamente 500 mieras y fue pulida en ambos lados. Después de la limpieza estándar, una capa de emisor de 2000 A de InSb impurificado con Te a una concentración 3 x 1019 cm"3 se depositó sobre una pastilla mediante deposición electrónica con magnetrón. El tamaño de la muestra varió de cuadros de l--?-"1 a 3 x 3 mm2 que se pintaron con InGa eutécticoT (Ta, =* 35°C) sobre ambos lados. El proceso de pintado involucró la aplicación de algo de presión para destruir cualquier capa de óxido en la superficie. La Figura 36B ilustra esquemáticamente una modalidad de la presente invención, que comprende un contacto óhmico caliente 12, un emisor 14, una región de espacio vacío 16, una región compensada 19 y un colector 20. La región 15 es formada en algunas modalidades en el lado de emisor que enfrenta al contacto óhmico caliente 12 para reducir la barrera de entrecara del metal-semiconductor. Esta capa de reducción de barrera de entrecara de metal-semiconductor es formada en algunas modalidades mediante deposición electrónica con magnetrón. La región 17 es formada en algunas modalidades en el lado de la región de espacio vacío que enfrenta al contacto de metal frío de colector 20 y su efecto es reducir la barrera de entrecara del metal-semiconductor. Esta región es formada mediante técnicas análogas a aquellas empleadas para formar la región 15. Otras modalidades de la presente invención comprenden solamente la región 15, y aun otras modalidades de la presente invención comprenden solamente la región 17. Como se indicó anteriormente, la presencia de por lo menos una de las regiones 15 y 17 en las modalidades de la presente invención, incluyendo modalidades compensadas y no compensadas, incrementa sus temperaturas de operación. ..— -" "" El aparato de prueba incluyó un calentador de cartucho clasificado en 400 W en un bloque de cobre plateado macizo y una placa fría enfriada con agua (cobre plateado) montada en un portaobjetos lineal micrométrico. Las guías eléctricas fueron hebras de cobre flexibles macizas (<10~4 ohms). La temperatura se controló con Omega RTD' s con una pantalla Keithly 2001. Un banco de resistores hecho a la medida se proporcionó para las cargas de 10"4 ohms y más altas. El voltaje se midió con precisión de 0.01% y la corriente con precisión de 1%. Las muestras se instalaron en una placa caliente y se comprimieron con la placa fría sobre un portaobjetos de posicionamiento lineal. El gas argón se introdujo entre las placas para prevenir la oxidación de los materiales a temperaturas elevadas. El lado caliente se aisló térmicamente de la placa de montaje y del aire ambiental. La Figura 37 ilustra un ejemplo de la curva de salida I contra V para una sola muestra indicada por la línea 42 y un apilamiento de tres muestras indicado por la línea 44 para una temperatura del emisor de 200°C. En el punto de potencia extraída máxima, la diferencia de salida es menor que 20% cuando la disminución en el flujo de calor es por lo menos tres veces. Esto significa que la eficiencia en una configuración de apilamiento se incrementa notablemente. Además, cada entrecara introduce resistencia térmica debido al contacto no ideal y el efecto., de désigualación fonón. Los números mínimos para la desigualación fonón son de alrededor de 4% (Ver Swartz, E.T, Thermal Boundary Resístance, Vol. 61, No. 3 (Julio de 1989), la cual es incorporada en la presente por referencia) . Cada muestra introduce dos limites adicionales. Reemplazando la orientación de la muestra en un apilamiento, tal como la capa de emisor en el lado frío, se reduce la salida en un apilamiento de 5 muestras por aproximadamente 5 veces a 200°C y aproximadamente 2 veces a 300°C comparado con un apilamiento construido correctamente. A 300°C y recalculado en la base de la conductividad térmica de InSb y la salida eléctrica, en algunos casos la eficiencia fue mejor que 25% del ciclo de Carnot ideal con una densidad de potencia de salida de 3-8 W/cm2. 7. Ejemplos Adicionales Esta sección describe las características del dispositivo de prueba, las técnicas de preparación de la muestra y resultados más específicos considerando las modalidades que contienen InSb y/o un material basado en Hg-Cd-Te. a. Aparato de Prueba y Preparación de la Muestra Los dispositivos de prueba se diseñaron en la base de partes mecánicas estándares para aplicaciones de láser, incluyendo un tablero para pan de acero inoxidable Coherent®. El portaobjetos lineal micrométrica los pedestales ópticos de láser permitieron 100 mm de recorrido lineal vertical. El lado caliente se montó con un anillo de cerámica Macor sobre el portaobjetos lineal y consistió de un bloque de cobre macizo con un calentador de cartucho Ogden Scientific de 400 W. El bloque de cobre se aisló térmicamente con cerámica de Zr02 porosa y tejido de fibra de vidrio. Varillas de cobre intercambiables hechas de cobre libre de oxígeno, que tuvieron un recubrimiento de 2 mieras de plata, se utilizaron para suministrar calor a la muestra. Cada varilla tuvo por lo menos dos agujeros configurados para recibir los sensores de temperatura. Al medir la temperatura en dos puntos a lo largo de la varilla y al conocer la conductividad térmica y la sección transversal de la varilla, se determinó el flujo de calor a la muestra. Una placa fria enfriada con agua, recubierta con plata, se montó en la parte superior del pedestal óptico con un portaobjetos de "Bola y Enchufe" de tres ejes Newport, que permitió la alineación paralela de las placas fria y caliente. La guia de corriente eléctrica comprendió alambres de cobre trenzados recubiertos con plata que tiene una resistencia de aproximadamente 10"4 ohm. Los resistores de carga en el rango de aproximadamente 10"5 ohm a aproximadamente 10'1 ohm se hicieron de cobre y de acero inoxidable y se conectaron a las, guias de corriente mediante pernos macizos. La potencia al calentador se suministró mediante un suministro de potencia de 3.5 DC Xantrex 300. El voltaje a través de la resistencia de la carga y de la muestra se midió con un nanovoltímetro/microóhmetro delineable HP34420A NIST en una configuración de 4 alambres. Se utilizaron multímetros Keithley 2001 como visualizaciones de lectura para termopares Omega y sensores de temperatura RTD. La corriente eléctrica se midió mediante un transductor Amprobe®-1000. La resistencia de la carga y las guías permitió la determinación de la corriente ' independiente. En todos los parámetros medidos, excepto en las corrientes por debajo de ÍA, la precisión fue mejor que 1%. Para prevenir la oxidación de la muestra y los contactos a temperaturas elevadas, se introdujo gas argón entre las placas caliente y fria utilizando un faldón de lámina de aluminio Capton. El material para la preparación de la muestra comprendió pastillas de InSb (WaferTech, U.K.) de aproximadamente 5.08 centímetros (2") de diámetro y 500µ de espesor. Las pastillas se pulieron a aproxmadamente 20 A RMS (raíz cuadrada promedio) en ambos lados. La concentración de impurificante estándar (Te) fue de aproximadamente 1018 cm"3. La capa de emisor se depositó mediante la deposición electrónica con magnetrón. También"~se utilizó un objetivo de InSb .impurificado con 3xlÓ19 cm"3 de Te. El espesor de la capa de emisor estuvo en el rango de aproximadamente 400 A a aproximadamente 15000 A. El espesor del emisor en las modalidades de la presente invención fue de por lo menos aproximadamente 400 A. Además, los principios en el contexto de esta invención no imponen ninguna limitación al espesor del emisor y por lo tanto las modalidades de esta invención no están limitadas por las restricciones en un límite superior para tal espesor. Para crear una capa de compensación, se colocó impureza de tipo' p de aproximadamente 1018 cm"3 en el semiconductor para compensar el impurificante de tipo n ya existente (Te) a una concentración de aproximadamente 1018 cm"3. Las desocupaciones en InSb forman portadores de tipo p con energia de ionización de aproximadfamente de 60 meV (ver, por ejemplo, Landolt-Bornstein) que es aproximadamente la misma como la energía de ionización de Te. Las dosis de implantación se recalcularon al utilizar software TRIM-91 para formar una capa de compensación. Las muestras luego se limpiaron y se segmentaron para ajustarse al implantador. Las muestras se implantaron con iones Ar de 40keV (Core Systems, Ine, Santa Clara, California) a diferentes dosis. Cada muestra se probó en un modo de conversión a aproximadamente 200°C. Los resultados de la prueba son mostrados en la Figurá"38, junto con las dosis calculadas requeridas para el diodo compensado. Las dosis se variaron debido a que la concentración de impurificante en las pastillas se conoció que es de aproximadamente 10% de precisión. Una dosis de implantación de cero en la Fig. 38 corresponde a una muestra no compensada, y dosis de implantación mayores que cero en la Fig. 38 se refieren a muestras compensadas. Como es mostrado en la Fig. 38, la comparación de la eficiencia máxima para las muestras compensadas mostradas en la misma, con la eficiencia de la muestra no compensada, revela que la capa de compensación conduce a aproximadamente 80% de mejora del desempeño. Por comparación, la Fig. 38 también muestra la eficiencia calculada que es predicha a una dosis de implantación dada. El rango para Ar+ a 40 keV en InSb es de aproximadamente 400 A, que es suficiente para crear una capa de compensación. Una capa de 400 A está propensa a la pérdida por difusión rápida de desocupaciones a temperaturas elevadas. Para evitar tal perdida por difusión, la implantación de ion He se realiza en otras modalidades. El espesor de la capa de ion He en estas modalidades es del orden de unas cuantas mieras, que incrementa la vida efectiva de la capa de implantación. Por ejemplo, la vida promedio de difusión estimada de las desocupaciones en InSb a un espesor de 1 miera es de aproximadamente un año a 200°C. Debido a que la capa de compensación está localizada en el lado frío de las modalidades de esta invención, los problemas de difusión son típicamente evitados cuando la capa de compensación es de una cuantas mieras de espesor. Los rangos iónicos calculados y la formación de desocupaciones para iones 4He en InSb son mostrados en las Figs. 39-40. b. Modalidades con Hg?-rCd?Tß Los semiconductores de Hg?-xCdxTe (referidos en la presente como "MTC") tienen muy buenos valores de cifra de mérito termiónicos cuando 0.08 = x = 0.15, donde los límites superior e inferior son dados aproximadamente. Un valor preferido de x e= aproximadamente 0.14. Las .modalidades de esta invención comprendieron una pastilla de Hgo.86Cd0.?4Te de 500 mieras de espesor (Lockheed Martin IR Imaging Systems) . El MCT reacciona con varios sustratos, creando capas de donador densamente impurificado (que reacciona con metales tales como In, Fe, Ga y Al) o aceptador (que reacciona con metales tales como Ag, Au y Bi), con la velocidad de reacción que depende del material y la temperatura. Ver, P. Caper, Properties of Narrow Gap Cadmium-based Compounds, INSPEC, 1994, la cual es incorporada en la presente por referencia. La reactividad del MCT permite construir capas de emisor n*/n más fácilmente que con InSb, debido a que el InSb es menos reactivo y requiere la implementación de una técnica más compleja para crear una región n*. Además, InSb está limitado a concentraciones ,. -dé" impurificante de aproximadamente 2-3xl019 cm"3. El desempeño de las modalidades de la presente invención muestra que los sustratos que forman impurezas de donador son preferidos, debido a que generan más altas densidades de corriente. Como es mostrado en la Fig. 41, una respuesta termoeléctrica sin una capa de inyección de portador genera una densidad de corriente que exhibe poco o ningún cambio con respecto a la temperatura. Por ejemplo, el cobre forma una impureza de aceptador y no debe formar una región n*. En contraste, los sustratos tales como Al, In, y Ga forman impurezas de tipo n en MCT y crean regiones n * de inyección de electrones. La Figura 41 muestra la densidad de corriente eléctrica como una función de la temperatura para muestras de Hgo.e6Cdo.14Te, una de estas con una capa de emisor de Cu y otra con una capa de emisor de In-Ga con la composición del sustrato de Ino.75Gao.25- La resistencia de contacto se verificó en ambos casos para asegurar que las capas de óxido no jueguen un papel significante en los resultados observados. En particular, se encontró que el InGa hace un contacto ligeramente mejor que el cobre (aproximadamente 92 mO para In-Ga comparado con aproximadamente 103 mO para cobre) . Como es mostrado en la Fig. 41, la densidad de corriente eléctrica como una función de la temperatura para la muestra con cobre se empareja. La muestra de MCT se dejó enfriar- hacia abajo y una capa de In-Ga de aproximadamente 20-50 mieras de espesor se colocó en la parte superior del sustrato de cobre. Como es mostrado en la Fig. 41, la densidad de corriente eléctrica exhibió un cambio con la temperatura, que fue similar aquel exhibido por la muestra con cobre solamente a temperaturas de hasta aproximadamente 70°C. La misma figura muestra que arriba de este punto, la densidad de corriente eléctrica claramente se incrementó con la temperatura. Esto es atribuido a la impureza de tipo aceptador que es inundada por la impureza de tipo n, provocando de esta manera que la muestra exhiba un modo de inyección de portador con salida de corriente muchas veces más alta. El voltaje de salida en ambos casos fue aproximadamente el mismo, de aproximadamente 290 a aproximadamente de 350 µV/K, y es consistente con el coeficiente de Zeebeck termoeléctrico conocido para MCT. Diferentes materiales de donador conducen a diferentes densidades de corriente eléctrica. La Figura 42 muestra la densidad de corriente eléctrica como una función de la temperatura para dos muestras de Hgo.ßeCdo. Te, una de estas con un sustrato de Al y la otra muestra con un sustrato de In-Ga. Una composición preferida de este sustrato está comprendida por Ino.7sGao.25. El sustrato de In-Ga forma un mejor emisor que el Al, debido a que la densidad de corriente eléctrica como una función de la temperatura es consistentemente más alta para la muestra con In-Ga sobre el rango de temperatura completo. Aunque no es mostrado en la forma de gráficas de densidad de corriente eléctrica contra temperatura, In forma un mejor emisor que Ga, particularmente con sustrato de In puro. Los sustratos tales como Al, In y Ga son ejemplos de sustratos que forman impurezas de tipo n en MCT que crean regiones n* de inyección de electrones. La Figura 43 muestra la eficiencia absoluta exhibida por una modalidad de un convertidor de MCT de acuerdo con la presente invención, en la cual la capa de emisor n* se formó al hacer reaccionar MCT con In0.75Ga0.25 eutéctico. La eficiencia absoluta es definida como la relación de una salida de potencia eléctrica al flujo de calor a través de la muestra. Los mismos datos mostrados en la Fig. 43 se recalcularon en términos de un porcentaje de una eficiencia de ciclo de Carnot ideal, que son mostrados en la Fig. 44. La eficiencia de ciclo de Carnot ideal ?c es definida como ?c = (Tca?iente - T£r?a) /Tcaiiente- Se acepta que más de 30% de una eficiencia de ciclo de Carnot ideal está más allá de las capacidades de cualquier dispositivo termoeléctrico convencional y que los dispositivos termoeléctricos convencionales pueden difícilmente alcanzar 20% de una eficiencia de ciclo de Carnot ideal. En contraste, la Fig. 44 muestra que las modalidades de la presente invención consistentemente generan arriba de 20% de una eficiencia de ciclo de Carnot "ideal en el rango de temperatura de aproximadamente 100°C aproximadamente 170°C con Tfna = 20.5°C, y que la eficiencia está por arriba de 30% de una eficiencia de ciclo de Carnot ideal a temperaturas de aproximadamente 150°C aproximadamente 160°C. La declinación de desempeño del convertidor más allá de 150-160°C podría ser atribuida a la disolución de la capa de emisor y/o la recombinación del portador inyectado. Para evitar esta declinación de desempeño del convertidor, las modalidades de la presente invención comprenden una barrera de difusión. Una capa de iterbio de hasta aproximadamente 10 A es un ejemplo de tal barrera de difusión. Un espesor de hasta aproximadamente 10 A es preferido debido a que tal capa de metal no afecta significativamente las propiedades de transporte del electrón. Para modos adicionales para hacer" las barreras de difusión, ver, por ejemplo, A. Raisanen y colaboradores, en Properties II-VI Semiconductors, MRS Society Symposium Proceedings, vol. 161, pp. 297-302, 1990, la cual es incorporada en la presente por referencia. c. Modalidades con un Conjunto Intercalado de InSb/Hg?.xCd?Te. Como es mostrado anteriormente, las modalidades de esta invención que comprenden placas de InSb apiladas con un emisor en una configuración de lado caliente, exhiben una eficiencia significativamente aumentada. La eficiencia para estos tipos de modalidades se determinó como sigue. InSb y MCT exhiben mejores desempeños a diferentes temperaturas: de aproximadamente 300°C aproximadamente 350°C para InSb y aproximadamente 150°C para MCT. Al tomar en consideración estas diferentes temperaturas, las modalidades de los convertidores de acuerdo con esta invención son optimizadas para ambos materiales. La conductividad térmica pequeña del MCT hace difícil la medición directa del flujo calor, especialmente cuando las mediciones tienen que ser tomadas con muestras pequeñas. Además, las dimensiones de algunas de las muestras utilizadas en las modalidades de la presente invención tuvieron a lo más unos cuantos milímetros cuadrados y, debido a estas dimensiones reducidas, no fueron adecuadas para las mediciones de temperatura por contacto con sensores de temperatura disponibles. Además, el tamaño pequeño de estas muestras no permitió el uso de cámaras de formación de imagen IR estándares debido a la resolución espacial limitada de tales cámaras de formación de imagen IR. Una metodología que depende de las cámaras IR ópticas adaptadas evita este problema . Otra metodología, que se adoptó en estos experimentos, implica las siguientes suposiciones. Las placas con el mismo espesor exhiben el mismo flujo de calor con sustancialmente ninguna pérdida dé calor. La caida de temperatura total a través del apilamiento es escrita como ?T « ?Ti + ?T2, donde ?Ti es la caida de temperatura a través de la primera placa y ?T2 es la caída de temperatura a través de la segunda placa. Las conductividades térmicas dependientes de la temperatura del InSb y MCT son, respectivamente, ??(T) y ?2(T). El siguiente sistema de ecuaciones se expone con estas variables: ?T = ?T1+?T2 ?T puede ser medida como una diferencia de temperaturas entre las placas fría y caliente, y la primera ecuación puede ser iterada utilizando los valores de ?Tlr ??(T) y ?2(T) . El flujo de calor y la caída de temperatura a través de cada placa son estimados de acuerdo con este procedimiento iterativo. Como es indicado anteriormente, la eficiencia del convertidor es calculada al tomar la relación de la salida de potencia eléctrica al flujo de calor a través del dispositivo. El espesor de la placa de InSb se ajustó para variar el rango de temperatura de operación del convertidor de menos de 150°C a más de 300°C con sustancialmente la misma fracción de eficiencia de ciclo de Carnot de arriba de 30%. Las mediciones directas con equipo de formación de imagen infrarroja mostraron un flujo de calor ligeramente menor a través del convertidor, probablemente debido a contactos no ideales que dan por resultado la_ ,eficiencia más alta de 3%-4%. ......-""' La eficiencia máxima observada en las modalidades de esta invención excede 40% de un ciclo de Carnot ideal. En contraste, los convertidores de energía convencionales, disponibles en la actualidad, típicamente exhiben una fracción de la eficiencia de ciclo de Carnot de aproximadamente 16% en un rango de temperatura reducido. La Figura 45 muestra la eficiencia de una modalidad de un convertidor intercalado de acuerdo con la presente invención. Una placa de InSb de aproximadamente 1-mm de espesor fue utilizada en esta modalidad y la concentración de impurificante (Te) fue de aproximadamente 1018 cm"3. La capa de emisor fue de aproximadamente 2000 A y esta comprendió una capa de InSb depositada electrónicamente con aproximadamente 3xl019 cm"3 de Te. La placa se recubrió con una capa que contiene In-Ga. Una composición preferida de este material de In-Ga está comprendida por Ino.7sGao.25. El espesor de esta capa fue de aproximadamente 30 mieras a aproximadamente 50 mieras. Una segunda placa se hizo de Hg-xCdxTe, con x de preferencia que satisface 0.08 = x = 0.15, con los límites superior e inferior dados aproximadamente. Una forma más preferida de este compuesto, tiene una estequiómetria aproximada, dada por Hgo.ßeCdo.iíTe, con un espesor de aproximadamente 0.51 mm. La sección transversal promedio del apilamiento fue de aproximadamente 1.70x1.52 mm2. La fracción de una eficiencia de ciclo de Carnot ideal como una función de la temperatura de la placa caliente para esta modalidad es mostrada en la Fig. 46. Tfría considerando las Figs. 45-46 fue de 20°C. Como es mostrado en la Fig. 46, el porcentaje de una eficiencia de ciclo de Carnot ideal para esta modalidad a desempeño máximo, es aproximadamente el mismo como aquel mostrado en la Fig. 44, pero está modalidad lo exhibe a una temperatura significativamente más alta. d. Cifra de Mérito de Hg?_xCdxTe Como es mostrado en la Tabla 1, la cifra de mérito para el HgTe es aproximadamente 2.5 veces mejor que aquella para InSb. La adición de Cd a HgTe mejora la movilidad del portador y reduce la conductividad térmica. La Figura 47 muestra la cifra de mérito termiónica normalizada para Hg?-xCdxTe con relación aquella de InSb como una función de x. Para x = 0.08, la cifra de mérito para Hgo.92Cdo.oeTe es aproximadamente 0.0065, que es mejor que la cifra de mérito para HgTe por un factor de aproximadamente 2. En otras modalidades de esta invención, la cifra de mérito es contemplada que es tan baja como aproximadamente 0.001. También se encontró en el contexto de esta invención que las modalidades preferidas Hga-?Cd?Te tienen valores x en el rango de aproximadamente 0.08 a aproximadamente 0.15 y que es en esta región que este material exhibe el valor más alto'para su cifra de mérito termiónica mientras que él material aun exhibe propiedades semiconductoras. Esto sustenta la relación entre la capa de emisor n* y el espacio vacio y la capa de compensación y el espacio vacio que se ha descrito en lo anterior en la presente. 8. Modalidades de Refrigeración Los componentes principales de un convertidor termiónico 50 para proporcionar refrigeración (ver las Figuras 48 y 49) son esencialmente los mismos como aquellos de un diodo térmico 10 para convertir calor a electricidad, como es expuesto eh lo anterior (ver las Figuras 1 y 19) . Por consiguiente, los términos "convertidor termiónico en estado sólido de energia térmica" genéricamente se refieren en la presente a modalidades de convertidores de energía térmica en electricidad de acuerdo con esta invención, y a modalidades de refrigeración de acuerdo con esta invención. La Figura 48 ilustra el diodo térmico no compensado y la Figura 49 el diodo térmico compensado. La diferencia esencial entre el calor a electricidad y las modalidades de refrigeración es que el transporte de portador es asistido por un campo eléctrico externo, Eext/ y la región de tipo n* 14 es conectada a una carga térmica que es enfriada mediante el flujo de calor al primer contacto óhmico 52 en la región de tipo n* 14. La región de tipo n* 14 es térmicamente aislada por medio de un material-aislante 54. Antes que una región de tipo n* calentada 14, como es el caso en la modalidad de calor a electricidad, una carga térmica es enfriada mediante flujo de calor, Qcargai a la región de tipo n* 14 en el diodo térmico 50 ilustrado en la Figura 48. Una región de espacio vacio 16 está adyacente a la región de tipo n* 14 y un segundo contacto óhmico 53 qµe tiene una región de colector de recombinación 56 está formada entre el segundo contacto óhmico 53 y la región de espacio vacío 16. La región de espacio vacío 16 puede ser de tipo n, tipo p o intrínseca. Para el caso del diodo térmico compensado como es mostrado en lá Figura 49, una' región compensada 19 está en el interior del contacto de metal, que es creado a través de la adición de la impurificación de tipo p que suprime la corriente de retorno electrónica. La superficie trasera del segundo contacto óhmico 53 actúa como un intercambiador del calor, y el flujo de calor (¿inte cambio disipa el calor de los electrones calientes. La Figura 50 muestra el coeficiente de desempeño (CoP, con relación a un ciclo de Carnot invertido) como una función de la temperatura para diodos compensados como modalidades de refrigeración de la presente invención. Las curvas de coeficiente de desempeño en la Figura 50 son marcadas con los materiales de espacio vacío diferentes en cada modalidad. Además de los coeficientes de desempeño significativamente mejorados con, respecto a los dispositivos convencionales, la Figura 50 también muestra que las modalidades de la presente invención son operacionales a temperaturas muy por debajo de 200 K, en contraste con los dispositivos convencionales que generalmente no pueden operar a temperaturas por debajo de aproximadamente 200 K. Un experto en la técnica de intercambiadores de calor reconoce que hay muchos medios para llevar a cabo el intercambio de calor incluyendo, pero no limitado a, enfriamiento de aire y liquido o equivalentes de los mismos. 9. Aplicaciones Puesto que la conversión de energía es la base de la civilización moderna, un ^convertidor de energia eficiente tiene numerosas aplicaciones, tales como las plantas de servicio de energia existentes, plantas de energia solar, suministros de electricidad residenciales, suministro de electricidad residencial/solar, automotriz, marítima, solar/marítima, dispositivos electrónicos portátiles, bomba de calor ambiental, refrigeración (enfriamiento, acondicionamiento del aire, etc.), aeroespacial y así sucesivamente . Las plantas de energía tienen una cantidad tremenda de desperdicio de calor con un potencial de 300°C y menor. La conversión del calor de desperdicio a 20-40% de la eficiencia de Carnot al utilizar las modalidades de la presente invención, se espera que de un" 10-20% adicional de la eficiencia total de la planta con ahorros equivalentes en combustible.

La proliferación de convertidores de energia de bajo costo de acuerdo con la presente invención, se espera que disminuya los costos de capital de las plantas de energía de concentrador solar con una eficiencia más alta que los ciclos de vapor/electricidad actuales. Las temperaturas de operación menores también disminuirán los costos de mantenimiento . Los suministros eléctricos residenciales basados en la conversión directa de calor a energía eléctrica son ideales para áreas alejadas, donde es difícil o inconveniente instalar lineas de energia. La fuente de calor puede estar ya sea en la forma de combustible fósil o concentradores solares. Los concentradores solares también pueden estar en la forma de estanques de agua con calentamiento solar, que utilizan las diferencias de temperatura del dia/noche. Unos cuantos cientos de metros cúbicos de agua con cien metros cuadrados de superficie en conjunción con las modalidades de la presente invención, podrían proporcionar el suministro de electricidad para una casa en áreas con una diferencial de temperatura de aproximadamente 10°C. Un diodo térmico de acuerdo con la presente invención en combinación con un motor convencional que impulsa un generador eléctrico - y " un motor eléctrico, incrementarla sustancialmente la distancia recorrida. La conversión directa de energía tiene aplicación tremenda en carros eléctricos. Una aplicación involucra la utilización de dispositivos termiónicos de acuerdo con la presente invención con temperaturas de operación de hasta aproximadamente 150 a 200°C como reforzadores de la eficiencia total. Otra aplicación es un automóvil con una impulsión eléctrica y un motor convencional acoplado con un generador eléctrico que tiene un arreglo de convertidor de acuerdo con la presente invención como un radiador intermedio . Las aplicaciones automotrices y de propulsión también son aplicables a las aplicaciones marítimas. Además, los concentradores solares se pueden utilizar en un modo de tipo bote. Una combinación de lentes Fresnel de plástico de luz y poco costosos con los convertidores de diodo térmico de acuerdo con la presente invención, puede ser incorporada en botes de tipo aleta rígida, modernos, proporcionando el uso de la energía eólica y solar para impulsar un bote con aproximadamente 100-200 W/m2 del componente solar del bote. Puesto que las modalidades del convertidor de acuerdo con la presente invención pueden utilizar gradientes de temperatura muy pequeños en un modo de automantenimiento, un gradiente de temperatura entre los absorbedores de calor será creado con intercambio de "calor asimétrico en la superficie (por ejemplo, un absorbedor de calor puede ser térmicamente aislado) . También, el sistema funcionará hasta que algo funcione mal, enfriando el ambiente y produciendo electricidad. En resumen, el método y aparato descrito en la presente, es una mejora significante del presente estado de la técnica de conversión de energia. La invención puede ser englobada en otras formas especificas sin apartarse de su espíritu o características esenciales. Las modalidades descritas se van a considerar en todos los aspectos solamente como ilustrativas y no restrictivas. El alcance de la invención, por lo tanto, es indicado por las reivindicaciones anexas antes que por la descripción anterior. Todos los cambios que entran dentro del significado y el rango de equivalencia de las reivindicaciones van a estar comprendidos dentro de su alcance.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un convertidor termiónico en estado sólido, caracterizado porque comprende: un emisor que tiene por lo menos una región que comprende un primer donador que tiene una concentración Nd*; un colector y una región de espacio vacio entre el emisor y el colector en comunicación eléctrica y térmica con el emisor y el colector, la región de espacio vacio que comprende un semiconductor, el semiconductor que comprende un segundo donador que tiene una concentración Nd, la concentración del segundo donador que es seleccionada tal que el logaritmo natural de la relación N¿* / Na está entre un valor numérico mayor que 0 y aproximadamente 7. 2. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende una región compensada dispuesta entre la región de espacio vacio y el colector, la región compensada qµe es configurada para suprimir la corriente eléctrica del colector a la región de espacio vacio. 3. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el logaritmo natural de la relación / Nd está "én" un rango de entre aproximadamente 3 y aproximadamente 7. . Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura del emisor es más alta que la temperatura del colector cuando una corriente eléctrica fluye del emisor al colector. 5. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el emisor comprende un metal. 6. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacio comprende un' semiconductor de tipo n. _7. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende una región de recombinación ya sea dispuesta en comunicación eléctrica entre la región de espacio vacio 'y el colector o comprende una porción del colector en comunicación eléctrica con la región de espacio vacio. 8. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el emisor comprende InSb. 9. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el emisor comprende InSb impurificado con Te. 10. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacio comprende InSb impurificado con Te a una concentración en el rango de aproximadamente 1016 cm-3 a aproximadamente 3-1019 cm"3. 11. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el emisor comprende InSb impurificado con Te a una concentración en el rango de aproximadamente 1018 cm"3 a aproximadamente 3'1019 cm"3. 12. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacio comprende InSb impurificado con Te a una concentración de aproximadamente' 1018 cm"3. 13. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el espesor del emisor es de por lo menos aproximadamente 400 A. 14. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacio comprende un semiconductor cuya conductividad normalizada de menor dimensión ? está dentro del rango de aproximadamente 1 a aproximadamente 0.001. 15. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacio comprende HgSe. 16. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacio comprende HgTe. -- '" 17. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacio comprende Bi?-ySby, en donde y está dentro del rango de aproximadamente 0.05 a aproximadamente 0.2. 18. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacío comprende Se2Te?-2, en donde z satisface O= z = 1. 19. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacio comprende Hg?-xCdxTe, en donde x está dentro del rango de aproximadamente 0.08 a aproximadamente 0.2. 20. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacío comprende Hg?_xCdxTe, en donde x es aproximadamente 0.08. 21. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacio comprende un semiconductor impurificado con una concentración de impurificante en el rango de aproximadamente 1015 cm'3 a aproximadamente 1020 cm"3. 22. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacío comprende un semiconductor de tipo p. 23. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la región de espacio vacio comprende un semiconductor intrínseco. 24. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la barrera de energia para la inyección de electrones del emisor a la región de espacio vacio, está en el rango de aproximadamente 4kBT a aproximadamente 5kBT, donde kB es la constante de Boltzman y T es la temperatura absoluta en la cual toma lugar la inyección de electrones. 25. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el emisor está térmicamente aislado. 26. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: un primer contacto óhmico en comunicación eléctrica y térmica con el emisor; una capa de reducción de barrera de la entrecara del metal-semiconductor entre el primer contacto óhmico y el emisor y un segundo contacto óhmico en comunicación eléctrica con el colector. 27. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado porque el colector está formado en el segundo contacto óhmico. 28. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado porque además comprende una capa térmicamente conductora depositada en por lo menos uno del primero y el segundo contacto óhmico. 29. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende; un contacto óhmico frió en comunicación eléctrica y térmica con la región de espacio vacio, en donde el contacto óhmico frió comprende el colector próximo a la región de espacio vacío, en donde el colector incluye una región de colector de recombinación y una región compensada dispuesta entre la región de espacio vacio y él colector, la región compensada que está configurada para suprimir la corriente eléctrica del colector a la región de espacio vacio. 30. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 29, caracterizado porque la región de colector de recombinación está formada en el contacto óhmico frió. 31. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: una región compensada tal que la región de espacio vacio está localizada entre el emisor y la región compensada, y en donde el colector está en contacto eléctrico y térmico con la región compensada, la región compensada que tiene impurificación de tipo p, tal que la corriente eléctrica del colector a la región de espacio vacio puede ser sustancialmente suprimida, mientras que se permite la corriente termiónica de la región de espacio vacío al colector. 32. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque la temperatura del emisor es más alta que la temperatura del colector, cuando una corriente eléctrica fluye entre el emisor y el colector. 5 33. Un convertidor termiónico en estado sólido, caracterizado porque comprende una pluralidad de convertidores individuales arreglados en serie, en donde cada uno de los convertidores individuales está configurado como es descrito en la reivindicación 31. —10 34. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque la región compensada está formada mediante implantación iónica en la región de espacio vacío. 35. Un convertidor de conformidad con la 15 reivindicación 31, caracterizado porque la región compensada comprende desocupaciones creadas mediante implantación iónica. 36. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado porque el emisor está 20 térmicamente aislado. 37. Un convertidor termiónico en estado sólido de energía térmica, caracterizado porque comprende: un emisor que tiene por "?oT menos un producto de reacción de Hg?_xCdxTe, x qµe está en el rango de 25 aproximadamente 0.08 a aproximadamente 0.25, con un sustrato que comprende In; un colector y una región de espacio vacio entre el emisor y el colector en comunicación eléctrica y térmica con el emisor y el colector, la región de espacio vacio que comprende un semiconductor seleccionado del grupo que consiste de semiconductores de tipo n, tipo p e intrínsecos. 38. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 37,' caracterizado porque además comprende una región compensada dispuesta entre la región de espacio vacio y el colector, la región compensada qµe está configurada para suprimir la corriente eléctrica del colector a la región de espacio vacio. 39. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque el sustrato comprende In-Ga. 40. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque x está dentro del rango de aproximadamente 0.08 a aproximadamente 0.2. 41. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque x está dentro del rango de aproximadamente 0.08 a aproximadamente 0.15. 42. Un convertidor—- d" conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque el sustrato comprende Im-wGaw, en donde w está dentro del rango de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 0.3. 43. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque el emisor está provisto con una barrera de difusión. 44. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque el emisor está provisto con una barrera de difusión que comprende iterbio. 45. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 37, caracterizado porque el emisor está térmicamente aislado. 46. Un convertidor termiónico en estado sólido de energía térmica, caracterizado porque comprende; una pluralidad de placas Pi, con 1 = i = m, donde m es el número total de las placas, cada una de las placas Pi que tiene un emisor Ei que tiene por lo menos una región que comprende un primer donador que tiene una concentración Na*; un colector Ci y una región de espacio vacio Gi entre el emisor E y el colector C en comunicación eléctrica y térmica con el emisor Ei y el colector Ci, la región de espacio vacío Gi que comprende un semiconductor, el semiconductor que comprende un segundo donador que tiene una concentración Nd, la concentración del segundo donador que es seleccionada tal que el logaritmo natural de la relación Na* / a está entre un valor numérico mayor que 0 y aproximadamente 7, y tal que 1 = i = m; en donde cada placa P que tiene un emisor Ej+i, una región de espacio vacio Gj+i y un colector C+i, asi configurada, está conectada en serie con un grupo de un emisor Ej, una región de espacio vacío Gj y un colector Cj, para 1 = j = (m-l), los índices i y j que son números enteros, y tal que el colector Cj está en comunicación eléctrica con el emisor Ej+i, para cada j que satisface 1 = j = (m-l). 47. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque el logaritmo natural de la relación N* / Na está en un rango de aproximadamente 3 a aproximadamente 7. 48. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque además comprende una región compensada dispuesta entre la región de espacio vacio G y el colector Ci, la región compensada Ri que está configurada para suprimir la corriente eléctrica del colector a la región de espacio vacio, en donde cada placa Pj que tiene un emisor Ej+?, una región de espacio vacio Gj+?, una región compensada Rj+i y un colector Cj+i, asi configurada, está conectada en serie con un grupo de un emisor Ej, una región de espacio vacío Gj, una región compensada Rj+i y un colector Cj, para 1 = j = (m !) . 49. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 48, caracterizado porque los emisores Ei y Ej comprenden sustancialmente los mismos materiales, los colectores Ci y Cj comprenden sustancialmente los mismos materiales y las regiones compensadas Ri y Rj comprenden sustancialmente los mismos materiales, para i ? j, y l = i =m, l = j =m. 50. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque la temperatura de cada uno del emisor Ei es más alta que la temperatura de cada uno del colector Ci, cuando una corriente eléctrica fluye entre el emisor Ei y el colector Ci. 51. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque la primera placa Pi comprende InSb. 52. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque la primera placa Pi comprende InSb impurificado con Te. 53. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque la primera placa Pi comprende InSb impurificado con Te a una concentración de aproximadamente 1018 cm"3. 54. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque por lo menos el emisor Ei de la pr.imera placa comprende InSb impurificado con Te. 55. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque por lo menos el emisor Ei de la primera placa comprende InSb impurificado con Te a una concentración de aproximadamente 3"1019 cm"3. 56. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque la primera placa Pi está recubierta con un material que comprende In-Ga. 57. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque por lo menos la primera placa Pi está recubierta con un material que tiene In?-uGau, en donde u está en un rango de aproximadamente 0 a aproximadamente 0.3. 58. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque por lo menos la primera placa Pi está recubierta con un material que tiene In?-uGau, en donde u es aproximadamente 0.25. 59. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque por lo menos una de las placas comprende Hg?_xCdxTe, con x que está en el rango de aproximadamente 0.08 a aproximada 0.2. 60. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque por lo menos una de las placas comprende Hg?_xCdsTe, con x que está en un rango de aproximadamente 0.08 a aproximadamente JO.14. 61. Un convertidor de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado porque el primer emisor Ei está térmicamente aislado. 62. Un método para refrigeración mediante la utilización de un convertidor termiónico en estado sólido, caracterizado porque comprende: establecer externamente una diferencia de potencial eléctrico a través de un convertidor termiónico que tiene ' un emisor térmicamente aislado que tiene por lo menos una región que tiene una primera concentración de donador N*; un colector; una región de espacio vacio entre el emisor y el colector en comunicación eléctrica y térmica con el emisor y el colector, la región de espacio vacio que comprende un semiconductor, el semiconductor que comprende un segundo donador que tiene una concentración N , la concentración del segundo donador que es seleccionada tal que el logaritmo natural de la relación N * / Na está entre un valor numérico mayor que 0 y aproximadamente 7; y suministrar una carga térmica al emisor, tal que la carga térmica es enfriada mediante el flujo de calor, a medida que la diferencia de potencial eléctrico externamente establecida ocasiona el flujo de corriente entre el emisor y el colector. 63. Un método de conformidad con la reivindicación 64, caracterizado porque el logaritmo natural de la relación Nd* / Nd está en un rango de entre aproximadamente 3 y aproximadamente 7. 64. Un método de conformidad con la reivindicación 64, caracterizado porque el convertidor termiónico además tiene una región ' compensada dispuesta entre la región de espacio vacio y el colector, la región compensada que está configurada para suprimir la corriente eléctrica del colector a la región de espacio vacio.