RU2275713C2 - Thermoelectric converter and method for heat energy conversion - Google Patents
Thermoelectric converter and method for heat energy conversion Download PDFInfo
- Publication number
- RU2275713C2 RU2275713C2 RU2002126569/28A RU2002126569A RU2275713C2 RU 2275713 C2 RU2275713 C2 RU 2275713C2 RU 2002126569/28 A RU2002126569/28 A RU 2002126569/28A RU 2002126569 A RU2002126569 A RU 2002126569A RU 2275713 C2 RU2275713 C2 RU 2275713C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- emitter
- region
- collector
- converter according
- gap
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 27
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title abstract description 32
- 230000006798 recombination Effects 0.000 claims abstract description 29
- 238000005215 recombination Methods 0.000 claims abstract description 29
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 126
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 93
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 89
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 71
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 58
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 58
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 50
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 42
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 31
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 29
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 29
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 20
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 19
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 16
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910004262 HgTe Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims 2
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 claims 1
- 230000006870 function Effects 0.000 abstract description 72
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 abstract description 33
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 17
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 abstract description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 96
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 23
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 20
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 18
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 17
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 17
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 16
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 16
- 240000002329 Inga feuillei Species 0.000 description 15
- 238000013461 design Methods 0.000 description 15
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 12
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 10
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 10
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 8
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 7
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 6
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 6
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 5
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 5
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 5
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 5
- 239000003570 air Substances 0.000 description 4
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 4
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 4
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N nickel Substances [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 239000003708 ampul Substances 0.000 description 2
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 2
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 2
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 2
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 2
- -1 indium In Chemical class 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 2
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011135 tin Substances 0.000 description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006091 Macor Substances 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101100289792 Squirrel monkey polyomavirus large T gene Proteins 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- VRAIHTAYLFXSJJ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical compound [AlH3].[AlH3] VRAIHTAYLFXSJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003331 infrared imaging Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N osmium atom Chemical compound [Os] SYQBFIAQOQZEGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N rhenium atom Chemical compound [Re] WUAPFZMCVAUBPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052701 rubidium Inorganic materials 0.000 description 1
- IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N rubidium atom Chemical compound [Rb] IGLNJRXAVVLDKE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YQMLDSWXEQOSPP-UHFFFAOYSA-N selanylidenemercury Chemical compound [Hg]=[Se] YQMLDSWXEQOSPP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J45/00—Discharge tubes functioning as thermionic generators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N3/00—Generators in which thermal or kinetic energy is converted into electrical energy by ionisation of a fluid and removal of the charge therefrom
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
Abstract
Description
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION
1. Область техники1. The technical field
Настоящее изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую энергию и к использованию электрической энергии для охлаждения, и, в частности, к твердотельному термоэлектронному преобразователю, в котором используется полупроводниковый диод.The present invention relates to the conversion of thermal energy into electrical energy and to the use of electrical energy for cooling, and, in particular, to a solid-state thermionic converter using a semiconductor diode.
2. Известный уровень техники2. The prior art
Термоэлектронное преобразование энергии - это способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с использованием термоэлектронной эмиссии. В этом процессе происходит термоэлектронная эмиссия с поверхности металла при нагреве, с приданием части электронов энергии, достаточной для преодоления задерживающих сил на поверхности металла для выхода за пределы металла. В отличие от большинства обычных способов генерирования электроэнергии, для преобразования тепла в электричество при термоэлектронном преобразовании не требуется ни использования промежуточных форм энергии, ни рабочей текучей среды, кроме электрических зарядов.Thermoelectronic energy conversion is a method of direct conversion of thermal energy into electrical energy using thermionic emission. In this process, thermionic emission from the metal surface occurs during heating, with a part of the electrons being given enough energy to overcome the restraining forces on the metal surface to go beyond the metal. Unlike most conventional methods of generating electricity, the conversion of heat into electricity during thermionic conversion does not require the use of intermediate forms of energy or a working fluid other than electric charges.
Обычный преобразователь термоэлектронной энергии, в наиболее элементарной форме, состоит из одного электрода, соединенного с источником тепла, второго электрода, соединенного с теплоотводом и отделенного от первого электрода промежуточным промежутком, проводников, соединяющих электроды с электрической нагрузкой, и корпусом. Из пространства внутри корпуса либо полностью откачивают воздух, либо его заполняют соответствующим разреженным паром, таким, как пары цезия.A conventional thermoelectronic energy converter, in its most elementary form, consists of one electrode connected to a heat source, a second electrode connected to a heat sink and separated from the first electrode by an intermediate gap, conductors connecting the electrodes to an electrical load, and a housing. From the space inside the housing, either the air is completely pumped out or it is filled with the corresponding rarefied steam, such as cesium vapor.
Процесс в обычном термоэлектронном преобразователе, в основном, происходит следующим образом. Тепло от источника тепла при достаточно высокой температуре поступает на один электрод-эмиттер, из которого электроны улетучиваются в виде термоэлектронной эмиссии в межэлектродное пространство, в котором поддерживается вакуум, или которое заполнено разреженным паром. Электроны перемещаются через это пространство по направлению к другому электроду-коллектору, температура которого поддерживается на низком уровне с помощью расположенного поблизости теплоотвода. Здесь электроны оседают и возвращаются к горячему электроду через внешние электрические выводы и электрическую нагрузку, подключенную между эмиттером и коллектором.The process in a conventional thermionic converter mainly proceeds as follows. Heat from a heat source at a sufficiently high temperature enters one electrode-emitter, from which electrons escape in the form of thermionic emission into the interelectrode space, in which vacuum is maintained, or which is filled with rarefied steam. Electrons move through this space toward another collector electrode, whose temperature is kept low with a nearby heat sink. Here, the electrons settle and return to the hot electrode through external electrical leads and an electrical load connected between the emitter and the collector.
Вариант воплощения обычного термоэлектронного преобразователя 100 схематично показан на фигуре 1. Такие устройства обычно содержат эмиттер 110 или катод с низкой работой выхода электронов, коллектор 112 или сравнительно более холодный анод с высоким значением работы выхода электронов, корпус 114, соответствующие электрические проводники 116 и внешнюю нагрузку 118. К эмиттеру 110 подводится поток 120 тепла, в результате чего из этого катода осуществляется эмиссия электронов 122, поток которых, таким образом, замыкает электрическую цепь и благодаря которым формируется электрический ток в нагрузке 118. Как указано выше, в обычных термоэлектронных преобразователях из пространства 130 между электродами воздух откачан, или оно заполнено разреженным паром.An embodiment of a conventional
Поток электронов через электрическую нагрузку поддерживается благодаря разности температур между электродами. При этом к нагрузке подводится электрическая работа.The flow of electrons through an electrical load is maintained due to the temperature difference between the electrodes. In this case, electrical work is applied to the load.
Термоэлектронное преобразование энергии основано на концепции, что катод с низкой работой выхода электронов, находящийся в контакте с источником тепла, испускает электроны. Эти электроны поглощаются холодным анодом с высоким значением работы выхода электронов, и эти электроны могут поступать обратно на катод через внешнюю нагрузку, где они выполняют полезную работу. Использование термоэлектронных генераторов на практике ограничивается значениями работы выхода доступных металлов или других материалов, которые используют в качестве катодов. Другое важное ограничение составляет эффект пространственного заряда. Наличие заряженных электронов в пространстве между катодом и анодом создает дополнительный потенциальный барьер, который снижает термоэлектронный ток. Эти ограничения оказывают отрицательное влияние на максимальную плотность тока и, таким образом, представляют основную проблему при разработке крупномасштабных термоэлектронных преобразователей.Thermoelectronic energy conversion is based on the concept that a cathode with a low electron work function in contact with a heat source emits electrons. These electrons are absorbed by a cold anode with a high electron work function, and these electrons can flow back to the cathode through an external load, where they do useful work. The use of thermionic generators in practice is limited by the values of the work function of available metals or other materials that are used as cathodes. Another important limitation is the space charge effect. The presence of charged electrons in the space between the cathode and the anode creates an additional potential barrier that reduces the thermionic current. These limitations have a negative effect on the maximum current density and, thus, represent the main problem in the development of large-scale thermionic converters.
Обычно термоэлектронные преобразователи классифицируют как вакуумные преобразователи или преобразователи с газовым наполнителем. В вакуумных преобразователях из пространства между электродами воздух откачан. Такие преобразователи имеют ограниченное применение на практике.Typically, thermionic converters are classified as vacuum converters or gas filled converters. In vacuum converters, air is evacuated from the space between the electrodes. Such converters are of limited practical use.
В вариантах воплощения преобразователей с газовым наполнением первого класса в пространстве между электродами используют парообразное вещество, которое позволяет вырабатывать положительные ионы. В качестве такого парообразного вещества обычно используют пары щелочного металла, такого как цезий, калий или рубидий. Благодаря наличию этих положительных ионов, свободные электроны могут легче проходить от эмиттера к коллектору. Температура эмиттера в обычных устройствах такого типа частично определяется температурой испарения вещества, которое вырабатывает положительные ионы. Обычно температура эмиттера должна быть, по меньшей мере, в 3,5 раза выше, чем температура вещества-источника положительных ионов, если в таких обычных устройствах требуется достичь уровня эффективного образования ионов.In embodiments of gas-filled converters of the first class, a vaporous substance is used in the space between the electrodes that allows the generation of positive ions. As such a vaporous substance, alkali metal vapors such as cesium, potassium or rubidium are usually used. Due to the presence of these positive ions, free electrons can more easily pass from the emitter to the collector. The emitter temperature in conventional devices of this type is partially determined by the evaporation temperature of a substance that produces positive ions. Typically, the temperature of the emitter should be at least 3.5 times higher than the temperature of the source material of positive ions, if in such conventional devices it is necessary to achieve a level of effective ion production.
В вариантах воплощения преобразователей с газовым наполнением второго класса устанавливают третий электрод, предназначенный для генерирования ионов. В качестве газа, заполняющего пространство между электродами в этих обычных устройствах, используют инертный газ, такой как неон, аргон или ксенон. Хотя такие преобразователи могут работать при более низких температурах, приблизительно 1500 К, они имеют более сложную конструкцию.In embodiments of second-class gas-filled transducers, a third electrode is provided for generating ions. An inert gas such as neon, argon or xenon is used as the gas filling the space between the electrodes in these conventional devices. Although these transducers can operate at lower temperatures, approximately 1500 K, they have a more complex design.
Типичные термоэлектронные эмиттеры обычно работают при температурах в диапазоне от 1400 до 2200 К, и коллекторы работают при температурах в диапазоне от 500 до 1200 К. При оптимальных условиях работы общий КПД преобразования энергии составляет от 5 до 40%, удельная электрическая мощность составляет порядка от 1 до 100 Вт/см2, и плотность тока составляет порядка от 5 до 100 А/см2. В общем, чем выше температура эмиттера, тем выше КПД, удельная мощность и плотность тока при использовании конструкций, в которых учитываются потери на излучение. Напряжение, с которым вырабатывается энергия в одном типичном блоке преобразователя, составляет от 0,3 до 1,2 В, то есть, приблизительно находится на том же уровне, что и в обычной электролитической ячейке. Термоэлектронные системы с более высокой мощностью часто составляют из множества блоков термоэлектронных преобразователей, последовательно соединенных электрически. Каждый блок термоэлектронного преобразователя обычно имеет мощность от 10 до 500 Вт.Typical thermionic emitters usually operate at temperatures in the range from 1400 to 2200 K, and collectors operate at temperatures in the range from 500 to 1200 K. Under optimal operating conditions, the overall energy conversion efficiency is from 5 to 40%, the specific electric power is about 1 up to 100 W / cm 2 and the current density is on the order of 5 to 100 A / cm 2 . In general, the higher the emitter temperature, the higher the efficiency, specific power and current density when using designs that take into account radiation losses. The voltage with which energy is generated in one typical converter unit is from 0.3 to 1.2 V, that is, approximately at the same level as in a conventional electrolytic cell. Thermoelectronic systems with higher power are often made up of many blocks of thermoelectronic converters connected in series electrically. Each thermionic converter unit usually has a power of 10 to 500 watts.
Требование использования высокой температуры в термоэлектронных преобразователях является предпочтительным для некоторых вариантов применения, но представляет ограничение для других случаев. Это происходит потому, что температуры, требуемые для работы эмиттера, обычно находятся за пределами практических возможностей многих обычных источников тепла. В отличие от этого, типичные термоэлектрические преобразователи работают при температуре источника тепла в диапазоне от 500 до 1500 К. Однако, даже при оптимальных условиях, общий КПД термоэлектрических преобразователей энергии находится в диапазоне только от 3 до 10%, удельная электрическая мощность составляет обычно менее нескольких Вт/см2, и плотность тока составляет порядка от 1 до 100 А/см2.The requirement to use high temperature in thermionic converters is preferable for some applications, but is a limitation for other cases. This is because the temperatures required for the emitter to operate are usually outside the practical capabilities of many conventional heat sources. In contrast, typical thermoelectric converters operate at a heat source temperature in the range from 500 to 1500 K. However, even under optimal conditions, the total efficiency of thermoelectric energy converters is in the range of only 3 to 10%, and the specific electric power is usually less than a few W / cm 2 and the current density is on the order of 1 to 100 A / cm 2 .
С точки зрения физики, термоэлектрические устройства похожи на термоэлектронные устройства. В обоих случаях к металлу или полупроводнику прикладывают градиент температуры, и оба случая основаны на концепции, что движение электрона представляет собой электричество. Однако движение электрона также переносит энергию. Вынужденный ток переносит энергию как в термоэлектронных, так и в термоэлектрических устройствах. Основное различие между термоэлектрическими и термоэлектронными устройствами состоит в механизме переноса: в термоэлектронных устройствах используется баллистический и диффузионный перенос и омический перенос в термоэлектрических устройствах. Омический поток обладает диффузией на микроскопическом уровне, но не на макроскопическом. Отличительное свойство состоит в наличии избыточных носителей. В термоэлектрических устройствах ток обычно формируется за счет присутствующих носителей. В термоэлектронных устройствах ток возникает благодаря вводу в промежуток избыточных носителей. Термоэлектронное устройство имеет относительно высокий КПД, если электроны баллистически пролетают через промежуток. В термоэлектронных устройствах вся кинетическая энергия переносится от одного электрода к другому. Движение электронов в термоэлектрическом устройстве представляет собой квазиравновесное состояние и является омическим, и может быть описано с использованием коэффициента Зеебека (коэффициент термоэлектрического эффекта), который является параметром равновесия.From the point of view of physics, thermoelectric devices are similar to thermoelectronic devices. In both cases, a temperature gradient is applied to the metal or semiconductor, and both cases are based on the concept that the motion of an electron is electricity. However, the motion of an electron also carries energy. Forced current transfers energy in both thermoelectronic and thermoelectric devices. The main difference between thermoelectric and thermoelectronic devices is the transfer mechanism: ballistic and diffusion transfer and ohmic transfer in thermoelectric devices are used in thermoelectronic devices. The ohmic flow has diffusion at the microscopic level, but not at the macroscopic level. A distinctive feature is the presence of excess media. In thermoelectric devices, current is usually generated by carriers present. In thermionic devices, current arises due to the introduction of excess carriers into the gap. A thermoelectronic device has a relatively high efficiency if the electrons ballistically fly through the gap. In thermionic devices, all kinetic energy is transferred from one electrode to another. The motion of electrons in a thermoelectric device is a quasi-equilibrium state and is ohmic, and can be described using the Seebeck coefficient (coefficient of thermoelectric effect), which is an equilibrium parameter.
В структурах с узкими барьерами расстояние пролета электронов обычно не достаточно велико, чтобы нужно было учитывать их столкновения при пересечении барьера. В этих условиях баллистическая версия теории термоэлектронной эмиссии является более точным представлением переноса тока. При этом плотность тока можно представить следующим уравнением:In structures with narrow barriers, the electron spacing is usually not large enough to take into account their collisions when crossing the barrier. Under these conditions, the ballistic version of the theory of thermionic emission is a more accurate representation of current transfer. In this case, the current density can be represented by the following equation:
, ,
где A0 представляет постоянную Ричардсона (постоянная термоэлектронной эмиссии), φ - высота барьера (работа выхода электрона), е - заряд электрона, kв - постоянная Больцмана и T - температура. Постоянная А0 Ричардсона определяется следующим уравнением где m представляет эффективную массу электрона и - редуцированная постоянная Планка.where A 0 represents the Richardson constant (constant of thermionic emission), φ is the height of the barrier (work function of the electron), e is the charge of the electron, k in is the Boltzmann constant and T is the temperature. The constant A 0 Richardson is determined by the following equation where m represents the effective mass of the electron and is the reduced Planck constant.
Приведенное выше уравнение плотности тока электронов представляет количественное выражение для пояснения некоторых наблюдений, описанных выше. Например, уравнение для тока эмиссии показывает, что скорость эмиссии резко увеличивается с ростом температуры и снижается экспоненциально в зависимости от работы выхода.The above electron current density equation is a quantitative expression for explaining some of the observations described above. For example, the equation for the emission current shows that the emission rate increases sharply with increasing temperature and decreases exponentially depending on the work function.
В известном уровне техники делались попытки найти решение вышеуказанных проблем путем использования вакуумных преобразователей или преобразователей с газовым наполнением. В результате попыток снизить влияние эффекта пространственного заряда с использованием вакуумных преобразователей стали использовать промежуток между электродами, уменьшенный до величины нескольких микрометров. В результате попыток снизить тот же эффект в преобразователях с газовым заполнением стали использовать ввод положительных ионов в облако электронов перед эмиттером. Однако таким обычным устройствам все еще присущи недостатки, связанные, например, с ограничением максимальной плотности тока и температурных режимов. Следовательно, сохраняется потребность в получении более удовлетворительного решения для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию при более низких температурных режимах с высокими КПД и высокими значениями удельной мощности.In the prior art, attempts have been made to find a solution to the above problems by using vacuum transducers or gas-filled transducers. As a result of attempts to reduce the effect of the space charge effect using vacuum transducers, the gap between the electrodes was reduced to a few micrometers. As a result of attempts to reduce the same effect in gas-filled converters, the introduction of positive ions into the electron cloud in front of the emitter began to be used. However, such conventional devices still have disadvantages associated, for example, with limiting the maximum current density and temperature conditions. Therefore, there remains a need for a more satisfactory solution for converting thermal energy into electrical energy at lower temperature conditions with high efficiency and high specific power values.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Настоящее изобретение было разработано для удовлетворения потребности в устройстве, которое позволяет эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую энергию при относительно низких рабочих температурах и значениях удельной мощности и КПД, достаточно высоких для коммерческого использования. Настоящее изобретение также работает в обратном режиме для обеспечения эффективного охлаждения.The present invention has been developed to meet the need for a device that can efficiently convert thermal energy into electrical energy at relatively low operating temperatures and specific power and efficiency values high enough for commercial use. The present invention also operates in reverse mode to provide efficient cooling.
Настоящее изобретение направлено на решение ряда проблем, которые присущи известному уровню техники, как описано выше. Более конкретно, устройство и способ, в соответствии с настоящим изобретением, составляют важный прогресс в области термоэлектронного преобразования энергии, что подтверждается характеристиками вариантов воплощения настоящего изобретения.The present invention addresses a number of problems that are inherent in the prior art, as described above. More specifically, the device and method in accordance with the present invention constitute important progress in the field of thermionic energy conversion, as evidenced by the characteristics of the embodiments of the present invention.
В общем, цели настоящего изобретения достигаются путем использования твердотельного преобразователя, содержащего эмиттер, включающий, по меньшей мере, область, содержащую первый донор с концентрацией , коллектор и область промежутка между эмиттером и коллектором, находящуюся в электрическом и тепловом соединении с эмиттером и коллектором. Область промежутка содержит полупроводник со вторым донором с концентрацией Nd, которую выбирают таким образом, чтобы натуральный логарифм отношения находился в пределах от 0 до приблизительно 7.In General, the objectives of the present invention are achieved by using a solid state transducer containing an emitter, including at least a region containing a first donor with a concentration , the collector and the region of the gap between the emitter and the collector, in electrical and thermal connection with the emitter and the collector. The gap region contains a semiconductor with a second donor with a concentration of N d , which is chosen so that the natural logarithm of the ratio ranged from 0 to about 7.
Другие варианты воплощения настоящего изобретения включают твердотельный термоэлектронный преобразователь, в котором используется вариант воплощения на полупроводниковом диоде, содержащем эмиттер, включающий область n*-типа; область промежутка между эмиттером и коллектором, область промежутка вблизи указанной области n*-типа и холодный омический контакт, соединенный с указанной областью промежутка, причем указанный холодный омический контакт имеет область рекомбинации коллектора, сформированную между холодным омическим контактом и указанной областью промежутка. В некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения коллектор содержит элемент рекомбинации, и такой коллектор электрически соединен с холодным омическим контактом. Горячий омический контакт электрически соединен с эмиттером. Область промежутка может быть n-типа, р-типа или может содержать беспримесный полупроводник. Для использования электрического тока, генерируемого в вариантах воплощения преобразователя, в соответствии с настоящим изобретением, электрическую цепь обычно замыкают снаружи с использованием электрической нагрузки, подключенной к горячему омическому контакту и холодному омическому контакту. Следует понимать, что такие термины, как "электрическая связь", "электрическое соединение" и "электрический контакт" относятся к взаимосвязи между элементами, благодаря которой между такими элементами может протекать электрический ток, при этом такие элементы находятся либо в непосредственном контакте, либо электрический ток протекает, по меньшей мере, через один проводник, соединяющий такие элементы.Other embodiments of the present invention include a solid-state thermionic converter, which uses an embodiment on a semiconductor diode comprising an emitter including an n * -type region; the gap region between the emitter and the collector, the gap region near the indicated n * -type region and the cold ohmic contact connected to the specified gap region, wherein the cold ohmic contact has a collector recombination region formed between the cold ohmic contact and the specified gap region. In some embodiments of the present invention, the collector comprises a recombination element, and such a collector is electrically connected to a cold ohmic contact. The hot ohmic contact is electrically connected to the emitter. The gap region may be n-type, p-type, or may contain pure semiconductor. In order to use the electric current generated in the converter embodiments according to the present invention, the electric circuit is usually closed externally using an electric load connected to the hot ohmic contact and the cold ohmic contact. It should be understood that terms such as "electrical connection", "electrical connection" and "electrical contact" refer to the relationship between the elements, due to which an electric current can flow between such elements, while such elements are either in direct contact or electric current flows through at least one conductor connecting such elements.
В других вариантах воплощения настоящего изобретения используется множество пластин, каждая из которых представляет собой эмиттер и коллектор с областью промежутка между ними.In other embodiments of the present invention, a plurality of plates are used, each of which is an emitter and a collector with a gap region between them.
В вариантах воплощения, используемых для охлаждения, перенос носителя осуществляется с помощью внешнего электрического поля. Первый омический контакт на эмиттере, содержащий в одном из вариантов воплощения область n*-типа, соединен с тепловой нагрузкой, которую охлаждают путем отвода потока тепла с помощью электронов, испускаемых эмиттером. Как описано в связи с вариантами воплощения преобразователей тепла в электричество, в соответствии с настоящим изобретением, электроны в вариантах воплощения, используемых для охлаждения, циркулируют от эмиттера, предпочтительно с горячего омического контакта в области n*-типа, в область промежутка. Область промежутка в одном из вариантов воплощения расположена в непосредственной близости к эмиттеру, и второй омический контакт, содержащий область рекомбинации коллектора, сформирован между вторым омическим контактом и областью промежутка. Область промежутка в вариантах воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, может быть либо n-типа, либо р-типа, либо может быть выполнена из беспримесного полупроводника. Теплообменник рассеивает тепло горячих электронов на втором омическом контакте, который подключен к области промежутка.In the embodiments used for cooling, carrier transfer is accomplished using an external electric field. The first ohmic contact on the emitter, containing, in one embodiment, an n * -type region, is connected to a heat load, which is cooled by removing the heat flux using electrons emitted by the emitter. As described in connection with embodiments of heat-to-electricity converters according to the present invention, electrons in the embodiments used for cooling circulate from an emitter, preferably from a hot ohmic contact in the n * -type region, to the gap region. The gap region in one embodiment is located in close proximity to the emitter, and a second ohmic contact containing a recombination region of the collector is formed between the second ohmic contact and the gap region. The gap region in the embodiments according to the present invention may be either n-type or p-type, or may be made of pure semiconductor. The heat exchanger dissipates the heat of the hot electrons at the second ohmic contact, which is connected to the gap region.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Для более полного понимания способа достижения вышеописанных преимуществ и целей настоящего изобретения будет приведено более подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на его конкретные варианты воплощения, которые иллюстрируются на прилагаемых чертежах.For a more complete understanding of the method of achieving the above advantages and objectives of the present invention, a more detailed description of the present invention will be given with reference to its specific embodiments, which are illustrated in the accompanying drawings.
Фиг.1 схематично изображает вариант воплощения обычного термоэлектронного преобразователя;Figure 1 schematically depicts an embodiment of a conventional thermionic converter;
фиг.2 - вид в поперечном сечении теплового диода, в соответствии с настоящим изобретением;figure 2 is a view in cross section of a thermal diode, in accordance with the present invention;
фиг.3 - график нормированного параметра χ проводимости как функцию от температуры для материала InSb, при условии, что N*D=1020 см-3;figure 3 is a graph of the normalized conductivity parameter χ as a function of temperature for the InSb material, provided that N * D = 10 20 cm -3 ;
фиг.4 - концентрация электронов и дырок для термоэлектронной структуры n*pn* в InSb, где концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет 1020 см-3, и концентрация акцептора в области промежутка составляет 1017 см-3;figure 4 - the concentration of electrons and holes for the thermionic structure n * pn * in InSb, where the concentration of the donor in the areas of the emitter and collector is 10 20 cm -3 , and the concentration of the acceptor in the region of the gap is 10 17 cm -3 ;
фиг.5А - концентрация электронов для термоэлектронной структуры n*nn* в InSb, где концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет 1020 см-3, и концентрация донора в области промежутка составляет 1014 см-3;figa - electron concentration for thermoelectronic structure n * nn * in InSb, where the donor concentration in the emitter and collector regions is 10 20 cm -3 , and the donor concentration in the gap region is 10 14 cm -3 ;
фиг.5В - график нормированной проводимости χ как функция температуры для нескольких полупроводников;5B is a graph of normalized conductivity χ as a function of temperature for several semiconductors;
фиг.6 - концентрации электронов и дырок для термоэлектронной структуры n*nn* в InSb, где концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет 1020 см-3 и концентрация донора в области промежутка составляет 8×1017 см-3;Fig.6 is the concentration of electrons and holes for the thermionic structure n * nn * in InSb, where the donor concentration in the emitter and collector regions is 10 20 cm -3 and the donor concentration in the gap region is 8 × 10 17 cm -3 ;
фиг.7 - нормированную высоту барьера Δu как функцию концентрации примесей;Fig.7 is the normalized height of the barrier Δu as a function of the concentration of impurities;
фиг.8 - график зависимости токов короткого замыкания как функция высоты нормированного барьера для структур, описанных выше при Тmax=600 К и Δτ=0,5;Fig. 8 is a graph of short circuit currents as a function of the height of the normalized barrier for the structures described above at T max = 600 K and Δτ = 0.5;
фиг.9 - характеристики тока и напряжения для конструкции из материала InSb толщиной 625 мкм, с концентрацией электронов эмиттера, составляющей 1020 электронов/см3, при температуре эмиттера Тmax=600 К и температуре коллектора Tmin=300 К;Fig.9 - current and voltage characteristics for a structure of InSb material with a thickness of 625 μm, with an emitter electron concentration of 10 20 electrons / cm 3 , at an emitter temperature T max = 600 K and a collector temperature T min = 300 K;
фиг.10 - мощность нагрузки на единицу площади для конструкции из материала InSb толщиной 625 мкм, при концентрации электронов эмиттера, составляющей 1020 электронов/см3, температуре эмиттера Тmax=600 К и температуре коллектора Тmin=300 К;figure 10 - load power per unit area for a structure of InSb material with a thickness of 625 μm, with an emitter electron concentration of 10 20 electrons / cm 3 , emitter temperature T max = 600 K and collector temperature T min = 300 K;
фиг.11 - график тепловой мощности, рассеиваемой на единицу площади как функция напряжения для конструкции из материала InSb толщиной 625 мкм, с концентрацией электронов на эмиттере, составляющей 1020 электронов/см3, при температуре эмиттера Тmax=600 К и температуре коллектора Тmin=300 К;11 is a graph of thermal power dissipated per unit area as a function of voltage for an InSb structure of 625 μm thick, with an electron concentration on the emitter of 10 20 electrons / cm 3 , at an emitter temperature T max = 600 K and a collector temperature T min = 300 K;
фиг.12 - график интенсивности как функция напряжения для конструкции из материала InSb. Результаты вычислений приведены для плотностей примесей в промежутке 1017 (самая нижняя кривая на графике), 3×1017, 5×1017 и 7×1017 (самая верхняя кривая на графике) в единицах см-3;12 is a graph of intensity as a function of stress for an InSb structure. The calculation results are given for the density of impurities in the interval 10 17 (the lowest curve on the graph), 3 × 10 17 , 5 × 10 17 and 7 × 10 17 (the highest curve on the graph) in units of cm -3 ;
фиг.13 - результаты числовой оптимизации КПД как функции легирования материала промежутка в широком диапазоне концентрации примеси при фиксированной концентрации ионизированных примесей эмиттера, составляющей 1020 см-3;Fig. 13 shows the results of numerical optimization of the efficiency as a function of alloying the gap material in a wide range of impurity concentrations at a fixed concentration of ionized emitter impurities of 10 20 cm -3 ;
фиг.14 - результаты для оптимального КПД как функции легирования эмиттера с фиксированным уровнем примесей в промежутке ND=7×1017 см-3;Fig - results for optimal efficiency as a function of doping the emitter with a fixed level of impurities in the interval N D = 7 × 10 17 cm -3 ;
фиг.15 - график тепловой мощности и мощности в нагрузке на единицу площади для конструкций теплового диода;Fig - graph of thermal power and power in the load per unit area for the construction of a thermal diode;
фиг.16 - график КПД конструкции с концентрацией электронов эмиттера, составляющей 1020 электронов/см3 и плотностью примесей в промежутке, составляющей 7×1017 см-3;Fig is a graph of the efficiency of the design with an electron emitter concentration of 10 20 electrons / cm 3 and an impurity density in the gap of 7 × 10 17 cm -3 ;
фиг.17 - график оптимизированного КПД как часть термодинамического ограничения;17 is a graph of optimized efficiency as part of a thermodynamic limitation;
фиг.18 - поток тепловой мощности при условиях оптимального преобразования энергии при различных температурах;Fig. 18 is a flow of heat power under conditions of optimal energy conversion at various temperatures;
фиг.19 - вид в поперечном сечении компенсированного теплового диода;Fig. 19 is a cross-sectional view of a compensated thermal diode;
фиг.20 - зависимость тока как функция количества примесей в промежутке для конструкции теплового диода InSb;Fig - current dependence as a function of the amount of impurities in the gap for the construction of the thermal diode InSb;
фиг.21 - графики оптимизации КПД как функции примесей промежутка с компенсацией р-типа, с использованием концентраций на уровне 7×1017, 1018, 2×1018 и 3×1018 см-3;Fig - graphs of the optimization of efficiency as a function of impurities of the gap with compensation of the p-type, using concentrations at the level of 7 × 10 17 , 10 18 , 2 × 10 18 and 3 × 10 18 cm -3 ;
фиг.22 - вид в поперечном сечении отдельного компенсированного теплового диода с повышением температуры в направлении, обозначенном стрелкой, отмеченной буквой Т;Fig is a view in cross section of a separate compensated thermal diode with increasing temperature in the direction indicated by the arrow marked with the letter T;
фиг.23А - график КПД при оптимизированных условиях как функция температуры эмиттера для различных уровней легирования в промежутке с идеальной компенсацией. При этом предполагается использование материала InSb в качестве компенсированного теплового диода с толщиной 625 мкм, с плотностью электронов эмиттера, составляющей 1020 см-3, и температурой коллектора, составляющей 300 К;figa is a graph of efficiency under optimized conditions as a function of emitter temperature for various levels of doping in the interval with perfect compensation. The use of InSb material as a compensated thermal diode with a thickness of 625 μm, with an emitter electron density of 10 20 cm -3 and a collector temperature of 300 K is assumed;
фиг.23В - КПД, нормированный по отношению к термодинамическому пределу, при оптимизированных условиях как функция температуры эмиттера для различных случаев, показанных на фигуре 23А;figv - efficiency, normalized with respect to the thermodynamic limit, under optimized conditions as a function of emitter temperature for various cases, shown in figure 23A;
фиг.24 - вариант воплощения с использованием четырех установленных в ряд диодов;24 is an embodiment using four diodes mounted in a row;
фиг.25 - вариант воплощения, в котором используется множество установленных в ряд диодов, образующих криволинейный контур клиновидной формы;25 is an embodiment in which a plurality of diodes installed in a row are used, forming a curved line contour of a wedge-shaped shape;
фиг.26 - вариант воплощения в виде установленных в ряд диодов, в котором контур приближается к идеальной кривой, изображенной на фигуре 25;Fig. 26 is an embodiment in the form of a series of diodes in which the circuit approaches the ideal curve shown in Fig. 25;
фиг.27А-27В - зависимость КПД как функция температуры для оптимизированных вариантов воплощения компенсированных тепловых диодов, в которой температура коллектора составляет приблизительно 300 К, в соответствии с настоящим изобретением;figa-27B - the dependence of efficiency as a function of temperature for optimized embodiments of the compensated thermal diodes, in which the collector temperature is approximately 300 K, in accordance with the present invention;
фиг.28 и 29 - графики зависимости дозы, необходимой для создания компенсированного слоя в широком диапазоне энергии ионов в InSb диоде n-типа, легированного до концентрации n;28 and 29 are graphs of the dose dependence necessary to create a compensated layer in a wide range of ion energy in an n-type InSb diode doped to a concentration of n;
фиг.30 - результаты для дозы легирования омического контакта, требуемой для получения мелкого слоя примесей Те с концентрацией 1021 см-3 в конструкции InSb;Fig. 30 shows the results for the dose doping of the ohmic contact required to obtain a fine layer of Te impurities with a concentration of 10 21 cm -3 in the InSb construct;
фиг.31 - глубина проникновения ионов для фиг.30;Fig - depth of penetration of ions for Fig;
фиг.32 - результаты внедрения примеси Ag для получения омического контакта;Fig - the results of the introduction of Ag impurities to obtain ohmic contact;
фиг.33 - результаты внедрения примеси Ag для получения омического контакта;Fig - the results of the introduction of impurities Ag to obtain ohmic contact;
фиг.34 - температурные характеристики промежутка InSb;Fig - temperature characteristics of the gap InSb;
фиг.35 - зависимость температуры от высоты барьера для слоя с примесью из Те до концентрации 3×1019 см-3, нанесенной на InSb с примесью Те до концентрации 1×1018 см-3 с In эмиттером;Fig - temperature dependence on the height of the barrier for a layer of Te impurity to a concentration of 3 × 10 19 cm -3 deposited on InSb with Te impurity to a concentration of 1 × 10 18 cm -3 with an In emitter;
фиг.36А - состояние поверхности контакта металл-полупроводник;figa - state of the metal-semiconductor contact surface;
фиг.36В - схематический вариант воплощения настоящего изобретения, который содержит слой на границе раздела металл-полупроводник, предназначенный для снижения барьера;Fig. 36B is a schematic embodiment of the present invention, which comprises a layer at a metal-semiconductor interface designed to reduce a barrier;
фиг.37 - кривые I-V зависимости тока от напряжения для одного диода и установленных в ряд трех InSb диодов;Fig - curves I-V of the current versus voltage for one diode and installed in a row of three InSb diodes;
фиг.38 - график КПД одной пластины для InSb как функции дозы ионного легирования Ar для образца с размерами 0,50×1,0×1,5 мм3;Fig is a graph of the efficiency of one plate for InSb as a function of the dose of ion doping Ar for a sample with dimensions of 0.50 × 1.0 × 1.5 mm 3 ;
фиг.39 - график глубины ионного легирования 4Не как функции энергии иона для цели InSb;Fig. 39 is a graph of the depth of ion doping 4 Not as a function of ion energy for an InSb target;
фиг.40 - результаты моделирования множества вакансий на ион как функции энергии иона 4He для ионного легирования, представленной на фигуре 39;Fig - simulation results of many vacancies per ion as a function of the energy of the 4 He ion for ion doping, shown in figure 39;
фиг.41 - график плотности выходного тока для варианта воплощения, содержащего образец материала Hg0,86Cd0,14Te, как функции температуры горячей стороны образца с медным (Cu) слоем эмиттера, и образец со слоем In-Ga эмиттера;Fig. 41 is a graph of the output current density for an embodiment containing a sample of Hg material 0.86 Cd 0.14 Te, as a function of the temperature of the hot side of the sample with a copper (Cu) emitter layer, and a sample with an In-Ga emitter layer;
фиг.42 - график плотности выходного тока для варианта воплощения, содержащего образец материала Hg0,86Cd0,14Te, как функции горячей стороны для образца с алюминиевой (Al) подложкой и для образца с In-а подложкой;Fig. 42 is a graph of the output current density for an embodiment containing a sample of Hg 0.86 Cd 0.14 Te material as a function of the hot side for a sample with an aluminum (Al) substrate and for a sample with an In-substrate;
фиг.43 - график абсолютного КПД как функции температуры для варианта воплощения теплового диода с компенсацией, содержащего образец материала Hg0,86Cd0,14Te;Fig. 43 is a graph of absolute efficiency as a function of temperature for an embodiment of a compensated thermal diode containing a sample of material Hg 0.86 Cd 0.14 Te;
фиг.44 - график КПД, выраженного как процентное отношение к идеальному циклу КПД Карно, как функции температуры, для того же варианта воплощения, который представлен на фигуре 43;Fig. 44 is a graph of the efficiency expressed as a percentage of the ideal Carnot efficiency cycle as a function of temperature for the same embodiment as shown in Figure 43;
фиг.45 - график абсолютного КПД для варианта воплощения преобразователя со слоистой структурой как функции температуры горячей пластины;Fig. 45 is a graph of absolute efficiency for an embodiment of a transducer with a layered structure as a function of the temperature of the hot plate;
фиг.46 - график КПД, выраженного как процентное отношение к идеальному КПД цикла Карно, как функции температуры горячей пластины для того же варианта воплощения, который изображен на фигуре 45;FIG. 46 is a graph of efficiency expressed as a percentage of the ideal efficiency of the Carnot cycle as a function of the temperature of the hot plate for the same embodiment as shown in FIG. 45;
фиг.47 - график для нормированного показателя качества материала Hg1-xCdxTe по отношению к этому показателю для InSb как функции от х;Fig. 47 is a graph for a normalized indicator of material quality Hg 1-x Cd x Te with respect to this indicator for InSb as a function of x;
фиг.48 - тепловой диод, предназначенный для охлаждения;Fig. 48 is a thermal diode for cooling;
фиг.49 - компенсированный тепловой диод, предназначенный для охлаждения;Fig. 49 is a compensated thermal diode for cooling;
фиг.50 - график зависимости коэффициента полезного действия как функции температуры для вариантов воплощения, предназначенных для охлаждения.Fig. 50 is a graph of the performance as a function of temperature for embodiments intended for cooling.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE PRESENT INVENTION
Настоящее изобретение воплощено в виде твердотельного термоэлектронного преобразователя 10 энергии, который, в общем, изображен на фигуре 2, и направлено на способ и устройство, предназначенные для преобразования энергии. Один из вариантов воплощения твердотельного термоэлектронного преобразователя 10 энергии, в соответствии с настоящим изобретением, содержит полупроводниковый диод, включающий область 14 n*-типа, используемую в качестве эмиттера, область 16 промежутка, расположенную вблизи к области 14 n*-типа, горячий омический контакт 12, соединенный с указанной областью 14 n*-типа, и холодный омический контакт 20, который является коллектором и который соединен с указанной областью 16 промежутка. В одном из вариантов воплощения холодный омический контакт 20 имеет область 18 рекомбинации коллектора, сформированную между холодным омическим контактом 20 и указанной областью 16 промежутка.The present invention is embodied in the form of a solid-state
Область рекомбинации в некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения содержит явно выраженный слой. В других вариантах воплощения настоящего изобретения область рекомбинации получают путем обработки и/или нанесения повреждений на поверхности омического контакта или коллектора. Формование области рекомбинации в контексте настоящего изобретения, таким образом, включает процедуры, предназначенные для внедрения слоя рекомбинации, и процедуры для обработки и/или нанесения повреждений на поверхности омического контакта или коллектора.The recombination region in some embodiments of the present invention contains a distinct layer. In other embodiments of the present invention, a recombination region is obtained by treating and / or causing damage to the surface of an ohmic contact or collector. The formation of a recombination region in the context of the present invention thus includes procedures for embedding a recombination layer and procedures for treating and / or damaging an ohmic contact or collector surface.
Термин n*-область, используемый здесь, обозначает область n-типа, которая имеет более высокую концентрацию электронов, чем обычно область n-типа. Иллюстративные варианты воплощения материалов, составляющих n*-области, приведены ниже. Общая характеристика n*-области и n-области в зависимости от относительной плотности донора Nd* и Nd приведена ниже. Примеры областей n*-типа представляют области, которые включают InSb с примесью Те, при концентрации от приблизительно 1016 см-3 до приблизительно 1019 см-3. Концентрации порядка 1020 см-3 также рассматриваются как характерные для примесей материалов в областях n-типа в вариантах воплощения настоящего изобретения. Примеры областей n*-типа представлены областями, которые включают InSb с примесью Те при концентрациях от приблизительно 1019 см-3 до приблизительно 3·1019 см-3. Концентрации приблизительно 3·1020 см-3 также рассматриваются как характерные для примесей материалов в областях n*-типа в вариантах воплощения настоящего изобретения. Кроме Те в некоторых других вариантах воплощения настоящего изобретения примеси включают, по меньшей мере, один из следующих элементов: серу, селен и олово (S, Se и Sn). Кроме того, символ n** используется здесь для обозначения n*-области с более высокой концентрацией электронов, чем в n*-области. Примеры областей n**-типа представлены областями, которые включают такие материалы примесей, как индий, теллур, галлий и железо (In, Те, Ga и Fe).The term n * region, as used herein, denotes an n-type region that has a higher electron concentration than usual an n-type region. Illustrative embodiments of materials constituting n * -regions are given below. The general characteristics of the n * region and n region, depending on the relative donor density Nd * and Nd, are given below. Examples of n * -type regions are regions that include InSb with Te impurity at a concentration of from about 10 16 cm -3 to about 10 19 cm -3 . Concentrations of the order of 10 20 cm −3 are also considered as characteristic of material impurities in n-type regions in embodiments of the present invention. Examples of n * -type regions are represented by regions that include InSb with Te impurity at concentrations from about 10 19 cm -3 to about 3 · 10 19 cm -3 . Concentrations of approximately 3 × 10 20 cm −3 are also considered characteristic of material impurities in n * -type regions in embodiments of the present invention. In addition to Those in some other embodiments of the present invention, the impurities include at least one of the following elements: sulfur, selenium and tin (S, Se and Sn). In addition, the symbol n ** is used here to denote the n * region with a higher electron concentration than in the n * region. Examples of n ** -type regions are represented by regions that include impurity materials such as indium, tellurium, gallium, and iron (In, Te, Ga, and Fe).
В варианте воплощения преобразователя, в соответствии с настоящим изобретением, через электрическую нагрузку RL, подключенную к горячему омическому контакту 12 и холодному омическому контакту 20, проходит вырабатываемый электрический ток. Эмиттер может быть металлическим. Область 16 промежутка может быть областью n-типа, р-типа, областью с умеренным количеством примеси или может состоять из беспримесного полупроводника. Электроны собираются в области 18 рекомбинации коллектора. Подогреваемый эмиттер вырабатывает электродвижущую силу по отношению к коллектору, которая приводит к образованию тока через последовательно подключенную нагрузку.In an embodiment of the converter according to the present invention, an generated electric current flows through an electric load R L connected to the hot
Следует отметить, что принцип действия, в соответствии с настоящим изобретением, такой же, как для дырочной проводимости, так и для электронов. Кроме того, приведенные здесь ссылки на металлы также включают сплавы.It should be noted that the principle of operation in accordance with the present invention is the same for hole conductivity as well as for electrons. In addition, metal references provided herein also include alloys.
В отличие от обычных термоэлектронных устройств, варианты воплощения преобразователей, в соответствии с настоящим изобретением, представляют собой твердотельные устройства. Однако в известном уровне техники описаны только устройства, основанные на использовании вакуума между электродами, или в которых пространство между электродами заполнено газом. Общие характеристики таких обычных устройств кратко описаны выше.Unlike conventional thermionic devices, embodiments of the transducers in accordance with the present invention are solid state devices. However, only devices based on the use of vacuum between the electrodes, or in which the space between the electrodes are filled with gas, are described in the prior art. The general characteristics of such conventional devices are briefly described above.
Вместо пространства с вакуумом или пространства, заполненного газом, варианты воплощения настоящего изобретения содержат полупроводниковый материал.Instead of a space with a vacuum or a space filled with gas, embodiments of the present invention comprise a semiconductor material.
Полупроводники используются не потому, что они обладают электропроводностью, но благодаря наличию у них двух необычных свойств. Первое: концентрация свободных носителей в полупроводниковых материалах, и, следовательно, электропроводность повышаются экспоненциально с ростом температуры (приблизительно на 5% на градус Цельсия при обычных температурах). Второе: электропроводность полупроводника может быть существенно повышена и в точно контролируемой степени путем добавления небольших количеств примесей в процессе, называемом легированием полупроводника. Поскольку существует два типа носителей подвижных зарядов (электроны и дырки) с противоположными знаками, могут быть созданы необычные распределения носителей зарядов. Это свойство используется в полупроводниковом диоде. Полупроводники, чистые или легированные, р-типа или n-типа, являются двусторонними; ток протекает в них в любом направлении с одинаковой силой. Если, однако, расположить область р-типа в непосредственной близости к области n-типа, создается градиент носителей, который является однонаправленным; при этом ток свободно протекает только в одном направлении. Полученное в результате устройство - полупроводниковый диод - проявляет очень полезное свойство управления переносом носителей, которое может использоваться для преобразования энергии.Semiconductors are used not because they have electrical conductivity, but because they have two unusual properties. First: the concentration of free carriers in semiconductor materials, and therefore the electrical conductivity increase exponentially with increasing temperature (approximately 5% per degree Celsius at ordinary temperatures). Second: the electrical conductivity of a semiconductor can be significantly increased and to a precisely controlled extent by adding small amounts of impurities in a process called doping of the semiconductor. Since there are two types of mobile charge carriers (electrons and holes) with opposite signs, unusual distribution of charge carriers can be created. This property is used in a semiconductor diode. Semiconductors, pure or doped, p-type or n-type, are two-sided; current flows in them in any direction with equal force. If, however, the p-type region is located in close proximity to the n-type region, a carrier gradient is created that is unidirectional; while the current flows freely in only one direction. The resulting device — a semiconductor diode — exhibits a very useful carrier transfer control property that can be used to convert energy.
Приведенное ниже описание и графический материал относятся к моделям и/или имитациям явления, связанного с рабочими вариантами воплощения настоящего изобретения. Ссылки на эти модели и/или имитации не предназначены для ограничения описания настоящего изобретения. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено и не сужено до какого-либо одиночного пояснения лежащих в его основе физических процессов. Модели и/или имитации предназначены для получения соответствующих переменных, которые могут использоваться для разработки дополнительных вариантов воплощения, предусматриваемых в пределах объема настоящего изобретения, даже если такие варианты воплощения не были подробно описаны в контексте настоящего описания. При использовании в настоящем описании таких инструментов специалист в данной области техники может разработать дополнительные варианты воплощения, которые находятся в пределах объема настоящего изобретения и формулы изобретения. В соответствии с этим, следующее описание и графический материал представляют варианты воплощения настоящего изобретения и модели, которые могут использоваться для разработки дополнительных вариантов воплощения, предусмотренных в объеме настоящего изобретения.The following description and graphic material relate to models and / or simulations of a phenomenon associated with working embodiments of the present invention. References to these models and / or simulations are not intended to limit the description of the present invention. It should be understood that the present invention is not limited and not limited to any single explanation of the underlying physical processes. Models and / or simulations are intended to provide appropriate variables that can be used to develop additional embodiments envisioned within the scope of the present invention, even if such embodiments were not described in detail in the context of the present description. When such tools are used in the present description, one of ordinary skill in the art may develop further embodiments that are within the scope of the present invention and claims. Accordingly, the following description and graphic material represent embodiments of the present invention and models that can be used to develop additional embodiments contemplated within the scope of the present invention.
Ниже приведены результаты для теплового диода с материалом InSb, поскольку InSb является одним из полупроводниковых материалов, использованных для вариантов воплощения настоящего изобретения. Было показано, что поведение варианта воплощения на InSb согласуется с инжекцией носителей из эмиттера в область промежутка, с разрешенным переносом через промежуток к коллектору. Эти результаты сопоставимы с зависимостью КПД от степени легирования материала промежутка, поскольку степень легирования материала промежутка определяет высоту барьера и силу тока. Эти результаты также показывают, что оптимизация КПД теплового диода, в соответствии с настоящим изобретением, с использованием InSb может достигать 5,5% при 600 К на эмиттере и при плотности электронов на эмиттере, составляющей 1020 см-3.The following are the results for a thermal diode with InSb material, since InSb is one of the semiconductor materials used for the embodiments of the present invention. It was shown that the behavior of the embodiment on InSb is consistent with the injection of carriers from the emitter into the region of the gap, with allowed transfer through the gap to the collector. These results are comparable with the dependence of the efficiency on the degree of doping of the gap material, since the degree of doping of the gap material determines the height of the barrier and the current strength. These results also show that the optimization of the thermal diode efficiency, in accordance with the present invention, using InSb can reach 5.5% at 600 K on the emitter and at an electron density on the emitter of 10 20 cm -3 .
Ниже также приведено описание со ссылкой на чертежи компенсации, используемой в качестве технологии повышения КПД в вариантах воплощения настоящего изобретения. Компенсация включает подавление обратного тока. Способы формирования омических контактов в вариантах воплощения настоящего изобретения описаны ниже.The following is also a description with reference to compensation drawings used as a technology for improving efficiency in embodiments of the present invention. Compensation includes reverse current suppression. Methods of forming ohmic contacts in embodiments of the present invention are described below.
Примеры вариантов воплощения настоящего изобретения, которые содержат материал InSb со слоем компенсации, включают пластины из InSb с легированием примесью n-типа, такой, как теллур Те, и слой эмиттера из теллура Те, имплантированного с использованием технологии магнетронного напыления. Слой компенсации в этих вариантах воплощения сформирован путем имплантации примесей р-типа. Такие примеси р-типа содержат, по меньшей мере, один ион такого типа, как аргон или гелий (Ar и Не), которые компенсируют примесь n-типа.Examples of embodiments of the present invention that contain an InSb material with a compensation layer include InSb plates doped with an n-type impurity such as tellurium Te, and a tellurium emitter layer of Te implanted using magnetron sputtering technology. The compensation layer in these embodiments is formed by implantation of p-type impurities. Such p-type impurities contain at least one ion of a type such as argon or helium (Ar and He), which compensate for the n-type impurity.
Другой материал для построения эмиттера типа n*/n в соответствии с настоящим изобретением, содержит Hg1-xCdxTe. Например, в вариантах воплощения в соответствии с настоящим изобретением, используется пластина Hg0,86Cd0,14Te для построения эмиттера n*/n путем реакции Hg0,86Cd0,14Te с подложкой, содержащей примеси n-типа, такие как алюминий и индий-галлий (Al и In-Ga), при этом создается n* область инжектирования электронов. Одна из форм материала индий-галлий (In-Ga), используемая с этой целью, представляет собой сплав In0,75Са0,25. Варианты воплощения с таким эмиттером позволяют получать плотность выходного электрического тока, которая повышается как функция температуры горячей стороны. Ниже показано, что при этом в вариантах воплощения достигаются КПД, которые превышают 30% от идеального КПД цикла Карно.Another material for constructing an n * / n type emitter in accordance with the present invention contains Hg 1-x Cd x Te. For example, in embodiments according to the present invention, an Hg 0.86 Cd 0.14 Te plate is used to construct an n * / n emitter by reacting an Hg 0.86 Cd 0.14 Te with a substrate containing n-type impurities, such like aluminum and indium gallium (Al and In-Ga), this creates an n * electron injection region. One form of indium gallium (In-Ga) material used for this purpose is an In 0.75 Ca 0.25 alloy. Embodiments with such an emitter make it possible to obtain an output current density that rises as a function of the temperature of the hot side. It is shown below that in this case, in the embodiments, efficiency is achieved that exceeds 30% of the ideal efficiency of the Carnot cycle.
В других вариантах воплощения настоящего изобретения часть многопластинчатой или слоистой конфигурации составляет материал Hg1-xCdxTe. Например, один из вариантов воплощения этих слоистых структур, в соответствии с настоящим изобретением, содержит пластину InSb, легированную материалом n-типа, таким, как теллур (Те), и слой эмиттера из InSb, с напылением теллура (Те) и покрытием из такого материала, как In-Ga, более конкретно, In0,75Ga0,25. Вторая пластина в таком слоистом материале содержит Hg1-xCdxTe, где х, в одном из вариантов воплощения, равен 0,14.In other embodiments, embodiments of the present invention, part of a multi-plate or layered configuration is Hg 1-x Cd x Te. For example, one embodiment of these layered structures, in accordance with the present invention, comprises an InSb plate doped with an n-type material such as tellurium (Te) and an InSb emitter layer coated with tellurium (Te) and coated with such material, such as In-Ga, more specifically, In 0.75 Ga 0.25 . The second plate in such a laminate contains Hg 1-x Cd x Te, where x, in one embodiment, is 0.14.
Примеры вариантов воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, включают конструкционные параметры некомпенсированных тепловых диодов, компенсированных тепловых диодов и диодов Шотки. Кроме того, преобразователи, в соответствии с настоящим изобретением, включают преобразователи тепловой энергии в электричество, и варианты воплощения, предназначенные для охлаждения. Как описано ниже, два варианта воплощения включают одни и те же основные компоненты, при этом они работают либо как термоэлектронные преобразователи для охлаждения, либо как тепловые диоды для преобразования тепловой энергии в электричество.Examples of embodiments in accordance with the present invention include the structural parameters of uncompensated thermal diodes, compensated thermal diodes and Schottky diodes. In addition, the converters in accordance with the present invention include converters of thermal energy to electricity, and embodiments for cooling. As described below, two embodiments include the same basic components, and they work either as thermionic converters for cooling, or as thermal diodes for converting thermal energy into electricity.
При этом в контексте настоящего изобретения было определено, что материал Hg1-xCdxTe, при х, равном от приблизительно 0,08 до приблизительно 0,15, проявляет высокое значение термоэлектронного показателя качества, оставаясь при этом полупроводником, и с обеспечением возможности использования конструкции слой n* эмиттера/слой компенсации, и проявляя характеристики, описанные выше по отношению к другим материалам. Кроме того, в контексте настоящего изобретения также было определено, что материал Hg0,92Cd0,18Te проявляет отличные термоэлектрические свойства.Moreover, in the context of the present invention, it was determined that the material Hg 1-x Cd x Te, at x equal to from about 0.08 to about 0.15, exhibits a high value of thermoelectronic quality index, while remaining a semiconductor, and with the possibility using the design of the n * emitter layer / compensation layer, and exhibiting the characteristics described above with respect to other materials. In addition, in the context of the present invention, it has also been determined that Hg 0.92 Cd 0.18 Te exhibits excellent thermoelectric properties.
1. Твердотельный термоэлектронный преобразователь1. Solid state thermionic converter
Область 14 n* с высокой степенью легирования в вариантах воплощения настоящего изобретения может использоваться в качестве области эмиттера, из которой носители заряда могут выталкиваться под действием тепла в область 16 промежутка. Область n* содержит полупроводник, легированный с высокой концентрацией донорной примеси (примеси, создающие избыток электронов). Например, материал InSb может быть легирован теллуром или серой (Те или S). При этом в контексте настоящего изобретения было определено, что преобразование энергии представляет собой функцию нормированной электропроводности χ полупроводника, которая, в свою очередь, представляет собой функцию параметров материала и пикового легирования материала полупроводника эмиттера.The high doping region 14 n * in embodiments of the present invention can be used as an emitter region from which charge carriers can be expelled by heat to the
Соответствующие параметры материала были исследованы в контексте настоящего изобретения для определения полезных рабочих режимов для ряда полупроводников. Эта оценка представлена ниже для иллюстрации того, как выбирали соответствующие параметры полупроводника из ряда материалов, и как этот выбор и оценка могут быть расширены в пределах объема настоящего изобретения на дополнительные материалы, указанные ниже.Appropriate material parameters were investigated in the context of the present invention to determine beneficial operating conditions for a number of semiconductors. This rating is presented below to illustrate how the appropriate semiconductor parameters were selected from a number of materials, and how this selection and rating can be extended within the scope of the present invention to the additional materials indicated below.
В таблице 1 приведен список параметров материала, включая подвижность электронов и теплопроводность, и связанные с ними оценки значения χ. Оценки значений для нормированной электропроводности χ были получены с использованием уровня концентрации N*D=1020 см-3, при этом можно видеть широкий диапазон (практически четыре порядка по величине) возможных значений нормированной электропроводности χ. Данные для построения этой таблицы приведены на основании публикации CRC Handbook of Chemistry and Physics, 67-oe издание. Материалы с малым значением χ являются более предпочтительными. В соответствии с этим критерием, предпочтительный материал среди полупроводников, представленных в таблице 1, представляет собой селенид ртути, с соответствующим значением χ=0,014. При такой нормированной электропроводности и сниженном потенциале 5 КПД оптимизированного барьера достигает приблизительно 13,3% и 23,8% для отношения разностей температур эмиттер-коллектор к температуре эмиттера (Δτ) 0,3 и 0,5, соответственно. Эти значения КПД близки к половине максимальных значений термодинамики.Table 1 provides a list of material parameters, including electron mobility and thermal conductivity, and associated estimates of χ. Estimates of the values for the normalized electrical conductivity χ were obtained using the concentration level N * D = 10 20 cm -3 , and a wide range (almost four orders of magnitude) of possible values of the normalized electrical conductivity χ can be seen. The data for constructing this table are based on CRC Handbook of Chemistry and Physics, 67th edition. Materials with a small χ value are more preferred. According to this criterion, the preferred material among the semiconductors shown in Table 1 is mercury selenide, with a corresponding value of χ = 0.014. With such normalized electrical conductivity and a reduced potential of 5, the efficiency of the optimized barrier reaches approximately 13.3% and 23.8% for the ratio of the temperature differences of the emitter-collector to the emitter temperature (Δτ) of 0.3 and 0.5, respectively. These efficiency values are close to half the maximum values of thermodynamics.
Как подвижность, так и теплопроводность, в общем, являются функциями температуры. В InSb, как подвижность, так и проводимость снижаются при повышении температуры. Получаемая в результате зависимость χ от температуры изображена на фигуре 3. На фигуре 3 изображен нормированный параметр χ проводимости (также называемый "показатель качества") как функция температуры для материала InSb, при условии, что N*D=1020 см-3. Результаты показаны для областей промежутка n-типа с плотностями легирования ND=1015, 1016, 1017, 1018 единиц см-3. Как можно видеть, нормированная проводимость уменьшается при повышении температуры. Кроме того, нормированная проводимость уменьшается в присутствии фоновых носителей заряда, поскольку подвижность электронов в InSb уменьшается при повышении плотности легирования. В более общем смысле, на фигуре 5В показана зависимость нормированной проводимости χ для нескольких полупроводников.Both mobility and thermal conductivity are generally functions of temperature. In InSb, both mobility and conductivity decrease with increasing temperature. The resulting temperature dependence of χ is shown in Figure 3. Figure 3 shows the normalized conductivity parameter χ (also called the "quality indicator") as a function of temperature for the InSb material, provided that N * D = 10 20 cm -3 . The results are shown for regions of the n-type gap with doping densities N D = 10 15 , 10 16 , 10 17 , 10 18 units cm -3 . As can be seen, the normalized conductivity decreases with increasing temperature. In addition, the normalized conductivity decreases in the presence of background charge carriers, since the electron mobility in InSb decreases with increasing doping density. More generally, Figure 5B shows the normalized conductivity χ for several semiconductors.
Полупроводники, приведенные в Таблице 1, представляют собой материалы, которые могут использоваться в вариантах воплощения настоящего изобретения. InSb является одним из материалов среди этих полупроводников. Как будет показано ниже, материал Hg1-xCdxTe представляет собой другой полупроводник и проявляет свойство нормированной проводимости, составляющей приблизительно половину значения для такого параметра HgSe.The semiconductors shown in Table 1 are materials that can be used in embodiments of the present invention. InSb is one of the materials among these semiconductors. As will be shown below, the Hg 1-x Cd x Te material is another semiconductor and exhibits the property of normalized conductivity, which is approximately half the value for such an HgSe parameter.
В контексте настоящего изобретения было определено, что концентрации в областях эмиттера и промежутка могут быть связаны с барьером потенциала эмиттер-промежуток. Более конкретно, было определено, что барьер потенциала между эмиттером и концентрациями легирования промежутка р-типа составляетIn the context of the present invention, it has been determined that concentrations in the emitter and gap regions can be associated with an emitter-gap potential barrier. More specifically, it was determined that the potential barrier between the emitter and the doping concentration of the p-type gap is
где Δu представляет барьер потенциала эмиттер-промежуток, и представляют концентрации ионизированного донора и акцептора, ni - плотность беспримесного носителя, и Тmax представляет максимальную температуру эмиттера.where Δu represents the emitter-gap potential barrier, and represent the concentration of the ionized donor and acceptor, n i is the density of the pure carrier, and T max represents the maximum temperature of the emitter.
Барьер, в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения, составляет величину до приблизительно 7, предпочтительно, в диапазоне от приблизительно 1,5 до приблизительно 7, и более предпочтительно, от приблизительно 3 до приблизительно 7. К сожалению, такое значение является недостижимым для InSb в отсутствие независимого смещения промежутка для области промежутка р-типа при температурах, близких к комнатной температуре.The barrier in accordance with an embodiment of the present invention is up to about 7, preferably in the range from about 1.5 to about 7, and more preferably from about 3 to about 7. Unfortunately, this value is unattainable for InSb in the absence of independent gap displacement for the region of the p-type gap at temperatures close to room temperature.
В случае перехода эмиттер n* - промежуток n-типа было определено, что высота барьера составляетIn the case of the transition, the n * emitter is an n-type gap, it was determined that the barrier height is
Нормированное значение высоты барьера 5-7 соответствует уровню легирования е5-е7, что в цифровом выражении составляет 150-1100. Если область n* легирована до уровня 1020 см-3, то легирование области промежутка должно быть в диапазоне от 9×1016 см-3 до 7×1017 см-3.The normalized value of the barrier height 5-7 corresponds to the doping level e 5th 7 , which in digital terms is 150-1100. If the n * region is doped to a level of 10 20 cm –3 , then the doping of the gap region should be in the range from 9 × 10 16 cm –3 to 7 × 10 17 cm –3 .
2. Результаты для Теплового Диода InSb2. Results for InSb Thermal Diode
а. Инжектирование носителя зарядаbut. Charge carrier injection
Как показано на фигуре 2, эмиттер представляет собой горячую область 14 n*, изображенную с левой стороны. Область 16 промежутка представляет собой широкую область в центре, которая может быть либо областью n-типа, либо областью р-типа (хотя было определено, что более высокий КПД достигается при использовании промежутка n-типа). Коллектор изображен здесь как область 18 рекомбинации коллектора и холодный металлический контакт 20. Исходная предпосылка представленного здесь варианта конструкции, в соответствии с настоящим изобретением, состоит в том, что носители заряда выталкиваются под действием тепла из области 14 горячего эмиттера в область 16 промежутка, где они переносятся к области 18 коллектора и контакту 20.As shown in figure 2, the emitter is a hot region 14 n * depicted on the left side. The
В данной секции описаны вопросы, связанные с инжектированием носителей заряда из эмиттера в область промежутка, с тремя различными вариантами типа области промежутка (р-типа, беспримесный полупроводник и n-типа). Инжектирование электронов в область промежутка р-типа представляет собой гораздо более простую задачу для анализа, но при этом существует значительный барьер, который возникает в обедненной области. Оптимальный КПД достигается, когда барьер составляет порядка 4 kBT. Барьер между n* эмиттером и промежутком р-типа приближается к уровню 8-9 kBT. Следовательно, для инжектирования большего количества носителей заряда требуется более низкий барьер. Более низкие барьеры образуются при использовании областей промежутка n-типа с умеренной концентрацией, однако при этом следует понимать, что большая часть носителей заряда будет представлять собой инжектированные носители заряда.This section describes issues related to the injection of charge carriers from the emitter into the gap region, with three different variations of the gap region type (p-type, pure semiconductor and n-type). The injection of electrons into the region of the p-type gap is a much simpler task for analysis, but there is a significant barrier that arises in the depletion region. Optimum efficiency is achieved when the barrier is of the order of 4 k B T. The barrier between the n * emitter and the p-type gap approaches 8-9 k B T. Therefore, a lower barrier is required to inject more charge carriers. Lower barriers are formed when using regions of the n-type gap with a moderate concentration, however, it should be understood that most of the charge carriers will be injected charge carriers.
В случае теплового электронного испускания в область промежутка р-типа, в контексте настоящего изобретения использовался анализ npn транзистора с биполярными переходами для того, чтобы показать, что такое описание инжектирования носителей зарядов в принципе является правильным. На фигуре 4 представлены численные решения эмиссии заряда из горячего эмиттера n*-типа в область промежутка р-типа. Можно видеть, что электроны поступают в область промежутка и экранируются большинством носителей заряда в виде дырок, и перенос меньшего количества носителей заряда в основном происходит благодаря диффузии. При этом дырки действуют как экран для поля в области промежутка.In the case of thermal electron emission in the region of the p-type gap, in the context of the present invention, an npn transistor with bipolar junctions was used to show that such a description of the injection of charge carriers is in principle correct. Figure 4 shows the numerical solutions of charge emission from a hot n * -type emitter to the region of the p-type gap. It can be seen that the electrons enter the region of the gap and are screened by the majority of charge carriers in the form of holes, and the transfer of a smaller number of charge carriers mainly occurs due to diffusion. In this case, the holes act as a screen for the field in the gap region.
Существенное снижение высоты барьера происходит, когда область промежутка выполнена на основе беспримесного полупроводника. Поскольку плотности инжектируемых носителей заряда могут быть существенными, используется область промежутка n-типа с незначительным легированием с количеством доноров 1014 см-3, которая имитирует область промежутка на основе беспримесного полупроводника. Такая имитируемая область промежутка на основе беспримесного полупроводника позволяет получить более низкий потенциальный барьер, чем с использованием чисто беспримесной области промежутка. Результаты инжектирования носителей заряда в этом случае представлены на фигуре 4. На фигуре 4 показаны концентрации электронов и дырок для термоэлектронной структуры n*pn* в InSb. Концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет 1020 см-3, и концентрация акцептора в области промежутка составляет 1017 см-3. Эмиттер нагревали до температуры 600 К, и коллектор имел температуру 300 К. На чертеже показаны три случая: разомкнутая цепь i=0 (равновесие), при которой не происходит инжектирование носителей заряда; короткозамкнутая цепь ν=0 с максимальным током; и промежуточный случай, когда ν равно половине напряжения разомкнутой цепи. При этом видно, что плотности электронов и дырок становятся практически равными, что подразумевает поддержание нейтрального уровня заряда в области промежутка, насколько это можно понять на графике такого типа. При этом численным способом было проверено, что инжектирование заряда в область беспримесного полупроводника является возможной, и что электроны, инжектированные в область промежутка, могут переноситься в область коллектора.A significant decrease in the height of the barrier occurs when the gap region is made on the basis of pure semiconductor. Since the density of the injected charge carriers can be significant, an n-type gap region with minor doping with a donor number of 10 14 cm -3 is used , which simulates the gap region based on an unalloyed semiconductor. Such a simulated gap region based on a pure semiconductor allows a lower potential barrier to be obtained than using a purely pure gap region. The results of the injection of charge carriers in this case are presented in Figure 4. Figure 4 shows the electron and hole concentrations for the n * pn * thermionic structure in InSb. The donor concentration in the emitter and collector regions is 10 20 cm -3 , and the acceptor concentration in the gap region is 10 17 cm -3 . The emitter was heated to a temperature of 600 K, and the collector had a temperature of 300 K. Three cases are shown in the drawing: an open circuit i = 0 (equilibrium), in which carrier injection does not occur; short-circuit ν = 0 with maximum current; and the intermediate case when ν is equal to half the open circuit voltage. It can be seen that the electron and hole densities become almost equal, which implies maintaining a neutral charge level in the gap region, as far as this can be understood on a graph of this type. In this case, it was verified numerically that the injection of charge into the region of the pure semiconductor is possible, and that the electrons injected into the region of the gap can be transferred to the collector region.
Результаты инжектирования носителя заряда в этом случае дополнительно показаны на фигуре 5. На фигуре 5 показаны концентрации электронов для термоэлектронной структуры n*nn* в InSb. Концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет для этого случая 1020 см-3, и концентрация донора в области промежутка составляет 1014 см-3. Эмиттер нагрет до температуры 600 К, и температура коллектора составляет 300 К. На чертежах показаны три случая: разомкнутой цепи i=0 (равновесное состояние) без инжектирования носителей заряда; короткозамкнутой цепи ν=0 при максимальном токе; и промежуточный случай, когда ν равно половине напряжения в состоянии разомкнутой цепи. Можно видеть, что плотности электронов и дырок становятся практически равными, что подразумевает то, что нейтральный заряд поддерживается в области промежутка в тех пределах, которые можно видеть на графике такого типа. При этом численным способом было подтверждено, что инжектирование заряда в область беспримесного полупроводника является возможным и, что электроны, инжектированные в область промежутка, могут переноситься в область коллектора без каких-либо затруднений.The results of the injection of the charge carrier in this case are additionally shown in FIG. 5. FIG. 5 shows the electron concentrations for the n * nn * thermionic structure in InSb. The donor concentration in the emitter and collector regions is 10 20 cm -3 for this case, and the donor concentration in the gap region is 10 14 cm -3 . The emitter is heated to a temperature of 600 K and the collector temperature is 300 K. The drawings show three cases: open circuit i = 0 (equilibrium state) without injection of charge carriers; short circuit ν = 0 at maximum current; and the intermediate case when ν is equal to half the voltage in the open circuit state. It can be seen that the densities of electrons and holes become almost equal, which implies that the neutral charge is maintained in the gap in the range that can be seen on this type of graph. In this case, it was confirmed numerically that the injection of charge into the region of the pure semiconductor is possible and that the electrons injected into the region of the gap can be transferred to the collector region without any difficulties.
Ниже будет описан случай, когда носители заряда инжектируют из области эмиттера n*-типа в область промежутка n-типа с умеренным легированием. Численные результаты показаны на фигуре 6. На фигуре 6 представлены концентрации электронов и дырок для термоэлектронной структура n*nn* в InSb. Концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет 1020 см-3, и концентрация донора в области промежутка составляет 8×1017 см-3. Эмиттер нагревали до 600 К, и температура коллектора составляла 300 К. На чертежах изображены три случая: разомкнутой цепи i=0 (равновесное состояние) без инжектирования носителя заряда; короткозамкнутой цепи ν=0 при максимальном токе; и промежуточный случай, когда ν равно половине напряжения разомкнутой цепи. При этом наблюдалось, что возникает электронное инжектирование, и что перенос все еще, в большей или меньшей степени, является диффузионным переносом.A case will be described below when charge carriers are injected from the n * -type emitter region into the n-type gap region with moderate doping. The numerical results are shown in Figure 6. Figure 6 shows the electron and hole concentrations for the n * nn * thermionic structure in InSb. The donor concentration in the emitter and collector regions is 10 20 cm −3 , and the donor concentration in the gap region is 8 × 10 17 cm −3 . The emitter was heated to 600 K, and the collector temperature was 300 K. Three cases are shown in the drawings: open circuit i = 0 (equilibrium state) without injection of the charge carrier; short circuit ν = 0 at maximum current; and the intermediate case when ν is equal to half the open circuit voltage. It was observed that electron injection occurs, and that the transfer is still, to a greater or lesser extent, a diffusion transfer.
Представленные выше результаты показывают, что инжектирование электронов из области эмиттера n* в область промежутка происходит, как и ожидалось, в случае промежутка р-типа и в области промежутка из беспримесного полупроводника и промежутка n-типа. Можно ожидать, что инжектирование в область промежутка р-типа происходит в соответствии с диодной закономерностью. Нагрев области эмиттера по отношению к коллектору приводит к тепловому генерированию ЭДС. Коллектор в этой конфигурации играет ту же роль, что и металлизированный контакт в диоде. Следовательно, ток может быть вычислен непосредственно по характеристикам диода. Однако при инжектировании электронов в область промежутка из беспримесного полупроводника и полупроводника n-типа, которое будет описано ниже, нет основания априори ожидать, что будет удовлетворяться диодная закономерность. Поэтому интересно исследовать, распространяется ли поведение диодного типа на новые режимы, и какого рода изменения можно ожидать.The above results show that the injection of electrons from the n * emitter region into the gap region occurs, as expected, in the case of the p-type gap and in the gap region from the pure semiconductor and the n-type gap. It can be expected that injection into the region of the p-type gap occurs in accordance with the diode pattern. Heating the emitter region with respect to the collector leads to the thermal generation of EMF. The collector in this configuration plays the same role as the metallized contact in the diode. Therefore, the current can be calculated directly from the characteristics of the diode. However, when electrons are injected into the gap region from an unalloyed semiconductor and an n-type semiconductor, which will be described below, there is no reason to expect a priori that the diode pattern will be satisfied. Therefore, it is interesting to investigate whether the behavior of the diode type extends to new modes, and what kind of changes can be expected.
Для проведения такого исследования требуется получить характеристики зависимости тока от напряжения с учетом того, что в преобразователе тепловой энергии, вероятно, нет возможности регулировать напряжение. Высота барьера может быть изменена путем выбора характеристик легирования области промежутка. На фигуре 7 показана нормированная высота барьера для примера, описанного выше, как функция степени легирования промежутка. На фигуре 7 показана нормированная высота Δu барьера как функция концентрации легирования. Предполагается, что эмиттер легирован таким образом, что в нем содержится 1020 электронов/см3. Предполагается, что доноры и акцепторы в промежутке полностью ионизированы. Используя этот результат как зависимость между степенью легирования и высотой барьера, проводилось моделирование тока короткозамкнутой цепи, как функции степени легирования промежутка, и результаты были показаны как график зависимости величины тока функции от высоты барьера. Это изображено на фигуре 8. На фигуре 8 показан ток короткого замыкания как функция нормированной высоты барьера для структур, описанных выше при Тmax=600 К и отношении разности температуры эмиттер-коллектор к температуре эмиттера, равном 0,5. При этом наблюдалось, что диодные характеристики проявлялись в режиме р-типа, далеком от беспримесного полупроводника. Также можно видеть, что поведение, характерное для диодной закономерности, вполне распространяется на режим n-типа. Такое поведение соответствует предположению об инжекции носителей заряда из эмиттера в область промежутка с обеспечением возможности переноса через промежуток в коллектор. Это обеспечивает возможность численной проверки того, что модели, разработанные для этой системы, основанные на поведении диодной характеристики, могут быть соответствующими.To conduct such a study, it is necessary to obtain the characteristics of the dependence of current on voltage, taking into account the fact that there is probably no way to regulate the voltage in the thermal energy converter. The height of the barrier can be changed by choosing the characteristics of the doping region of the gap. The figure 7 shows the normalized height of the barrier for the example described above, as a function of the degree of doping of the gap. Figure 7 shows the normalized barrier height Δu as a function of doping concentration. It is assumed that the emitter is doped in such a way that it contains 10 20 electrons / cm 3 . It is assumed that donors and acceptors in the gap are completely ionized. Using this result as a relationship between the degree of doping and the height of the barrier, the current of the short-circuited circuit was simulated as a function of the degree of doping of the gap, and the results were shown as a graph of the dependence of the current of the function on the height of the barrier. This is depicted in Figure 8. Figure 8 shows the short-circuit current as a function of the normalized barrier height for the structures described above at T max = 600 K and the ratio of the temperature difference of the emitter-collector to the emitter temperature of 0.5. In this case, it was observed that the diode characteristics manifested themselves in the p-type mode, far from the pure semiconductor. You can also see that the behavior characteristic of the diode pattern extends to the n-type mode. This behavior corresponds to the assumption of the injection of charge carriers from the emitter into the region of the gap with the possibility of transfer through the gap to the collector. This makes it possible to numerically verify that the models developed for this system, based on the behavior of the diode characteristic, may be appropriate.
b. Соотношение ток-напряжение, мощность и КПДb. The ratio of current-voltage, power and efficiency
После установления основного термоэлектронного эффекта перейдем к описанию основного вопроса, связанного с оптимизацией эффективности.After establishing the main thermionic effect, we turn to the description of the main issue related to the optimization of efficiency.
На фигуре 9 представлены кривые, показывающие вычисленные значения характеристик тока и напряжения для примера материала InSb толщиной 625 мкм, описанного выше, с концентрацией электронов в эмиттере 1020 электронов/см3 и при температуре эмиттера Тmax=600 К и температуре коллектора Tmin=300 К. Результаты показаны для плотностей доноров в промежутке 1017 (самая нижняя кривая на графике), 3×1017, 5×1017 и 8×1017 (самая верхняя кривая на графике) в единицах см-3. При этом показано, что взаимозависимости тока и напряжения могут быть отлично аппроксимированы линейными зависимостями. Кроме того, отмечено, как определено выше, что электроны, выталкиваемые из эмиттера, приводят к повышению отрицательного тока, а также отрицательного напряжения при разрыве цепи. На фигуре 9 приведены значения как тока, так и напряжения.The figure 9 presents curves showing the calculated values of the current and voltage characteristics for the example InSb material with a thickness of 625 μm described above, with an electron concentration of 10 20 electrons / cm 3 in the emitter and at an emitter temperature T max = 600 K and a collector temperature T min = 300 K. The results are shown for donor densities in the interval 10 17 (the lowest curve on the graph), 3 × 10 17 , 5 × 10 17 and 8 × 10 17 (the highest curve on the graph) in units of cm -3 . It was shown that the interdependences of current and voltage can be perfectly approximated by linear dependencies. In addition, it is noted, as defined above, that the electrons ejected from the emitter lead to an increase in negative current, as well as negative voltage when the circuit is broken. The figure 9 shows the values of both current and voltage.
На фигуре 10 показана расчетная мощность в нагрузке на единицу площади для примера материала InSb толщиной 625 мкм, описанного выше, с концентрацией электронов в эмиттере 1020 электронов/см3, при температуре Тmax=600 К и температуре коллектора Tmin=300 К. Результаты показаны для плотностей доноров в промежутке 1017 (самая нижняя кривая на графике), 3×1017, 5×1017 и 7×1017 (самая верхняя кривая на графике) в единицах см-3.The figure 10 shows the calculated power in the load per unit area for the example InSb material with a thickness of 625 μm described above, with an electron concentration of 10 20 electrons / cm 3 in the emitter, at a temperature T max = 600 K and a collector temperature T min = 300 K. The results are shown for donor densities in the range 10 17 (the lowest curve on the graph), 3 × 10 17 , 5 × 10 17 and 7 × 10 17 (the highest curve on the graph) in units of cm -3 .
Тепловая мощность на единицу площади, рассеиваемая устройством для условий, использованных в предыдущих примерах, показана на фигуре 11. На фигуре 11 представлена расчетная тепловая мощность, рассеиваемая через единицу площади, для примера материала InSb толщиной 625 мкм, описанного выше, с концентрацией электронов эмиттера 1020 электронов/см3, при температуре эмиттера Тmax=600 К и температуре коллектора Tmin=300 К. Результаты показаны для плотностей доноров в промежутке, составляющем 1017 (самая нижняя кривая на чертеже), 3×1017, 5×1017 и 7×1017 (самая верхняя кривая на графике) в единицах см-3. При этом можно видеть, что мощность состоит из постоянной составляющей, в соответствии с законом диффузии Фика, при нулевом токе (при напряжении разомкнутой цепи), и члена, который находится в линейной зависимости от тока (и, следовательно, в линейной зависимости по отношению к напряжению).The thermal power per unit area dissipated by the device for the conditions used in the previous examples is shown in Figure 11. Figure 11 shows the calculated thermal power dissipated through a unit area for the example 625 μm InSb material described above with an electron concentration of
На фигуре 12 показан КПД как функция напряжения для примера InSb, описанного выше. Здесь показаны результаты вычислений для плотностей донора промежутка, составляющих 1017 (самая нижняя кривая на графике), 3×1017, 5×1017 и 7×1017 (самая верхняя кривая на графике) в единицах см-3. Точками отмечены значения КПД в оптимальных точках.Figure 12 shows the efficiency as a function of voltage for the InSb example described above. Shown here are the results of calculations for the donor densities of the gap of 10 17 (the lowest curve in the graph), 3 × 10 17 , 5 × 10 17 and 7 × 10 17 (the highest curve in the graph) in units of cm -3 . The dots indicate the efficiency values at the optimum points.
Результаты, представленные выше, показывают, что КПД зависит от степени легирования промежутка, поскольку степень легирования промежутка определяет высоту барьера и соответствующую величину тока. Легирование донорами промежутка на уровне приблизительно 7×1017 см-3, видимо, является значением, близким к оптимальному. Для дополнительного исследования такой оптимизации на фигуре 13 показаны результаты численной оптимизации эффективности как функции степени легирования промежутка в широком диапазоне плотностей легирования при фиксированной концентрации ионизированной примеси эмиттера, составляющей 1020 см-3. Если степень легирования промежутка будет близка к беспримесному полупроводнику, КПД будет невелик. Это, в конце концов, связано с тем, что формируется, соответственно, высокий барьер на переходе эмиттер-промежуток. В соответствии с этим, варианты воплощения со степенью легирования промежутка, близкой к беспримесному полупроводнику, при которой образуется высокий барьер перехода эмиттер-промежуток, обладают низким КПД. Если степень легирования промежутка становится слишком высокой, положительное воздействие низкого барьера перехода эмиттер-промежуток компенсируется за счет отрицательного влияния обратного омического тока. Этот вопрос дополнительно рассмотрен ниже.The results presented above show that the efficiency depends on the degree of doping of the gap, since the degree of doping of the gap determines the height of the barrier and the corresponding magnitude of the current. Doping with a donor of the gap at a level of approximately 7 × 10 17 cm -3 is apparently a value close to optimal. For an additional study of such optimization, FIG. 13 shows the results of numerical optimization of efficiency as a function of the degree of gap doping in a wide range of doping densities at a fixed concentration of ionized emitter impurity of 10 20 cm -3 . If the degree of doping of the gap is close to the pure semiconductor, the efficiency will be low. This, in the end, is due to the fact that, correspondingly, a high barrier is formed at the emitter-gap transition. Accordingly, embodiments with a doping degree of the gap close to the pure semiconductor at which a high emitter-gap transition barrier is formed have a low efficiency. If the degree of gap doping becomes too high, the positive effect of the low emitter-gap transition barrier is compensated by the negative influence of the reverse ohmic current. This issue is further discussed below.
с. Исследование степени масштабированияfrom. Scale Study
КПД конструкции теплового диода представляет собой функцию степени легирования эмиттера. При этом предполагается, что толщина материала составляет 625 мкм, степень легирования промежутка поддерживают на уровне 7×1017 см-3, и значения температуры эмиттера и коллектора, предполагается, равны 600 К и 300 К, соответственно. Результаты показаны на фигуре 14 для оптимальной эффективности как функция степени легирования эмиттера при фиксированной степени легирования промежутка ND=7×1017 см-3, при этом можно видеть, что КПД монотонно повышается вместе с концентрацией электронов эмиттера, но в меньшей степени, чем по линейному закону. Это происходит благодаря двум эффектам: барьер перехода эмиттер-промежуток повышается при более высоких значениях степени легирования эмиттера, поскольку степень легирования промежутка поддерживается на фиксированном уровне; и подвижность электронов понижается при более высокой концентрации носителей заряда. Оба эти эффекта совместно снижают положительное влияние большей степени легирования эмиттера.The design efficiency of a thermal diode is a function of the degree of doping of the emitter. It is assumed that the thickness of the material is 625 μm, the degree of doping of the gap is maintained at 7 × 10 17 cm -3 , and the temperature of the emitter and collector are assumed to be 600 K and 300 K, respectively. The results are shown in figure 14 for optimal efficiency as a function of the degree of emitter doping for a fixed gap doping degree N D = 7 × 10 17 cm -3 , while it can be seen that the efficiency monotonically increases with the emitter electron concentration, but to a lesser extent than according to linear law. This is due to two effects: the emitter-gap transition barrier increases at higher values of the degree of doping of the emitter, since the degree of doping of the gap is maintained at a fixed level; and electron mobility decreases with a higher concentration of charge carriers. Both of these effects together reduce the positive effect of a greater degree of doping of the emitter.
Возможно имплантировать теллур Те (который является донором с самым низким уровнем энергии ионизации) в эмиттер при концентрациях порядка 1020 см-31. Моделирование с использованием кодов TRIM-91 показывает, что такая высокая плотность легирующего вещества приводит к формированию аморфного слоя эмиттера. Такой слой будет иметь промежуток с другой шириной, другую эффективную массу и подвижность, чем в моделях, приведенных выше. Кроме того, можно ожидать, что степень рекомбинации будет очень высокой. Можно предсказать некоторые следствия этого. Инжекция электронов в промежуток будет ограничена доступными плотностями эмиттера порядка одной длины рекомбинации в эмиттер при измерении со стороны промежутка. Это будет происходить при пространственных масштабах, составляющих порядок средней длины свободного пробега электрона.It is possible to implant tellurium Te (which is the donor with the lowest level of ionization energy) into the emitter at concentrations of the order of 10 20 cm -31 . Modeling using TRIM-91 codes shows that such a high density of the dopant leads to the formation of an amorphous emitter layer. Such a layer will have a gap with a different width, a different effective mass and mobility than in the models above. In addition, it can be expected that the degree of recombination will be very high. Some consequences of this can be predicted. The injection of electrons into the gap will be limited by the available emitter densities of the order of one recombination length into the emitter when measured from the side of the gap. This will occur at spatial scales of the order of the mean free path of an electron.
Вследствие этого большая область аморфного эмиттера при относительно незначительной длине, которая составляет порядка 1 микрона, весьма вероятно, будет представлять эффективную плотность легирования для промежутка, которая будет гораздо меньше, чем пиковая плотность, получаемая на кромке полупроводника. С другой стороны, резкий профиль n* может привести к формированию свободного потока электронов из аморфной области с высокой степенью легирования в кристаллическую промежуточную область. Последняя зависимость может более близко соответствовать предположениям, положенным в основу модели, описанной ниже.As a result, a large region of an amorphous emitter with a relatively short length of about 1 micron is very likely to represent an effective doping density for the gap, which will be much lower than the peak density obtained at the edge of the semiconductor. On the other hand, a sharp n * profile can lead to the formation of a free electron flow from an amorphous region with a high degree of doping to the crystalline intermediate region. The latter dependence may more closely correspond to the assumptions underlying the model described below.
Другой важный момент состоит в том, что ионизация на уровнях донора, используемых в эмиттере, вероятно, будет неполной. Если бы область эмиттера была кристаллической при высоких уровнях легирования, то соответствующая плотность полосы проводимости состояний не могла бы быть особенно большой, в результате баланс ионизации доноров, вероятно, создавал бы благоприятные условия для существенного использования доноров. Данные для энергии ионизации донора являются доступными (теллур Те в InSb, вероятно, имеет энергию ионизации донора порядка 50 мэВ), поэтому можно провести оценку части фракции ионизации. Использование металлического контакта с низкой работой выхода электронов эмиттера может привести к связанным с этим проблемам, поскольку термоэлектронное инжектирование из металла может быть достаточно высоким.Another important point is that the ionization at the donor levels used in the emitter is likely to be incomplete. If the emitter region were crystalline at high doping levels, the corresponding density of the state conduction band could not be especially large, as a result, the donor ionization balance would probably create favorable conditions for the substantial use of donors. Data for the donor’s ionization energy are available (tellurium Te in InSb probably has a donor ionization energy of the order of 50 meV); therefore, part of the ionization fraction can be estimated. The use of a metal contact with a low work function of the emitter electrons can lead to related problems, since thermionic injection from a metal can be quite high.
В зависимости от модели, использованной для моделирования эффективности вариантов воплощения в соответствии с настоящим изобретением, можно сделать вывод, что оптимальный КПД должен быть независимым от длины промежутка или эта независимость практически должна поддерживаться для толщины промежутка в диапазоне от 200 мкм до 2 мм. При этом было определено, что тепловая мощность должна быть пропорциональна обратному значению толщины промежутка в любой модели, описанной в контексте настоящего изобретения, как показано на фигуре 15 для теплового диода.Depending on the model used to model the effectiveness of the embodiments in accordance with the present invention, it can be concluded that the optimum efficiency should be independent of the gap length or this independence should be practically maintained for the gap thickness in the range from 200 μm to 2 mm. It was determined that the thermal power should be proportional to the reciprocal of the gap thickness in any model described in the context of the present invention, as shown in figure 15 for a thermal diode.
В вышеприведенном описании использовали подложку из материала InSb с общей толщиной 625 мкм. В отсутствие эффекта рекомбинации толстые слои будут предпочтительными для вариантов применения с большим значением Тmax, поскольку связанный с этим тепловой поток может быть, соответственно, меньшим. Длина рекомбинации электронов в массе кристаллического материала InSb n-типа для описанных плотностей промежутка составляет, по меньшей мере, в 10 раз большую величину, чем толщина исследованной подложки. Кроме того, в общей рекомбинации преобладает рекомбинация с излучением, которая, вероятно, представляет собой, строго говоря, излучение, заключенное в крупных кристаллах, таких как рассматриваются здесь. Вследствие этого структуры порядка 1-2 мм должны быть интересными для применения для преобразования энергии.In the above description, an InSb substrate with a total thickness of 625 μm was used. In the absence of a recombination effect, thick layers will be preferred for applications with a large T max value, since the associated heat flux may be correspondingly smaller. The electron recombination length in the mass of n-type InSb crystalline material for the described gap densities is at least 10 times greater than the thickness of the investigated substrate. In addition, radiation recombination predominates in general recombination, which is, strictly speaking, the radiation enclosed in large crystals, such as those considered here. As a result of this, structures of the order of 1-2 mm should be of interest for use in energy conversion.
Влияние рекомбинации на КПД устройства при условиях, когда рекомбинация становится важным фактором, не было исследовано. Хотя влияние рекомбинации может, в общем, рассматриваться как универсально отрицательное воздействие для термоэлектронного преобразования энергии, вероятно, его учет, вероятно, не следует оставлять на втором плане, в отсутствие результатов моделирования. Причина этого состоит в том, что рекомбинация повышает ток инжектирования выше уровня диффузионного предела, рассматриваемого здесь. Хотя тепловые потери обратно пропорциональны длине промежутка, ток будет обратно пропорционален длине рекомбинации. При этом можно предположить, что в этих пределах чистый результат будет представлять собой чистое повышение эффективности. Это можно предположить на основании того факта, что требуемый ток дырок для поддержания рекомбинации приведет к соответствующему падению потенциалов. Поскольку подвижность дырок в материале InSb мала, связанное с этим падение потенциала, вероятно, будет значительным.The effect of recombination on the efficiency of the device under conditions when recombination becomes an important factor has not been investigated. Although the effect of recombination can, in general, be considered as a universally negative effect for thermionic energy conversion, it is likely that its consideration should probably not be left in the background, in the absence of simulation results. The reason for this is that recombination increases the injection current above the level of the diffusion limit considered here. Although heat loss is inversely proportional to the length of the gap, the current will be inversely proportional to the length of the recombination. It can be assumed that, within these limits, a net result will be a net increase in efficiency. This can be assumed based on the fact that the required hole current to maintain recombination will lead to a corresponding potential drop. Since the mobility of holes in the InSb material is small, the potential drop associated with this is likely to be significant.
На фигуре 16 показан КПД конструкции с концентрацией электронов эмиттера, составляющей 1020 электронов/см3, и плотностью доноров в промежутке 7×1017 см-3. Результаты показаны как функция температуры эмиттера при условии, что температура коллектора составляет 300 К. В двух классах были получены очень близкие результаты. Оптимизированный КПД как часть термодинамического предела представлен на фигуре 17. Можно видеть, что такая конструкция работает в большей или меньшей степени так же, как при сравнении с термодинамическим пределом для всех представленных температур.The figure 16 shows the efficiency of the design with an electron emitter concentration of 10 20 electrons / cm 3 and a donor density in the gap of 7 × 10 17 cm -3 . The results are shown as a function of the emitter temperature, provided that the collector temperature is 300 K. In two classes, very close results were obtained. The optimized efficiency as part of the thermodynamic limit is shown in Figure 17. It can be seen that such a design works to a greater or lesser extent in the same way as when compared with the thermodynamic limit for all temperatures presented.
При более низкой разности температур, поток тепловой энергии будет меньшим для данной конструкции. На фигуре 18 показан поток тепловой энергии в условиях оптимального преобразования энергии для конструкций с толщиной 626 мкм и 1250 мкм при различных температурах. Поток тепловой энергии находится в диапазоне несколько сот Вт/см2 при оптимальных рабочих условиях, представляющих интерес.At a lower temperature difference, the flow of thermal energy will be less for this design. The figure 18 shows the flow of thermal energy under conditions of optimal energy conversion for structures with a thickness of 626 microns and 1250 microns at different temperatures. The flow of thermal energy is in the range of several hundred W / cm 2 under optimal operating conditions of interest.
d. Краткое описаниеd. Short description
В предыдущем описании была рассмотрена модель теплового "диода", основанного на примере воплощения с использованием материала InSb. В этом устройстве используется область эмиттера с высокой степенью легирования, область промежутка, которая может быть либо р-типа, либо n-типа, и омический металлический коллектор с достаточно большой работой выхода, установленный таким образом, что он имеет незначительный термоэлектронный ток инжектирования по сравнению с омической составляющей, благодаря равновесию носителей заряда в месте контакта коллектора.In the previous description, a thermal “diode” model based on an embodiment using InSb material was considered. This device uses an emitter region with a high degree of doping, a gap region, which can be either p-type or n-type, and an ohmic metal collector with a sufficiently large work function, set in such a way that it has an insignificant thermionic injection current compared to with an ohmic component, due to the equilibrium of the charge carriers at the contact point of the collector.
Приведенные выше результаты показывают, что для получения наибольшего термоэлектронного тока инжектирования требуется, чтобы барьер эмиттер-промежуток, предпочтительно, составлял порядка 4-5 kBTmax, что подразумевает, что промежуток должен, предпочтительно, представлять собой полупроводник n-типа. Поэтому в настоящем изобретении рассматриваются варианты воплощения, в которых барьер эмиттер-промежуток, предпочтительно, находится в диапазоне от приблизительно 4 kBTmax до приблизительно 5 kBTmax, так же, как и в других вариантах воплощения, в которых этот барьер находится за пределами этого диапазона, но которые могут быть разработаны на основании приведенного здесь описания.The above results show that in order to obtain the highest thermionic injection current, the emitter-gap barrier is preferably of the order of 4-5 k B T max , which implies that the gap should preferably be an n-type semiconductor. Therefore, the present invention contemplates embodiments in which the emitter-gap barrier is preferably in the range of from about 4 k B T max to about 5 k B T max , as in other embodiments in which this barrier is outside this range, but which can be developed based on the description given here.
Как показано выше, область n* позволяет инжектировать электроны в область промежутка n-типа, и перенос в области промежутка осуществляется, в большей или меньшей степени, благодаря диффузии. Кроме того, выше также было показано, что тепловой диод может работать как преобразователь энергии на основе термоэлектронной эмиссии из эмиттера в промежуток, с последующим переносом на коллектор. Также выше было показано, как оптимизировать варианты воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, как функцию концентрации донора промежутка. Оптимальный КПД теплового диода может составлять 5,5% при температуре эмиттера 600 К при условии, что в эмиттере может быть сформирована плотность электронов на уровне 1020 см-3. Эти параметры являются характерными для вариантов воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, хотя варианты воплощения с другими характеристиками, которые отличаются от этого конкретного варианта оптимизации и которые разработаны в соответствии с приведенным здесь описанием, также рассматриваются как находящиеся в пределах объема настоящего изобретения.As shown above, the region n * allows electrons to be injected into the region of the n-type gap, and transport in the gap region is carried out, to a greater or lesser extent, due to diffusion. In addition, it was also shown above that a thermal diode can operate as an energy converter based on thermionic emission from an emitter into a gap, followed by transfer to a collector. It has also been shown above how to optimize embodiments according to the present invention as a function of the concentration of the gap donor. The optimal thermal diode efficiency can be 5.5% at an emitter temperature of 600 K, provided that an electron density of 10 20 cm -3 can be formed in the emitter. These parameters are characteristic of the embodiments in accordance with the present invention, although embodiments with other characteristics that differ from this particular optimization option and which are designed as described herein are also considered to be within the scope of the present invention.
3. Результаты для компенсированного теплового диода InSb3. Results for a compensated thermal InSb diode
КПД термоэлектронного преобразования энергии в таких вариантах воплощения, как схематично показаны на фигуре 2, в конечном счете, ограничен наличием омического обратного тока, возникающего из-за термоэлектрического отклика полупроводника. Если можно было бы подавить этот обратный ток, можно было бы получить существенное повышение эффективности. В этом разделе показано, что при снижении обратного тока возможно повысить КПД приблизительно вдвое.The efficiency of thermionic energy conversion in such embodiments as schematically shown in FIG. 2 is ultimately limited by the presence of an ohmic reverse current arising from the thermoelectric response of the semiconductor. If this reverse current could be suppressed, a substantial increase in efficiency could be obtained. This section shows that when the reverse current is reduced, it is possible to increase the efficiency by approximately half.
Одна из схем, предназначенных для снижения обратного тока, включает компенсацию подложки n-типа легированием р-типа для получения слоя, близкого к беспримесному полупроводнику, перед контактом коллектора в вариантах воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, и при этом существенно уменьшается подача доступных электронов, которые могли бы инициировать омический обратный ток. При таком подходе, очевидно, используется определенный компромисс, поскольку слишком большая компенсация р-типа может ограничить термоэлектронный ток в коллекторе.One of the schemes designed to reduce the reverse current includes compensation of the n-type substrate by doping of the p-type to obtain a layer close to the pure semiconductor before the collector contact in the embodiments according to the present invention, while the supply of available electrons is significantly reduced that could initiate an ohmic reverse current. With this approach, a certain compromise is obviously used, since too large p-type compensation can limit the thermionic current in the collector.
Выполняемая работа, в контексте настоящего изобретения, показывает, что существует небольшое окно в пространстве параметров, в котором компенсированный слой может быть согласован с легированием промежутка с тем, чтобы одновременно обеспечить приблизительно свободный термоэлектронный ток и практически нулевой омический обратный ток. Получаемые в результате конструкции имеют очень высокий расчетный КПД преобразования энергии и могут быть конкурентоспособными с лучшими термоэлектрическими устройствами. Поскольку существуют другие полупроводники с лучшими отношениями подвижности к теплопроводности (такие, как HgSe и HgTe), схема компенсированного диода может иметь потенциал достижения эффективности преобразования, который превышают лучшие показатели для термоэлектрических приборов. Как будет показано ниже (смотри, например, описание фигуры 38), слои компенсации, разработанные в контексте настоящего изобретения, позволяют достичь существенного улучшения рабочих характеристик для таких материалов, как InSb. Это улучшение выражается в увеличении эффективности приблизительно в 2 раза. Для Hg1-xCdxTe, такое улучшение переводится в КПД, который приближается к абсолютному пределу 50% идеальной эффективности цикла Карно.The work performed, in the context of the present invention, shows that there is a small window in the parameter space in which the compensated layer can be matched with the gap doping in order to simultaneously provide approximately free thermionic current and practically zero ohmic reverse current. The resulting designs have a very high calculated energy conversion efficiency and can be competitive with the best thermoelectric devices. Since there are other semiconductors with better mobility to thermal conductivity ratios (such as HgSe and HgTe), a compensated diode circuit may have the potential to achieve conversion efficiencies that exceed the best performance for thermoelectric devices. As will be shown below (see, for example, the description of FIG. 38), compensation layers developed in the context of the present invention can achieve significant performance improvements for materials such as InSb. This improvement is reflected in an increase in efficiency of approximately 2 times. For Hg 1-x Cd x Te, such an improvement translates into an efficiency that approaches the absolute limit of 50% of the ideal efficiency of the Carnot cycle.
Поскольку эти и другие варианты воплощения компенсированных диодов с такими полупроводниками, проявляющими высокие значения отношения подвижности к теплопроводности, могут быть разработаны специалистами в данной области техники с использованием описаний и примеров, приведенных в настоящем описании, они рассматриваются как находящиеся в пределах объема настоящего изобретения.Since these and other embodiments of compensated diodes with such semiconductors exhibiting high mobility to thermal conductivity ratios can be developed by those skilled in the art using the descriptions and examples given in the present description, they are considered to be within the scope of the present invention.
Основная структура теплового диода в виде варианта воплощения с материалом InSb рассматривалась как преобразователь энергии. При этом было определено, что КПД устройства ограничен на уровне, несколько превышающем 10% от термодинамического предела. Компенсация осуществляется следующим образом. Как указано выше, возможно повысить КПД путем подавления омического обратного тока, который имеет знак, противоположный термоэлектронному току. Один из вариантов выполнения этого состоит в использовании легирования р-типа для получения компенсированного слоя на внутренней стороне контакта коллектора, которое предотвращает инжектирование электронов со стороны коллектора устройства (см. фигуру 19). На фигуре 19 схематично показан вариант воплощения компенсированного теплового диода, в соответствии с настоящим изобретением. Эмиттер представляет собой горячую область 14 n*, расположенную слева. Область 16 промежутка представлена широкой областью n-типа, расположенной в центре. Коллектор изображен здесь как холодный металлический контакт 20. Горячий омический контакт 12 расположен в непосредственной близости к горячей области 14 n*. С внутренней стороны металлического контакта сформирована компенсированная область 19, выполненная путем добавления примеси р-типа, которая подавляет обратный электронный ток. Добавление легирования р-типа позволяет получить слой полупроводника р-типа, который, если он не будет точно согласован с легированием подложки, может оказывать сопротивление термоэлектронному потоку электронов на коллектор. Было определено, что в пространстве параметров существует небольшая область вокруг идеального значения компенсации, в которой может быть выбран ряд конструкционных параметров, которая позволяет одновременно обеспечить поступление на коллектор термоэлектронного тока и компенсацию омического обратного тока. Было определено, что расчетный КПД такого устройства существенно повышается по сравнению с основной структурой диода. В этом разделе описано такое устройство и связанные с ним особенности.The basic structure of the thermal diode as an embodiment with InSb material was considered as an energy converter. It was determined that the efficiency of the device is limited at a level slightly exceeding 10% of the thermodynamic limit. Compensation is as follows. As indicated above, it is possible to increase the efficiency by suppressing the ohmic reverse current, which has the opposite sign to the thermionic current. One of the options for this is to use p-type doping to obtain a compensated layer on the inner side of the collector contact, which prevents the injection of electrons from the collector side of the device (see figure 19). Figure 19 schematically shows an embodiment of a compensated thermal diode in accordance with the present invention. The emitter is a hot region of 14 n * located on the left. The
а. Обратный токbut. Reverse current
Прежде чем перейдем к настоящему описанию, следует установить наличие обратного тока в основном тепловом диоде. Один из способов достижения этого состоит в определении характеристики тока, включая его знак, как функции от концентрации донора промежутка. Результат показан на фигуре 20. На фигуре 20 показан ток как функция степени легирования промежутка для примера конструкции теплового диода InSb, описанной в последней секции. Для термоэлектронного режима, который соответствует отрицательному току (электроны перемещаются слева направо), ток вычисляют при условиях оптимального КПД. Для термоэлектрического режима, который соответствует положительному току (электроны перемещаются от коллектора к эмиттеру), ток получают при условиях, когда напряжение составляет половину индуцированной теплом ЭДС, которая получается, когда обеспечивается приблизительно оптимальный термоэлектронный режим. При этом наблюдается смена знака индуцированного теплом тока. При низком легировании промежутка электропроводность промежутка недостаточна для поддержания высокого уровня омического компонента, который мог бы конкурировать с термоэлектронным инжектированием. При увеличении степени легирования промежутка в определенной точке омический ток превышает по величине термоэлектронный ток, и после этого термоэлектронное преобразование энергии больше не будет возможным. Такой омический обратный ток образуется благодаря свободным электронам, которые образуются на стороне коллектора устройства и переносятся к эмиттеру прежде всего путем дрейфа.Before moving on to the present description, it is necessary to establish the presence of reverse current in the main thermal diode. One way to achieve this is to determine the characteristics of the current, including its sign, as a function of the concentration of the donor gap. The result is shown in Figure 20. Figure 20 shows the current as a function of the degree of doping of the gap for an example of the InSb thermal diode design described in the last section. For the thermionic mode, which corresponds to a negative current (electrons move from left to right), the current is calculated under conditions of optimal efficiency. For the thermoelectric mode, which corresponds to a positive current (electrons move from the collector to the emitter), the current is obtained under conditions when the voltage is half the heat-induced EMF, which is obtained when an approximately optimal thermoelectronic mode is provided. In this case, a change in the sign of the heat-induced current is observed. With low doping of the gap, the electrical conductivity of the gap is insufficient to maintain a high level of the ohmic component, which could compete with thermionic injection. With an increase in the degree of doping of the gap at a certain point, the ohmic current exceeds the thermionic current in magnitude, and then thermionic energy conversion will no longer be possible. Such an ohmic reverse current is formed due to free electrons, which are formed on the collector side of the device and are transferred to the emitter primarily by drift.
b. Оптимизация КПД с использованием блокирующего слояb. Efficiency optimization using a blocking layer
Рассмотрим далее предполагаемую работу компенсированного теплового диода, который включает внутренний блокирующий слой. В данной модели моделируется слой компенсации с использованием гауссового легирования р-типа с характеристической длиной 5 мкм. Результаты для различных плотностей акцептора показаны на фигуре 21. На фигуре 21 показана оптимизация КПД, как функция легирования промежутка при компенсации р-типа, с использованием концентраций , составляющих 7×1017, 1018, 2×1018 и 3×1018 см-3. Линией из точек показан полученный КПД в отсутствие блокирующего слоя. Максимальный КПД получается, когда концентрация акцептора слоя компенсации регулируется таким образом, чтобы она соответствовала концентрации донора подложки. При этом получают существенное повышение оптимального КПД по сравнению со случаем отсутствия компенсации.Next, we consider the alleged operation of the compensated thermal diode, which includes an internal blocking layer. In this model, a compensation layer is modeled using p-type Gaussian doping with a characteristic length of 5 μm. The results for different acceptor densities are shown in Figure 21. Figure 21 shows the optimization of efficiency as a function of doping the gap with p-type compensation using concentrations constituting 7 × 10 17 , 10 18 , 2 × 10 18 and 3 × 10 18 cm -3 . A line of dots shows the obtained efficiency in the absence of a blocking layer. The maximum efficiency is obtained when the concentration of the acceptor of the compensation layer is adjusted so that it corresponds to the concentration of the donor substrate. At the same time, a significant increase in optimal efficiency is obtained compared with the case of no compensation.
Форма кривых КПД, показанных на фигуре 21, может быть качественно представлена с помощью простого анализа. КПД получается максимальным при условиях внутреннего блокирующего слоя, что одновременно позволяет производить передачу термоэлектронного тока от эмиттера при минимальном образовании обратного тока. При более низкой концентрации донора промежутка слой компенсации формирует область р-типа, которая в этом варианте применения работает в большей или меньшей степени как диод с обратным смещением, который препятствует протеканию термоэлектронного тока. При более высокой концентрации донора в промежутке компенсация будет недостаточной для устранения избыточных электронов. При этом начинается обратный ток, сила которого приблизительно линейно зависит от концентрации электронов в блокирующем слое. Следовательно, можно наблюдать линейное снижение КПД от оптимального значения.The shape of the efficiency curves shown in Figure 21 can be qualitatively represented using a simple analysis. The efficiency is maximized under the conditions of an internal blocking layer, which at the same time allows the transmission of thermionic current from the emitter with minimal formation of reverse current. At a lower concentration of the gap donor, the compensation layer forms a p-type region, which in this application works to a greater or lesser extent as a diode with reverse bias, which prevents the flow of thermionic current. At a higher donor concentration in the gap, the compensation will be insufficient to eliminate excess electrons. In this case, a reverse current begins, the strength of which approximately linearly depends on the concentration of electrons in the blocking layer. Therefore, a linear decrease in efficiency from the optimal value can be observed.
С практической точки зрения, возможности передачи электрического тока через выводы ограничивают плотность тока до величины 102-103 А/см2. При превышении этих значений падение напряжения в проводниках становится неприемлемым. Кроме того, через диод проходит падение температуры на 200-300°С. Для коэффициента теплопроводности InSb эту величину можно пересчитать в толщину промежутка, которая должна составлять приблизительно 1 см. Такая толщина создает проблему, связанную с длиной рекомбинации, которая становится сравнима с толщиной промежутка, и кроме того, возникают технологические проблемы, связанные с полировкой толстых подложек. Например, большая часть оборудования для обработки подложек разработана для толщины менее 1 мм.From a practical point of view, the possibility of transmitting electric current through the terminals limits the current density to 10 2 -10 3 A / cm 2 . If these values are exceeded, the voltage drop in the conductors becomes unacceptable. In addition, a temperature drop of 200-300 ° C passes through the diode. For the InSb thermal conductivity coefficient, this value can be converted into a gap thickness, which should be approximately 1 cm.This thickness creates a problem associated with the recombination length, which becomes comparable to the gap thickness, and in addition, technological problems associated with polishing thick substrates arise. For example, most substrate processing equipment is designed for thicknesses of less than 1 mm.
Обычно широкие промежутки получают путем установки диодов в ряд. Поскольку ток через последовательно установленные в ряд диоды будет одинаковым, установленные в ряд диоды должны быть согласованы по току. Если один из диодов будет генерировать больший ток, это приведет к повышению падения напряжения на других диодах и к ухудшению общей характеристики из-за дополнительных потенциальных барьеров.Typically, wide gaps are obtained by installing the diodes in a row. Since the current through the series-installed diodes in a row will be the same, the series-installed diodes must be matched by current. If one of the diodes generates a larger current, this will lead to an increase in the voltage drop across the other diodes and to a deterioration in the overall characteristic due to additional potential barriers.
Приведенное ниже описание направлено на обеспечение согласования по току, которое может быть воплощено в контексте настоящего изобретения.The following description is intended to provide current matching, which may be embodied in the context of the present invention.
(1) Согласование по току с использованием концентрации легирования промежутка(1) Current matching using gap doping concentration
В приведенном ниже примере предполагается, что используется материал диода InSb, причем все диоды имеют одинаковую структуру, и температура источника тепла составляет 530 К, а температура теплоотвода равна 460 К. Конфигурация с одним диодом показана на фигуре 22. Стрелка на фигуре 22 указывает, что температура Т горячего омического контакта 12 выше, чем температура коллектора 20. Основываясь на графике, показанном на фигуре 23А, и при установке уровня КПД 6%, четыре диода могут быть установлены в ряд, как показано на фигуре 24, где первый диод (D1) имеет концентрацию легирования промежутка 5×1017 см-3, D2~7×1017 см-3, D3~1018 см-3 и D4~2×1018 см-3. В этом варианте воплощения все четыре диода генерируют одинаковый ток, и общий КПД составляет 6%. Хотя некоторые варианты воплощения составных диодов, в соответствии с настоящим изобретением, содержат диоды, соответствующие элементы которых изготовлены из одинаковых материалов для каждого диода, следует понимать, что варианты воплощения на основе составных диодов, в контексте настоящего изобретения, не ограничиваются такими рядами. Некоторые варианты воплощения составных диодов, в соответствии с настоящим изобретением, содержат диоды, соответствующие элементы которых изготовлены из различных материалов. Например, в некоторых вариантах воплощения на основе составных диодов эмиттеры в различных диодах содержат различные материалы, и/или области промежутка в различных составных диодах содержат различные материалы, и/или коллекторы в различных составных диодах содержат различные материалы.In the example below, it is assumed that the material of the InSb diode is used, all diodes having the same structure, and the temperature of the heat source is 530 K and the heat sink temperature is 460 K. The configuration with one diode is shown in Figure 22. The arrow in Figure 22 indicates that the temperature T of the hot
(2) Согласование тока путем подбора геометрических размеров(2) Coordination of current by selection of geometric dimensions
В приведенном ниже примере используется линия наибольшего КПД по фигуре 23А, которая соответствует концентрации донора промежутка 2×1018 см-3. Тонкий диод в последовательном ряду при температуре 500 К позволяет получить ток, приблизительно в два раза больший, чем ток, получаемый в диоде, не установленном в ряд. Согласование тока достигается, если диод имеет температуру 400 К и площадь в два раза больше, чем площадь диода, не установленного в ряд. Результаты этого варианта воплощения показаны на фигуре 25, где изменение площади приводит к формированию клинообразного ряда диодов. Граница набора в действительности составляет не прямую линию, а скорее кривую, которая учитывает нелинейное поведение кривой КПД, приведенной на фигуре 23А. Набор, показанный на фигуре 26, представляет другой вариант воплощения, где граница набора приблизительно соответствует идеальной кривой, показанной на фигуре 25. Стрелки на фигурах 25-26 обозначают повышение температуры T от низкой температуры (TCOLD) до высокой температуры Тгорячей стороны(ТHOT).In the example below, the line of highest efficiency is used according to figure 23A, which corresponds to a donor concentration of 2 × 10 18 cm -3 . A thin diode in a series row at a temperature of 500 K allows one to obtain a current that is approximately two times greater than the current obtained in a diode that is not installed in a row. The coordination of the current is achieved if the diode has a temperature of 400 K and the area is two times larger than the area of the diode, not installed in a row. The results of this embodiment are shown in FIG. 25, where a change in area leads to the formation of a wedge-shaped row of diodes. The dial boundary is not really a straight line, but rather a curve that takes into account the non-linear behavior of the efficiency curve shown in Figure 23A. The kit shown in FIG. 26 represents another embodiment where the border of the kit approximately corresponds to the ideal curve shown in FIG. 25. The arrows in FIGS. 25-26 indicate an increase in temperature T from low temperature (T COLD ) to high temperature T of the hot side (T HOT ).
Конструкция компенсированного теплового диода была оптимизирована для работы с максимальным КПД с горячим эмиттером 600 К. При этом интересно определить КПД устройства при других температурах эмиттера. Численные результаты для КПД показаны на фигуре 23А для различной степени легирования подложки при условии идеальной компенсации. На фигуре 2 ЗА показан КПД в оптимизированных условиях как функция температуры эмиттера для различной степени легирования промежутка при идеальной компенсации. Предполагается, что используется структура компенсированного теплового диода InSb толщиной 625 мкм с плотностью электронов эмиттера 1020 см-3 и при температуре коллектора 300 К. Концентрации донора промежутка и согласованные концентрации акцептора составляют (для повышения КПД в соответствии с графиком) 7×1017, 1018, 2×1018 и 3×1018 см-3. Линия из точек представляет полученный КПД в отсутствие блокирующего слоя. Результаты для КПД, нормированные к термодинамическому пределу, показаны на фигуре 23В. На фигуре 23В показан КПД, нормированный к термодинамическому пределу в оптимизированных условиях, как функция температуры эмиттера для различных случаев, показанных на фигуре 23А. При этом можно наблюдать, что слой компенсации эффективно работает при высокой температуре эмиттера. Кроме того, оптимизация при высокой температуре, видимо, позволяет получать относительный оптимум на других температурах так, что не требуется применять отдельные конструкции, оптимизированные для различных температурных режимов. Более совершенные конструкции, которые лучше всего работают вокруг рассчитанного для них значения температуры, и не обеспечивают такую же эффективную работу при других температурах, будут описаны ниже.The design of the compensated thermal diode has been optimized to work with maximum efficiency with a hot emitter of 600 K. It is interesting to determine the efficiency of the device at other emitter temperatures. The numerical results for the efficiency are shown in figure 23A for various degrees of doping of the substrate, subject to ideal compensation. Figure 2 ZA shows the efficiency under optimized conditions as a function of emitter temperature for various degrees of gap doping with ideal compensation. It is assumed that the structure is used compensated thermal diode InSb with a density of 625 microns thick electron emitter October 20 cm -3 and a temperature of 300 K. The collector gap concentrations of donor and acceptor concentration agreed up (to improve efficiency in accordance with schedule) 7 × 17 October, 10 18 , 2 × 10 18 and 3 × 10 18 cm -3 . A line of dots represents the resulting efficiency in the absence of a blocking layer. The results for the efficiency, normalized to the thermodynamic limit, are shown in figure 23B. Figure 23B shows the efficiency normalized to the thermodynamic limit under optimized conditions as a function of emitter temperature for various cases shown in figure 23A. In this case, it can be observed that the compensation layer operates efficiently at a high emitter temperature. In addition, optimization at high temperature, apparently, allows to obtain a relative optimum at other temperatures so that it is not necessary to use separate structures optimized for different temperature conditions. More advanced designs that work best around the temperature calculated for them, and do not provide the same efficient operation at other temperatures, will be described below.
с. Примерыfrom. Examples
На фигурах 27А-27В показан КПД как функция температуры для оптимизированных вариантов воплощения компенсированных тепловых диодов, в соответствии с настоящим изобретением. Кривые на фигурах 27А-27В обозначены в соответствии с материалом промежутка, и цифры в квадратных скобках представляют концентрации носителей заряда. На фигуре 27В показан относительный КПД по отношению к циклу Карно.Figures 27A-27B show efficiency as a function of temperature for optimized embodiments of compensated thermal diodes in accordance with the present invention. The curves in figures 27A-27B are indicated in accordance with the material of the gap, and the numbers in square brackets represent the concentration of charge carriers. Figure 27B shows the relative efficiency with respect to the Carnot cycle.
Компенсированный слой в полупроводнике n-типа может быть изготовлен, включая, но не ограничиваясь, посредством ввода акцепторов. Для InSb, легированного теллуром Те (примесь донора), энергия ионизации донора составляет 50 мэВ. Такая же энергия ионизации характерна для акцепторов, созданных вакансиями. Компенсированный слой существует, если количество вакансий соответствует исходной концентрации (n) донора.The compensated layer in the n-type semiconductor can be made, including, but not limited to, by introducing acceptors. For InSb doped with Te tellurium (donor impurity), the ionization energy of the donor is 50 meV. The same ionization energy is characteristic of acceptors created by vacancies. A compensated layer exists if the number of vacancies corresponds to the initial concentration (n) of the donor.
Количество вакансий определяется дозой ионов на единицу площади D (ионов/см2) и количеством вакансий, созданным одним ионом V, если вакансии индуцируются имплантацией иона инертного газа. V является функцией энергии Е иона, V=V(E). Количество вакансий составляет Nv(E)=D·V(E). В этом случае концентрация с вакансии зависит от глубины содержания ионов в материале R, который, в свою очередь, является функцией энергии иона R=R(Е). Таким образом, для данного типа ионов концентрация вакансий как функция энергии ионов представляетThe number of vacancies is determined by the dose of ions per unit area D (ions / cm 2 ) and the number of vacancies created by one V ion if vacancies are induced by implantation of an inert gas ion. V is a function of the energy E of the ion, V = V (E). The number of vacancies is N v (E) = D · V (E). In this case, the concentration of the vacancy depends on the depth of the ion content in the material R, which, in turn, is a function of the ion energy R = R (E). Thus, for a given type of ion, the concentration of vacancies as a function of ion energy represents
Для компенсируемого слоя С(Е)=n, илиFor the compensated layer, C (E) = n, or
R (Е) и V (Е) были смоделированы с использованием компьютерного кода TRIM-91 для материала InSb и ионов Ne, Ar и Хе. Результаты моделирования показаны на фигурах 28 и 29. Доза, необходимая для создания компенсированного слоя в широком диапазоне энергии ионов в InSb диоде n-типа, легированного до концентрации n, может быть определена с использованием фигур 28 и 29 и уравнения для D, приведенного выше. На фигурах 34 и 35, соответственно, линии 32 и 38 представляют зависимости для аргона, линии 34 и 36 - для неона и линии 30 и 40 - для ксенона.R (E) and V (E) were modeled using computer code TRIM-91 for InSb material and Ne, Ar, and Xe ions. The simulation results are shown in figures 28 and 29. The dose required to create a compensated layer in a wide range of ion energies in an n-type InSb diode doped to a concentration of n can be determined using figures 28 and 29 and the equation for D above. In figures 34 and 35, respectively, lines 32 and 38 represent the dependences for argon, lines 34 and 36 for neon, and
Имплантация ионов создает профиль концентрации вакансий, который более выражен в последних 20-30% глубины содержания ионов. Эти 20-30% глубины содержания ионов могут быть уменьшены до величины меньшей, чем расстояние туннелирования в InSb, которое обычно составляет 100-150 Å, для исключения возможности формирования дополнительных барьеров.Ion implantation creates a vacancy concentration profile that is more pronounced in the last 20-30% of the ion content depth. These 20-30% of the ion content depth can be reduced to a value smaller than the tunneling distance in InSb, which is usually 100-150 Å, to exclude the possibility of the formation of additional barriers.
Выбор используемых ионов требует достижения баланса факторов "за" и "против", таких как количество создаваемых тонких слоев, по отношению к степени повреждения структуры твердого вещества. Например, ксенон (Хе) позволяет получать более тонкие слои, однако приводит к большей степени повреждения, и в результате получается полуаморфный кристалл.The choice of ions used requires a balance of pros and cons, such as the number of thin layers to be created, relative to the degree of damage to the structure of the solid. For example, xenon (Xe) allows you to get thinner layers, but leads to a greater degree of damage, and the result is a semi-amorphous crystal.
d. Краткое описаниеd. Short description
Модификация конструкции основного теплового диода, представленного в последнем разделе, была описана в форме поиска возможности снижения обратного омического тока, что ограничивает максимальный КПД устройства. Было продемонстрировано, что в вычислениях присутствует омический обратный ток, и что он преобладает над термоэлектронным током при высокой степени легирования промежутка. Как было показано, добавление компенсированного слоя на внутренней стороне коллектора приводит к снижению обратного тока, что позволяет достичь более высокого оптимального КПД. Результаты моделирования показывают, что идеальная компенсация позволяет достичь наивысших уровней КПД при заданной концентрации донора в промежутке. Этот вывод соответствует априорному анализу, проведенному на основе простых физических аргументов. Поэтому предпочтительные варианты воплощения компенсированных тепловых диодов, в соответствии с настоящим изобретением, характеризуются высокими КПД, а это означает, что большая степень компенсации приводит к достижению более высокого КПД. Пиковый КПД, вычисленный для компенсированного теплового диода, сравним с характеристиками лучших термоэлектрических приборов.Modification of the design of the main thermal diode, presented in the last section, was described in the form of a search for the possibility of reducing the reverse ohmic current, which limits the maximum efficiency of the device. It was demonstrated that ohmic reverse current is present in the calculations, and that it prevails over thermionic current with a high degree of gap doping. As it was shown, the addition of a compensated layer on the inner side of the collector leads to a decrease in the reverse current, which allows to achieve a higher optimal efficiency. The simulation results show that ideal compensation allows you to achieve the highest levels of efficiency at a given donor concentration in the gap. This conclusion corresponds to an a priori analysis based on simple physical arguments. Therefore, preferred embodiments of compensated thermal diodes in accordance with the present invention are characterized by high efficiency, which means that a greater degree of compensation leads to a higher efficiency. The peak efficiency calculated for the compensated thermal diode is comparable with the characteristics of the best thermoelectric devices.
4. Омический контакт4. Ohmic contact
Омический контакт определяется как контакт металл-полупроводник, который имеет незначительное сопротивление контакта по отношению к объемному или распределенному удельному сопротивлению полупроводника. (См. публикацию Sze, S.M., Physics of Semiconductor Devices, Нью-Йорк, издательство John Wiley & Sons, 1981, стр.304-311, содержание которой полностью приводится здесь в качестве ссылки). В данном разделе описаны омические контакты и способы формирования таких контактов в соответствии с настоящим изобретением.An ohmic contact is defined as a metal-semiconductor contact, which has a negligible contact resistance with respect to the volume or distributed resistivity of the semiconductor. (See publication of Sze, S. M., Physics of Semiconductor Devices, New York, John Wiley & Sons, 1981, pp. 304-311, the entire contents of which are incorporated herein by reference). This section describes ohmic contacts and methods for forming such contacts in accordance with the present invention.
Поверхности металл-полупроводник вводят местные потенциальные барьеры, которые известны под общим названием барьер Шоттки. В упрощенной форме высота φb барьера Шоттки, измеренная по отношению к уровню Ферми, может быть записана как φb=φm-χs, где φm представляет работу выхода электрона металла и χs представляет сродство электрона полупроводника. Примеры значений барьера Шоттки составляют 0,70 эВ для GaAs и 0,18 эВ для InSb.Metal-semiconductor surfaces introduce local potential barriers, commonly known as the Schottky barrier. In a simplified form, the height φ b of the Schottky barrier, measured with respect to the Fermi level, can be written as φ b = φ m −χ s , where φ m represents the electron work function of the metal and χ s represents the electron affinity of the semiconductor. Examples of Schottky barrier values are 0.70 eV for GaAs and 0.18 eV for InSb.
Для твердотельного термоэлектронного преобразователя типа металл-полупроводник диапазон рабочих напряжений будет ниже, чем высота барьера Шоттки. Такое соотношение приводит к невозможности получения требуемого эффекта или, по меньшей мере, к снижению рабочих токов.For a metal-semiconductor solid-state thermionic converter, the operating voltage range will be lower than the height of the Schottky barrier. This ratio makes it impossible to obtain the desired effect, or at least to reduce operating currents.
Типичное рабочее напряжение, в соответствии с настоящим изобретением, составляет 10-100 мВ и мощность составляет 1-10 Вт. Это позволяет получить рабочий ток I0=100-1000 А, при этом потери энергии на барьере Шоттки составляют Wloss=Ioφb. Для того чтобы значение Wloss составляло меньше 1% общей мощности, значение φb должно быть меньше, чем 1 мэВ. Барьер часто выражают в виде сопротивления контакта. Поэтому при установившихся токах сопротивление контакта должно быть меньше, чем 10-5-10-6 Ом.Typical operating voltage in accordance with the present invention is 10-100 mV and power is 1-10 watts. This allows you to get a working current I 0 = 100-1000 A, while the energy loss at the Schottky barrier is W loss = I o φ b . In order for the value of W loss to be less than 1% of the total power, the value of φ b must be less than 1 meV. The barrier is often expressed as contact resistance. Therefore, with steady currents, the contact resistance should be less than 10 -5 -10 -6 Ohms.
В публикациях авторов Chang и др.. Specific Contact Resistance of Metal-Semiconductor Barriers. Solid-State Electronics, том 14 (1971), стр.541-550, и Shannon, J.M., Control of Schottky Barrier Height Using Highly Doped Surface Layers. Solid-State Electronics. Том 19 (1976), стр.537-543, которые приводятся здесь в качестве ссылки, приведен способ формирования омического контакта. Электрическое поле на разделе металл-полупроводник создает область, обедненную носителями заряда в полупроводнике. При повышении концентрации ионизированных примесей ширина обедненной области становится более узкой. Это, в свою очередь, приводит к повышению коэффициента передачи для туннелирования. Следовательно, даже высокий барьерный контакт может стать омическим, если барьер, в свою очередь, будет тонким настолько, чтобы туннелирование доминировало в процессе переноса носителей заряда. Уровень легирования, соответствующий 10-6 Ом/см2, составляет 1020-1021 (Те в InSb) при температуре 300°С. Эффективная масса электрона для туннелирования повышается с температурой, и при температуре 500°С требуемая концентрация составляет скорее 1021, чем 1020. Слой с высокой концентрацией легирования должен быть достаточно тонким, с тем чтобы он не вводил собственный барьер на границе контакта с полупроводником. В публикации автора Шэннон, приведенной выше, приводится оценка этой толщины как составляющей менее 150 Å. Этот подход применим как к легированию n-типа, так и к легированию р-типа, при учете того, что знак тока будет противоположным при переходе из области n-типа в область р-типа.Published by Chang et al. Specific Contact Resistance of Metal-Semiconductor Barriers. Solid-State Electronics, Volume 14 (1971), pp. 541-550, and Shannon, JM, Control of Schottky Barrier Height Using Highly Doped Surface Layers. Solid-State Electronics. Volume 19 (1976), pp. 537-543, which are incorporated herein by reference, provides a method for forming an ohmic contact. The electric field at the metal-semiconductor section creates a region depleted in charge carriers in the semiconductor. With an increase in the concentration of ionized impurities, the width of the depletion region becomes narrower. This, in turn, leads to an increase in the transmission coefficient for tunneling. Consequently, even a high barrier contact can become ohmic if the barrier, in turn, is so thin that tunneling dominates in the process of carrier transfer. The doping level corresponding to 10 -6 Ohm / cm 2 is 10 20 -10 21 (Te in InSb) at a temperature of 300 ° C. The effective electron mass for tunneling increases with temperature, and at a temperature of 500 ° C the required concentration is more than 10 21 than 10 20 . A layer with a high doping concentration should be sufficiently thin so that it does not introduce its own barrier at the interface with the semiconductor. In the author’s publication above, Shannon estimates this thickness as less than 150 Å. This approach is applicable to both n-type alloying and p-type alloying, taking into account the fact that the current sign will be opposite when passing from the n-type region to the p-type region.
Требуемая доза имплантации для получения тонкого легирования 1021 см-3 была вычислена путем использования компьютерного кода TRIM-91 (G.Ziegler, G.Biersack. IBM (1991)). Глубина проникновения ионов и требуемая доза были вычислены отдельно для In и Sb. Результаты вычислений были усреднены для приближения к InSb. Разность между и In и Sb в этом диапазоне энергии не превышала 20%. Теллур Те использовали как примесь n-типа, поскольку теллур Те имеет самую низкую энергию ионизации (50 мэВ). На фигуре 30 показаны результаты вычислений для этой дозы, в то время как на фигуре 31 показана глубина проникновения ионов.The required implantation dose for thin doping of 10 21 cm -3 was calculated using the computer code TRIM-91 (G. Ziegler, G. Biersack. IBM (1991)). The ion penetration depth and the required dose were calculated separately for In and Sb. The calculation results were averaged to approximate InSb. The difference between both In and Sb in this energy range did not exceed 20%. Tellurium Te was used as an n-type impurity, since tellurium Te has the lowest ionization energy (50 meV). Figure 30 shows the calculation results for this dose, while figure 31 shows the depth of penetration of ions.
Для легирования р-типа известные материалы для InSb включают германий Ge (энергия ионизации 9 мэВ) и серебро Ag (Ei=30 мэВ). Серебро Ag, очевидно, является предпочтительным ионом, поскольку оно является более тяжелым, чем германий Ge, и имеет меньшую глубину проникновения для тех же энергий иона, что позволяет сформировать меньшую ширину обедненной области. Результаты вычислений для легирования серебром Ag представлены на фигурах 32 и 33. В процессе имплантации иона создаются вакансии, которые в последующем должны быть обработаны отжигом.For p-type alloying, known materials for InSb include Ge germanium (
Другой способ формирования омического контакта состоит в диффузионном отжиге. Например, омический контакт для диода, содержащего InSb, может быть сформирован путем отжига слоев индия на подложке InSb. Следующая процедура выполнялась в кварцевой ампуле, очищенной кислотой. Ампулу отжигали в течение более одного часа в условиях высокого вакуума при температуре 800°С. Образцы InSb с покрытием из индия были загружены в кварцевые ампулы, из которых был откачан газ и которые были заполнены гелием под давлением 10-100 торр. Гелий, обладающий высокой теплопроводностью, обеспечивает быстрое охлаждение. После отжига на разных температурах, проводилось измерение зависимости тока от напряжения на образцах для подтверждения того, что существуют омические контакты. Были получены положительные результаты в диапазоне температур 250-400°С при времени отжига 10-60 минут. При температурах, превышающих 500°С, индий полностью растворялся, что приводило к невозможности использования образцов, даже если такие образцы проявляли омические характеристики.Another way of forming an ohmic contact is by diffusion annealing. For example, an ohmic contact for an InSb-containing diode can be formed by annealing indium layers on an InSb substrate. The following procedure was performed in a quartz ampoule, purified acid. The ampoule was annealed for more than one hour under high vacuum at a temperature of 800 ° C. IndS coated InSb samples were loaded into quartz ampoules, from which gas was pumped out and which were filled with helium under a pressure of 10-100 Torr. High thermal conductivity helium provides rapid cooling. After annealing at different temperatures, the dependence of current on voltage on the samples was measured to confirm that ohmic contacts exist. Positive results were obtained in the temperature range of 250-400 ° C with annealing time of 10-60 minutes. At temperatures exceeding 500 ° C, indium was completely dissolved, which made it impossible to use samples, even if such samples showed ohmic characteristics.
5. Примеры5. Examples
а. Параметры конструкцииbut. Construction Parameters
Как показано на фигуре 2, промежуточные теплопроводные слои могут быть размещены в других вариантах воплощения настоящего изобретения между омическими контактами (12, 20) и теплоотводом для обеспечения теплового контакта. Например, нанесенный слой индия In или подобного элемента может использоваться на горячей стороне, и нанесенный слой эвтектического In-Ga или подобного материала может использоваться на холодной стороне. Эти материалы являются в достаточной степени текучими для обеспечения адекватного теплового контакта при низком давлении (0,1-1,0 МПа).As shown in figure 2, intermediate heat-conducting layers can be placed in other embodiments of the present invention between the ohmic contacts (12, 20) and the heat sink to provide thermal contact. For example, a deposited layer of indium In or the like can be used on the hot side, and a deposited layer of a eutectic In-Ga or similar material can be used on the cold side. These materials are sufficiently fluid to provide adequate thermal contact at low pressure (0.1-1.0 MPa).
В соответствии с этим, материалы, которые могут использоваться для этих слоев, согласно настоящему изобретению, представляют собой теплопроводящие материалы с хорошей текучестью, хотя в других вариантах воплощения также могут использоваться другие материалы. Другой способ обеспечения теплового контакта состоит в нанесении пасты, клея, легкоплавкого припоя или их эквивалентов. Затем добавляют электро- и теплопроводный слой, который служит в качестве барьера для диффузии между теплопроводным слоем и полупроводником. В настоящем варианте воплощения теплопроводный и электропроводный слой используются в качестве эмиттера без дополнительного полупроводникового слоя эмиттера. Характеристики и функции этого слоя включают следующие показатели: (1) проводит тепло; (2) проводит электричество; (3) осуществляет эмиссию электронов; (4) создает барьер Шоттки на границе металл-полупроводник; (5) создает барьер для диффузии; (6) предотвращает химическую реакцию полупроводника с последующим слоем; (7) согласует тепловое расширение полупроводника для предотвращения расслоения; (8) является термически стабильным в диапазоне рабочих условий теплового диода и (9) имеет высокую устойчивость к окислению, если не предполагается помещение его в вакуумном приборе или заключение в инертной окружающей среде.Accordingly, the materials that can be used for these layers according to the present invention are heat-conducting materials with good flowability, although other materials may also be used in other embodiments. Another way to ensure thermal contact is to apply a paste, glue, fusible solder or their equivalents. An electrical and heat-conducting layer is then added, which serves as a barrier to diffusion between the heat-conducting layer and the semiconductor. In the present embodiment, the thermally conductive and electrically conductive layer is used as an emitter without an additional semiconductor emitter layer. The characteristics and functions of this layer include the following indicators: (1) conducts heat; (2) conduct electricity; (3) emits electrons; (4) creates a Schottky barrier at the metal-semiconductor interface; (5) creates a barrier to diffusion; (6) prevents the chemical reaction of a semiconductor with a subsequent layer; (7) harmonizes the thermal expansion of the semiconductor to prevent delamination; (8) is thermally stable in the range of operating conditions of the thermal diode; and (9) has high oxidation stability if it is not intended to be placed in a vacuum device or enclosed in an inert environment.
Например, материал InSb имеет коэффициент теплового расширения, составляющий 5,2-5,4×10-6 К в диапазоне температур 300-500 К. Другие возможные материалы включают, без ограничения, молибден Мо, хром Cr, вольфрам W, тантал Та, рений Re, осмий Os, иридий Ir, лантаноиды, а также сплавы никеля, платины Pt и мягких металлов, таких как индий In, золото Au, медь Cu или подобных металлов. Из этого списка тантал Та и лантаноиды подвержены окислению, и индий In имеет низкую температуру плавления.For example, the InSb material has a thermal expansion coefficient of 5.2-5.4 × 10 -6 K in the temperature range of 300-500 K. Other possible materials include, without limitation, molybdenum Mo, chromium Cr, tungsten W, tantalum Ta, rhenium Re, osmium Os, iridium Ir, lanthanides, as well as alloys of nickel, platinum Pt and soft metals such as indium In, gold Au, copper Cu or similar metals. From this list, tantalum Ta and lanthanides are susceptible to oxidation, and indium In has a low melting point.
Также могут использоваться полупроводники с высокой степенью легирования и полуметаллы. Например, тонкий слой кремния Si имеет достаточно высокую теплопроводность и электропроводность. При этом, однако, должны выполняться определенные предосторожности и, в частности, следует отметить, что большая запрещенная зона по сравнению с InSb приводит к формированию внутреннего барьера, который препятствует протеканию тока за счет переноса носителей заряда.High alloyed semiconductors and semimetals can also be used. For example, a thin layer of silicon Si has a sufficiently high thermal conductivity and electrical conductivity. In this case, however, certain precautions must be fulfilled, and in particular, it should be noted that a large forbidden zone in comparison with InSb leads to the formation of an internal barrier that prevents the flow of current due to the transfer of charge carriers.
Толщина теплопроводного и электропроводного слоя определяется следующим образом. Теплопроводность, предпочтительно, должна быть выше, чем у полупроводникового промежутка. При толщине промежутка 100-1000 микрон толщина слоя, предпочтительно, должна быть меньше, чем приблизительно несколько микрон, поскольку толстый слой повышает тепловые потери. На тонкой стороне толщина слоя определяется с учетом нескольких условий. Например, слой металла, предпочтительно, должен быть толще, чем средняя длина свободного пробега электрона для поддержания его объемных свойств. Поскольку слой расположен в непосредственной близости к другому металлу (промежуточный слой), он может влиять на положение уровня Ферми и изменять электронную эмиссию в полупроводник. Известно, что этот эффект является существенным в слое металла с толщиной меньше 1000 Å. Эта цифра составляет, по меньшей мере, несколько средних длин свободного пробега электрона и может рассматриваться, как нижний практический предел для предотвращения ненужных усложнений. Аналогичные условия в отношении толщины применимы к области n* полупроводникового эмиттера.The thickness of the heat-conducting and conductive layer is determined as follows. The thermal conductivity should preferably be higher than that of the semiconductor gap. With a gap thickness of 100-1000 microns, the layer thickness should preferably be less than about a few microns, since a thick layer increases heat loss. On the thin side, the layer thickness is determined taking into account several conditions. For example, the metal layer should preferably be thicker than the mean free path of the electron to maintain its bulk properties. Since the layer is located in close proximity to another metal (intermediate layer), it can affect the position of the Fermi level and change the electron emission in the semiconductor. It is known that this effect is significant in a metal layer with a thickness of less than 1000 Å. This figure is at least a few average electron mean free paths and can be considered as a lower practical limit to prevent unnecessary complications. Similar thickness conditions apply to the n * region of the semiconductor emitter.
Для области раздела эмиттер-промежуток предпочтительна ситуация, когда область имеет согласованную кристаллографию, то есть, когда область эмиттера была эпитаксиально наращена поверх области промежутка. Для материала InSb это может быть получено путем поддержания температуры нанесения на уровне выше 150°С (PVD - вакуумно-плазменное осаждение). Для других материалов промежутка, таких как Hg1-xCdxTe, эпитаксиальное наращивание выполняется более сложно. При несогласованности на границе раздела эмиттер-промежуток происходит рассеивание и ухудшение рабочих характеристик преобразователя.For the emitter-gap region, a situation is preferred when the region has matched crystallography, that is, when the emitter region has been epitaxially extended over the gap region. For InSb material this can be obtained by maintaining the deposition temperature above 150 ° C (PVD - vacuum-plasma deposition). For other gap materials, such as Hg 1-x Cd x Te, epitaxial extension is more difficult. In case of inconsistency at the emitter-to-interface interface, dissipation and degradation of the converter performance occurs.
Специалистам в области электрических и тепловых контактов известно множество способов обеспечения адекватного электрического и теплового контакта, и объем настоящего изобретения не ограничивается приведенными выше примерами, но также предусматривает другие варианты воплощения, разработанные в соответствии с другими критериями.Specialists in the field of electrical and thermal contacts are aware of many ways to ensure adequate electrical and thermal contact, and the scope of the present invention is not limited to the above examples, but also provides other embodiments developed in accordance with other criteria.
b. Некомпенсированные тепловые диодыb. Uncompensated Thermal Diodes
Нижеприведенные примеры предназначены для иллюстрации отдельных вариантов воплощения настоящего изобретения и не являются ограничивающими. Настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах, без отхода от его сущности или существенных характеристик. Концентрация легирующего вещества в следующих примерах (1)-(9) приведена в единицах см-3.The following examples are intended to illustrate individual embodiments of the present invention and are not limiting. The present invention can be embodied in other specific forms, without departing from its essence or essential characteristics. The concentration of the dopant in the following examples (1) to (9) is given in units of cm −3 .
(1) металл1/n/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr или Ni (1000-4000 Å)/InSb (360 микрон; легированный 1,1×1018 Те, ориентация 100)/Pt (1500 Å)/In (в массе). Толщина металла1 metal1 не может быть меньше, чем средняя длина свободного пробега электронов для данного металла при конкретной температуре, например, для золота Ag, средняя длина свободного пробега составляет приблизительно 400 Å.(1) metal 1 / n / metal 2 : eutectic InGa (in mass) / Cr or Ni (1000-4000 Å) / InSb (360 microns; doped 1.1 × 10 18 Te, orientation 100) / Pt (1500 Å ) / In (in bulk). The thickness of metal 1 metal 1 cannot be less than the average mean free path of electrons for a given metal at a specific temperature, for example, for Ag gold, the average mean free path is approximately 400 Å.
(2) металл1/n*/n/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×1019 Te)/InSb (360 микрон; легированный 1,1×1018 Те)/Pt (1500 Å)/In (в массе).(2) metal 1 / n * / n / metal 2 : eutectic InGa (in bulk) / Cr (1500 Å) / InSb (400 Å; doped 3.0 × 10 19 Te) / InSb (360 microns; doped 1, 1 × 10 18 Te) / Pt (1500 Å) / In (in mass).
(3) металл1/n**/n*/n/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×1019 Те)/InSb (360 микрон; легированный от 1,1×1018 Те)/In (100 Å)/Pt (1500 Å)/In (в массе).(3) metal 1 / n ** / n * / n / n ** / metal 2 : eutectic InGa (in mass) / Cr (1500 Å) / InSb (400 Å; doped 3.0 × 10 19 Te) / InSb (360 microns; doped from 1.1 × 10 18 Te) / In (100 Å) / Pt (1500 Å) / In (in mass).
(4) металл1/n**/n*/n/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×1020 Те)/InSb (360 микрон; легированный 1,1×1018 Те)/In (100 Å)/ Pt (1500 Å)/In (в массе).(4) metal 1 / n ** / n * / n / n ** / metal 2 : eutectic InGa (in mass) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (400 Å; doped 3.0 × 10 20 Te) / InSb (360 microns; doped 1.1 × 10 18 Te) / In (100 Å) / Pt (1500 Å) / In (in mass).
(5) металл1/n**/n/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (360 микрон; легированный 1,1×1018 Te)/In (100 Å) /Pt (1500 Å)/In (в массе).(5) metal 1 / n ** / n / n ** / metal 2 : eutectic InGa (in bulk) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (360 microns; doped 1.1 × 10 18 Te) / In (100 Å) / Pt (1500 Å) / In (in mass).
(6) металл1/n**/n/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (500 микрон; легированный 1,1×1018 Те)/In (100 Å)/Pt (1500 Å)/In (в массе).(6) metal 1 / n ** / n / n ** / metal 2 : eutectic InGa (mass) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (500 microns; doped 1.1 × 10 18 Those) / In (100 Å) / Pt (1500 Å) / In (in mass).
(7) металл1/n**/n*/n/n**/металл2; эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/ In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 3×1020 Те)/InSb (500 микрон; легированный 1,1×1018 Те)/In (100 Å)/Ni (1500 Å)/(в массе).(7) metal 1 / n ** / n * / n / n ** / metal 2 ; eutectic InGa (by mass) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (400 Å; doped 3 × 10 20 Te) / InSb (500 microns; doped 1.1 × 10 18 Te) / In (100 Å) / Ni (1500 Å) / (in mass).
(8) металл1/n**/n/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (500 микрон; легированный 1,9×1017 Те)/In (100 Å)/Pt (1500 Å)/In (в массе).(8) metal 1 / n ** / n / n ** / metal 2 : eutectic InGa (in bulk) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (500 microns; doped 1.9 × 10 17 Those) / In (100 Å) / Pt (1500 Å) / In (in mass).
(9) металл1/n**/n/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (500 микрон; легированный 1,9×1017 Те)/In (100 Å)/Ni (1500 Å)/In (в массе).(9) metal 1 / n ** / n / n ** / metal 2 : eutectic InGa (in mass) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (500 microns; doped 1.9 × 10 17 Those) / In (100 Å) / Ni (1500 Å) / In (in mass).
с. Компенсированные тепловые диодыfrom. Compensated Thermal Diodes
Приведенные ниже примеры предназначены для иллюстрации выбранных вариантов воплощения настоящего изобретения и не являются ограничивающими. Настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без отхода от его сущности или существенных характеристик. Слои, обозначенные как имеющие низкую степень легирования (р), также могут быть слоями n-типа. Концентрация примеси в следующих примерах (1)-(5) приведена в единицах см-3.The following examples are intended to illustrate selected embodiments of the present invention and are not limiting. The present invention can be embodied in other specific forms without departing from its essence or essential characteristics. Layers designated as having a low doping level (p) may also be n-type layers. The concentration of impurities in the following examples (1) to (5) is given in units of cm -3 .
(1) металл1/n**/n*/n/р/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×1019 Те)/InSb (500 микрон; легированный 1×1018 Те; 2° от (100))/p-InSb (400 Å; легированный 3,1×1014 Те)/In (100 Å)/Pt (1500 Å)/In (в массе).(1) metal 1 / n ** / n * / n / p / n ** / metal 2 : eutectic InGa (in mass) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (400 Å; doped 3 , 0 × 10 19 Te) / InSb (500 microns; doped 1 × 10 18 Te; 2 ° from (100)) / p-InSb (400 Å; doped 3.1 × 10 14 Te) / In (100 Å) / Pt (1500 Å) / In (mass).
(2) металл1/n**/n*/n/р/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×1019 Те)/InSb (500 микрон; легированный 1×1020 Те; 2° от (100))/p-InSb (400 Å; легированный 3,1×1014 Те)/In (100 Å/pt (1500 Å/In (в массе).(2) metal 1 / n ** / n * / n / p / n ** / metal 2 : eutectic InGa (in mass) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (400 Å; doped 3 , 0 × 10 19 Te) / InSb (500 microns; doped 1 × 10 20 Te; 2 ° from (100)) / p-InSb (400 Å; doped 3.1 × 10 14 Te) / In (100 Å / pt (1500 Å / In (mass).
(3) металл1/n**/n/р/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (500 микрон; легированный 1×1018 Те; 2° от (100))/p-InSb (400 Å; легированный 3,1×1014 Те)/In (100 Å)/Pt (1500 Å)/In (в массе).(3) metal 1 / n ** / n / p / n ** / metal 2 : eutectic InGa (mass) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (500 microns; doped 1 × 10 18 Te; 2 ° from (100)) / p-InSb (400 Å; doped 3.1 × 10 14 Te) / In (100 Å) / Pt (1500 Å) / In (in bulk).
(4) металл1/**/n*/n/р/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×1019 Те)/InSb (500 микрон; легированный 1×1020 Те; 2° от (100))/P-InSb (2000 Å; легированный 3,1×1014 Те)/In (100 Å/Pt (1500 Å)/In (в массе).(4) metal 1 / ** / n * / n / p / n ** / metal 2 : eutectic InGa (in mass) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (400 Å; doped 3, 0 × 10 19 Te) / InSb (500 microns; doped 1 × 10 20 Te; 2 ° from (100)) / P-InSb (2000 Å; doped 3.1 × 10 14 Te) / In (100 Å / Pt (1500 Å) / In (by mass).
(5) металл1/n**/n*/n*/р/n**/металл2: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 1,0×1020 Те)/InSb (500 микрон; легированный 1×1018 Те)/р-InSb (400 Å; где в область р-типа были имплантированы ионы Ar или Ne)/In (100 Å)/Pt (1500 Å).(5) metal 1 / n ** / n * / n * / p / n ** / metal 2 : eutectic InGa (in bulk) / Cr (1500 Å) / In (100 Å) / InSb (400 Å; doped 1.0 × 10 20 Te) / InSb (500 microns; doped 1 × 10 18 Te) / p-InSb (400 Å; where Ar or Ne) / In (100 Å) / Pt ions were implanted in the p-type region (1500 Å).
6. Распределенный диод Шоттки6. Distributed Schottky Diode
Формирование барьера Шоттки на границе раздела металл-полупроводник хорошо описано в публикации авторов Rhoderick, Е.Н. и Williams, R.H., Metal-Semiconductor Contacts. Оксфорд, Clarendon Press (1988), которая приводится здесь в качестве ссылки. Существуют две основные модели барьера Шоттки. Для модели Шоттки-Мотта барьер φв рассматривается, как разность работы φm выхода металла и степени χs сродства электрона полупроводника; φв=φm-χs. В действительности φв является практически независимым от работы выхода φm металла. Пояснение, приведенное автором J.Bardeen, состоит в том, что на барьер влияют статические заряды на поверхности. На компенсацию этого заряда влияет величина статического заряда Qss на поверхности. И электрически нейтральное условие представляется следующим выражением Qm+Qd+Qss=0, где Qm представляет отрицательный заряд на поверхности металла и Qd представляет положительный заряд некомпенсированных доноров. Свойства барьера φ0 компенсации (нейтральный уровень) зависят от относительного положения φ0 и уровня EF Ферми. Если φ0 измеряют по отношению к вершине валентной зоны, барьер Шоттки выражается следующим образом: φв≈Eg-φ0.The formation of the Schottky barrier at the metal-semiconductor interface is well described in the publication by Rhoderick, E.N. and Williams, RH, Metal-Semiconductor Contacts. Oxford, Clarendon Press (1988), which is incorporated herein by reference. There are two main models of the Schottky barrier. For the Schottky-Mott model, the barrier φ in is considered as the difference between the work function φ m of the metal yield and the degree of χ s electron electron affinity of the semiconductor; φ in = φ m -χ s . In fact, φ in is practically independent of the work function φ m of the metal. The explanation given by the author J. Bardeen is that static charges on the surface influence the barrier. The compensation of this charge is affected by the static charge Q ss at the surface. And the electrically neutral condition is represented by the following expression Q m + Q d + Q ss = 0, where Q m represents the negative charge on the metal surface and Q d represents the positive charge of uncompensated donors. The properties of the compensation barrier φ 0 (neutral level) depend on the relative position φ 0 and the Fermi level E F. If φ 0 is measured with respect to the top of the valence band, the Schottky barrier is expressed as follows: φ in ≈E g -φ 0 .
Энергия Еg промежутка представляет собой функцию температуры и в некоторой степени концентрации примеси. Накопление загрязнения на поверхности влияет на φв, как описано в разделе 4 в отношении омических контактов. Частичное накопление загрязнения на поверхности также влияет на высоту барьера.The energy E g of the gap is a function of temperature and, to some extent, the concentration of the impurity. The accumulation of contamination on the surface affects φ in , as described in
На фигуре 34 показана характеристика температуры промежутка InSb (см. публикацию Landolt-Börnstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group III: Crystal and Solid State Physics, (1983) том 22b, содержание которой приводится здесь полностью в качестве ссылки).Figure 34 shows the temperature characteristic of the InSb gap (see Landolt-Börnstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group III: Crystal and Solid State Physics, (1983) Volume 22b, the entire contents of which are incorporated herein by reference) .
Значения барьера Шоттки могут быть определены по изменению наклона кривой, полученной по внешним измерениям зависимости тока от напряжения. При комнатной температуре высота барьера составляет 175-180 мэВ, независимо от концентрации примеси (Те) в InSb до 1020 см-3 (в контакте). На фигуре 35 показана высота барьера как функция температуры для слоя на границе раздела толщиной 2000 Å, легированного теллуром (Те) до концентрации 3×1019 см-3, нанесенного на InSb легированного теллуром (Те) концентрации до 1×1018 см-3 (500 мкм) для эмиттера из индия (In). Поскольку высота барьера уменьшается при росте температуры с большей скоростью, чем Еg, это означает, что нейтральный уровень φ0 будет выше, чем ЕF, и поверхностная плотность заряда повышается с ростом температуры. На фигурах 34 и 35 представлено значение φ0, оценка которого должна проводиться при 15-20 мэВ и температуре приблизительно 300°С. Этот тип барьера представлен на фигуре 36А. Изолирующая пленка (оксид), показанная на фигуре 36А, выполнена настолько тонкой, что носители заряда проходят благодаря туннельному эффекту через нее так, что практически данный барьер совершенно незаметен, даже если он присутствует. При этом, в контексте настоящего изобретения, было определено, что диод такого типа работает при повышенных рабочих температурах, в соответствии с настоящим изобретением.The values of the Schottky barrier can be determined by changing the slope of the curve obtained from external measurements of the dependence of current on voltage. At room temperature, the barrier height is 175–180 meV, regardless of the impurity concentration (Te) in InSb, up to 10 20 cm –3 (in contact). Figure 35 shows the barrier height as a function of temperature for a layer at the 2000 Å thick interface doped with tellurium (Te) to a concentration of 3 × 10 19 cm -3 deposited on InSb doped with tellurium (Te) concentration up to 1 × 10 18 cm -3 (500 μm) for an emitter from indium (In). Since the height of the barrier decreases with increasing temperature at a faster rate than E g , this means that the neutral level φ 0 will be higher than E F , and the surface charge density increases with increasing temperature. In figures 34 and 35 presents the value of φ 0 , the assessment of which should be carried out at 15-20 meV and a temperature of approximately 300 ° C. This type of barrier is shown in Figure 36A. The insulating film (oxide) shown in Figure 36A is made so thin that the charge carriers pass through the tunnel effect through it so that practically this barrier is completely invisible, even if it is present. Moreover, in the context of the present invention, it was determined that a diode of this type operates at elevated operating temperatures, in accordance with the present invention.
а. Экспериментальные результатыbut. Experimental results
Образцы были изготовлены на основе подложек InSb, легированных теллуром Те до 1×1018 см-3. Толщина подложки составляла приблизительно 500 микрон, и подложка была отполирована с обеих сторон. После стандартной очистки слой эмиттера толщиной 2000 Å из InSb, легированного теллуром Те до концентрации 3×1019 см-3, был нанесен на подложку с помощью напыления магнетроном. Образцы имели форму квадратов с размерами в диапазоне от 1×1 до 3×3 мм2, которые были получены с использованием эвтектического InGa (Тm=35°С) с обеих сторон. Процесс нанесения изображения представлял собой приложение некоторого давления для разрушения поверхностного слоя оксида.The samples were made on the basis of InSb substrates doped with Te tellurium up to 1 × 10 18 cm -3 . The thickness of the substrate was approximately 500 microns, and the substrate was polished on both sides. After standard cleaning, a 2000 Å thick emitter layer of InSb doped with Te tellurium to a concentration of 3 × 10 19 cm -3 was deposited on a substrate by magnetron sputtering. The samples were in the form of squares with sizes ranging from 1 × 1 to 3 × 3 mm 2 , which were obtained using eutectic InGa (T m = 35 ° C) on both sides. The process of applying the image was the application of some pressure to destroy the surface oxide layer.
На фигуре 36В схематично показан вариант воплощения настоящего изобретения, содержащий горячий омический контакт 12, эмиттер 14, область 16 промежутка, компенсированную область 19 и коллектор 20. Область 15 была сформирована в некоторых вариантах воплощения на стороне эмиттера, которая обращена к горячему омическому контакту 12, для уменьшения барьера на границе раздела металл-полупроводник. Такой слой снижения барьера на границе раздела металл-полупроводник сформирован в некоторых вариантах воплощения с помощью напыления магнетроном. Область 17 сформирована в некоторых вариантах воплощения на стороне области промежутка, которая обращена к холодному металлическому контакту 20 коллектора, и предназначена для уменьшения барьера на границе раздела металл-полупроводник. Эта область сформирована с помощью технологий, аналогичных технологии, использованной для формирования области 15. Другие варианты воплощения настоящего изобретения содержат только область 15, и в еще одних вариантах настоящего изобретения, используется только область 17. Как отмечено выше, наличие, по меньшей мере, одной из областей 15 и 17 в вариантах воплощения настоящего изобретения, включая компенсированные и некомпенсированные варианты воплощения, повышает рабочие температуры.36B schematically shows an embodiment of the present invention comprising a hot
Испытательное устройство включало нагревательный элемент с мощностью 400 Вт, помещенный в массивном посеребренном медном блоке, и холодную пластину с водяным охлаждением (посеребренная медь), установленную на микрометрической линейной платформе. Электрические выводы представляли собой массивные гибкие медные полосы (<10-4 Ом). Управление температурой осуществлялось с помощью устройства Omega RTD с дисплеем Keithly 2001. Выполненный по заказу банк резисторов представлял нагрузку от 10-4 Ом и выше. Напряжение измеряли с точностью 0,01% и ток с точностью 1%. Образцы были установлены на горячей пластине и прижаты холодной пластиной на платформе линейной установки. Газообразный аргон вводили между пластинами для предотвращения окисления материалов при повышенных температурах. Горячая сторона была теплоизолирована от установочной пластины и окружающего воздуха.The test device included a 400 W heating element placed in a massive silver-plated copper block and a water-cooled cold plate (silver-plated copper) mounted on a micrometric linear platform. The electrical leads were massive flexible copper strips (<10 -4 ohms). Temperature control was carried out using an Omega RTD device with a Keithly 2001 display. A custom-made bank of resistors represented a load of 10 -4 Ohms or higher. The voltage was measured with an accuracy of 0.01% and the current with an accuracy of 1%. Samples were mounted on a hot plate and pressed against a cold plate on a linear installation platform. Argon gas was introduced between the plates to prevent oxidation of the materials at elevated temperatures. The hot side was insulated from the mounting plate and ambient air.
На фигуре 37 приведен пример кривой зависимости выходного тока от напряжения для одного образца, обозначенной номером 42, и набора, составленного из трех образцов, кривая зависимости которого обозначена номером 44, при температуре эмиттера 200°С. В точке максимальной полученной мощности разность выхода между ними составляла менее 20% при уменьшении потока тепла, по меньшей мере, в три раза. Это означает существенное повышение КПД в конфигурации с набором образцов. Кроме того, каждая граница раздела вводит тепловое сопротивление из-за неидеального контакта и эффекта несоответствия фононов. Минимальные цифры для несоответствия фононов составляли приблизительно 4% (См. публикацию автора Swartz, E.T., Thermal Boundary Resistance, том 61, №3 (июль 1989 г.), которая приводится здесь в качестве ссылки). Каждый образец вводит две дополнительные границы.The figure 37 shows an example of a curve of the dependence of the output current on voltage for one sample, indicated by
Изменение ориентации образца в наборе так, чтобы слой эмиттера находился на холодной стороне, снижает выход в наборе из 5 образцов приблизительно в 5 раз при температуре 200°С, и приблизительно в 2 раза при температуре 300°С, по сравнению с правильно построенным набором. При 300°С и перерасчете на основе теплопроводности InSb и электрическом выходе, в некоторых случаях КПД был лучше, чем 25% от идеального цикла Карно с удельной выходной мощностью 3-8 Вт/см2.Changing the orientation of the sample in the set so that the emitter layer is on the cold side reduces the yield in the set of 5 samples by about 5 times at a temperature of 200 ° C, and by about 2 times at a temperature of 300 ° C, compared with a correctly constructed set. At 300 ° C and recalculation based on the thermal conductivity of InSb and the electrical output, in some cases the efficiency was better than 25% of the ideal Carnot cycle with a specific output power of 3-8 W / cm 2 .
7. Дополнительные примеры7. Additional examples
В данном разделе описаны характеристики испытательного устройства, технология подготовки образца и более конкретные результаты, относящиеся к вариантам воплощения с использованием InSb и/или материала на основе Hg-Cd-Te.This section describes the characteristics of the test device, sample preparation technology, and more specific results regarding embodiments using InSb and / or Hg-Cd-Te based material.
а. Испытательное устройство и подготовка образцаbut. Testing device and sample preparation
Испытательные устройства были разработаны на основе стандартных механических деталей, предназначенных для использования в лазерной технике, включая макетную плату Coherent® из нержавеющей стали. Микрометрическая линейная платформа и лазерный оптический стенд позволяли производить линейное перемещение по вертикали на расстояние 100 мм.Testing devices were developed based on standard mechanical parts for use in laser technology, including the Coherent® stainless steel breadboard. A micrometric linear platform and a laser optical stand made it possible to linearly move vertically at a distance of 100 mm.
Горячая сторона была установлена на керамическом кольце Macor на линейной платформе и состояла из массивного медного блока с нагревательным элементом Ogden Scientific мощностью 400 Вт. Медный блок был теплоизолирован с использованием пористой керамики ZrO2 и стеклоткани. Взаимозаменяемые медные стержни, изготовленные из бескислородной меди, с покрытием серебром толщиной 2 микрона, использовались для передачи тепла на образец. Каждый стержень содержал, по меньшей мере, два отверстия, сконфигурированных для установки термодатчиков. На основе измерений температуры в двух точках вдоль стержня и зная теплопроводность и поперечное сечение стержня, определяли тепловой поток к образцу.The hot side was mounted on a Macor ceramic ring on a linear platform and consisted of a massive copper block with a 400 W Ogden Scientific heating element. The copper block was thermally insulated using porous ZrO 2 ceramics and fiberglass. Interchangeable copper rods made of oxygen-free copper, coated with
Посеребренная холодная пластина с водяным охлаждением была установлена поверх оптического стенда с трехосевой платформой "шар и гнездо" марки Newport, которая позволяла осуществлять параллельное совмещение холодной и горячей пластин.A water-cooled silver-plated cold plate was installed over the optical stand with a three-axis Newport ball and socket platform, which made it possible to combine cold and hot plates in parallel.
Выводы для электрического тока были выполнены из посеребренных переплетенных медных проводов с сопротивлением приблизительно 10-4 Ом. Резисторы нагрузки в диапазоне приблизительно от 10-5 Ом до приблизительно 10-1 Ом были изготовлены из меди и нержавеющей стали и подключались к выводам тока с помощью массивных болтов.The findings for electric current were made of silver-plated intertwined copper wires with a resistance of approximately 10 -4 ohms. The load resistors in the range of about 10 -5 ohms to about 10 -1 ohms were made of copper and stainless steel and connected to the current leads with massive bolts.
Мощность на нагреватель передавалась от источника постоянного напряжения типа Xantrex 300-3.5. Напряжение на нагрузке и сопротивление образца измеряли с помощью нановольт/микроомметра типа НР34420А NIST в конфигурации с 4 проводниками. Мультиметры Keithley 2001 использовали в качестве устройства считывания для термопар Omega и термодатчиков RTD. Электрический ток измеряли с помощью преобразователя Amprobe® A-1000. На основе известных величин сопротивлений нагрузки и выводов проводили независимое определение тока. По всем измеряемым параметрам, за исключением токов ниже 1 А, точность составляла лучше 1%.Power was transferred to the heater from a constant voltage source of the Xantrex 300-3.5 type. The load voltage and sample resistance were measured using a NIST34420A NIST nanovolt / microohmmeter in a configuration with 4 conductors. Keithley 2001 multimeters were used as a reader for Omega thermocouples and RTD temperature sensors. Electric current was measured using an Amprobe® A-1000 transducer. Based on the known values of the load resistances and conclusions, an independent current determination was carried out. For all measured parameters, with the exception of currents below 1 A, the accuracy was better than 1%.
Для предотвращения окисления образца и контактов при повышенных температурах газообразный аргон подавали между горячей и холодной пластинами с использованием гибкой завесы из фольги типа Capton.To prevent oxidation of the sample and contacts at elevated temperatures, argon gas was supplied between the hot and cold plates using a flexible Capton type curtain.
Материал для подготовки образцов был приготовлен в виде пластин из InSb (WaferTech, Великобритания) диаметром приблизительно 2 дюйма (5,08 см) и толщиной 500 мкм. Пластины были отполированы с обеих сторон до среднеквадратического значения неровностей приблизительно 20 Å. Стандартная концентрация примеси теллура (Те) составляла приблизительно 1018 см-3. Слой эмиттера был нанесен путем напыления магнетроном. Использовали также InSb, легированный 3×1019 см-3 теллура (Те). Толщину слоя эмиттера выбирали в диапазоне от приблизительно 400 Å до приблизительно 15000 Å. Толщина эмиттера в вариантах воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, составляла, по меньшей мере, приблизительно 400 Å. Кроме того, принципы в контексте настоящего изобретения не накладывают какие-либо ограничения на толщину эмиттера и поэтому варианты воплощения настоящего изобретения не имеют ограничения сверху в отношении такой толщины.Material for sample preparation was prepared in the form of plates from InSb (WaferTech, UK) with a diameter of approximately 2 inches (5.08 cm) and a thickness of 500 μm. The plates were polished on both sides to a rms roughness value of approximately 20 Å. The standard concentration of tellurium impurities (Te) was approximately 10 18 cm -3 . The emitter layer was deposited by magnetron sputtering. InSb doped with 3 × 10 19 cm -3 tellurium (Te) was also used. The thickness of the emitter layer was selected in the range from about 400 Å to about 15,000 Å. The emitter thickness in the embodiments in accordance with the present invention was at least about 400 Å. In addition, the principles in the context of the present invention do not impose any restrictions on the thickness of the emitter and, therefore, embodiments of the present invention do not have a top limit with respect to such thickness.
Для создания слоя компенсации приблизительно 1018 см-3 примесь р-типа была помещена в полупроводник для компенсации уже существующей примеси теллура (Те) n-типа с концентрацией приблизительно 1018 см-3. Вакансии в InSb формируют носители заряда р-типа с энергией ионизации приблизительно 60 мэВ (см., например, публикацию авторов Landolt-Bornstein), которая приблизительно равна энергии ионизации теллура Те. Дозы имплантации для формирования слоя компенсации пересчитывали с использованием программного обеспечения TRIM-91.To create a compensation layer of approximately 10 18 cm -3, a p-type impurity was placed in a semiconductor to compensate for an existing n-type tellurium (Te) impurity with a concentration of approximately 10 18 cm -3 . Vacancies in InSb are formed by p-type charge carriers with an ionization energy of approximately 60 meV (see, for example, Landolt-Bornstein's publication), which is approximately equal to the tellurium ionization energy Te. The implantation doses for forming the compensation layer were recounted using the TRIM-91 software.
Образцы затем очищали и расщепляли для помещения в установку имплантации. Образцы имплантировали ионами Ar при 40 кэВ (компания Core Systems, Inc., город Санта-Клара, штат Калифорния) с различными дозами. Каждый образец проверяли в режиме преобразования при температуре приблизительно 200°С. Результаты испытаний показаны на фигуре 38 вместе с вычисленными дозами, требуемыми для компенсированного диода. Дозы изменялись, поскольку концентрация примеси в подложках была известна с точностью приблизительно 10%. Нулевая доза имплантирования на фигуре 38 соответствует образцу без компенсации, и дозы имплантирования, превышающие ноль на фигуре 38, относятся к компенсированным образцам. Как показано на фигуре 38, сравнение полученного максимального КПД для компенсированных образцов с КПД не компенсированного образца позволило определить, что слой компенсации позволяет улучшить рабочие характеристики приблизительно на 80%. Для сравнения на фиг.38 также показан расчетный КПД, который был спрогнозирован для заданной дозы имплантирования.The samples were then cleaned and digested to fit in an implantation unit. Samples were implanted with Ar ions at 40 keV (Core Systems, Inc., Santa Clara, California) at various doses. Each sample was tested in conversion mode at a temperature of approximately 200 ° C. The test results are shown in figure 38 together with the calculated doses required for the compensated diode. Doses varied because the concentration of impurities in the substrates was known with an accuracy of approximately 10%. The zero implant dose in FIG. 38 corresponds to the sample without compensation, and implant doses greater than zero in FIG. 38 refer to compensated samples. As shown in figure 38, a comparison of the obtained maximum efficiency for compensated samples with the efficiency of an uncompensated sample made it possible to determine that the compensation layer can improve performance by approximately 80%. For comparison, Fig.38 also shows the calculated efficiency, which was predicted for a given implantation dose.
Глубина проникновения для Ar+ при 40 кэВ в InSb составляет приблизительно 400 Å, что достаточно для создания слоя компенсации. Слой 400 Å подвержен потерям на быструю диффузию вакансий при повышенных температурах. Для предотвращения таких потерь на диффузию в других вариантах воплощения выполняют имплантирование ионом Не. Толщина слоя иона Не в данных вариантах воплощения составляет порядка нескольких микрон, что увеличивает эффективный срок службы имплантированного слоя. Например, оценка периода половины срока работы диффузии вакансий InSb при толщине 1 микрон составляет приблизительно 1 год при 200°С. Благодаря тому, что слой компенсации расположен на холодной стороне в вариантах воплощения настоящего изобретения, проблемы диффузии обычно предотвращаются, когда слой компенсации имеет толщину несколько микрон. Расчетные глубины проникновения ионов и формирование вакансий для ионов 4He в InSb показаны на фигурах 39-40.The penetration depth for Ar + at 40 keV in InSb is approximately 400 Å, which is sufficient to create a compensation layer. The 400 Å layer is susceptible to losses due to the rapid diffusion of vacancies at elevated temperatures. To prevent such diffusion loss, in other embodiments, implantation with He ion is performed. The thickness of the He ion layer in these embodiments is of the order of several microns, which increases the effective life of the implanted layer. For example, an estimate of the half-life of InSb vacancy diffusion at a thickness of 1 micron is approximately 1 year at 200 ° C. Due to the fact that the compensation layer is located on the cold side in the embodiments of the present invention, diffusion problems are usually prevented when the compensation layer has a thickness of several microns. The calculated ion penetration depths and vacancy formation for 4 He ions in InSb are shown in figures 39-40.
b. Варианты воплощения с Hg1-xCdxTeb. Embodiments with Hg 1-x Cd x Te
Полупроводники Hg1-xCdxTe (обозначаемые здесь как "МСТ") имеют очень хорошие термоэлектронные значения показателя качества, когда 0,08≤x≤0,15, где верхняя и нижняя границы приведены приблизительно. Предпочтительная величина х составляет приблизительно 0,14. В вариантах воплощения настоящего изобретения использовали пластину Hg0,86Cd0,14Te толщиной 500 микрон (производства компании Lockheed Martin IR Imaging Systems). МСТ реагирует с различными подложками, образуя сильно легированные слои донора (взаимодействует с такими металлами, как индий In, железо Fe, галлий Ga и алюминий Al) или слои акцептора (взаимодействует с такими металлами, как серебро Ag, золото Au и висмут Bi), причем скорость реакции зависит от материала и температуры. См. публикацию автора Р.Caper, Properties of Narrow Gap Cadmium-based Compounds, INSPEC, 1994 год, которая приводится здесь в качестве ссылки.Hg 1-x Cd x Te semiconductors (referred to herein as “MCT”) have very good thermionic values of the quality index when 0.08≤x≤0.15, where the upper and lower bounds are given approximately. A preferred x value is about 0.14. In embodiments of the present invention, a 500 micron thick Hg 0.86 Cd 0.14 Te plate (manufactured by Lockheed Martin IR Imaging Systems) was used. MCT reacts with various substrates to form heavily doped donor layers (interacts with metals such as indium In, iron Fe, gallium Ga, and aluminum aluminum) or acceptor layers (interacts with metals such as Ag silver, Au gold, and Bi bismuth). moreover, the reaction rate depends on the material and temperature. See the publication by P. Caper, Properties of Narrow Gap Cadmium-based Compounds, INSPEC 1994, which is incorporated herein by reference.
Реакционная способность МСТ позволяет более легко строить слои эмиттера n*/n, чем при использовании InSb, поскольку материал InSb имеет меньшую степень реакционной способности и требует применения более сложной технологии для создания области n*. Кроме того, применение InSb ограничено концентрациями примеси на уровне приблизительно 2-3×1019 см-3.The reactivity of MCTs makes it easier to build n * / n emitter layers than when using InSb, since InSb has a lower degree of reactivity and requires more sophisticated technology to create an n * region. In addition, the use of InSb is limited by impurity concentrations of about 2-3 x 10 19 cm -3 .
Рабочие свойства вариантов воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, показывают, что подложки, которые формируют донорные примеси, являются предпочтительными, поскольку они позволяют генерировать более высокие плотности тока. Как показано на фиг.41, термоэлектрический отклик без слоя инжектирования носителя заряда составляет плотность тока, которая проявляет незначительное изменение или отсутствие изменения по отношению к температуре. Например, медь формирует примесь акцептора и не должна формировать область n*. В отличие от этого, подложки, содержащие алюминий Al, индий In и галлий Ga, формируют примеси n-типа в МСТ и они создают области n* инжектирования электронов. На фигуре 41 показана зависимость плотности электрического тока как функция температуры для образцов Hg0,86Cd0,14Те, один из них использовался со слоем эмиттера из меди Си и другой со слоем эмиттера из In-Ga при составе подложки In0,75Ga0,25. Сопротивление контакта отслеживали в обоих случаях для обеспечения того, чтобы слои оксида не существенно влияли на наблюдаемые результаты. В частности, было определено, что In-Ga позволяет получить несколько лучший контакт, чем медь (приблизительно 92 мОм для In-Ga по сравнению с приблизительно 103 мОм для меди). На фигуре 41 показана плотность электрического тока как функция температуры для образца с медью, имеющая почти горизонтальную зависимость. Образец МСТ оставляли для охлаждения и слой In-Ga толщиной приблизительно 20-50 микрон помещали поверх медной подложки. Как показано на фигуре 41, плотность электрического тока при этом проявила изменение от температуры, которое было аналогично зависимости для образца с медью только при температурах приблизительно до 70°С. На той же фигуре показано, что выше этой точки плотность электрического тока явно повышалась с ростом температуры. Это связано с тем, что примесь акцепторного типа подавлялась примесями n-типа, что приводило к тому, что образец проявлял режим инжектирования носителей заряда с во много раз большим выходным током. Выходное напряжение в обоих случаях составляло приблизительно одинаковую величину от приблизительно 290 до приблизительно 350 мкВ/К, что соответствует коэффициенту термоэлектрического эффекта Зеебека для МСТ.The performance properties of the embodiments of the present invention show that substrates that form donor impurities are preferred because they allow the generation of higher current densities. As shown in FIG. 41, a thermoelectric response without an injection layer of a charge carrier constitutes a current density that exhibits a slight change or no change with respect to temperature. For example, copper forms an acceptor impurity and should not form an n * region. In contrast, substrates containing aluminum Al, indium In and gallium Ga form n-type impurities in the MCT and they create electron injection regions n *. Figure 41 shows the dependence of the electric current density as a function of temperature for Hg samples of 0.86 Cd 0.14 Te, one of them was used with an emitter layer of copper Cu and the other with an emitter layer of In-Ga with an In 0.75 Ga substrate composition 0.25 . Contact resistance was monitored in both cases to ensure that oxide layers did not significantly affect the observed results. In particular, it was determined that In-Ga allows a slightly better contact than copper (approximately 92 mOhm for In-Ga compared to approximately 103 mOhm for copper). Figure 41 shows the electric current density as a function of temperature for a sample with copper, having an almost horizontal dependence. The MCT sample was left to cool and an In-Ga layer about 20-50 microns thick was placed on top of the copper substrate. As shown in figure 41, the electric current density in this case showed a change in temperature, which was similar to the dependence for the sample with copper only at temperatures up to approximately 70 ° C. The same figure shows that above this point the electric current density clearly increased with increasing temperature. This is due to the fact that the acceptor-type impurity was suppressed by n-type impurities, which led to the fact that the sample showed a mode of injection of charge carriers with a many times higher output current. The output voltage in both cases was approximately the same value from approximately 290 to approximately 350 μV / K, which corresponds to the Seebeck thermoelectric effect coefficient for MCT.
С другими материалами доноров были получены различные плотности электрического тока. На фигуре 42 показана зависимость плотности электрического тока как функция температуры для двух образцов Hg0,86Cd0,14Te, один из них с подложкой из алюминия Al и другой образец с подложкой из сплава In-Ga. Предпочтительный состав этих подложек был воплощен в виде In0,75Ga0,25. Подложка In-Ga позволяет сформировать лучший эмиттер, чем из алюминия Al, поскольку плотность электрического тока как функция температуры для образца из In-Ga была соответственно более высокой во всем диапазоне температур. Хотя это не показано в форме графиков зависимости плотности электрического тока от температуры, индий In позволяет формировать лучший эмиттер, чем галлий Ga, в частности, при использовании с чистой подложкой из индия In. Подложки из алюминия Al, индия In и галлия Ga представляют собой примеры, которые формируют примеси n-типа в МСТ, которые создают области n* инжектирования электрона.With different donor materials, different electric current densities were obtained. Figure 42 shows the dependence of the electric current density as a function of temperature for two samples of Hg 0.86 Cd 0.14 Te, one of them with a substrate of aluminum Al and the other sample with a substrate of In-Ga alloy. A preferred composition of these substrates has been embodied as In 0.75 Ga 0.25 . The In-Ga substrate allows the formation of a better emitter than aluminum Al, since the electric current density as a function of temperature for the In-Ga sample was correspondingly higher in the entire temperature range. Although this is not shown in the form of graphs of the dependence of the electric current density on temperature, indium In allows one to form a better emitter than gallium Ga, in particular, when used with a pure In substrate. Substrates of aluminum Al, indium In and gallium Ga are examples that form n-type impurities in MCTs that create n * electron injection regions.
На фигуре 43 представлен абсолютный КПД, показанный в вариантах воплощения преобразователя МСТ в соответствии с настоящим изобретением, в котором слой эмиттера n* был сформирован с помощью реакции МСТ с эвтектическим In0,75Ga0,25. Абсолютный КПД определяется как отношение выходной электрической мощности к тепловому потоку через образец. Те же данные, что показаны на фигуре 43, были пересчитаны в виде процентного отношения к идеальному КПД цикла Карно, и результаты пересчета показаны на фигуре 44. КПД ηс идеального цикла Карно определяется, как ηс=(Тгорячей стороны-Тхолодной стороны)/Тгорячей стороны. При этом принимается, что уровень выше 30% от идеального КПД цикла Карно находится за пределами возможностей любого обычного термоэлектрического устройства, и что обычные термоэлектрические устройства с трудом достигают уровня 20% от идеального КПД цикла Карно. В отличие от этого, на фиг.44 показано, что варианты воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, постоянно работают с КПД, превышающим 20% от идеального КПД цикла Карно в диапазоне температур от приблизительно 100°С до приблизительно 175°С при температуре Тхолодной стороны=20,5°С, и с КПД выше 30% от идеального КПД цикла Карно при температурах от приблизительно 150°С до приблизительно 160°С.The figure 43 shows the absolute efficiency shown in the embodiments of the MCT converter in accordance with the present invention, in which the n * emitter layer was formed by the reaction of the MCT with a eutectic In 0.75 Ga 0.25 . Absolute efficiency is defined as the ratio of the output electric power to the heat flux through the sample. The same data as shown in Figure 43 was recalculated as a percentage of the ideal Carnot cycle efficiency, and the conversion results are shown in Figure 44. The efficiency η from the ideal Carnot cycle is defined as η c = (T of the hot side -T of the cold side ) / T hot side . It is assumed that a level above 30% of the ideal efficiency of the Carnot cycle is beyond the capabilities of any conventional thermoelectric device, and that conventional thermoelectric devices hardly reach the level of 20% of the ideal efficiency of the Carnot cycle. In contrast, FIG. 44 shows that the embodiments of the present invention continuously operate with an efficiency exceeding 20% of the ideal Carnot cycle efficiency in a temperature range from about 100 ° C. to about 175 ° C. at temperature T cold side = 20.5 ° C, and with an efficiency above 30% of the ideal efficiency of the Carnot cycle at temperatures from about 150 ° C to about 160 ° C.
Снижение рабочих характеристик преобразователя за пределами температур 150-160°С можно объяснить за счет растворения слоя эмиттера и/или рекомбинации инжектированных носителей заряда. Для устранения такого снижения рабочих характеристик преобразователя варианты воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, содержат барьер для диффузии. Слой иттербия толщиной приблизительно до 10 Å представляет собой пример такого барьера для диффузии. Толщина приблизительно до 10 Å является предпочтительной, поскольку такой слой металла не оказывает существенного воздействия на свойства переноса электронов. Другие способы построения барьера для диффузии описаны, например, в статье авторов A.Raisanen et al. в публикации Properties of II-VI Semiconductors, MRS Society Symposium Procceedings, том 161, стр.297-302, 1990 г., которая приводится здесь в качестве ссылки.The decrease in the operating characteristics of the converter beyond the temperature range of 150-160 ° C can be explained by dissolution of the emitter layer and / or recombination of the injected charge carriers. To eliminate such a reduction in converter performance, embodiments of the present invention comprise a diffusion barrier. A ytterbium layer up to about 10 Å thick is an example of such a diffusion barrier. A thickness of up to about 10 Å is preferred since such a metal layer does not significantly affect the electron transfer properties. Other methods for constructing a diffusion barrier are described, for example, in an article by A. Raisanen et al. in Properties of II-VI Semiconductors, MRS Society Symposium Procceedings, Volume 161, pp. 297-302, 1990, which is incorporated herein by reference.
с. Варианты воплощения с многослойным пакетом InSb/Hg1-xCdxTe.from. Embodiments with the InSb / Hg 1-x Cd x Te Multilayer Package
Как показано выше, варианты воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, которые содержат набор пластин InSb в конфигурации с эмиттером на горячей стороне, проявляют существенно лучший КПД. КПД для вариантов воплощения этого типа определялся следующим образом.As shown above, embodiments according to the present invention, which comprise a set of InSb plates in a configuration with an emitter on the hot side, exhibit significantly better efficiency. The efficiency for embodiments of this type was determined as follows.
InSb и МСТ проявляют наилучшие рабочие характеристики при различных температурах: от приблизительно 300°С до приблизительно 350°С для InSb и приблизительно 150°С для МСТ. Учитывая такую разницу температур, варианты воплощения преобразователей, в соответствии с настоящим изобретением, были оптимизированы для обоих материалов.InSb and MCT show the best performance at different temperatures: from about 300 ° C to about 350 ° C for InSb and about 150 ° C for MCT. Given this temperature difference, embodiments of the transducers in accordance with the present invention have been optimized for both materials.
Низкая теплопроводность МСТ затрудняет возможность проводить непосредственные измерения теплового потока, в особенности, когда измерения должны проводиться на небольших образцах. Кроме того, размеры некоторых образцов в использованных вариантах воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, составляли, по большей части, несколько квадратных миллиметров и из-за таких уменьшенных размеров не позволяли проводить контактные измерения температуры с помощью доступных датчиков температуры. Кроме того, небольшой размер этих образцов не позволял использовать стандартные камеры инфракрасного изображения из-за ограниченной пространственной разрешающей способности таких камер инфракрасного изображения. Технология, основанная на использовании инфракрасных камер со специально построенной оптикой, позволила устранить эту проблему.The low thermal conductivity of the MCT makes it difficult to conduct direct measurements of the heat flux, especially when measurements should be carried out on small samples. In addition, the dimensions of some samples in the used embodiments in accordance with the present invention were, for the most part, a few square millimeters and due to such reduced sizes they were not allowed to conduct contact temperature measurements using available temperature sensors. In addition, the small size of these samples did not allow the use of standard infrared image cameras due to the limited spatial resolution of such infrared image cameras. Technology based on the use of infrared cameras with specially built optics has eliminated this problem.
Другая методология, которая была принята в этих экспериментах, подразумевала следующие предположения. Через пластины с одинаковой толщиной проходит одинаковый тепловой поток, так что, по существу, тепловые потери отсутствуют. Общее падение температуры на всем наборе записывается как ΔT=ΔТ1+ΔT2, где ΔТ1 представляет падение температуры на первой пластине, и ΔT2 представляет падение температуры на второй пластине. Значения теплопроводности, зависящие от температуры InSb и МСТ, были представлены соответственно как λ1(T) и λ2(Т). С помощью этих переменных можно описать следующую систему уравнений:Another methodology that was adopted in these experiments implied the following assumptions. The same heat flux passes through plates with the same thickness, so there is essentially no heat loss. The total temperature drop across the entire set is written as ΔT = ΔT 1 + ΔT 2, where ΔT 1 represents the temperature drop on the first plate, and ΔT 2 represents the temperature drop on the second plate. The values of thermal conductivity, depending on the temperature of InSb and MCT, were presented as λ 1 (T) and λ 2 (T), respectively. Using these variables, we can describe the following system of equations:
-λ1(T)ΔT1=-λ2(T)ΔT2 -λ 1 (T) ΔT 1 = -λ 2 (T) ΔT 2
ΔT=ΔT1+ΔT2 ΔT = ΔT 1 + ΔT 2
Значение ΔT может быть измерено как разность температур между холодной и горячей пластинами, и первое уравнение можно итерировать, используя значения ΔT1, λ1(Т) и λ2(Т). Тепловой поток и падение температуры на каждой пластине оценивают в соответствии с этой процедурой итерации. Как отмечено выше, КПД преобразователя вычисляют на основании отношения выходной электрической мощности к тепловому потоку через устройство. Толщину пластины InSb регулировали для изменения диапазона рабочей температуры преобразователя от значения менее чем 150°С до более чем 300°С при, по существу, том же значении составляющего КПД цикла Карно, превышающем 30%. Непосредственные измерения с помощью оборудования инфракрасного изображения показали несколько меньший тепловой поток через преобразователь, вероятно, из-за неидеальных контактов, что привело к 3-4% повышению КПД. Максимальный наблюдавшийся КПД в вариантах воплощения настоящего изобретения превышал 40% от идеального цикла Карно. В отличие от этого, обычные преобразователи энергии, доступные в настоящее время, обычно позволяют получить КПД, составляющий приблизительно 16% от КПД цикла Карно в узком диапазоне температур.The ΔT value can be measured as the temperature difference between the cold and hot plates, and the first equation can be iterated using the values of ΔT 1 , λ 1 (T) and λ 2 (T). The heat flux and temperature drop on each plate are evaluated in accordance with this iteration procedure. As noted above, the efficiency of the converter is calculated based on the ratio of the output electric power to the heat flux through the device. The thickness of the InSb plate was adjusted to change the range of the operating temperature of the converter from a value of less than 150 ° C to more than 300 ° C with essentially the same value of the component of the Carnot cycle efficiency exceeding 30%. Direct measurements using infrared imaging equipment showed a slightly lower heat flux through the converter, probably due to imperfect contacts, which led to a 3-4% increase in efficiency. The maximum observed efficiency in the embodiments of the present invention exceeded 40% of the ideal Carnot cycle. In contrast, the conventional energy converters currently available usually provide an efficiency of approximately 16% of the efficiency of the Carnot cycle in a narrow temperature range.
На фигуре 45 показан КПД варианта воплощения с многослойным преобразователем, в соответствии с настоящим изобретением. В данном варианте воплощения использовали пластину InSb толщиной приблизительно 1 мм, и концентрация примеси (Те) составляла приблизительно 1018 см-3. Слой эмиттера имел толщину приблизительно 2000 Å и представлял собой нанесенный напылением слой InSb с концентрацией приблизительно 3×1019 см-3 Те. Пластина была покрыта слоем, содержащим In-Ga. Предпочтительный состав такого материала In-Ga в данном варианте воплощения представлял In0,75Ga0,25. Толщина этого слоя составляла от приблизительно 30 микрон до приблизительно 50 микрон. Вторая пластина была изготовлена из Hg1-xCdxTe, при значении х, предпочтительно, удовлетворяющем неравенство 0,08≤х≤0,15, где верхняя и нижняя границы приведены приблизительно, более предпочтительная форма этого состава имеет приблизительную стехиометрию, заданную Hg0,86Cd0,14Te при толщине приблизительно 0,51 мм. Среднее поперечное сечение набора составляло приблизительно 1,70×1,52 мм2. Доля КПД от идеального цикла Карно как функция температуры горячей пластины для этого варианта воплощения показана на фигуре 46. Значение Тхолодной стороны на фигурах 45-46 составляло 20°С. Как показано на фигуре 46, процент от КПД идеального цикла Карно для этого варианта воплощения при максимуме рабочих характеристик составил приблизительно то же значение, которое было показало на фигуре 44, но данный вариант воплощения проявляет ее при значительно более высокой температуре.Figure 45 shows the efficiency of an embodiment with a multilayer converter in accordance with the present invention. In this embodiment, an InSb plate with a thickness of approximately 1 mm was used, and the impurity concentration (Te) was approximately 10 18 cm −3 . The emitter layer had a thickness of approximately 2000 Å and was a sputtered InSb layer with a concentration of approximately 3 × 10 19 cm -3 Te. The plate was coated with an In-Ga containing layer. A preferred composition of such an In-Ga material in this embodiment was In 0.75 Ga 0.25 . The thickness of this layer ranged from about 30 microns to about 50 microns. The second plate was made of Hg 1-x Cd x Te, with a value of x preferably satisfying the inequality 0.08 ≤ x ≤ 0.15, where the upper and lower boundaries are given approximately, a more preferred form of this composition has an approximate stoichiometry given by Hg 0.86 Cd 0.14 Te with a thickness of approximately 0.51 mm. The average cross section of the kit was approximately 1.70 × 1.52 mm 2 . The fraction of efficiency from the ideal Carnot cycle as a function of the temperature of the hot plate for this embodiment is shown in Figure 46. The cold side T value in Figures 45-46 was 20 ° C. As shown in FIG. 46, the percentage of the efficiency of the ideal Carnot cycle for this embodiment with the maximum performance was approximately the same as that shown in FIG. 44, but this embodiment displays it at a significantly higher temperature.
d. Показатель качества Hg1-xCdxTed. Quality Score Hg 1-x Cd x Te
Как показано в Таблице 1, показатель качества для HgTe приблизительно в 2,5 раза лучше, чем для InSb. Добавка кадмия Cd к HgTe улучшает подвижность носителей заряда и снижает теплопроводность. На фигуре 47 показана нормированная зависимость для значения показателя качества для Hg1-xCdxTe по отношению к InSb, как функция от х. Для х=0,08, показатель качества для Hg0,92Cd0,08Te составляет приблизительно 0,0065, что лучше, чем показатель качества для HgTe приблизительно в 2 раза. В других вариантах воплощения настоящего изобретения предполагается, что значения показателя качества находятся на таком низком уровне, как приблизительно 0,001.As shown in Table 1, the quality score for HgTe is approximately 2.5 times better than for InSb. The addition of cadmium Cd to HgTe improves the mobility of charge carriers and reduces thermal conductivity. The figure 47 shows the normalized dependence for the value of the quality indicator for Hg 1-x Cd x Te with respect to InSb, as a function of x. For x = 0.08, the quality score for Hg 0.92 Cd 0.08 Te is approximately 0.0065, which is better than the quality score for HgTe by about 2 times. In other embodiments of the present invention, it is assumed that the quality score is at a level as low as approximately 0.001.
В контексте настоящего изобретения также было определено, что предпочтительные варианты воплощения Hg1-xCdxTe имеют значение х в диапазоне от приблизительно 0,08 до приблизительно 0,15 и что именно в этой области этот материал проявляет наивысшие значения для его термоэлектронного показателя качества, и при этом материал все еще проявляет свойства полупроводника. Это поддерживает взаимозависимость между слоем эмиттера n* и промежутком, и слоем компенсации, и промежутком, которая была описана выше.In the context of the present invention, it was also determined that the preferred embodiments of Hg 1-x Cd x Te have a value of x in the range from about 0.08 to about 0.15 and that it is in this area that this material exhibits the highest values for its thermionic quality index , and while the material still exhibits the properties of a semiconductor. This maintains the interdependence between the n * emitter layer and the gap, and the compensation layer, and the gap described above.
8. Варианты воплощения для охлаждения8. Embodiments for cooling
Основные компоненты термоэлектронного преобразователя 50 для обеспечения охлаждения (см. фигуры 48 и 49) являются, по существу, теми же, что и для теплового диода 10, предназначенного для преобразовании тепла в электричество, который описан выше (см. фигуры 1 и 19). В соответствии с этим, термин "твердотельный термоэлектронный преобразователь тепловой энергии", в общем, относится здесь к вариантам воплощения преобразователей тепловой энергии в электричество, в соответствии с настоящим изобретением, и к вариантам воплощения для охлаждения, в соответствии с настоящим изобретением.The main components of the
На фигуре 48 представлен некомпенсированный тепловой диод и на фигуре 49 изображен компенсированный тепловой диод. Существенная разница между вариантами воплощения с преобразованием тепла в электричество и вариантами воплощения с охлаждением состоит в том, что перенос носителей заряда производится с помощью внешнего электрического поля EExt, и область 14 n*-типа соединена с тепловой нагрузкой, которая охлаждается при тепловом потоке к первому омическому контакту 52 в области 14 n*-типа. Область 14 n*-типа теплоизолирована с помощью изолирующего материала 54. В отличие от нагреваемой области 14 n*-типа, в случае варианта воплощения с преобразованием тепла в электричество, тепловую нагрузку охлаждают с помощью потока тепла, QLoud в область 14 n*-типа в тепловом диоде 50, как показано на фигуре 48. Область промежутка 16 расположена в непосредственной близости к области 14 n*-типа, и второй омический контакт 53 имеет область 56 рекомбинации коллектора, сформированную между вторым омическим контактом 53 и областью 16 промежутка. Область 16 промежутка может быть областью n-типа, областью р-типа или областью беспримесного полупроводника. Для случая компенсированного теплового диода, как показано на фигуре 49, компенсированная область 19 расположена на внутренней стороне металлического контакта и создается путем добавления примеси р-типа, которая подавляет обратный ток электронов. Задняя поверхность второго омического контакта 53 действует как теплообменник, и тепловой поток (QExchange) рассеивает тепло от горячих электронов.The figure 48 presents an uncompensated thermal diode and figure 49 shows a compensated thermal diode. The significant difference between the embodiments with the conversion of heat to electricity and the embodiments with cooling is that the transfer of charge carriers is carried out using an external electric field E Ext , and the n * -
На фигуре 50 показан коэффициент полезного действия (КПД, по отношению к обратному циклу Карно) как функция температуры для компенсированных диодов в вариантах воплощения с охлаждением, в соответствии с настоящим изобретением. Кривые коэффициента полезного действия, показанные на фигуре 50, помечены для различных значений промежутка в каждом из вариантов воплощения. Кроме существенно повышенных коэффициентов полезного действия по сравнению с обычными устройствами, на фигуре 50 также показаны варианты воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, которые работают при температурах гораздо ниже 200 К, в отличие от обычных устройств, которые, в общем, не могут работать при температурах ниже приблизительно 200 К.The figure 50 shows the efficiency (efficiency, relative to the reverse Carnot cycle) as a function of temperature for compensated diodes in the embodiments with cooling, in accordance with the present invention. The efficiency curves shown in FIG. 50 are labeled for different spacing values in each embodiment. In addition to significantly increased efficiency compared to conventional devices, FIG. 50 also shows embodiments, in accordance with the present invention, that operate at temperatures well below 200 K, in contrast to conventional devices that generally cannot work at temperatures below about 200 K.
Для специалистов в области теплообменников понятно, что существует множество средств для осуществления теплообмена, включая, но не ограничиваясь, воздушное и жидкостное охлаждение или их эквиваленты.For specialists in the field of heat exchangers it is clear that there are many means for implementing heat transfer, including, but not limited to, air and liquid cooling or their equivalents.
9. Промышленная применимость9. Industrial applicability
Поскольку преобразование энергии представляет основу современной цивилизации, эффективный преобразователь энергии может иметь множество вариантов применения, таких как существующие электростанции, предназначенные для электроснабжения, солнечные электростанции, источники электроэнергии для жилых помещений, источники электричества для бытового потребления/солнечные источники электричества, автомобили, морские суда, солнечные/морские энергетические установки, портативные электронные приборы, тепловые насосы, преобразующие энергию окружающей среды, системы охлаждения (охлаждение, кондиционирование воздуха и т.д.), аэрокосмическая техника и т.д.Since energy conversion is the foundation of modern civilization, an efficient energy converter can have many applications, such as existing power plants designed for power supply, solar power plants, power sources for residential buildings, electricity sources for domestic consumption / solar sources of electricity, cars, marine vessels, solar / marine power plants, portable electronic devices, energy converting heat pumps environment, cooling systems (cooling, air conditioning, etc.), aerospace technology, etc.
На электростанциях высвобождается огромное количество отходящей теплоты с потенциалом 300°С и ниже. Преобразование отходящей теплоты с КПД Карно 20-40% при использовании вариантов воплощения настоящего изобретения, предполагает дополнительное повышение общего КПД электростанции на 10-20% с эквивалентной экономией топлива.A huge amount of waste heat with a potential of 300 ° C and below is released at power plants. Conversion of waste heat with a Carnot efficiency of 20-40% when using embodiments of the present invention involves an additional increase in the overall efficiency of the power plant by 10-20% with equivalent fuel economy.
Распространение преобразователей энергии с низкой стоимостью, в соответствии с настоящим изобретением, может привести к снижению капитальных затрат при строительстве электростанций с концентратором солнечной энергии с более высоким КПД, чем используемые в настоящее время циклы пар/электричество. Более низкие рабочие температуры также позволяют снизить эксплуатационные расходы.The proliferation of low cost energy converters in accordance with the present invention can lead to lower capital costs in the construction of power plants with a solar energy concentrator with higher efficiency than the currently used steam / electricity cycles. Lower operating temperatures also reduce operating costs.
Источники электроэнергии для бытового потребления, основанные на непосредственном преобразовании тепла в электрическую энергию, являются идеальными для удаленных областей, куда трудно или неудобно проводить линии электропередач. Источник тепла может быть либо в форме ископаемого топлива или в форме концентраторов солнечной энергии. Концентраторы солнечной энергии также могут быть выполнены на основе водяных бассейнов, нагреваемых от солнца, с использованием разности температур дня/ночи. Несколько сотен кубических метров воды со ста квадратными метрами поверхности совместно с вариантами воплощения настоящего изобретения позволяют обеспечить электричеством дом в областях с разностью температур приблизительно 10°С.Sources of electricity for domestic consumption, based on the direct conversion of heat into electrical energy, are ideal for remote areas where it is difficult or inconvenient to run power lines. The heat source may be either in the form of fossil fuels or in the form of solar energy concentrators. Concentrators of solar energy can also be made on the basis of water pools heated from the sun, using the temperature difference of the day / night. Several hundred cubic meters of water with one hundred square meters of surface, together with the embodiments of the present invention, can provide electricity to the house in areas with a temperature difference of about 10 ° C.
Тепловой диод, в соответствии с настоящим изобретением, в комбинации с обычным двигателем, приводящим электрогенератор и электродвигатель, позволяет существенно повысить расстояние пробега на единицу расхода топлива.The thermal diode, in accordance with the present invention, in combination with a conventional engine driving an electric generator and an electric motor, can significantly increase the distance traveled per unit fuel consumption.
Непосредственное преобразование энергии имеет огромное количество вариантов применения в электрических автомобилях. Один из вариантов воплощения предполагает использование термоэлектронных устройств, в соответствии с настоящим изобретением, с рабочими температурами от приблизительно 150 до 200°С, в качестве устройств повышения общего КПД. Другой вариант воплощения может использоваться в автомобиле с электрическим приводом и обычным двигателем, соединенным с электрическим генератором, с множеством преобразователей, в соответствии с настоящим изобретением, используемых в качестве промежуточного радиатора.Direct energy conversion has a huge number of applications in electric cars. One embodiment involves the use of thermionic devices, in accordance with the present invention, with operating temperatures from about 150 to 200 ° C, as devices for increasing overall efficiency. Another embodiment may be used in an electric vehicle with a conventional engine coupled to an electric generator with a plurality of converters according to the present invention used as an intermediate radiator.
Варианты применения в автомобильной технике и технике, обеспечивающей поступательное движение, также могут использоваться на море. Кроме того, концентраторы солнечной энергии могут использоваться на парусных судах. Комбинация легких и не дорогостоящих пластиковых линз Френеля с преобразователями на тепловом диоде, в соответствии с настоящим изобретением, может быть установлена на современных жестких парусах типа крыло, обеспечивая использование энергии ветра и солнца для привода судна с солнечным компонентом энергии, составляющим приблизительно 100-200 Вт/м2 паруса.Variants of application in automotive and translational driving techniques can also be used at sea. In addition, solar power concentrators can be used on sailing ships. The combination of lightweight and low-cost plastic Fresnel lenses with thermal diode converters in accordance with the present invention can be mounted on modern rigid wing-type sails, providing the use of wind and solar energy to drive a ship with a solar energy component of approximately 100-200 W / m 2 sails.
Поскольку варианты воплощения преобразователя, в соответствии с настоящим изобретением, позволяют использовать очень небольшие градиенты температуры в самоподдерживающемся режиме, температурный градиент между теплоотводами может быть создан с использованием на поверхности асимметричного теплообменника (например, один из теплоотводов может быть теплоизолирован). Кроме того, система будет работать до тех пор, пока что-то не выйдет из строя, охлаждая окружающую среду и генерируя электричество. В общем, способ и устройство, описанные в настоящем изобретении, представляют собой существенное улучшение по сравнению с известным уровнем техники в области преобразования энергии.Since the embodiments of the converter in accordance with the present invention allow the use of very small temperature gradients in a self-sustaining mode, the temperature gradient between the heat sinks can be created using an asymmetric heat exchanger on the surface (for example, one of the heat sinks can be insulated). In addition, the system will work until something breaks down, cooling the environment and generating electricity. In general, the method and apparatus described in the present invention represent a significant improvement over the prior art in the field of energy conversion.
Настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без отхода от его сущности или существенных характеристик. Описанные варианты воплощения следует рассматривать во всех отношениях только как иллюстрацию, а не как ограничение.The present invention can be embodied in other specific forms without departing from its essence or essential characteristics. The described embodiments should be considered in all respects only as an illustration, and not as a limitation.
Claims (63)
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/519,640 | 2000-03-06 | ||
US21356400P | 2000-06-22 | 2000-06-22 | |
US60/213,564 | 2000-06-22 | ||
US09/721,051 | 2000-11-22 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002126569A RU2002126569A (en) | 2004-04-20 |
RU2275713C2 true RU2275713C2 (en) | 2006-04-27 |
Family
ID=36655775
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002126569/28A RU2275713C2 (en) | 2000-06-22 | 2001-03-06 | Thermoelectric converter and method for heat energy conversion |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4896336B2 (en) |
IL (1) | IL151600A (en) |
RU (1) | RU2275713C2 (en) |
Cited By (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2444814C1 (en) * | 2011-03-29 | 2012-03-10 | Юрий Феликсович Верниковский | Thermoelectric cluster, method of its operation, device to connect active element in it with heat power line, generator (versions) and heat pump (versions) on its basis |
RU2456699C1 (en) * | 2011-04-04 | 2012-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Assembly of alkali metal thermoelectric converters |
RU2456698C1 (en) * | 2011-04-04 | 2012-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Alkali metal thermoelectric converter |
RU2477828C1 (en) * | 2011-10-25 | 2013-03-20 | Святослав Михайлович Сергеев | Thermal diode |
RU2525168C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525171C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525170C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525169C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525611C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525603C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525607C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525608C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2534436C2 (en) * | 2013-01-10 | 2014-11-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2534441C2 (en) * | 2013-01-10 | 2014-11-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2534440C2 (en) * | 2013-01-10 | 2014-11-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2542616C1 (en) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2542608C1 (en) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2542606C1 (en) * | 2013-08-13 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2542592C1 (en) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2542609C1 (en) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2548381C2 (en) * | 2013-08-13 | 2015-04-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2557363C1 (en) * | 2014-01-09 | 2015-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2557365C1 (en) * | 2014-01-09 | 2015-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2004084272A2 (en) * | 2003-03-13 | 2004-09-30 | Eneco, Inc. | Solid state energy converter |
JP4687305B2 (en) * | 2005-07-28 | 2011-05-25 | ダイキン工業株式会社 | Thermoelectric generator |
US7663053B2 (en) * | 2007-01-05 | 2010-02-16 | Neokismet, Llc | System and method for using pre-equilibrium ballistic charge carrier refraction |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH07297454A (en) * | 1994-04-28 | 1995-11-10 | Oki Electric Ind Co Ltd | Infrared image sensor and its manufacture |
JPH07318419A (en) * | 1994-05-28 | 1995-12-08 | Horiba Ltd | Electromagnetic wave sensor |
-
2001
- 2001-03-06 JP JP2001567024A patent/JP4896336B2/en not_active Expired - Lifetime
- 2001-03-06 RU RU2002126569/28A patent/RU2275713C2/en not_active IP Right Cessation
-
2002
- 2002-09-04 IL IL151600A patent/IL151600A/en not_active IP Right Cessation
Cited By (24)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2444814C1 (en) * | 2011-03-29 | 2012-03-10 | Юрий Феликсович Верниковский | Thermoelectric cluster, method of its operation, device to connect active element in it with heat power line, generator (versions) and heat pump (versions) on its basis |
WO2012134348A1 (en) * | 2011-03-29 | 2012-10-04 | Vernikovsky Yury Felixovich | Thermoelectric cluster, method for operating same, device for connecting an active element in said cluster to a thermoelectric drive, generator (variants) and heat pump (variants) based thereon |
RU2456699C1 (en) * | 2011-04-04 | 2012-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Assembly of alkali metal thermoelectric converters |
RU2456698C1 (en) * | 2011-04-04 | 2012-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Alkali metal thermoelectric converter |
RU2477828C1 (en) * | 2011-10-25 | 2013-03-20 | Святослав Михайлович Сергеев | Thermal diode |
RU2525608C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2534441C2 (en) * | 2013-01-10 | 2014-11-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2525170C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525169C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525611C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525603C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525607C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2525168C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2534436C2 (en) * | 2013-01-10 | 2014-11-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2525171C1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-08-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2534440C2 (en) * | 2013-01-10 | 2014-11-27 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2542606C1 (en) * | 2013-08-13 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2548381C2 (en) * | 2013-08-13 | 2015-04-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2542616C1 (en) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2542608C1 (en) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2542592C1 (en) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2542609C1 (en) * | 2013-08-15 | 2015-02-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage converter |
RU2557363C1 (en) * | 2014-01-09 | 2015-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
RU2557365C1 (en) * | 2014-01-09 | 2015-07-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Ac voltage rectifier |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP4896336B2 (en) | 2012-03-14 |
IL151600A (en) | 2007-03-08 |
JP2004523094A (en) | 2004-07-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2275713C2 (en) | Thermoelectric converter and method for heat energy conversion | |
AU2001268030B2 (en) | Thermal diode for energy conversion | |
AU2001268030A1 (en) | Thermal diode for energy conversion | |
US7569763B2 (en) | Solid state energy converter | |
Shakouri et al. | Enhanced thermionic emission cooling in high barrier superlattice heterostructures | |
IL170684A (en) | Solid state energy converter | |
Sharma et al. | Recent advances in thermoelectric power generation technology | |
Yamashita | Effect of metal electrode on Seebeck coefficient of p-and n-type Si thermoelectrics | |
Konovalov et al. | Hot carrier solar cell as thermoelectric device | |
Dhruv et al. | Fabrication and electrical characterization of p-ZnIn2Se4/n-Si heterojunction diode structure | |
Mudiyanselage et al. | Anisotropic electrical properties of NiO x/β-Ga2O3 pn heterojunctions on (2̅01),(001), and (010) crystal orientations | |
Sheoran et al. | Investigation of high-performance Schottky diodes on a Ga2O3 epilayer using Cu with high barrier height, high temperature stability and repeatability | |
Kucherov et al. | Energy conversion using diode-like structures | |
Dilshad et al. | Experiment with Schottky junction: estimation of metal–semiconductor interface parameters | |
US10141468B2 (en) | Method and apparatus for a thermophotovoltaic cell | |
US10483450B1 (en) | Internal electric converter | |
Koyano et al. | Electronic Properties of Low-Temperature Thermoelectric Materials: Selenium Doped Bismuth-Antimony Alloys | |
HARIRI | Structural and Electrical Characteristics of | |
BEMPORAD | Feasibility of solar-enhanced thermoelectric generators on electrodynamic tethers for satellite deorbiting |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20090529 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190307 |