RU2336598C2 - Твердотельный преобразователь энергии (варианты) и способ преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической в холод (варианты) - Google Patents
Твердотельный преобразователь энергии (варианты) и способ преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической в холод (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2336598C2 RU2336598C2 RU2005131609/28A RU2005131609A RU2336598C2 RU 2336598 C2 RU2336598 C2 RU 2336598C2 RU 2005131609/28 A RU2005131609/28 A RU 2005131609/28A RU 2005131609 A RU2005131609 A RU 2005131609A RU 2336598 C2 RU2336598 C2 RU 2336598C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- zone
- energy converter
- converter according
- electrical
- emitter
- Prior art date
Links
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 114
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 51
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 32
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 32
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 28
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 28
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 23
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 22
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 20
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 9
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims description 8
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 7
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000001803 electron scattering Methods 0.000 claims 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 abstract 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 14
- 238000013461 design Methods 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 3
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N (2,5-dioxopyrrolidin-1-yl) 4-pyren-1-ylbutanoate Chemical compound C=1C=C(C2=C34)C=CC3=CC=CC4=CC=C2C=1CCCC(=O)ON1C(=O)CCC1=O YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000661 Mercury cadmium telluride Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002665 PbTe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 TAGS Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 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
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 2
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N tellanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Te] OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000003779 heat-resistant material Substances 0.000 description 1
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 230000037230 mobility Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UZLYXNNZYFBAQO-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);ytterbium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Yb+3].[Yb+3] UZLYXNNZYFBAQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 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
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 1
- 230000007723 transport mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229940075624 ytterbium oxide Drugs 0.000 description 1
- 229910003454 ytterbium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- 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
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к полупроводниковым термоэмиссионным преобразователям. Твердотельный преобразователь энергии с проводимостью n-типа содержит зону эмиттера, находящуюся в тепловой связи с горячей поверхностью теплообменника и включающую зону n-типа с концентрацией n* донора, предназначенную для эмиссии электронов; запрещенную зону полупроводника, легированную донорной примесью n-типа, находящуюся в электрической и тепловой связи с зоной эмиттера; барьерный слой р-типа с концентрацией р* акцептора, расположенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной, причем барьерный слой имеет конфигурацию, обеспечивающую наличие потенциального барьера и разрыва между уровнями Ферми зоны эмиттера и запрещенной зоны. Также предложены два способа преобразования тепловой энергии в электрическую и электрической в холод. Изобретение обеспечивает преобразование энергии при более низких температурах, с высоким кпд и высокими плотностями энергии. 5 н. и 25 з.п. ф-лы, 10 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую и электрической энергии в холод, в особенности к полупроводниковым термоэмиссионным преобразователям, использующим конструкцию полупроводникового диода.
Уровень техники
Термоэмиссионное преобразование энергии представляет собой способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию за счет термоэлектронной эмиссии. В процессе этого преобразования за счет термоэлектронного процесса из поверхности металла эмитируются электроны за счет его нагрева, при этом части электронов придается достаточное количество энергии для того, чтобы преодолеть силы, действующие у поверхности металла и тормозящие их вылет. В отличие от большинства других известных способов генерации электрической энергии термоэмиссионное преобразование не требует для превращения теплоты в электричество ни промежуточной формы энергии, ни какого-либо рабочего тела, кроме электрических зарядов.
Простейший известный термоэмиссионный преобразователь энергии содержит один электрод, присоединенный к источнику тепла, второй электрод, соединенный с теплоотдатчиком и отделенный от первого электрода посредством промежуточного переходного объема, электрические провода, соединяющие электроды с электрической нагрузкой, и корпус. Объем внутри корпуса может быть либо глубоко отвакуумирован, либо заполнен подходящим разреженным паром, например цезием.
Основной процесс, происходящий в обычном термоэмиссионном преобразователе, заключается в следующем. Тепло от источника подводится при достаточно высокой температуре к одному электроду, называемому эмиттером, из которого электроны испаряются путем термоэлектронной эмиссии в вакуумированный или находящийся под разрежением межэлектродный объем, заполненный паром. Электроны перемещаются через этот объем от эмиттера в направлении другого электрода, называемого коллектором, который поддерживают при низкой температуре, близкой к температуре теплоотдатчика. Здесь электроны конденсируются и возвращаются к горячему электроду по внешним электрическим проводам и через электрическую нагрузку, включенную между эмиттером и коллектором. Поток электронов, протекающих через электрическую нагрузку, поддерживается разностью температур между электродами. В результате электрическая энергия отводится к нагрузке.
В основу термоэмиссионного преобразования энергии заложен принцип, который заключается в том, что катод с низкой работой выхода электронов при контактировании с тепловым источником будет испускать электроны. Эти электроны поглощаются холодным анодом, имеющим высокую работу выхода, при этом электроны могут возвращаться обратно к катоду через внешнюю нагрузку, где они совершают полезную работу. Реально существующие термоэлектронные генераторы имеют ограничение, связанное с величиной работы выхода доступных для использования металлов или других материалов, применяемых для изготовления катодов. Другим важным ограничением является эффект пространственного заряда. Присутствие заряженных электронов в объеме между катодом и анодом будет создавать дополнительный потенциальный барьер, который уменьшает величину термоэлектронного тока. Указанные ограничения неблагоприятно влияют на максимальную плотность тока и поэтому представляют собой основную проблему при разработке крупных термоэлектронных преобразователей.
Известные термоэмиссионные преобразователи обычно подразделяют на вакуумные и газонаполненные преобразователи. Вакуумные преобразователи содержат между электродами вакуумированную среду. Такие преобразователи имеют ограниченное практическое применение.
В конструктивных воплощениях, относящихся к первому классу газонаполненных преобразователей, межэлектродное пространство заполняют парообразным веществом, которое генерирует положительные ионы. Это парообразное вещество обычно представляет собой пары щелочных металлов, таких как цезий, натрий и рубидий. Из-за присутствия положительных ионов освобожденные электроны могут легко перемещаться от эмиттера к коллектору. Температура эмиттера в устройстве этого типа отчасти определяется температурой испарения вещества, генерирующего положительные ионы. Как правило, температура эмиттера должна быть, по меньшей мере, в 3,5 раза больше температуры источника с веществом, генерирующим положительные ионы, если в этих известных устройствах предполагается обеспечить эффективную генерацию ионов.
Конструктивные воплощения, относящиеся ко второму классу газонаполненных преобразователей, снабжают третьим электродом, предназначенным для генерирования ионов, а газ в межэлектродном пространстве в этих известных устройствах представляет собой инертный газ, например неон, аргон или ксенон. Хотя такие преобразователи могут работать при низких температурах, например при температурах около 1500°К, они являются более сложными.
Типичные термоэлектронные эмиттеры работают при температурах в интервале, приблизительно, от 1400 до 2200К, а термоэлектронные коллекторы работают при температурах в интервале, приблизительно, от 500 до 1200К. При оптимальных условиях работы величина общего кпд преобразования энергии составляет от 5 до 40%, плотность электрической энергии имеет порядок от 1 до 100 Вт/см2, а плотность тока - порядок от 1 до 100 Вт/см2. Вообще говоря, для конструкций, учитывающих потери на излучение, чем выше температура эмиттера, тем выше величины кпд, мощности и плотности тока. Напряжение, при котором от блока типичного преобразователя отводится электрическая мощность, составляет от 0,3 до 1,2 В, т.е. приблизительно напряжение такое же, что и в случае обычных химических источников тока (гальванических элементов). Термоэмиссионные системы большой номинальной мощности часто состоят из большого количества последовательно соединенных единичных блоков термоэмиссионных преобразователей. Каждый блок приспособлен для определенных случаев применения, и является термоэмиссионным преобразователем, как правило, имеющим номинальную мощность от 10 до 500 Вт.
Высокотемпературные характеристики термоэмиссионных преобразователей служат ограничением в других случаях, поскольку необходимые температуры эмиттера, как правило, выходят за пределы фактических производственных возможностей многих известных источников тепла. Типичные термоэлектрические преобразователи могут функционировать при высоких температурах источника тепла, находящихся в интервале, приблизительно, от 500 до 1500К. Однако даже в оптимальных условиях величина общего кпд термоэлектрических преобразователей энергии находится лишь в интервале от 3 до 10%, плотность электрической энергии обычно меньше нескольких Вт/см2, а плотность тока имеет порядок от 1 до 100 А/см2.
С точки зрения физики термоэлектрические устройства подобны термоэмиссионным. В обоих случаях в металле или полупроводнике создают градиент температуры, и в основе действия этих устройств лежит концепция, заключающаяся в том, что электричество есть движение электронов. Однако при движении электронов происходит также и перенос энергии. Вынужденный ток переносит энергию, как в термоэмиссионных, так и в термоэлектрических устройствах. Основное различие между термоэлектрическим и термоэмиссионным устройствами заключается в механизме переноса; в термоэмиссионных устройствах реализуется баллистический и диффузионный перенос, а в термоэлектрических - омический перенос. Омический ток является диффузионным током, причем не микроскопически, а макроскопически диффузионным. Характерная особенность заключается в том, что в обоих случаях присутствуют избыточные носители заряда. В термоэлектрических устройствах ответственными за электрический ток являются всегда присутствующие в полупроводниках носители. В случае термоэмиссионных устройств ток обусловлен вводом в зазор (запрещенную зону в полупроводниковых устройствах) избыточных носителей. Термоэмиссионное устройство имеет относительно высокую величину кпд, если электроны баллистически перемещаются вдоль запрещенной зоны и через нее. В термоэмиссионном устройстве вся кинетическая энергия переносится от одного электрода к другому. Движение электронов в термоэлектрическом устройстве является квазиравновесным и омическим и характеризуется коэффициентом Зеебека, который представляет собой параметр равновесия.
В структурах с узкими энергетическими барьерами электроны не уходят настолько далеко, чтобы сталкиваться при пересечении барьера. В таких условиях баллистическая версия теории термоэлектронной эмиссии дает более точное представление о переносе электрического тока.
Решения вышеуказанных проблем искали на основе современного уровня техники за счет применения вакуумных или газонаполненных преобразователей. Предпринятые попытки уменьшить эффекты пространственного заряда в случае вакуумных преобразователей включали уменьшение межэлектродного зазора до величины порядка микрона. Попытки уменьшить эти же эффекты для газонаполненных преобразователей привели к необходимости вводить положительные ионы в электронное облако перед эмиттером. Тем не менее, созданным известным устройствам присущи недостатки, связанные, например, с ограниченной максимальной плотностью тока и температурными режимами работы.
Таким образом, существует необходимость в более удовлетворительном техническом решении, позволяющем преобразовывать тепловую энергию в электрическую при боле низких температурных режимах с высоким кпд и высокими плотностями энергии.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение относится к устройствам для твердотельного преобразования энергии и способам преобразования энергии, в которых для преобразования тепловой энергии в электрическую или преобразования электрической энергии в холод используют полупроводник или комбинацию полупроводника с металлом.
В первом варианте твердотельный преобразователь энергии с проводимостью n-типа характеризуется тем, что содержит зону эмиттера, находящуюся в тепловой связи с горячей поверхностью теплообменника и включающую зону n-типа с концентрацией n* донора, предназначенную для эмиссии электронов; запрещенную зону полупроводника, легированную донорной примесью n-типа, находящуюся в электрической и тепловой связи с зоной эмиттера; барьерный слой р-типа с концентрацией р* акцептора, расположенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной, причем барьерный слой имеет конфигурацию, обеспечивающую наличие потенциального барьера и разрыва между уровнями Ферми зоны эмиттера и запрещенной зоны.
Во втором варианте твердотельный преобразователь энергии с проводимостью n-типа характеризуется тем, что содержит зону эмиттера, находящуюся в тепловой связи с горячей поверхностью теплообменника и представляющую собой область n-типа с концентрацией n* донора, предназначенную для эмиссии электронов; барьерный слой р-типа с концентрацией р* акцептора, примыкающий к зоне эмиттера и имеющий конфигурацию, обеспечивающую наличие потенциального барьера и разрыва уровней Ферми; и запрещенную зону, разделенную на части, примыкающую к барьерному слою р-типа и содержащую первый слой из полупроводникового материала и второй слой из металла или другого сильно легированного полупроводникового материала с концентрацией примеси n, уменьшающий плотность теплового потока.
Вариант твердотельного преобразователя энергии с проводимостью р-типа характеризуется тем, что содержит зону эмиттера, находящуюся в тепловой связи с горячей поверхностью теплообменника и включающую область р-типа с концентрацией р* акцептора, предназначенную для эмиссии дырок; запрещенную зону из полупроводника, легированного донором р-типа, находящуюся в электрической и тепловой связи с зоной эмиттера; и барьерный слой n-типа с концентрацией n* донора, расположенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной и имеющий конфигурацию, обеспечивающую наличие потенциального барьера и разрыва уровня Ферми между зоной эмиттера и запрещенной зоной.
Преобразователь энергии может содержать зону коллектора, находящуюся в тепловой связи с холодной поверхностью теплообменника, при этом запрещенная зона находится в электрической и тепловой связи с зоной коллектора. Кроме того, он может содержать первый омический контакт, находящийся в электрической связи с зоной эмиттера, и второй омический контакт, находящийся в электрической связи с зоной коллектора. Первый и второй электрические контакты замыкают электрическую цепь через внешнюю нагрузку для преобразования тепловой энергии в электрическую или через внешний источник энергии для преобразования электрической энергии в холод.
Предпочтительно, зона эмиттера содержит металл или сильно легированный полупроводник. Запрещенная зона имеет ширину, равную, по меньшей мере, 1 длине рассеяния носителей заряда, предпочтительно, равную, по меньшей мере, 5 длинам рассеяния носителей заряда.
В частности, запрещенная зона может быть разделена на части и содержать первый слой из полупроводникового материала и второй слой из металла или другого полупроводникового материала.
Предпочтительно, концентрация р* легирующей примеси в барьерном слое р-типа относится к концентрации легирующей n-примеси в запрещенной зоне как pi>ni(m*р/m*n), где m*р - эффективная масса дырок, m*n - эффективная масса электронов, а индексом i обозначена ионизированная фракция носителей заряда при заданной температуре.
Зона коллектора, в частности, включает дополнительный барьерный слой для инжекции с концентраций р** носителей заряда, который примыкает к запрещенной зоне и предназначен для уменьшения термоэлектрической составляющей обратного потока. Зона коллектора может содержать дополнительный компенсированный слой с концентрацией р* акцептора, служащий в качестве запирающего слоя на холодной стороне преобразователя, при этом концентрация акцептора такая же, что и концентрация донора в запрещенной зоне.
В частности, зона коллектора включает два слоя р-типа, один слой с концентрацией р* носителей заряда, служащий в качестве запирающего слоя на холодной стороне преобразователя, и другой слой с концентрацией р** носителей, служащий в качестве дополнительного барьерного слоя для инжекции, примыкающий к запрещенной зоне и предназначенный для уменьшения термоэлектрической составляющей обратного тока. Соотношение между концентрацией р** легирующей примеси дополнительного барьерного слоя для инжекции и концентрацией легирующей примеси n-типа определяется неравенством pi>ni(m*p/m*n), где m*p - эффективная масса дырок, m*n - эффективная масса электронов, а индексом i обозначена ионизированная фракция носителей заряда при заданной температуре.
Первый вариант предложенного способа преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической энергии в холод включает в себя инжектирование носителей заряда в запрещенную зону n-типа из сильно легированной зоны n* эмиттера через барьерный слой р-типа, размещенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной; обеспечение разрывности уровней Ферми; и образование потенциального барьера для разделения электронов по энергии.
Второй вариант предложенного способа преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической энергии в холод включает в себя инжектирование носителей заряда в запрещенную зону р-типа из сильно легированной зоны р* эмиттера через барьерный слой n-типа, размещенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной; обеспечение разрыва уровней Ферми; и образование потенциального барьера для разделения электронов по энергии.
Настоящее изобретение действует как для дырочной, так и для электронной проводимости. С помощью устройств, соответствующих данному изобретению, могут быть получены величины кпд, приближающиеся к термодинамическому пределу.
Вышеуказанные и другие возможности настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего описания и приложенных пунктов формулы, или же они могут быть обнаружены при практическом осуществлении изобретения, раскрытого ниже.
Краткое описание чертежей
Для иллюстрации того, каким образом реализуются вышеуказанные и другие возможности изобретения, ниже будет приведено более подробное описание изобретения (кратко раскрытое выше) с конкретными примерами его воплощения, которые иллюстрируются приложенными чертежами. Принимая во внимание, что эти чертежи отображают только типичные примеры воплощения и, следовательно, не являются ограничением в части объема, данное изобретение будет описано и разъяснено, с включением дополнительных особенностей и деталей, с помощью прилагаемых чертежей.
Фиг.1 - схематическое изображение выполнения термодиода, соответствующего настоящему изобретению, которое улучшает термоэлектрические характеристики полупроводникового устройства данного типа.
Фиг.2 - графическая функциональная зависимость разности энергий уровня Ферми для InSb и дна зоны проводимости от концентрации ионизированных акцепторов (слева) и концентрации ионизированных доноров (справа).
Фиг.3А и 3В - графики, отображающие расчетное распределение концентрации носителей в примеси и соответствующий расчетный профиль потенциального барьера для ионного легирования Не-4.
Фиг.4 - графическая зависимость между относительной электрической выходной мощностью и высотой барьера для эмиттера.
Фиг.5 - график, отображающий расчетные теоретические положения энергетического уровня Ферми и энергии дна зоны проводимости в случае запрещенной зоны InSb, легированной Те с концентрацией 1018 см-3, и барьера р-типа.
Фиг.6 - график изменения относительной электрической выходной мощности, нормализованный по величине термоэлектрического кпд, в зависимости от высоты потенциального барьера для коллектора.
Фиг.7 - график расчетных уровней энергии оптимизированного преобразователя согласно данному изобретению, в котором барьер для эмиттера скомбинирован еще с одним барьером для инжекции.
Фиг.8 - график расчетных уровней энергии оптимизированного преобразователя согласно данному изобретению, в котором барьер для эмиттера скомбинирован с запирающим слоем.
Фиг.9 - график расчетных уровней энергии оптимизированного преобразователя согласно данному изобретению, в котором барьер для эмиттера скомбинирован с еще одним барьером для инжекции и с запирающим слоем.
Фиг.10A - схема преобразователя на термодиодах, соответствующего изобретению, который включает батарею только с барьером для инжекции из эмиттера.
Фиг.10В - схема преобразователя на термодиодах, соответствующего изобретению, который содержит батарею, выполненную с барьером для инжекции из эмиттера и слоем компенсированного полупроводника.
Фиг.10С - схема преобразователя на термодиодах согласно изобретению, который содержит батарею с барьером для инжекции из эмиттера и барьером для инжекции из коллектора.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение относится к твердотельным преобразователям энергии с использованием полупроводника или комбинации полупроводника с металлом, предназначенным для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию или электрической энергии в холод. Данное изобретение может быть реализовано как для дырок, так и для электронов. С помощью настоящего изобретения могут быть достигнуты величины кпд, приближающиеся к термодинамическому пределу.
На фиг.1 представлено схематическое изображение конструкции одного воплощения твердотельного преобразователя энергии, выполненного в виде термодиода 10, который обеспечивает повышение термоэлектрического кпд полупроводникового устройства данного типа. Как показано на фиг.1, термодиод 10 имеет проводимость n-типа и включает в себя зону 12 эмиттера, находящуюся в тепловой связи с поверхностью 14 горячего теплообменника. Зона 12 эмиттера представляет собой зону 16 n-типа с концентрацией доноров равной n*, предназначенную для эмиссии электронов. Запрещенная энергетическая зона 18 полупроводника, выполненная с добавлением донорной примеси n-типа, находится в электрической и тепловой взаимосвязи с зоной 12 эмиттера. Между зоной 12 эмиттера и запрещенной зоной 18 расположен барьерный слой 20 р-типа с концентрацией акцептора, равной р*. Барьерный слой 20 выполнен таким образом, чтобы обеспечить потенциальный барьер и разрыв между энергетическими уровнями Ферми зоны 12 эмиттера и запрещенной зоны 18.
Как показано на фиг.1, термодиод 10 при необходимости может включать зону 22 коллектора, которая имеет тепловую связь с поверхностью 24 холодного теплообменника. Запрещенная зона 18 находится в электрической и тепловой связи с зоной 22 коллектора, если таковая имеется. Первый омический контакт 26 электрически связан с зоной 12 эмиттера, а второй омический контакт 28 имеет электрическую связь с зоной 22 коллектора. Для осуществления процесса преобразования тепловой энергии в электрическую первый и второй электрические контакты 26, 28 замыкают электрическую цепь 30 через внешнюю нагрузку (R1). В качестве альтернативы, для случая преобразования электрической энергии в холод, первый и второй омические контакты 26, 28 могут замыкать электрическую цепь 30 через внешний источник энергии (PS), включенный в цепь вместо внешней нагрузки.
Зона 22 коллектора может содержать дополнительный инжекционный барьерный слой (рI) с концентрацией носителя заряда р**, который примыкает к запрещенной зоне 18, предназначенный для уменьшения термоэлектрической составляющей обратного тока. Зона коллектора 22, кроме того, может включать дополнительный компенсированный слой (рC), концентрация р* акцепторов в котором такая же, что и концентрация доноров в запрещенной зоне 18 и который служит в качестве запирающего слоя на холодной стороне преобразователя.
Зона 22 коллектора, кроме того, может содержать слои р-типа, дополнительный инжекционный слой (рI) и дополнительный компенсированный слой (рC), при этом инжекционный слой расположен между запрещенной зоной и компенсированным слоем.
Зона 12 эмиттера выполнена из электро- и теплопроводных материалов, например металлов, сплавов металлов, полупроводников или легированных полупроводников. Помимо того, эмиттер может содержать размещенный на подложке электро- и теплопроводный материал. Примеры подходящих материалов для зоны эмиттера, не ограничивающие изобретение, включают Hg1-xCdxTe, Cd3As2, CdSnAs2, сплавы SiGe, TAGS, InAs1-x, Sbx, а также Gax In1-x, AsySb1-y, PbTe, PbSe, PbS, Ge1-xSnx и тому подобные материалы. Зона 12 эмиттера может иметь толщину более 1 мкм или, приблизительно, 2 длины рассеяния носителей заряда.
Запрещенная зона 18 может быть образована с помощью полупроводниковых материалов, таких как InSb, HgCdTe, Cd3As2, CdSnAs2, Ge1-xSnx, CdGeAs2, InGaSbAs, PbTe, PbS, PbSe и тому подобных. Полупроводниковые материалы, используемые в запрещенной зоне, могут быть в виде тонких дисков или пластин, легированных примесью n-типа, например теллуром. Запрещенная зона 18 может быть разделена на части так, чтобы она содержала первый слой из полупроводникового материала и второй слой, снижающий плотность теплового потока, который выполнен из металла или другого типа полупроводникового материала, сильно легированного примесью n-типа.
Для того чтобы сохранить структуру потенциального барьера, полупроводниковая область (первый слой) в запрещенной зоне 18 может быть достаточно тонкой, соответствующей одной или более чем одной длине рассеяния (длине свободного пробега) носителей заряда. Например, полупроводниковая зона может составлять, по меньшей мере, одну длину рассеяния носителей заряда, и предпочтительно, по меньшей мере, 5 длин их рассеяния. Запрещенная зона может иметь суммарную толщину, примерно, до 1 мм. В число металлических материалов, которые могут быть использованы в запрещенной зоне, входят Мо, сталь и тому подобные материалы.
Барьерный слой 20 р-типа может иметь толщину, примерно, до 1 мкм, и может быть образован путем осаждения полупроводника, например InSb, легированного примесями р-типа (например, Со, Zn, Ge, Mn, Mg, Fe, Cu, Ag, Cr и т.п.). Как более подробно будет описано ниже, соотношение концентрации р* легирования слоя р-типа и концентрации n легирования запрещенной зоны определяется неравенством рi>ni(m*p/m*n), где m*р представляет собой эффективную массу дырок, m*n - эффективная масса электронов, а индекс i обозначает ионизированную фракцию носителей заряда при заданной температуре.
В альтернативном воплощении твердотельного преобразователя энергии согласно изобретению, термодиод 10, изображенный на фиг.1, может быть выполнен с проводимостью р-типа. Такое конструктивное воплощение содержит зону 12 эмиттера, имеющую тепловую связь с горячей поверхностью теплообменника, при этом зона эмиттера представляет собой зону р-типа с концентрацией р* акцептора, предназначенную для эмиссии дырок. Запрещенная зона 18 полупроводника с донорной р-примесью находится в тепловой и электрической связи с зоной 12 эмиттера. Между зоной 12 эмиттера и запрещенной зоной 18 размещен барьерный слой 20 n-типа с концентрацией n* донора. Термодиод р-типа при необходимости может включать зону 22 коллектора, находящуюся в тепловой связи с холодной поверхностью теплообменника. Первый омический контакт имеет электрическую связь с зоной 12 эмиттера, а второй омический контакт электрически связан с зоной 22 коллектора.
Преобразователи, соответствующие данному изобретению, могут быть изготовлены с помощью известных технологий осаждения напыления, обычно применяемых для формирования слоев металла или полупроводника, которые хорошо известны специалистам в данной области техники.
Примеры
Нижеследующие примеры приведены для иллюстрации настоящего изобретения и не имеют целью ограничивать объем изобретения.
Пример 1 - Конструкция эмиттера и преобразователя
При разработке настоящего изобретения в качестве полупроводникового материала был использован антимонид индия (InSb) благодаря его доступности. Антимонид индия имеет одну из самых высоких величин подвижности электронов и наибольшую длину рассеяния (0,8 мкм при комнатной температуре). С другой стороны, теплопроводность InSb относительно высока, и поэтому термоэлектрическая добротность в этом случае ниже средней величины (для оптимальных условий ZT=0,2). Необходимо понимать, что большая часть результатов, полученных экспериментальным путем для InSb, может быть применима для разнообразия других полупроводников с поправкой на их свойства. Однако существуют два крайних случая, когда этот подход, вероятно, не работает, а именно, если ширина запрещенной энергетической зоны или слишком мала (менее kBТ, где kB - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура), или слишком велика, так что в пределах приемлемой высоты барьера, составляющей, например, менее 10 kBТ, трудно создать тепловой поток, обусловленный разрывом уровня Ферми.
В данной конструкции были использованы пластины (запрещенная зона), легированные теллуром (n-тип). Уровень легирования составлял, приблизительно, 1018 атомов на кубический сантиметр (атомов/см3). Базовая конструкция преобразователя n-типа выполнена по структурной схеме n*/р /n, где n* - эмиттер (материалом может быть металл или полупроводник), р - барьерный слой, n - материал запрещенной зоны. Соответствующая компоновка преобразователя р-типа выполнена по схеме р*/ n/ р, где р* - эмиттер, n - барьерный слой и р - материал запрещенной зоны. С целью упрощения преобразователи р-типа, соответствующие изобретению, далее не будут рассмотрены, принимая во внимание, что физика процесса, относящаяся к этому случаю, такая же и соответствующие изменения конструкции являются очевидными. Добавление скомпенсированного слоя р-типа на стороне коллектора преобразователя дополнительно повышает кпд устройства. Кроме того, еще более высокую эффективность работы устройства может обеспечить дополнительный эффект инжекции тока, описанный ниже.
При изготовлении преобразователя в соответствии с настоящим изобретением слой эмиттера с областью n* был образован путем осаждения слоя InSb, сильно легированного теллуром, или путем осаждения слоя металла, а именно In, Mo, или эвтектики In-Ga. В целях создания потенциального барьера для инжекции горячих электронов сформирован слой р-типа и обеспечивается разрыв уровня Ферми, что предотвращает короткое замыкание эмиттера. Добавление какого-либо р-слоя на поверхность запрещенной зоны n-типа создает потенциальный барьер, но разрыв уровня Ферми обеспечивается лишь при достаточно высокой концентрации носителей заряда р-типа. Другими словами слой р-типа работает как разделитель. Зависимость разности энергий уровня Ферми и дна зоны проводимости от концентрации донора и акцептора отображается диаграммой Кана. На фиг.2 представлена диаграмма Кана для InSb, графически отображающая энергетический уровень Ферми (мэВ) как функцию концентрации ионизированного акцептора (на диаграмме слева) и концентрации ионизированного донора (справа). Фиг.2 иллюстрирует результаты, полученные для температур 300, 350, 400, 450, 500, 550 и 600К.
Слой р-типа был образован с помощью метода, основанного на том факте, что вакансия (дырка) в InSb образует примесь р-типа с такой же энергией ионизации, какую имеет Те (50 мэВ). Это является благоприятным в том смысле, что относительная концентрация примесей как n-типа, так и р-типа, остается одной и той же во всей области изменения температуры. Концентрация дырок, созданная ионной имплантацией инертного газа, была смоделирована компьютерной программой TRTM-91 (Ziegler and Biersack, IBM, 1991). На фиг.3А представлен график расчетной кривой распределения концентрации носителей заряда после имплантации 4Не при 20-350 кэВ в InSb, легированном Те до 1018 см-3, а на фиг.3В - соответствующая расчетная кривая потенциала барьера для случая имплантации при комнатной температуре.
Представленная выше конкретная кривая распределения примесей, а также другие кривые распределения были реализованы с использованием имплантантов, производимых промышленностью (Core System, Inc. Sunnyvale, California). Пластины из InSb с имплантантом были нарезаны на небольшие куски, как правило, площадью в несколько квадратных миллиметров и были испытаны в аппаратуре, описанной в других источниках информации (см., например, P.Hagelstein and Y.Kucherov Proceeding of the 2001 Fall Materials Research Society Conference, Boston, MA, edited by G. S. Nolas, Vol.691, p.319-324). Куски таких же пластин без слоев с ионной имплантацией представляли собой термоэлектрические образцы для сопоставления. На фиг.4 приведены результаты кумулятивных испытаний для толстых пластин толщиной 0,5 мм в виде графической зависимости относительной электрической выходной мощности, умноженной на величину термоэлектрического кпд, от высоты барьера эмиттера при различных температурах.
Ширина барьера была получена такой же, что и на фиг.2. Пик характеристики (на фиг.4) по ширине соответствовал, приблизительно, kBТ (kB - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура). При температуре 313К величина термоэлектрического кпд не изменяется до тех пор, пока высота барьера не достигнет, приблизительно, 4 kBТ. Оптимальная высота барьера снижается по мере того, как растет температура, при этом наблюдалось снижение термоэлектрической выходной мощности до 6 раз.
Эффективная масса электронов соответствует величине m*n=mn/mo=0,0136 (mo - масса свободных электронов), а эффективная масса дырок равна m*р=mр/mo=0,2 (см. G.Slack, CRC Handbook of Thermoelectrics, p.420, CRC press, 1995). Отношение этих величин равно 14,7, и пик экспериментальной кривой наблюдается, когда концентрация дырок приблизительно в 14,5-15,5 раз превышает концентрацию электронов. Другими словами, разрывность уровня Ферми и максимум выходной мощности для этого частного случая имеют место, когда существует делокализованный компенсированный слой. Следует отметить, что при низких уровнях легирования запрещенного слоя максимальная величина кпд может быть достигнута при уровнях легирования барьера больших, чем уровень компенсации, необходимый для создания более высокого барьера. Но в большинстве случаев условие компенсации является достаточным. В патентном документе US 6396191 В1, ссылка на который включена в данное описание, приведена максимальная пропускная способность коллектора в точке локализованной компенсации с одинаковыми концентрациями примесей р-типа и n-типа.
В общем случае локализованная компенсация для выбранного полупроводника может быть представлена в виде
pi=ni(1),
где рi - концентрация ионизированной акцепторной примеси, а ni - концентрация ионизированной донорной примеси.
Ионизированная фракция примеси определяется (для акцепторов, в качестве примера) соотношением pi=р/I+g ехр - {EF-Ei/kB Т}, где Ei - энергия ионизации для данной примеси, EF - уровень Ферми, g - коэффициент генерации ионов, который в случае InSb равен 4, kB - постоянная Больцмана и Т - абсолютная температура. Для делокализованной компенсации, соответствующей максимальной производительности эмиттера,
Уравнение (2) позволяет оптимизировать сторону расположения эмиттера для InSb и, возможно, любого другого полупроводника. Увеличение термоэлектрического кпд в 6 раз повышает статус устройства на основе InSb до относительно хорошего термоэлектрического устройства. На фиг.5 графически отображены идеальные расчетные значения энергетического уровня Ферми и дна зоны проводимости для запрещенной зоны, выполненной из InSb, легированного Те в количестве 1018 см-3, и с барьером р-типа.
Как представляется, слой материала с собственной электропроводностью толщиной большей, чем длина рассеяния, выполняет ту же функцию, что и локализованный компенсированный слой, и может быть рассмотрен в качестве альтернативы выполнения. В этом случае преобразователь n-типа по конструкции будет похожим на n*/i/n/i*, где n* - эмиттер, i - слой эмиттера из материала с собственной электропроводностью, n - материал зазора запрещенного слоя и i* - слой коллектора из материала с собственной электропроводностью. Понятно, что в некоторых случаях может быть предпочтительной комбинация как локализованного, так и не локализованного барьеров.
Если использовать более эффективные материалы, например Hg1-xCd хТе, Cd3As2, CdSnAs2, сплавы SiGe, TAGS, InAs1-x, Sbx, Gax In1-x, AsySb1-y и т.п., то может быть достигнута величина кпд, приближающаяся к термодинамическому пределу. Экспериментально при использовании Hg 0,86 Cd 0,14 Те с эмиттером, легированным индием (In), был получен термический кпд, соответствующий 40% от кпд идеального цикла Карно, но даже такая величина кпд может быть повышена. Реальное устройство для работы при высоких температурах требует наличия тонкого диффузионного барьерного слоя на граничной поверхности эмиттера, который тоньше длины тоннельного перехода носителя в материале барьера, для того чтобы предотвратить размыв профиля распределения концентрации. Известные диффузионные барьеры обычно выполняют из жаростойкого материала, такого как TiN, ZnN, HfN, TaN, W и т.п. В случае использования HgCdTe материалом для диффузионного барьера служит Yb (оксид иттербия).
Пример 2 - Конструкция коллектора
Такой же способ имплантации был использован для изучения влияния высоты барьера со стороны коллектора преобразователя. Экспериментальные данные графически представлены на фиг.6 в виде зависимости выходной электрической мощности, нормализованной величиной термоэлектрического кпд, от высоты барьера коллектора. Температура коллектора (Тс) была близка к комнатной температуре. Наблюдалось два отдельных эффекта. При низкой величине высоты барьера один пик находится в области локализованной компенсации, где концентрация примеси р-типа равна концентрации примеси n-типа. В этом случае энергия ионизации для доноров и акцепторов одинакова. При больших высотах барьера положение второго пика для соответствующей температуры точно такое же, что и на фиг.4, что дает основание предполагать протекание инжекционного тока из запрещенной зоны в коллекторный контакт. Опять же, этот пик соответствует делокализованному компенсированному слою. Эмиттер и коллектор отделены друг от друга слоем полупроводника, который во много раз толще как слоя эмиттера, так и слоя коллектора. В результате разумно предположить, что стороны эмиттера и коллектора работают в большей степени независимо, по крайней мере, в предельном случае, когда напряжение на преобразователе в разомкнутой цепи меньше высоты обоих барьеров. Это обеспечивает благоприятную возможность объединить барьер для эмиттера с барьером для инжекции, с запирающим слоем или же с ними обоими.
Например, на фиг.7 представлен график расчетных уровней энергии в оптимизированном преобразователе, содержащем барьер для эмиттера (запрещенная зона из InSb, легированного Те в количестве 1018 см-3, толщиной 0,5 мм), объединенный с барьером для инжекции. Температура горячей стороны эмиттера составляет Тгор=300°С, а температура холодной стороны коллектора Тхол=10°С. На фиг.8 показан график расчетных уровней энергии в оптимизированном преобразователе, имеющем барьер для эмиттера (запрещенная зона из InSb с легированием Те в количестве 1018 см-3 и толщиной 0,5 мм), объединенный с запирающим слоем. Температура горячей стороны эмиттера составляет Тгор=300°С, а температура холодной стороны коллектора Тхол=10°С. На фиг.9 представлен график расчетных уровней энергии в оптимизированном преобразователе, имеющем барьер для эмиттера (запрещенная зона из InSb с легированием Те в количестве 1018 см-3 и толщиной 0,5 мм), объединенный с другим барьером для инжекции и запирающим слоем. Температура горячей стороны эмиттера (Тгор) составляет 300°С, а температура холодной стороны коллектора (Тхол) равна 10°С.
Высоты барьеров могут быть получены из экспериментальных кривых, представленных на фиг.4 и 6. Такие же высоты барьеров могут быть получены, используя диаграмму Кана (см. фиг.1) и с помощью соотношения (1) для запирающего слоя для коллектора, и по формуле (2) - для инжекционных слоев эмиттера и коллектора. Соответствующее повышение термоэлектрического кпд (в предельном случае, когда напряжение при разомкнутой цепи ниже соответствующей высоты барьера) может составлять, приблизительно, 9 в случае инжекционного слоя коллектора, примерно, 8 в случае запирающего слоя или около 14, когда имеются все указанные слои.
Для более тонких пластин повышение термоэлектрического кпд может быть еще более резко выраженным, поскольку величина термоэлектрического напряжения в разомкнутой цепи ниже и не влияет на барьер (барьеры) для коллектора. Все улучшения кпд для толстых пластин (запрещенных зон), толщиной 0,5 мм, обусловлены наличием двух тонких слоев с общей толщиной в 300 раз меньше, чем сама запрещенная зона. После того как горячий носитель заряда пересекает барьер, он проходит в запрещенную зону и рассеивается. После примерно 5-10 рассеиваний горячий носитель заряда замедляется до чисто тепловой энергии (чисто теплового движения), и распределение носителей заряда в запрещенной зоне возвращается к распределению Ферми для невозмущенного движения. Для InSb длина рассеивания составляет приблизительно 0,8 микрон при комнатной температуре. Это означает, что после 4-8 микрон запрещенная зона не вносит заметный вклад в кпд устройства.
Если из большого количества отдельных устройств собрана батарея, и при этом контактное сопротивления не превышает вклада от использования дополнительных устройств, кпд может быть увеличено путем добавления дополнительных устройств, имеющих толщину более 5-10 длин рассеяния. Такой подход изложен в патентном документе US 6396191 В1 с меньшими подробностями выполнения отдельного устройства. В идеале, барьеры в каждом устройстве, или, по меньшей мере, в блоке из устройств, должны быть приспособлены к рабочей температуре в соответствии с формулой (2). Большое количество устройств, соединенных последовательно, может быть выполнено только с барьером для инжекции из эмиттера, барьерами для инжекции из эмиттера и из коллектора, барьерами для запирания эмиттера и коллектора или со всеми тремя типами барьеров одновременно.
В качестве примера на фиг.10А представлена схема преобразователя на термодиодах согласно данному изобретению, который включает в себя батарею 100 только с барьером для инжекции из эмиттера, содержащую первый диод 110 со структурой n*/р/n на горячей стороне (Тн) и множество N повторяющихся диодов 120 такой же конструкции, как и первый диод 100, которые заканчиваются на холодной стороне слоем n*. На фиг.10 В представлена схема преобразователя на термодиодах согласно изобретению, который включает в себя батарею 200 с барьером для эмиттера и скомпенсированным слоем (запирающим барьерным слоем для коллектора). Батарея 200 содержит первый диод 210 со структурой n*/р/n/рс на горячей стороне (Тн) и множество N повторяющихся диодов 220 одинаковой конструкции, которые заканчиваются на холодной стороне слоем n*. На фиг.10С представлена схема преобразователя на термодиодах согласно изобретению, который включает в себя батарею 300 с барьером для эмиттера и барьером для инжекции из коллектора. Батарея 300 содержит первый диод 310, выполненный со структурой n*/p/n/pi на горячей стороне (Тн), и множество из N повторяющихся диодов 320 одинаковой конструкции, которые заканчиваются на холодной стороне слоем n*.
Тепловой преобразователь на диодах согласно изобретению, кроме того, может включать батарею с барьером для эмиттера и барьером для инжекции из коллектора. Эта батарея содержит первый диод со структурой n*/p/n/pi/pc, подобной диоду, показанному на фиг.1, и последовательность из N диодов, имеющих такую же структуру, что и первый диод, которая оканчивается слоем n*, как это показано на фиг.10A-10С.
В отношении барьера для инжекции существует несколько представлений. Одно их них состоит в том, что потенциальный барьер останавливает все носители заряда с энергиями менее высоты барьера. Носители, которые проходят через барьер, образуют большое количество движущихся вперед носителей заряда и на расстоянии от барьера, равном длине рассеяния, эффективная температура носителей выше, чем величина барьера. Для барьера в 100 мэВ эта температура приблизительно равна 1200К, при некотором отклонении от распределения Ферми в барьерном слое. В предположении линейной характеристики устройства в каждом из аспектов барьер может быть рассмотрен как термоэлектрический слой, выполненный из такого же материала, но характеризующийся величиной коэффициента Зеебека, в четыре раза большей, чем при комнатной температуре, или же с показателем добротности, в шестнадцать раз большим по сравнению с таким же слоем, но без барьера.
После прохождения нескольких длин рассеяния носители вновь приходят в состояние теплового равновесия, и инжектирование барьера может быть повторено. Однако, в отличие от батареи, состоящей из двух термоэлектрических пластин, следующее последовательно присоединенное к ней полупроводниковое устройство будет способствовать получению эквивалентного коэффициента Зеебека, который в большей степени зависит от высоты барьера, чем от температуры контактной поверхности, и по величине может быть близок к коэффициенту для первого устройства. Батарея из двух полупроводниковых устройств имеет почти удвоенную величину коэффициента Зеебека и удвоенную величину термического и электрического сопротивлений, но поскольку показатель добротности возрастает пропорционально квадрату коэффициента Зеебека, эквивалентный показатель добротности возрастает.
В устройстве толщиной 0,5 мм могут быть размещены структуры, содержащие 50-60 барьеров. На практике контактное сопротивление каждой контактной поверхности будет уменьшать тепловой поток через устройство, а инжекционный ток представляет собой часть общего теплового потока, поэтому влияние размеров на термоэлектрический эффект будет снижаться. Обычное моделирование, в предположении линейной зависимости напряжения в разомкнутой цепи от температуры, показывает, что при идеальных контактах вклад в контактное термическое сопротивление вносят только фононовые несогласованные компоненты, при этом оптимальное количество контактных поверхностей составляет около 20 при увеличении показателя добротности в 25 раз. После того, как количество контактных поверхностей превысит 100, дальнейшее увеличение показателя добротности не происходит. Более сложное выполнение батареи может включать барьеры с температурным регулированием и тому подобное.
Конструкции, представленные на фиг.10A-10С, весьма полезны для получения холода, поскольку эквивалентная величина коэффициента Пельтье пропорциональна сумме высот отдельных барьеров. Холодильный коэффициент пропорционален квадрату коэффициента Пельтье, и поэтому даже несколько барьеров будут обеспечивать много большую холодопроизводительность.
Как уже было отмечено выше, запрещенная зона после превышения длины рассеяния в 5-10 раз далее не влияет на кпд устройства. Это означает, что большую часть толщины полупроводникового материала можно заменить на металл. Металлический слой в этом случае используют для уменьшения удельного теплового потока. Такое устройство может быть изготовлено путем осаждения полупроводниковых структур эмиттера и коллектора таких, как описаны выше, на металлическую пластину. Металл должен быть подобран к полупроводнику с учетом величин их коэффициентов теплового расширения. В некоторых случаях между структурами металла и структурами эмиттера и коллектора может быть необходимым размещение тонкого промежуточного аморфного слоя полупроводника. Для преобразователя р-типа запрещенная зона из металла является более проблематичной, поскольку необходим надежный омический контакт.
Настоящее изобретение может быть реализовано и в других конкретных формах без отступления от изобретательского замысла или изменения существенных признаков изобретения. Описанные примеры воплощения следует рассматривать во всех отношениях только как иллюстративные, а не ограничивающие изобретение. Объем изобретения, следовательно, определяется приложенной формулой изобретения, а не изложенным выше его описанием. Все производимые изменения должны находиться в пределах, определяемых объемом признаков формулы изобретения.
Claims (30)
1. Твердотельный преобразователь энергии с проводимостью n-типа, характеризующийся тем, что он содержит зону эмиттера, находящуюся в тепловой связи с горячей поверхностью теплообменника и включающую зону n-типа с концентрацией n* донора, предназначенную для эмиссии электронов; запрещенную зону полупроводника, легированную донорной примесью n-типа, находящуюся в электрической и тепловой связи с зоной эмиттера; барьерный слой р-типа с концентрацией р* акцептора, расположенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной, причем барьерный слой имеет конфигурацию, обеспечивающую наличие потенциального барьера и разрыва между уровнями Ферми зоны эмиттера и запрещенной зоны.
2. Твердотельный преобразователь энергии по п.1, характеризующийся тем, что он содержит зону коллектора, находящуюся в тепловой связи с холодной поверхностью теплообменника, при этом запрещенная зона находится в электрической и тепловой связи с зоной коллектора.
3. Твердотельный преобразователь энергии по п.2, характеризующийся тем, что он содержит первый омический контакт, находящийся в электрической связи с зоной эмиттера.
4. Твердотельный преобразователь энергии по п.3, характеризующийся тем, что он содержит второй омический контакт, находящийся в электрической связи с зоной коллектора.
5. Твердотельный преобразователь энергии по п.4, характеризующийся тем, что первый и второй электрические контакты замыкают электрическую цепь через внешнюю нагрузку для преобразования тепловой энергии в электрическую.
6. Твердотельный преобразователь энергии по п.4, характеризующийся тем, что первый и второй электрические контакты замыкают электрическую цепь через внешний источник энергии для преобразования электрической энергии в холод.
7. Твердотельный преобразователь энергии по п.1, характеризующийся тем, что зона эмиттера содержит металл или сильно легированный полупроводник.
8. Твердотельный преобразователь энергии по п.1, характеризующийся тем, что запрещенная зона имеет ширину, равную, по меньшей мере, 1 длине рассеяния носителей заряда.
9. Твердотельный преобразователь энергии по п.1, характеризующийся тем, что запрещенная зона имеет ширину, равную, по меньшей мере, 5 длинам рассеяния носителей заряда.
10. Твердотельный преобразователь энергии по п.1, характеризующийся тем, что запрещенная зона разделена на части и содержит первый слой из полупроводникового материала и второй слой из металла или другого полупроводникового материала.
11. Твердотельный преобразователь энергии по п.1, характеризующийся тем, что концентрация р* легирующей примеси в барьерном слое р-типа относится к концентрации легирующей n-примеси в запрещенной зоне как pi>ni (m*p/m*n), где m*р - эффективная масса дырок, m*n - эффективная масса электронов, а индексом i обозначена ионизированная фракция носителей заряда при заданной температуре.
12. Твердотельный преобразователь энергии по п.2, характеризующийся тем, что зона коллектора включает дополнительный барьерный слой для инжекции с концентраций р** носителей заряда, который примыкает к запрещенной зоне и предназначен для уменьшения термоэлектрической составляющей обратного потока.
13. Твердотельный преобразователь энергии по п.2, характеризующийся тем, что зона коллектора содержит дополнительный компенсированный слой с концентрацией р* акцептора, служащий в качестве запирающего слоя на холодной стороне преобразователя, при этом концентрация акцептора такая же, что и концентрация донора в запрещенной зоне.
14. Твердотельный преобразователь энергии по п.2, характеризующийся тем, что зона коллектора включает два слоя р-типа, один слой с концентрацией р* носителей заряда, служащий в качестве запирающего слоя на холодной стороне преобразователя, и другой слой с концентрацией р** носителей, служащий в качестве дополнительного барьерного слоя для инжекции, примыкающий к запрещенной зоне и предназначенный для уменьшения термоэлектрической составляющей обратного тока.
15. Твердотельный преобразователь энергии по п.12, характеризующийся тем, что соотношение между концентрацией р** легирующей примеси дополнительного барьерного слоя для инжекции и концентрацией легирующей примеси n-типа определяется неравенством pi>ni (m*p/m*n), где m*p - эффективная масса дырок, m*n - эффективная масса электронов, а индексом i обозначена ионизированная фракция носителей заряда при заданной температуре.
16. Твердотельный преобразователь энергии с проводимостью n-типа, содержащий зону эмиттера, находящуюся в тепловой связи с горячей поверхностью теплообменника и представляющую собой область n-типа с концентрацией n* донора, предназначенную для эмиссии электронов; барьерный слой р-типа с концентрацией р* акцептора, примыкающий к зоне эмиттера и имеющий конфигурацию, обеспечивающую наличие потенциального барьера и разрыва уровней Ферми; и запрещенную зону, разделенную на части, примыкающую к барьерному слою р-типа и содержащую первый слой из полупроводникового материала и второй слой из металла или другого сильно легированного полупроводникового материала с концентрацией примеси n, уменьшающий плотность теплового потока.
17. Твердотельный преобразователь энергии по п.16, характеризующийся тем, что он содержит первый омический контакт, находящийся в электрической связи с зоной эмиттера.
18. Твердотельный преобразователь энергии по п.16, характеризующийся тем, что он содержит второй омический контакт, находящийся в электрической связи с запрещенной зоной.
19. Твердотельный преобразователь энергии по п.16, характеризующийся тем, что первый слой имеет ширину равную, по меньшей мере, одной длине рассеяния электронов.
20. Твердотельный преобразователь энергии по п.16, характеризующийся тем, что ширина первого слоя составляет, по меньшей мере, 5 длин рассеяния электронов.
21. Твердотельный преобразователь энергии с проводимостью р-типа, содержащий зону эмиттера, находящуюся в тепловой связи с горячей поверхностью теплообменника и включающую область р-типа с концентрацией р* акцептора, предназначенную для эмиссии дырок; запрещенную зону из полупроводника, легированного донором р-типа, находящуюся в электрической и тепловой связи с зоной эмиттера; и барьерный слой n-типа с концентрацией n* донора, расположенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной и имеющий конфигурацию, обеспечивающую наличие потенциального барьера и разрыва уровня Ферми между зоной эмиттера и запрещенной зоной.
22. Твердотельный преобразователь энергии по п.21, характеризующийся тем, что он содержит зону коллектора, находящуюся в тепловой связи с холодной поверхностью теплообменника, при этом запрещенная зона находится в электрической и тепловой связи с зоной коллектора.
23. Твердотельный преобразователь энергии по п.22, характеризующийся тем, что он содержит первый омический контакт, находящийся в электрической связи с зоной эмиттера.
24. Твердотельный преобразователь энергии по п.23, характеризующийся тем, что он содержит второй омический контакт, находящийся в электрической связи с зоной коллектора.
25. Твердотельный преобразователь энергии по п.24, характеризующийся тем, что первый и второй электрические контакты замыкают электрическую цепь через внешнюю нагрузку для преобразования тепловой энергии в электрическую.
26. Твердотельный преобразователь энергии по п.24, характеризующийся тем, что первый и второй электрические контакты замыкают электрическую цепь через внешний источник энергии для преобразования электрической энергии в холод.
27. Твердотельный преобразователь энергии по п.21, характеризующийся тем, что запрещенная зона имеет ширину, равную, по меньшей мере, одной длине рассеяния носителей заряда.
28. Твердотельный преобразователь энергии по п.21, характеризующийся тем, что запрещенная зона имеет ширину, равную, по меньшей мере, 5 длинам рассеяния носителей заряда.
29. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической энергии в холод, включающий в себя инжектирование носителей заряда в запрещенную зону n-типа из сильно легированной зоны n* эмиттера через барьерный слой р-типа, размещенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной; обеспечение разрывности уровней Ферми; и образование потенциального барьера для разделения электронов по энергии.
30. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической энергии в холод, включающий в себя инжектирование носителей заряда в запрещенную зону р-типа из сильно легированной зоны р*эмиттера через барьерный слой n-типа, размещенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной; обеспечение разрыва уровней Ферми; и образование потенциального барьера для разделения электронов по энергии.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US45451103P | 2003-03-13 | 2003-03-13 | |
| US60/454,511 | 2003-03-13 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005131609A RU2005131609A (ru) | 2006-02-20 |
| RU2336598C2 true RU2336598C2 (ru) | 2008-10-20 |
Family
ID=33029886
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005131609/28A RU2336598C2 (ru) | 2003-03-13 | 2004-03-15 | Твердотельный преобразователь энергии (варианты) и способ преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической в холод (варианты) |
Country Status (10)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1611617B1 (ru) |
| JP (1) | JP4939928B2 (ru) |
| KR (1) | KR101003059B1 (ru) |
| CN (1) | CN100539197C (ru) |
| AU (1) | AU2004220800B2 (ru) |
| CA (1) | CA2518177C (ru) |
| IL (1) | IL170684A (ru) |
| RU (1) | RU2336598C2 (ru) |
| WO (1) | WO2004084272A2 (ru) |
| ZA (1) | ZA200507090B (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2456698C1 (ru) * | 2011-04-04 | 2012-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом |
| RU2456699C1 (ru) * | 2011-04-04 | 2012-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Блок термоэлектрических преобразователей со щелочным металлом |
| EA029915B1 (ru) * | 2016-08-26 | 2018-05-31 | Общество с ограниченной ответственностью "Константа" | Преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7109408B2 (en) | 1999-03-11 | 2006-09-19 | Eneco, Inc. | Solid state energy converter |
| JP4830383B2 (ja) * | 2005-07-19 | 2011-12-07 | 大日本印刷株式会社 | コアシェル型ナノ粒子および熱電変換材料 |
| US8053947B2 (en) * | 2005-12-14 | 2011-11-08 | Kriisa Research, Inc. | Device for converting thermal energy into electrical energy |
| JP4817243B2 (ja) * | 2006-05-17 | 2011-11-16 | 学校法人神奈川大学 | ペルチェモジュール及びその製造方法 |
| US7663053B2 (en) * | 2007-01-05 | 2010-02-16 | Neokismet, Llc | System and method for using pre-equilibrium ballistic charge carrier refraction |
| CN104465977B (zh) * | 2011-07-20 | 2018-05-01 | 中弥浩明 | 热电转变元件和热电转变发电装置 |
| US20130137199A1 (en) * | 2011-11-16 | 2013-05-30 | Skyworks Solutions, Inc. | Systems and methods for monitoring heterojunction bipolar transistor processes |
| US9847407B2 (en) | 2011-11-16 | 2017-12-19 | Skyworks Solutions, Inc. | Devices and methods related to a gallium arsenide Schottky diode having low turn-on voltage |
| US9190595B2 (en) | 2012-07-20 | 2015-11-17 | Qualcomm Incorporated | Apparatus and method for harvesting energy in an electronic device |
| US10510914B2 (en) | 2013-03-21 | 2019-12-17 | Board Of Trustees Of Michigan State University | Transparent energy-harvesting devices |
| CN107851670B (zh) * | 2015-04-27 | 2021-01-01 | 密歇根州立大学董事会 | 用于高电压有机和透明的太阳能电池的有机盐 |
| FR3073918B1 (fr) | 2017-11-21 | 2019-11-01 | Zodiac Aerotechnics | Dispositif anti-retour de fluide monobloc dans un aeronef et procede de fabrication d'un tel dispositif |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4649405A (en) * | 1984-04-10 | 1987-03-10 | Cornell Research Foundation, Inc. | Electron ballistic injection and extraction for very high efficiency, high frequency transferred electron devices |
| JP3582233B2 (ja) * | 1996-06-11 | 2004-10-27 | ダイキン工業株式会社 | 熱電変換素子 |
| US5955772A (en) * | 1996-12-17 | 1999-09-21 | The Regents Of The University Of California | Heterostructure thermionic coolers |
| JP3186659B2 (ja) * | 1997-09-03 | 2001-07-11 | ダイキン工業株式会社 | 熱電変換材料の製造方法および熱電変換材料 |
| JP4167761B2 (ja) * | 1998-08-14 | 2008-10-22 | 本田技研工業株式会社 | 熱電変換素子及び熱電変換モジュール |
| EP1131842A2 (en) * | 1998-11-20 | 2001-09-12 | The Regents Of The University Of California | High-efficiency heterostructure thermionic coolers |
| AU762276B2 (en) * | 1999-03-11 | 2003-06-19 | Micropower Global Limited | Hybrid thermionic energy converter and method |
| US6396191B1 (en) * | 1999-03-11 | 2002-05-28 | Eneco, Inc. | Thermal diode for energy conversion |
| JP2001217469A (ja) * | 2000-02-04 | 2001-08-10 | Sumitomo Special Metals Co Ltd | 熱電変換素子とその製造方法 |
| RU2275713C2 (ru) * | 2000-06-22 | 2006-04-27 | Инеко, Инк. | Термоэлектрический преобразователь и способ преобразования тепловой энергии |
| US6779347B2 (en) * | 2001-05-21 | 2004-08-24 | C.P. Baker Securities, Inc. | Solid-state thermionic refrigeration |
| US6946596B2 (en) * | 2002-09-13 | 2005-09-20 | Kucherov Yan R | Tunneling-effect energy converters |
-
2004
- 2004-03-15 AU AU2004220800A patent/AU2004220800B2/en not_active Ceased
- 2004-03-15 CN CNB2004800076626A patent/CN100539197C/zh not_active Expired - Fee Related
- 2004-03-15 WO PCT/US2004/007921 patent/WO2004084272A2/en active Application Filing
- 2004-03-15 RU RU2005131609/28A patent/RU2336598C2/ru active
- 2004-03-15 CA CA2518177A patent/CA2518177C/en not_active Expired - Fee Related
- 2004-03-15 EP EP20040757469 patent/EP1611617B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2004-03-15 KR KR1020057017148A patent/KR101003059B1/ko active IP Right Grant
- 2004-03-15 JP JP2006507217A patent/JP4939928B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2005
- 2005-09-05 ZA ZA200507090A patent/ZA200507090B/en unknown
- 2005-09-06 IL IL170684A patent/IL170684A/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2456698C1 (ru) * | 2011-04-04 | 2012-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом |
| RU2456699C1 (ru) * | 2011-04-04 | 2012-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Блок термоэлектрических преобразователей со щелочным металлом |
| EA029915B1 (ru) * | 2016-08-26 | 2018-05-31 | Общество с ограниченной ответственностью "Константа" | Преобразователь тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP1611617A4 (en) | 2008-10-29 |
| AU2004220800B2 (en) | 2009-06-11 |
| KR20050116143A (ko) | 2005-12-09 |
| IL170684A (en) | 2011-01-31 |
| CN1768432A (zh) | 2006-05-03 |
| JP4939928B2 (ja) | 2012-05-30 |
| CN100539197C (zh) | 2009-09-09 |
| EP1611617A2 (en) | 2006-01-04 |
| KR101003059B1 (ko) | 2010-12-22 |
| RU2005131609A (ru) | 2006-02-20 |
| JP2006521698A (ja) | 2006-09-21 |
| WO2004084272A3 (en) | 2004-12-16 |
| CA2518177C (en) | 2016-10-18 |
| EP1611617B1 (en) | 2015-05-06 |
| ZA200507090B (en) | 2006-06-28 |
| CA2518177A1 (en) | 2004-09-30 |
| WO2004084272A2 (en) | 2004-09-30 |
| AU2004220800A1 (en) | 2004-09-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7569763B2 (en) | Solid state energy converter | |
| ZA200507090B (en) | Solid state energy converter | |
| CA2401810C (en) | Thermal diode for energy conversion | |
| Vashaee et al. | Improved thermoelectric power factor in metal-based superlattices | |
| Shakouri et al. | Enhanced thermionic emission cooling in high barrier superlattice heterostructures | |
| RU2419919C2 (ru) | Термоэлектрический элемент | |
| Moyzhes et al. | Thermoelectric figure of merit of metal–semiconductor barrier structure based on energy relaxation length | |
| JP4896336B2 (ja) | エネルギー変換のための熱ダイオード | |
| US20050016575A1 (en) | Field emission based thermoelectric device | |
| AU2001268030A1 (en) | Thermal diode for energy conversion | |
| JP2009520361A (ja) | 熱電トンネル装置 | |
| Melnick et al. | From thermoelectricity to phonoelectricity | |
| O'Dwyer et al. | Low thermal conductivity short-period superlattice thermionic devices | |
| Goldsmid | Solid-state and vacuum thermoelements | |
| US10141468B2 (en) | Method and apparatus for a thermophotovoltaic cell | |
| Zhang et al. | Optimization of doping concentration for three-dimensional bulk silicon microrefrigerators | |
| Kucherov et al. | Heat to Electricity Conversion with Thermal Diodes | |
| CRONIN | THE THERMOELECTRIC LIMIT ZT~ 1: FACT OR ARTIFACT |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC4A | Invention patent assignment |
Effective date: 20090529 |