TW201331969A - 一種半導體直流變壓器 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種半導體直流變壓器，包括：一個或多個串聯的半導體電光轉換結構，用於將輸入電能轉換為光能；和一個或多個串聯的半導體光電轉換結構，用於將光能轉換為輸出電能，其中，半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構的工作光線匹配。根據本發明實施例的半導體直流變壓器具有耐高壓，無電磁輻射，無線圈結構，安全可靠等優點。
Description
本發明涉及電流電壓變壓領域，特別涉及一種半導體直流變壓器。
傳統的電力系統採用的絕大多數是交流電的傳輸形式，主要原因是因為交流變壓的方便性，採用電磁場作為能量傳輸介質，利用電磁感應原理通過不同匝數的主次級線圈之間的耦合實現變壓，尤其是低壓升到高壓。而直流電在傳輸損耗，電網穩定度，線路造價方面相對於交流電都有著極其巨大的優勢，只是在直流變壓，尤其是直流升壓方面一直沒有簡便高效的升壓技術和裝置，並且隨著技術的發展，太陽能電池，燃料電池等直接產生直流電的發電技術所占比例越來越大，另一方面，需要採用直流電的用電設備也越來越多，如LED燈泡，OLED，LED電視和顯示幕以及諸多其他的家用電子產品大多使用的也是直流電。現有的技術主要的是採用“直流發電-直流交流轉換-交流變壓-交流高壓輸送-交流變壓-交流直流轉換-直流應用”的做法，該方法具有如下缺點：
1、所需的裝置複雜，元件眾多，體積較大，成本較高；
2、在各環節均有不同程度的能量損失，例如變電損失、變流損失、傳輸損失、用戶端再轉化為直流的驅動損失等等，能量傳輸總效率不高；
3、交流高壓輸送的過程中，不同發電系統之間的交流相位難以完全同步，整個電網的穩定性較差。
相比之下，“直流發電-直流變壓-直流高壓輸送-直流變壓-直流應用”的方案更為簡單穩定可靠、能量損耗耗更少。為使直流發電輸電得到普遍應用，發展直流變壓技術和研製直流變壓裝置是亟待解決的關鍵問題。
1、所需的裝置複雜，元件眾多，體積較大，成本較高；
2、在各環節均有不同程度的能量損失，例如變電損失、變流損失、傳輸損失、用戶端再轉化為直流的驅動損失等等，能量傳輸總效率不高；
3、交流高壓輸送的過程中，不同發電系統之間的交流相位難以完全同步，整個電網的穩定性較差。
相比之下，“直流發電-直流變壓-直流高壓輸送-直流變壓-直流應用”的方案更為簡單穩定可靠、能量損耗耗更少。為使直流發電輸電得到普遍應用，發展直流變壓技術和研製直流變壓裝置是亟待解決的關鍵問題。
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是提出一種半導體直流變壓器。
本發明提供一種半導體直流變壓器，包括：一個或多個串聯的半導體電光轉換結構，用於將輸入電能轉換為光能；和一個或多個串聯的半導體光電轉換結構，用於將所述光能轉換為輸出電能，其中，所述半導體電光轉換結構與所述半導體光電轉換結構的工作光線匹配。
本發明提供的半導體直流變壓器，通過在半導體直流變壓器的輸入端設置電光轉換層，利用半導體電子能級間躍遷產生的光輻射，將直流電轉換為光進行傳輸，在輸出端設置光電轉換層以將光轉化為直流電輸出，輸入端與輸出端單位單元的電壓分別取決於其電光轉換結構中的電光轉換層和光電轉換結構中的光電轉換層材料的特性參數，在輸入端和輸出端分別採用不同數量的電光轉換結構和光電轉換結構串聯，利用電光轉換結構和光電轉換結構的數目比實現直流電壓的變壓。該半導體直流變壓器還具有耐高壓，無電磁輻射，無線圈結構，安全可靠，體積小，壽命長，重量輕，安裝維護方便等優點。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體電光轉換結構包括發光二極體、諧振發光二極體或鐳射二極體。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體光電轉換結構為具有背接觸或埋接觸的單面引出電極結構的光電池。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體電光轉換結構或所述半導體光電轉換結構包括多個並聯的半導體電光轉換子單元或多個並聯的半導體光電轉換子單元。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：隔離層，其中，所述半導體電光轉換結構形成在所述隔離層一側，且每個半導體電光轉換結構包括電光轉換層，以及所述半導體光電轉換結構形成在所述隔離層另一側，且每個光電轉換結構包括光電轉換層，其中，所述隔離層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體電光轉換結構、所述隔離層和所述半導體光電轉換結構具有相近似的折射係數。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體電光轉換結構、所述隔離層和所述半導體光電轉換結構的材料折射係數呈梯度逐級遞增。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體電光轉換結構、所述隔離層和所述半導體光電轉換結構中的至少一個具有粗糙化表面、圖形化表面或光子晶體結構。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層頂部的第一接觸層，位於所述電光轉換層底部的第二接觸層，位於所述光電轉換層頂部的第三接觸層，位於所述光電轉換層底部的第四接觸層，其中，所述第二接觸層和所述第四接觸層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述第二接觸層和第四接觸層為重摻半導體材料、透明導電氧化物、石墨烯中的一種及其組合。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層頂部的反射層；位於所述光電轉換層頂部的反射層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層兩側的第五接觸層；和位於所述光電轉換層兩側的第六接觸層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層頂部的反射層；位於所述電光轉換層頂部的反射層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：襯底層，其中，所述半導體光電轉換結構和所述半導體電光轉換結構形成在所述襯底層之上，且所述半導體光電轉換結構具有光電轉換層，所述半導體電光轉換結構具有電光轉換層，其中，所述半導體光電轉換結構和所述半導體電光轉換結構之間填充有絕緣透明介質。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述襯底層底部具有三角形的反射結構。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層頂部的第七接觸層、位於所述電光轉換層底部的第八接觸層、位於所述光電轉換層頂部的第九接觸層，以及位於所述光電轉換層底部的第十接觸層，其中，所述第八接觸層與第十接觸層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述第八接觸層與第十接觸層為重摻半導體材料、透明導電氧化物、石墨烯中的一種及其組合。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的頂部的反射層；位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的底部的反射層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：分別形成在所述電光轉換層兩側的第十一接觸層和形成在所述光電轉換層兩側的第十二接觸層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的頂部的反射層；位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的底部的反射層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述電光轉換層的材料包括紅黃光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、藍紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO，紅光或紅外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、InGaAsP，AlGaAs，InGaAsNSb以及其他III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導體材料及其組合。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述光電轉換層的材料包括Si，Ge，SiGe，AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：殼體，其中，所述半導體電光轉換結構和所述半導體光電轉換結構分別形成在所述殼體的兩個相對表面之上，且所述殼體中填充有液態透明絕緣介質或氣態透明絕緣介質。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐瞭解到。
本發明提供一種半導體直流變壓器，包括：一個或多個串聯的半導體電光轉換結構，用於將輸入電能轉換為光能；和一個或多個串聯的半導體光電轉換結構，用於將所述光能轉換為輸出電能，其中，所述半導體電光轉換結構與所述半導體光電轉換結構的工作光線匹配。
本發明提供的半導體直流變壓器，通過在半導體直流變壓器的輸入端設置電光轉換層，利用半導體電子能級間躍遷產生的光輻射，將直流電轉換為光進行傳輸，在輸出端設置光電轉換層以將光轉化為直流電輸出，輸入端與輸出端單位單元的電壓分別取決於其電光轉換結構中的電光轉換層和光電轉換結構中的光電轉換層材料的特性參數，在輸入端和輸出端分別採用不同數量的電光轉換結構和光電轉換結構串聯，利用電光轉換結構和光電轉換結構的數目比實現直流電壓的變壓。該半導體直流變壓器還具有耐高壓，無電磁輻射，無線圈結構，安全可靠，體積小，壽命長，重量輕，安裝維護方便等優點。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體電光轉換結構包括發光二極體、諧振發光二極體或鐳射二極體。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體光電轉換結構為具有背接觸或埋接觸的單面引出電極結構的光電池。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體電光轉換結構或所述半導體光電轉換結構包括多個並聯的半導體電光轉換子單元或多個並聯的半導體光電轉換子單元。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：隔離層，其中，所述半導體電光轉換結構形成在所述隔離層一側，且每個半導體電光轉換結構包括電光轉換層，以及所述半導體光電轉換結構形成在所述隔離層另一側，且每個光電轉換結構包括光電轉換層，其中，所述隔離層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體電光轉換結構、所述隔離層和所述半導體光電轉換結構具有相近似的折射係數。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體電光轉換結構、所述隔離層和所述半導體光電轉換結構的材料折射係數呈梯度逐級遞增。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述半導體電光轉換結構、所述隔離層和所述半導體光電轉換結構中的至少一個具有粗糙化表面、圖形化表面或光子晶體結構。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層頂部的第一接觸層，位於所述電光轉換層底部的第二接觸層，位於所述光電轉換層頂部的第三接觸層，位於所述光電轉換層底部的第四接觸層，其中，所述第二接觸層和所述第四接觸層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述第二接觸層和第四接觸層為重摻半導體材料、透明導電氧化物、石墨烯中的一種及其組合。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層頂部的反射層；位於所述光電轉換層頂部的反射層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層兩側的第五接觸層；和位於所述光電轉換層兩側的第六接觸層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層頂部的反射層；位於所述電光轉換層頂部的反射層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：襯底層，其中，所述半導體光電轉換結構和所述半導體電光轉換結構形成在所述襯底層之上，且所述半導體光電轉換結構具有光電轉換層，所述半導體電光轉換結構具有電光轉換層，其中，所述半導體光電轉換結構和所述半導體電光轉換結構之間填充有絕緣透明介質。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述襯底層底部具有三角形的反射結構。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層頂部的第七接觸層、位於所述電光轉換層底部的第八接觸層、位於所述光電轉換層頂部的第九接觸層，以及位於所述光電轉換層底部的第十接觸層，其中，所述第八接觸層與第十接觸層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述第八接觸層與第十接觸層為重摻半導體材料、透明導電氧化物、石墨烯中的一種及其組合。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的頂部的反射層；位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的底部的反射層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：分別形成在所述電光轉換層兩側的第十一接觸層和形成在所述光電轉換層兩側的第十二接觸層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的頂部的反射層；位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的底部的反射層。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述電光轉換層的材料包括紅黃光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、藍紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO，紅光或紅外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、InGaAsP，AlGaAs，InGaAsNSb以及其他III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導體材料及其組合。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，所述光電轉換層的材料包括Si，Ge，SiGe，AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合。
根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器，還包括：殼體，其中，所述半導體電光轉換結構和所述半導體光電轉換結構分別形成在所述殼體的兩個相對表面之上，且所述殼體中填充有液態透明絕緣介質或氣態透明絕緣介質。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐瞭解到。
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
第1圖為本發明的半導體直流變壓器的工作原理圖；
第2圖為本發明的具有多個子單元並聯結構的半導體直流變壓器的工作原理圖；
第3圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第4圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第5圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第6圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第7圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第8圖為第7圖中光電轉換層上表面的倒三角形反射鏡結構的示意圖；
第9圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第10圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第11圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；以及
第12圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
第1圖為本發明的半導體直流變壓器的工作原理圖；
第2圖為本發明的具有多個子單元並聯結構的半導體直流變壓器的工作原理圖；
第3圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第4圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第5圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第6圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第7圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第8圖為第7圖中光電轉換層上表面的倒三角形反射鏡結構的示意圖；
第9圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第10圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；
第11圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖；以及
第12圖為本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數位和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。此外，本發明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用於性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特徵在第二特徵之“上”的結構可以包括第一和第二特徵形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特徵形成在第一和第二特徵之間的實施例，這樣第一和第二特徵可能不是直接接觸。
本發明提供一種半導體直流變壓器，其工作原理如第1圖所示：在輸入端的每個半導體電光轉換結構上輸入直流電壓V1，以在半導體電光轉換結構中注入載流子複合產生光子，光子傳輸至半導體光電轉換結構，以在半導體光電轉換結構中激發產生不同的載流子，並通過內建電場分離，每個半導體光電轉換結構上輸出直流電壓V2，從而利用光波實現能量傳輸。需要指出的是，半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構的工作光線應當匹配。在該能量傳輸過程中，一方面，V1和V2的數值取決於半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構的材料特性參數，如材料種類、應變特性、禁帶寬度、摻雜濃度等，故通過調節相應的特性參數以實現能量轉換效率最優化；另一方面，通過在輸入端和輸出端分別串聯不同數目的半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構，利用電光轉換結構和光電轉換結構的數目比實現直流變壓。例如，假設半導體電光轉換結構為m個，半導體光電轉換結構為n個，則輸出總電壓/輸入總電壓=(n*V2)/(m*V1)。
其中，半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構的工作光線匹配是指：半導體電光轉換結構發出的光線要與半導體光電轉換結構光電轉換效率最優化的光線特性匹配，以使裝置的電光-光電能量轉換效率較高，變壓過程中的能損較少。具體地說，半導體電光轉換單元發出的光線波長主要由其有源區半導體材料的禁帶寬度（bandgap）決定，其發射出的單個光子的能量hν等於其禁帶寬度Eg1。半導體光電轉換單元所能夠吸收的光線波長也是由其啟動層半導體材料的能帶寬度決定的，只有單個光子的能量hν大於等於啟動層半導體材料的禁帶寬度Eg2時才能產生光電效應，激發出載流子對。但是由於一般來說一個光子只能激發出一個電子空穴對，如果光子能量hν>Eg2，多餘的那部分能量則轉化為熱損失掉，造成光子能量的浪費。因此從光能的傳輸與轉換效率角度考慮，半導體電光轉換單元發出的光線的光子能量要恰好既能夠被光電轉換單元吸收而又不會高出很多造成能量的浪費，也就是說電光單元有源區的禁帶寬度Eg1要等於或略大於光電轉換單元的禁帶寬度Eg2。
在本發明的一個實施例中，半導體電光轉換結構包括發光二極體（LED）、諧振發光二極體(RC_LED)或鐳射二極體（LD）。這幾種LED均能夠有效地將電能轉換為光能，工作性能穩定可靠，並且熱效應少，並且RC_LED進一步具有方向性好、調變速度較高的優點，LD進一步具有單色性好、亮度較高的優點。
在本發明的一個實施例中，半導體光電轉換結構可為具有背接觸（back contact）或埋接觸（buried contact）的單面引出電極結構的光電池。具有背接觸或埋接觸的單面引出電極結構的光電池，其受光面可以避免受到電極遮光影響，故能量轉換效率更高，並且受光面更加均一美觀，可以降低組裝難度，提高組裝密度。
在本發明的一個實施例中，可以將單個面積較大的半導體電光轉換結構或半導體光電轉換結構分割成多個面積較小的子單元，再利用技術平面互聯工藝把多個面積較小的單元並聯連接，以降低寄生電阻，有利於減少能量傳輸過程中在半導體直流變壓器上的能量損耗。如第2圖所示，輸入端包括m組半導體電光轉換結構，每組半導體電光轉換結構包括x個半導體電光轉換子單元；輸出端包括n組半導體光電轉換結構，每組半導體光電轉換結構包括y個半導體電光轉換子單元。
現以“直流220V-直流10kV”為例來說明直流變壓器的工作過程。在該變壓過程中，可以在輸入端選用串聯100個閾值電壓為2.2V的AlGaInP基發光二極體，在輸出端選用串聯5000個光電壓為2V的AlGaInP基光電池。其中AlGaInP基發光二極體通電後發出波長560nm左右的黃光，AlGaInP基光電池則吸收該工作光線並轉換為電能輸出。此外，為了方便生產及組裝，通常將產品做成標準化元件，即把多個半導體電光轉換結構和多個半導體光電轉換結構分別做成標準尺寸大小。為了減少漏光帶來能耗損失，安裝時通常使多個半導體電光轉換結構的電光轉換發光總面積和多個半導體光電轉換結構的光電轉換吸光總面積相等。該例子中，半導體電光轉換結構與半導光電轉換結構的數目比例為100:5000，故需要發光二極體與光電池的數目比例為1:50，單個發光二極體的發光面積與單個光電池的吸光面積比例為50:1。這種情況下需要的單個發光二極體的面積較大，優選地，也可以將單個面積較大的發光二極體用多個閾值電壓相同但發光面積較小的發光二極體來替換，一方面小面積裝置更容易製造，另一方面也有利於減小寄生電阻。
在本發明的一個實施例中，半導體電光轉換結構可為一個，半導體光電轉換結構可為多個；在本發明的另一個實施例中，半導體電光轉換結構可為多個，半導體光電轉換結構可為一個；在本發明的再一個實施例中，半導體電光轉換結構及半導體光電轉換結構可為均為多個。在以下的實施例中，將以多個半導體電光轉換結構及半導體光電轉換結構為例進行描述，但需要說明的是以下實施例僅是示意性地，並不是對本發明的限制。下面參考附圖描述根據本發明實施例的半導體直流變壓器。
第3圖所示為根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第3圖所示，半導體直流變壓器1包括多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20和隔離層300。在本實施例中半導體直流變壓器1包括3個串聯的半導體電光轉換結構10和6個串聯的半導體光電轉換結構20，需要說明的是，“3個”和“6個”的取值僅為示例說明的方便，而不作為本發明的限定。其中，半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，隔離層300對工作光線透明。
其中，隔離層300位於多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20之間，為了便於描述，定義半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20中，接近隔離層300的部分稱為底部，反之稱為頂部。
其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10通過引線I1和引線I2輸入電能，發出工作光線。每個半導體電光轉換結構10在垂直方向上包括用於實現能量轉換的電光轉換層100、位於電光轉換層100頂部的第一接觸層101、位於電光轉換層100底部的第二接觸層102，其中第二接觸層102對電光轉換層100發出的工作光線透明，並且，通過順次連接第一接觸層101和第二接觸層102以實現各個半導體電光轉換結構10之間的串聯連接。其中，電光轉換層100用以將輸入的直流電轉換為光，發出所需要的波長範圍的工作光線。工作光線包括從100nm的紫外光到10um的紅外光的整個光譜範圍中的一個或多個波段的組合，優選為單頻率的光線，例如620nm的紅光、460nm的藍光、380nm的紫光，以有利於運用成熟的現有技術製造電光轉換層。例如電光轉換層100可以採用具有高量子效率、高電光轉換效率的結構和材料。具體地，可以為LED結構或雷射器結構，一般包括有源層，限制層，電流分散層，PN結等結構，其中有源層可以為多量子阱結構，雷射器結構的電光轉換層還包括諧振腔，LED結構包括諧振LED結構。電光轉換層102的材料選擇基於材料自身特性（如缺陷密度、能帶結構等）和所需要的光波特性（如波長範圍），例如可以採用紅黃光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、藍紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO，紅光或紅外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、InGaAsP，AlGaAs，InGaAsNSb以及其他III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導體材料及其組合。其中缺陷密度低、光轉換效率高的材料（如AlGaInP、InGaN，GaN）為優選材料。其中，第一接觸層101不需要對工作光線透明，故可採用金屬、合金、導電氧化物、重摻半導體等材料形成單層和/或多層複合結構，優選為低電阻金屬例如Cu，更優選地，可以通過增加金屬電極層的厚度以降低電阻，同時起到散熱作用。其中，第二接觸層102對電光轉換層100發出的工作光線透明，故第二接觸層102材料的禁帶寬度應大於電光轉換層100發出的工作光線的光子能量，以防止第二接觸層102對工作光線的吸收，提高光波轉換效率。一般說來，可以採用對工作光線透明的重摻寬禁帶半導體材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一種及其組合來實現。
其中，多個串聯的半導體光電轉換結構20接收工作光線，並通過引線O1和引線O2輸出電能。每個半導體光電轉換結構20在垂直方向上包括用於實現能量轉換的光電轉換層200、位於電光轉換層200頂部的第三接觸層201、位於光電轉換層200底部的第四接觸層202，其中第四接觸層202對電光轉換層100發出的工作光線透明，並且，通過順次連接第三接觸層201和第四接觸層202以實現各個半導體光電轉換結構20之間的串聯連接。其中，光電轉換層200用以將光轉換為電以實現變壓。光電轉換層200的材料包括Si，Ge，SiGe，AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合。需要指出的是，電光轉換層100與光電轉換層200的能帶結構需匹配，從而使電光轉換層100發出的工作光線的波段與光電轉換層200吸收效率最高的波段相匹配，以達到最高的光波能量轉換效率。其中，第三接觸層201不需要對工作光線透明，故可採用金屬、合金、導電氧化物、重摻半導體等材料形成單層和/或多層複合結構，優選為低電阻金屬例如Cu，更優選地，可以通過增加金屬電極層的厚度以降低電阻，同時起到散熱作用。其中，第四接觸層202對電光轉換層100發出的工作光線透明，故第四接觸層202材料的禁帶寬度應大於電光轉換層100發出的工作光線的光子能量，以防止第四接觸層202對工作光線的吸收，提高光波轉換效率。一般說來，可以採用對工作光線透明的重摻寬禁帶半導體材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一種及其組合來實現。
其中，隔離層300用於實現半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20的電氣隔離，使輸入電壓和輸出電壓不相互影響，同時對工作光線透明，使攜帶能量的光線能夠從半導體電光轉換結構10傳輸到半導體光電轉換結構20，實現能量的傳輸，最終實現電壓變換。隔離層300的厚度取決於輸入輸出的電壓的大小以及絕緣要求，隔離層越厚，絕緣效果越好，能承受的擊穿電壓越高，但同時對光的衰減可能越大，因此絕緣層厚度的確定原則為：在滿足絕緣要求下越薄越好。基於上述要求，在本發明實施例中，隔離層300的材料可以為固態透明絕緣介質的Al2O3、AlN、SiO2、MgO、Si3N4、BN、金剛石、LiAlO2、LiGaO2、GaAs、SiC、TiO2、ZrO2、 、Ga2O3、ZnS、SiC、MgAl2O4、LiNbO3、LiTaO3、釔鋁石榴石(YAG)晶體、KNbO3、LiF、MgF2、BaF2、GaF2、LaF3、BeO、GaP、GaN以及稀土氧化物REO中的一種及其組合，也可以為填充在殼體中的液態透明絕緣介質的純水、CCl4、CS2、或者SF6等氣態透明絕緣介質。
此外，為了獲得良好的光電能量轉換效率，應當避免光傳播從電光轉換層100進入光電轉換層200的過程中在各層介面處發生全反射現象。由於當且僅當光線從折射係數較大的材料進入折射係數較小的材料時發生全反射，故只須沿著光的傳播方向上各層折射係數適當匹配即可避免全反射的發生。在本發明的實施例中，可以使第二接觸層102、隔離層300、第四接觸層202和光電轉換層200的材料折射係數與電光轉換層100材料折射係數匹配，以避免光傳播過程中在介面處發生全反射。此處所謂匹配是指滿足條件 ≦λ第二接觸層≦λ隔離層≦λ第四接觸層≦λ光電轉換層（λ為折射係數）。故在本發明一個優選的實施例中，電光轉換層100、第二接觸層102、隔離層300、第四接觸層202和光電轉換層200的材料折射係數相近似。在本發明一個更優選的實施例中，電光轉換層100、第二接觸層102、隔離層300、第四接觸層202和光電轉換層200的材料折射係數梯次增加，即λ電光轉換層＜λ第二接觸層＜λ隔離層＜λ第四接觸層＜λ光電轉換層（λ為材料折射係數）。
另外，本發明還可以通過使不同材料層具有粗糙化表面、圖形化表面或光子晶體結構等來減低全反射。故在本發明優選的實施例中，電光轉換層100、第二接觸層102、隔離層300、第三接觸層102和光電轉換層200中的至少一個具有粗糙化表面、圖形化表面或光子晶體結構，以增大光透射率，降低光的全反射。
在本發明的一個實施例中，半導體電光轉換結構10為多結結構，發射出多組工作光線；半導體光電轉換結構20也為多結結構，吸收多組工作光線並轉化為電能。具體地，半導體電光轉換結構10將電能轉換為光能時通常是發出特定波段的光，例如：(AlxGa1-x)yIn1-yP （其中0<x<1，0<y<1）材料發光二極體主要發出紅光及黃光的工作光線，InxGa1-xN（其中0<x<1）材料LED則發出綠光或藍光波段的工作光線，AlxGa1-xN和AlxGayIn1-x-yN材料LED則發出紫外波段的工作光線。同樣的，半導體光電轉換結構20通常也是特定材料吸收特定波段的工作光線，例如矽基光電池對可見光及紅外光均有明顯吸收，III-V族光電池則吸收特定波段的可見光。為了提高轉換效率，可以將半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20均設計為多結結構，即半導體直流變壓器1由發出多個組工作光線的多結半導體電光轉換結構10和吸收多組工作光線的多結半導體光電轉換結構20組合而成，只需要保證二者之間工作光線匹配即可。在適當匹配工作光線的情況下，多結結構有更高的能量轉換效率。
在本發明的一個實施例中，還包括：一個或多個二極體，一個或多個二極體分別與半導體電光轉換結構10及半導體光電轉換結構20相連。當電路中電流太大時，二極體會首先被擊穿，從而保護了半導體電光轉換結構10及半導體光電轉換結構20。
需要說明的是，上述實施例中，可以使半導體電光轉換結構10位於隔離層300之上、半導體光電轉換結構20位於隔離層300之下，也可以使半導體電光轉換結構10位於隔離層300之下、半導體光電轉換結構20位於隔離層300之上，這一相對位置的改變並不對半導體直流變壓器的工作造成實質影響。
本發明提供的半導體直流變壓器，通過在半導體直流變壓器的輸入端設置電光轉換層，利用半導體電子能級間躍遷產生的光輻射，將直流電轉換為光進行傳輸，在輸出端設置光電轉換層以將光轉化為直流電輸出，輸入端與輸出端單位單元的電壓分別取決於其電光轉換結構中的電光轉換層和光電轉換結構中的光電轉換層材料的特性參數，在輸入端和輸出端分別採用不同數量的半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構串聯，利用半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構的數目比實現直流電壓的變壓。該半導體直流變壓器還具有耐高壓，無電磁輻射，無線圈結構，安全可靠，體積小，壽命長，重量輕，安裝維護方便等優點。
在第3圖所示的實施例的基礎上，為了減少漏光損失，提高光電轉換效率，本發明的半導體直流變壓器還進一步包括：位於電光轉換層頂部的反射層和位於光電轉換層頂部的反射層，以使光線被限定在裝置之中不被洩漏。根據反射層具體位置的不同，其結構可以有如第4圖和第5圖所示的兩種情況。
第4圖所示為根據本發明的包括反射層的半導體直流變壓器的結構示意圖，該反射層位於電光轉換層和其底部接觸層之間，以及光電轉換層和其底部接觸層之間。
如第4圖所示，與第3圖所示的實施例相比，半導體直流變壓器2還進一步包括：位於第一接觸層101和電光轉換層100之間的第一反射層401，和位於第三接觸層201和光電轉換層200之間的第二反射層402。第一反射層401和第二反射層402可以將光限制在二者之間而不漏出，有利於提高光電轉換層200的轉換效率。其中，由於第一反射層401和第二反射層402位於接觸層內部，故需要具備導電和能帶匹配的特徵，可採用與電光轉換層100或光電轉換層200相近似的半導體材料做成布拉格反射鏡來實現反光。並且，此時第一接觸層101和第三接觸層201無需對工作光線透明，可採用金屬、合金、導電氧化物、重摻半導體等材料形成單層和/或多層複合結構以減小電阻。
第5圖所示為根據本發明的包括反射層的半導體直流變壓器的結構示意圖，該反射層位於多個半導體電光轉換結構10的頂部，以及多個半導體光電轉換結構20的頂部。
如第5圖所示，與第3圖所示的實施例相比，半導體直流變壓器3還進一步包括：位於多個半導體電光轉換結構10的頂部的第三反射層403，以及多個半導體光電轉換結構20的頂部的第四反射層404。第三反射層403和第四反射層404可以將光限制在二者之間而不漏出，有利於提高光電轉換層200的轉換效率。其中，當第三反射層403和第四反射層404為整體的反光層時需要具備絕緣性，可採用稀土氧化物REO等絕緣材料的布拉格反射鏡結構；當第三反射層403和第四反射層404為分佈在多個結構單元的頂部的多個反光層時，其還可採用金屬、合金等導電材料的全向反射鏡結構。並且，此時第一接觸層101和第三接觸層201需要對工作光線透明，可採用重摻寬禁帶半導體材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一種及其組合來實現。
在本發明一個實施例中，半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20的電極的接觸層還可以位於兩側的位置。第6圖所示為根據本發明的接觸層位於兩側位置的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第6圖所示，半導體直流變壓器4包括多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20和隔離層300。其中，每個半導體電光轉換結構10包括電光轉換層100，和位於電光轉換層100兩側的第五接觸層103；每個半導體光電轉換結構20包括光電轉換層200，和位於光電轉換層200兩側的第六接觸層203；半導體電光轉換結構10與半導體光電轉換結構20的工作光線匹配；隔離層300對工作光線透明。為獲得較高的能量轉換效率，優選的，還可以進一步包括：位於電光轉換層100頂部的第五反射層405，和位於光電轉換層200頂部的第六反射層406。第五反射層405和第六反射層406需要具備絕緣性，其材料可採用稀土氧化物REO等絕緣材料的布拉格反射鏡結構。
在本發明另一個實施例中，半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20還可以位於隔離或支撐結構同一側位置。第7圖所示為根據本發明的同側位置的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第7圖所示，該半導體直流變壓器5包括：多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20、襯底30。其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，交替地排列在襯底30的同側表面上（例如：頂部表面），多個半導體電光轉換結構10與多個半導體光電轉換結構20之間填充有用於電氣隔絕的透明絕緣介質。每個半導體電光轉換結構10包括：電光轉換層100，位於電光轉換層100頂部的第七接觸層104、位於電光轉換層100底部的第八接觸層105，其中第八接觸層105對工作光線透明。每個半導體光電轉換結構20包括：光電轉換層200，位於光電轉換層200頂部的第九接觸層204、位於光電轉換層200底部的第十接觸層205，其中第十接觸層205對工作光線透明。襯底30包括透明絕緣介質層300和反射層301，其中，透明絕緣介質層300可為固態透明絕緣材料或者封裝在殼體中液體或氣態透明絕緣材料，用於提供光傳播的空間，反射層301為三角形的反射結構，如第8圖所示，反射層301用於使電光轉換層100發出的縱向傳輸光線經反射層斜面反射轉向傳輸到光電轉換層200上。在本發明的一個優選實施例中，還包括：位於半導體直流變壓器的頂部的頂反射層302，頂反射層302與反射層301類似，具有倒三角形的反射結構，用於使縱向傳輸光線轉向傳輸。
在本發明的另一些實施例中，電光轉換層100除了縱向發光之外，還可做橫向發光。在電光轉換層100橫向發光的情況下，將多個半導體電光轉換結構10與多個半導體光電轉換結構20交替排列在同一側表面上是一種較為簡便的設計。此外，利用兩個相對面放置的反射層，可以將光線封閉在一定區域內，避免漏光帶來能量損耗。而反射層的位置，又可將該類實施例分成第9圖與第10圖兩種情況。
第9圖所示為根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第9圖所示，該半導體直流變壓器6包括：多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20、用於支撐的襯底300。其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，交替地排列在襯底300的頂部表面。多個半導體電光轉換結構10與多個半導體光電轉換結構20之間填充有用於電氣隔絕的透明絕緣介質。每個半導體電光轉換結構10包括：電光轉換層100，位於電光轉換層100頂部的第七接觸層104、位於電光轉換層100底部的第八接觸層105。每個半導體光電轉換結構20包括：光電轉換層200，位於光電轉換層200頂部的第九接觸層204、位於光電轉換層200底部的第十接觸層205。該半導體直流變壓器6還包括：位於第七接觸層104與電光轉換層100之間以及第九接觸層204與光電轉換層200之間的第七反射層407，和位於第八接觸層105與電光轉換層100之間以及第十接觸層205與光電轉換層200之間的第八反射層408。第七反射層407和第八反射層408可以將光限制在二者之間而不漏出，有利於提高光電轉換層200的轉換效率。其中，由於第七反射層407和第八反射層408位於接觸層內部，故需要具備導電和能帶匹配的特徵，可採用與電光轉換層100或光電轉換層200相近似的半導體材料做成布拉格反射鏡來實現反光。並且，此時第七接觸層104、第八接觸層105、第九接觸層204、第十接觸層205無需對工作光線透明，可採用金屬、合金、導電氧化物、重摻半導體等材料形成單層和/或多層複合結構以減小電阻。
第10圖所示為根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第10圖所示，該半導體直流變壓器7包括：多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20、用於支撐的襯底300。其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，交替地排列在襯底300的頂部表面。多個半導體電光轉換結構10與多個半導體光電轉換結構20之間填充有用於電氣隔絕的透明絕緣介質。每個半導體電光轉換結構10包括：電光轉換層100，位於電光轉換層100頂部的第七接觸層104、位於電光轉換層100底部的第八接觸層105。每個半導體光電轉換結構20包括：光電轉換層200，位於光電轉換層200頂部的第九接觸層204、位於光電轉換層200底部的第十接觸層205。該半導體直流變壓器7還包括：位於第七接觸層104與第九接觸層204頂部的第九反射層409，和位於第八接觸層105與第十接觸層205底部的第十反射層410。第九反射層409和第十反射層410可以將光限制在二者之間而不漏出，有利於提高光電轉換層200的轉換效率。其中，當第九反射層409和第十反射層410為整體的反光層時需要具備絕緣性，可採用稀土氧化物REO等絕緣材料的布拉格反射鏡結構；當第九反射層409和第十反射層410為分佈在多個結構單元的頂部的多個反光層時，其還可採用金屬、合金等導電材料的全向反射鏡結構。並且，此時第七接觸層104、第八接觸層105、第九接觸層204、第十接觸層205需要對工作光線透明，可採用重摻寬禁帶半導體材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一種及其組合來實現。
第11圖所示為根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第11圖所示，該半導體直流變壓器8包括：多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20、襯底300。其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，交替地排列在襯底300的頂部表面。多個半導體電光轉換結構10與多個半導體光電轉換結構20之間填充有用於電氣隔絕的透明絕緣介質。每個半導體電光轉換結構10包括：電光轉換層100，位於電光轉換層100兩側的第十一接觸層106。每個半導體光電轉換結構20包括：光電轉換層200，位於光電轉換層200兩側的第十二接觸層206。該半導體直流變壓器8還包括：位於電光轉換層100和光電轉換層200頂部的第十一反射層411，和位於電光轉換層100和光電轉換層200底部的第十二反射層412。第十一反射層411和第十二反射層412可以將光限制在二者之間而不漏出，有利於提高光電轉換層200的轉換效率。其中，第十一反射層411和第十二反射層412需要具備絕緣性，其材料可為採用稀土氧化物REO等絕緣材料的布拉格反射鏡結構。並且，此時第十一接觸層106和第十二接觸層206需要對工作光線透明，可採用重摻寬禁帶半導體材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一種及其組合來實現。
第12圖所示為根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第12圖所示，該半導體直流變壓器9包括：多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20、殼體30。其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，分別形成在殼體30的兩個相對表面上。並且殼體30中填充有液態透明絕緣介質或氣態透明絕緣介質。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附申請專利範圍及其等同限定。
下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數位和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。此外，本發明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用於性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特徵在第二特徵之“上”的結構可以包括第一和第二特徵形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特徵形成在第一和第二特徵之間的實施例，這樣第一和第二特徵可能不是直接接觸。
本發明提供一種半導體直流變壓器，其工作原理如第1圖所示：在輸入端的每個半導體電光轉換結構上輸入直流電壓V1，以在半導體電光轉換結構中注入載流子複合產生光子，光子傳輸至半導體光電轉換結構，以在半導體光電轉換結構中激發產生不同的載流子，並通過內建電場分離，每個半導體光電轉換結構上輸出直流電壓V2，從而利用光波實現能量傳輸。需要指出的是，半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構的工作光線應當匹配。在該能量傳輸過程中，一方面，V1和V2的數值取決於半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構的材料特性參數，如材料種類、應變特性、禁帶寬度、摻雜濃度等，故通過調節相應的特性參數以實現能量轉換效率最優化；另一方面，通過在輸入端和輸出端分別串聯不同數目的半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構，利用電光轉換結構和光電轉換結構的數目比實現直流變壓。例如，假設半導體電光轉換結構為m個，半導體光電轉換結構為n個，則輸出總電壓/輸入總電壓=(n*V2)/(m*V1)。
其中，半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構的工作光線匹配是指：半導體電光轉換結構發出的光線要與半導體光電轉換結構光電轉換效率最優化的光線特性匹配，以使裝置的電光-光電能量轉換效率較高，變壓過程中的能損較少。具體地說，半導體電光轉換單元發出的光線波長主要由其有源區半導體材料的禁帶寬度（bandgap）決定，其發射出的單個光子的能量hν等於其禁帶寬度Eg1。半導體光電轉換單元所能夠吸收的光線波長也是由其啟動層半導體材料的能帶寬度決定的，只有單個光子的能量hν大於等於啟動層半導體材料的禁帶寬度Eg2時才能產生光電效應，激發出載流子對。但是由於一般來說一個光子只能激發出一個電子空穴對，如果光子能量hν>Eg2，多餘的那部分能量則轉化為熱損失掉，造成光子能量的浪費。因此從光能的傳輸與轉換效率角度考慮，半導體電光轉換單元發出的光線的光子能量要恰好既能夠被光電轉換單元吸收而又不會高出很多造成能量的浪費，也就是說電光單元有源區的禁帶寬度Eg1要等於或略大於光電轉換單元的禁帶寬度Eg2。
在本發明的一個實施例中，半導體電光轉換結構包括發光二極體（LED）、諧振發光二極體(RC_LED)或鐳射二極體（LD）。這幾種LED均能夠有效地將電能轉換為光能，工作性能穩定可靠，並且熱效應少，並且RC_LED進一步具有方向性好、調變速度較高的優點，LD進一步具有單色性好、亮度較高的優點。
在本發明的一個實施例中，半導體光電轉換結構可為具有背接觸（back contact）或埋接觸（buried contact）的單面引出電極結構的光電池。具有背接觸或埋接觸的單面引出電極結構的光電池，其受光面可以避免受到電極遮光影響，故能量轉換效率更高，並且受光面更加均一美觀，可以降低組裝難度，提高組裝密度。
在本發明的一個實施例中，可以將單個面積較大的半導體電光轉換結構或半導體光電轉換結構分割成多個面積較小的子單元，再利用技術平面互聯工藝把多個面積較小的單元並聯連接，以降低寄生電阻，有利於減少能量傳輸過程中在半導體直流變壓器上的能量損耗。如第2圖所示，輸入端包括m組半導體電光轉換結構，每組半導體電光轉換結構包括x個半導體電光轉換子單元；輸出端包括n組半導體光電轉換結構，每組半導體光電轉換結構包括y個半導體電光轉換子單元。
現以“直流220V-直流10kV”為例來說明直流變壓器的工作過程。在該變壓過程中，可以在輸入端選用串聯100個閾值電壓為2.2V的AlGaInP基發光二極體，在輸出端選用串聯5000個光電壓為2V的AlGaInP基光電池。其中AlGaInP基發光二極體通電後發出波長560nm左右的黃光，AlGaInP基光電池則吸收該工作光線並轉換為電能輸出。此外，為了方便生產及組裝，通常將產品做成標準化元件，即把多個半導體電光轉換結構和多個半導體光電轉換結構分別做成標準尺寸大小。為了減少漏光帶來能耗損失，安裝時通常使多個半導體電光轉換結構的電光轉換發光總面積和多個半導體光電轉換結構的光電轉換吸光總面積相等。該例子中，半導體電光轉換結構與半導光電轉換結構的數目比例為100:5000，故需要發光二極體與光電池的數目比例為1:50，單個發光二極體的發光面積與單個光電池的吸光面積比例為50:1。這種情況下需要的單個發光二極體的面積較大，優選地，也可以將單個面積較大的發光二極體用多個閾值電壓相同但發光面積較小的發光二極體來替換，一方面小面積裝置更容易製造，另一方面也有利於減小寄生電阻。
在本發明的一個實施例中，半導體電光轉換結構可為一個，半導體光電轉換結構可為多個；在本發明的另一個實施例中，半導體電光轉換結構可為多個，半導體光電轉換結構可為一個；在本發明的再一個實施例中，半導體電光轉換結構及半導體光電轉換結構可為均為多個。在以下的實施例中，將以多個半導體電光轉換結構及半導體光電轉換結構為例進行描述，但需要說明的是以下實施例僅是示意性地，並不是對本發明的限制。下面參考附圖描述根據本發明實施例的半導體直流變壓器。
第3圖所示為根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第3圖所示，半導體直流變壓器1包括多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20和隔離層300。在本實施例中半導體直流變壓器1包括3個串聯的半導體電光轉換結構10和6個串聯的半導體光電轉換結構20，需要說明的是，“3個”和“6個”的取值僅為示例說明的方便，而不作為本發明的限定。其中，半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，隔離層300對工作光線透明。
其中，隔離層300位於多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20之間，為了便於描述，定義半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20中，接近隔離層300的部分稱為底部，反之稱為頂部。
其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10通過引線I1和引線I2輸入電能，發出工作光線。每個半導體電光轉換結構10在垂直方向上包括用於實現能量轉換的電光轉換層100、位於電光轉換層100頂部的第一接觸層101、位於電光轉換層100底部的第二接觸層102，其中第二接觸層102對電光轉換層100發出的工作光線透明，並且，通過順次連接第一接觸層101和第二接觸層102以實現各個半導體電光轉換結構10之間的串聯連接。其中，電光轉換層100用以將輸入的直流電轉換為光，發出所需要的波長範圍的工作光線。工作光線包括從100nm的紫外光到10um的紅外光的整個光譜範圍中的一個或多個波段的組合，優選為單頻率的光線，例如620nm的紅光、460nm的藍光、380nm的紫光，以有利於運用成熟的現有技術製造電光轉換層。例如電光轉換層100可以採用具有高量子效率、高電光轉換效率的結構和材料。具體地，可以為LED結構或雷射器結構，一般包括有源層，限制層，電流分散層，PN結等結構，其中有源層可以為多量子阱結構，雷射器結構的電光轉換層還包括諧振腔，LED結構包括諧振LED結構。電光轉換層102的材料選擇基於材料自身特性（如缺陷密度、能帶結構等）和所需要的光波特性（如波長範圍），例如可以採用紅黃光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、藍紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO，紅光或紅外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、InGaAsP，AlGaAs，InGaAsNSb以及其他III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導體材料及其組合。其中缺陷密度低、光轉換效率高的材料（如AlGaInP、InGaN，GaN）為優選材料。其中，第一接觸層101不需要對工作光線透明，故可採用金屬、合金、導電氧化物、重摻半導體等材料形成單層和/或多層複合結構，優選為低電阻金屬例如Cu，更優選地，可以通過增加金屬電極層的厚度以降低電阻，同時起到散熱作用。其中，第二接觸層102對電光轉換層100發出的工作光線透明，故第二接觸層102材料的禁帶寬度應大於電光轉換層100發出的工作光線的光子能量，以防止第二接觸層102對工作光線的吸收，提高光波轉換效率。一般說來，可以採用對工作光線透明的重摻寬禁帶半導體材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一種及其組合來實現。
其中，多個串聯的半導體光電轉換結構20接收工作光線，並通過引線O1和引線O2輸出電能。每個半導體光電轉換結構20在垂直方向上包括用於實現能量轉換的光電轉換層200、位於電光轉換層200頂部的第三接觸層201、位於光電轉換層200底部的第四接觸層202，其中第四接觸層202對電光轉換層100發出的工作光線透明，並且，通過順次連接第三接觸層201和第四接觸層202以實現各個半導體光電轉換結構20之間的串聯連接。其中，光電轉換層200用以將光轉換為電以實現變壓。光電轉換層200的材料包括Si，Ge，SiGe，AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合。需要指出的是，電光轉換層100與光電轉換層200的能帶結構需匹配，從而使電光轉換層100發出的工作光線的波段與光電轉換層200吸收效率最高的波段相匹配，以達到最高的光波能量轉換效率。其中，第三接觸層201不需要對工作光線透明，故可採用金屬、合金、導電氧化物、重摻半導體等材料形成單層和/或多層複合結構，優選為低電阻金屬例如Cu，更優選地，可以通過增加金屬電極層的厚度以降低電阻，同時起到散熱作用。其中，第四接觸層202對電光轉換層100發出的工作光線透明，故第四接觸層202材料的禁帶寬度應大於電光轉換層100發出的工作光線的光子能量，以防止第四接觸層202對工作光線的吸收，提高光波轉換效率。一般說來，可以採用對工作光線透明的重摻寬禁帶半導體材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一種及其組合來實現。
其中，隔離層300用於實現半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20的電氣隔離，使輸入電壓和輸出電壓不相互影響，同時對工作光線透明，使攜帶能量的光線能夠從半導體電光轉換結構10傳輸到半導體光電轉換結構20，實現能量的傳輸，最終實現電壓變換。隔離層300的厚度取決於輸入輸出的電壓的大小以及絕緣要求，隔離層越厚，絕緣效果越好，能承受的擊穿電壓越高，但同時對光的衰減可能越大，因此絕緣層厚度的確定原則為：在滿足絕緣要求下越薄越好。基於上述要求，在本發明實施例中，隔離層300的材料可以為固態透明絕緣介質的Al2O3、AlN、SiO2、MgO、Si3N4、BN、金剛石、LiAlO2、LiGaO2、GaAs、SiC、TiO2、ZrO2、
此外，為了獲得良好的光電能量轉換效率，應當避免光傳播從電光轉換層100進入光電轉換層200的過程中在各層介面處發生全反射現象。由於當且僅當光線從折射係數較大的材料進入折射係數較小的材料時發生全反射，故只須沿著光的傳播方向上各層折射係數適當匹配即可避免全反射的發生。在本發明的實施例中，可以使第二接觸層102、隔離層300、第四接觸層202和光電轉換層200的材料折射係數與電光轉換層100材料折射係數匹配，以避免光傳播過程中在介面處發生全反射。此處所謂匹配是指滿足條件
另外，本發明還可以通過使不同材料層具有粗糙化表面、圖形化表面或光子晶體結構等來減低全反射。故在本發明優選的實施例中，電光轉換層100、第二接觸層102、隔離層300、第三接觸層102和光電轉換層200中的至少一個具有粗糙化表面、圖形化表面或光子晶體結構，以增大光透射率，降低光的全反射。
在本發明的一個實施例中，半導體電光轉換結構10為多結結構，發射出多組工作光線；半導體光電轉換結構20也為多結結構，吸收多組工作光線並轉化為電能。具體地，半導體電光轉換結構10將電能轉換為光能時通常是發出特定波段的光，例如：(AlxGa1-x)yIn1-yP （其中0<x<1，0<y<1）材料發光二極體主要發出紅光及黃光的工作光線，InxGa1-xN（其中0<x<1）材料LED則發出綠光或藍光波段的工作光線，AlxGa1-xN和AlxGayIn1-x-yN材料LED則發出紫外波段的工作光線。同樣的，半導體光電轉換結構20通常也是特定材料吸收特定波段的工作光線，例如矽基光電池對可見光及紅外光均有明顯吸收，III-V族光電池則吸收特定波段的可見光。為了提高轉換效率，可以將半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20均設計為多結結構，即半導體直流變壓器1由發出多個組工作光線的多結半導體電光轉換結構10和吸收多組工作光線的多結半導體光電轉換結構20組合而成，只需要保證二者之間工作光線匹配即可。在適當匹配工作光線的情況下，多結結構有更高的能量轉換效率。
在本發明的一個實施例中，還包括：一個或多個二極體，一個或多個二極體分別與半導體電光轉換結構10及半導體光電轉換結構20相連。當電路中電流太大時，二極體會首先被擊穿，從而保護了半導體電光轉換結構10及半導體光電轉換結構20。
需要說明的是，上述實施例中，可以使半導體電光轉換結構10位於隔離層300之上、半導體光電轉換結構20位於隔離層300之下，也可以使半導體電光轉換結構10位於隔離層300之下、半導體光電轉換結構20位於隔離層300之上，這一相對位置的改變並不對半導體直流變壓器的工作造成實質影響。
本發明提供的半導體直流變壓器，通過在半導體直流變壓器的輸入端設置電光轉換層，利用半導體電子能級間躍遷產生的光輻射，將直流電轉換為光進行傳輸，在輸出端設置光電轉換層以將光轉化為直流電輸出，輸入端與輸出端單位單元的電壓分別取決於其電光轉換結構中的電光轉換層和光電轉換結構中的光電轉換層材料的特性參數，在輸入端和輸出端分別採用不同數量的半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構串聯，利用半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構的數目比實現直流電壓的變壓。該半導體直流變壓器還具有耐高壓，無電磁輻射，無線圈結構，安全可靠，體積小，壽命長，重量輕，安裝維護方便等優點。
在第3圖所示的實施例的基礎上，為了減少漏光損失，提高光電轉換效率，本發明的半導體直流變壓器還進一步包括：位於電光轉換層頂部的反射層和位於光電轉換層頂部的反射層，以使光線被限定在裝置之中不被洩漏。根據反射層具體位置的不同，其結構可以有如第4圖和第5圖所示的兩種情況。
第4圖所示為根據本發明的包括反射層的半導體直流變壓器的結構示意圖，該反射層位於電光轉換層和其底部接觸層之間，以及光電轉換層和其底部接觸層之間。
如第4圖所示，與第3圖所示的實施例相比，半導體直流變壓器2還進一步包括：位於第一接觸層101和電光轉換層100之間的第一反射層401，和位於第三接觸層201和光電轉換層200之間的第二反射層402。第一反射層401和第二反射層402可以將光限制在二者之間而不漏出，有利於提高光電轉換層200的轉換效率。其中，由於第一反射層401和第二反射層402位於接觸層內部，故需要具備導電和能帶匹配的特徵，可採用與電光轉換層100或光電轉換層200相近似的半導體材料做成布拉格反射鏡來實現反光。並且，此時第一接觸層101和第三接觸層201無需對工作光線透明，可採用金屬、合金、導電氧化物、重摻半導體等材料形成單層和/或多層複合結構以減小電阻。
第5圖所示為根據本發明的包括反射層的半導體直流變壓器的結構示意圖，該反射層位於多個半導體電光轉換結構10的頂部，以及多個半導體光電轉換結構20的頂部。
如第5圖所示，與第3圖所示的實施例相比，半導體直流變壓器3還進一步包括：位於多個半導體電光轉換結構10的頂部的第三反射層403，以及多個半導體光電轉換結構20的頂部的第四反射層404。第三反射層403和第四反射層404可以將光限制在二者之間而不漏出，有利於提高光電轉換層200的轉換效率。其中，當第三反射層403和第四反射層404為整體的反光層時需要具備絕緣性，可採用稀土氧化物REO等絕緣材料的布拉格反射鏡結構；當第三反射層403和第四反射層404為分佈在多個結構單元的頂部的多個反光層時，其還可採用金屬、合金等導電材料的全向反射鏡結構。並且，此時第一接觸層101和第三接觸層201需要對工作光線透明，可採用重摻寬禁帶半導體材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一種及其組合來實現。
在本發明一個實施例中，半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20的電極的接觸層還可以位於兩側的位置。第6圖所示為根據本發明的接觸層位於兩側位置的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第6圖所示，半導體直流變壓器4包括多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20和隔離層300。其中，每個半導體電光轉換結構10包括電光轉換層100，和位於電光轉換層100兩側的第五接觸層103；每個半導體光電轉換結構20包括光電轉換層200，和位於光電轉換層200兩側的第六接觸層203；半導體電光轉換結構10與半導體光電轉換結構20的工作光線匹配；隔離層300對工作光線透明。為獲得較高的能量轉換效率，優選的，還可以進一步包括：位於電光轉換層100頂部的第五反射層405，和位於光電轉換層200頂部的第六反射層406。第五反射層405和第六反射層406需要具備絕緣性，其材料可採用稀土氧化物REO等絕緣材料的布拉格反射鏡結構。
在本發明另一個實施例中，半導體電光轉換結構10和半導體光電轉換結構20還可以位於隔離或支撐結構同一側位置。第7圖所示為根據本發明的同側位置的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第7圖所示，該半導體直流變壓器5包括：多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20、襯底30。其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，交替地排列在襯底30的同側表面上（例如：頂部表面），多個半導體電光轉換結構10與多個半導體光電轉換結構20之間填充有用於電氣隔絕的透明絕緣介質。每個半導體電光轉換結構10包括：電光轉換層100，位於電光轉換層100頂部的第七接觸層104、位於電光轉換層100底部的第八接觸層105，其中第八接觸層105對工作光線透明。每個半導體光電轉換結構20包括：光電轉換層200，位於光電轉換層200頂部的第九接觸層204、位於光電轉換層200底部的第十接觸層205，其中第十接觸層205對工作光線透明。襯底30包括透明絕緣介質層300和反射層301，其中，透明絕緣介質層300可為固態透明絕緣材料或者封裝在殼體中液體或氣態透明絕緣材料，用於提供光傳播的空間，反射層301為三角形的反射結構，如第8圖所示，反射層301用於使電光轉換層100發出的縱向傳輸光線經反射層斜面反射轉向傳輸到光電轉換層200上。在本發明的一個優選實施例中，還包括：位於半導體直流變壓器的頂部的頂反射層302，頂反射層302與反射層301類似，具有倒三角形的反射結構，用於使縱向傳輸光線轉向傳輸。
在本發明的另一些實施例中，電光轉換層100除了縱向發光之外，還可做橫向發光。在電光轉換層100橫向發光的情況下，將多個半導體電光轉換結構10與多個半導體光電轉換結構20交替排列在同一側表面上是一種較為簡便的設計。此外，利用兩個相對面放置的反射層，可以將光線封閉在一定區域內，避免漏光帶來能量損耗。而反射層的位置，又可將該類實施例分成第9圖與第10圖兩種情況。
第9圖所示為根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第9圖所示，該半導體直流變壓器6包括：多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20、用於支撐的襯底300。其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，交替地排列在襯底300的頂部表面。多個半導體電光轉換結構10與多個半導體光電轉換結構20之間填充有用於電氣隔絕的透明絕緣介質。每個半導體電光轉換結構10包括：電光轉換層100，位於電光轉換層100頂部的第七接觸層104、位於電光轉換層100底部的第八接觸層105。每個半導體光電轉換結構20包括：光電轉換層200，位於光電轉換層200頂部的第九接觸層204、位於光電轉換層200底部的第十接觸層205。該半導體直流變壓器6還包括：位於第七接觸層104與電光轉換層100之間以及第九接觸層204與光電轉換層200之間的第七反射層407，和位於第八接觸層105與電光轉換層100之間以及第十接觸層205與光電轉換層200之間的第八反射層408。第七反射層407和第八反射層408可以將光限制在二者之間而不漏出，有利於提高光電轉換層200的轉換效率。其中，由於第七反射層407和第八反射層408位於接觸層內部，故需要具備導電和能帶匹配的特徵，可採用與電光轉換層100或光電轉換層200相近似的半導體材料做成布拉格反射鏡來實現反光。並且，此時第七接觸層104、第八接觸層105、第九接觸層204、第十接觸層205無需對工作光線透明，可採用金屬、合金、導電氧化物、重摻半導體等材料形成單層和/或多層複合結構以減小電阻。
第10圖所示為根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第10圖所示，該半導體直流變壓器7包括：多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20、用於支撐的襯底300。其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，交替地排列在襯底300的頂部表面。多個半導體電光轉換結構10與多個半導體光電轉換結構20之間填充有用於電氣隔絕的透明絕緣介質。每個半導體電光轉換結構10包括：電光轉換層100，位於電光轉換層100頂部的第七接觸層104、位於電光轉換層100底部的第八接觸層105。每個半導體光電轉換結構20包括：光電轉換層200，位於光電轉換層200頂部的第九接觸層204、位於光電轉換層200底部的第十接觸層205。該半導體直流變壓器7還包括：位於第七接觸層104與第九接觸層204頂部的第九反射層409，和位於第八接觸層105與第十接觸層205底部的第十反射層410。第九反射層409和第十反射層410可以將光限制在二者之間而不漏出，有利於提高光電轉換層200的轉換效率。其中，當第九反射層409和第十反射層410為整體的反光層時需要具備絕緣性，可採用稀土氧化物REO等絕緣材料的布拉格反射鏡結構；當第九反射層409和第十反射層410為分佈在多個結構單元的頂部的多個反光層時，其還可採用金屬、合金等導電材料的全向反射鏡結構。並且，此時第七接觸層104、第八接觸層105、第九接觸層204、第十接觸層205需要對工作光線透明，可採用重摻寬禁帶半導體材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一種及其組合來實現。
第11圖所示為根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第11圖所示，該半導體直流變壓器8包括：多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20、襯底300。其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，交替地排列在襯底300的頂部表面。多個半導體電光轉換結構10與多個半導體光電轉換結構20之間填充有用於電氣隔絕的透明絕緣介質。每個半導體電光轉換結構10包括：電光轉換層100，位於電光轉換層100兩側的第十一接觸層106。每個半導體光電轉換結構20包括：光電轉換層200，位於光電轉換層200兩側的第十二接觸層206。該半導體直流變壓器8還包括：位於電光轉換層100和光電轉換層200頂部的第十一反射層411，和位於電光轉換層100和光電轉換層200底部的第十二反射層412。第十一反射層411和第十二反射層412可以將光限制在二者之間而不漏出，有利於提高光電轉換層200的轉換效率。其中，第十一反射層411和第十二反射層412需要具備絕緣性，其材料可為採用稀土氧化物REO等絕緣材料的布拉格反射鏡結構。並且，此時第十一接觸層106和第十二接觸層206需要對工作光線透明，可採用重摻寬禁帶半導體材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一種及其組合來實現。
第12圖所示為根據本發明一個實施例的半導體直流變壓器的結構示意圖。
如第12圖所示，該半導體直流變壓器9包括：多個串聯的半導體電光轉換結構10、多個串聯的半導體光電轉換結構20、殼體30。其中，多個串聯的半導體電光轉換結構10與多個串聯的半導體光電轉換結構20的工作光線匹配，分別形成在殼體30的兩個相對表面上。並且殼體30中填充有液態透明絕緣介質或氣態透明絕緣介質。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附申請專利範圍及其等同限定。
1、2、3、4、5、6、7、8、9．．．半導體直流孌壓器
10．．．半導體電光轉換結構
20．．．半導體光電轉換結構
30．．．隔離層
100．．．電光轉換層
101、102、103、104、105、106、201、202、203、204、205、206．．．接觸層
200．．．光電轉換層
300．．．透明絕緣介質層、襯底
301、401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411、412．．．反射層
I1、I2、O1、O2．．．引線
無
Claims (23)
- 一種半導體直流變壓器，其特徵在於，包括：
一個或多個串聯的半導體電光轉換結構，用於將輸入電能轉換為光能；和
一個或多個串聯的半導體光電轉換結構，用於將所述光能轉換為輸出電能，其中，所述半導體電光轉換結構與所述半導體光電轉換結構的工作光線匹配。 - 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述半導體電光轉換結構包括發光二極體、諧振發光二極體或鐳射二極體。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述半導體光電轉換結構為具有背接觸或埋接觸的單面引出電極結構的光電池。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述半導體電光轉換結構或所述半導體光電轉換結構包括多個並聯的半導體電光轉換子單元或多個並聯的半導體光電轉換子單元。
- 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
隔離層，
其中，所述半導體電光轉換結構形成在所述隔離層一側，且每個半導體電光轉換結構包括電光轉換層，以及所述半導體光電轉換結構形成在所述隔離層另一側，且每個光電轉換結構包括光電轉換層，其中，所述隔離層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。 - 如申請專利範圍第5項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述半導體電光轉換結構、所述隔離層和所述半導體光電轉換結構具有相近似的折射係數。
- 如申請專利範圍第5項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述半導體電光轉換結構、所述隔離層和所述半導體光電轉換結構的材料折射係數呈梯度逐級遞增。
- 如申請專利範圍第5項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述半導體電光轉換結構、所述隔離層和所述半導體光電轉換結構中的至少一個具有粗糙化表面、圖形化表面或光子晶體結構。
- 如申請專利範圍第5項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
位於所述電光轉換層頂部的第一接觸層，位於所述電光轉換層底部的第二接觸層，位於所述光電轉換層頂部的第三接觸層，位於所述光電轉換層底部的第四接觸層，其中，所述第二接觸層和所述第四接觸層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。 - 如申請專利範圍第9項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述第二接觸層和第四接觸層為重摻半導體材料、透明導電氧化物、石墨烯中的一種及其組合。
- 如申請專利範圍第10項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
位於所述電光轉換層頂部的反射層；
位於所述光電轉換層頂部的反射層。 - 如申請專利範圍第5項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
位於所述電光轉換層兩側的第五接觸層；和
位於所述光電轉換層兩側的第六接觸層。 - 如申請專利範圍第12項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
位於所述電光轉換層頂部的反射層；
位於所述電光轉換層頂部的反射層。 - 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
襯底層，
其中，所述半導體光電轉換結構和所述半導體電光轉換結構形成在所述襯底層之上，且所述半導體光電轉換結構具有光電轉換層，所述半導體電光轉換結構具有電光轉換層，其中，所述半導體光電轉換結構和所述半導體電光轉換結構之間填充有絕緣透明介質。 - 如申請專利範圍第14項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述襯底層底部具有三角形反射結構。
- 如申請專利範圍第14項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
位於所述電光轉換層頂部的第七接觸層、位於所述電光轉換層底部的第八接觸層、位於所述光電轉換層頂部的第九接觸層，以及位於所述光電轉換層底部的第十接觸層，其中，所述第八接觸層與第十接觸層對所述電光轉換層發出的工作光線透明。 - 如申請專利範圍第16項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述第八接觸層與第十接觸層為重摻半導體材料、透明導電氧化物、石墨烯中的一種及其組合。
- 如申請專利範圍第17項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的頂部的反射層；
位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的底部的反射層。 - 如申請專利範圍第14項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
分別形成在所述電光轉換層兩側的第十一接觸層和形成在所述光電轉換層兩側的第十二接觸層。 - 如申請專利範圍第19項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的頂部的反射層；
位於所述電光轉換層和所述光電轉換層的底部的反射層。 - 如申請專利範圍第5項至第20項任一項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述電光轉換層的材料包括紅黃光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、藍紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO，紅光或紅外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、InGaAsP，AlGaAs，InGaAsNSb以及其他III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導體材料及其組合。
- 如申請專利範圍第21項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，所述光電轉換層的材料包括Si，Ge，SiGe，AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述的半導體直流變壓器，其特徵在於，還包括：
殼體，其中，所述半導體電光轉換結構和所述半導體光電轉換結構分別形成在所述殼體的兩個相對表面之上，且
所述殼體中填充有液態透明絕緣介質或氣態透明絕緣介質。
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