UA134717U - SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR - Google Patents
SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR Download PDFInfo
- Publication number
- UA134717U UA134717U UAU201902987U UA201902987U UA134717U UA 134717 U UA134717 U UA 134717U UA U201902987 U UAU201902987 U UA U201902987U UA 201902987 U UA201902987 U UA 201902987U UA 134717 U UA134717 U UA 134717U
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- semiconductor
- varison
- semiconductors
- wide
- narrow
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 274
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 35
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 29
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 29
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 21
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 19
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 17
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 13
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 7
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 244000309464 bull Species 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
Напівпровідниковий термоелектричний генератор виконаний із можливістю відбору тепла з навколишнього середовища напівпровідникового блока, який містить щонайменше одну пару з'єднаних між собою варизонних напівпровідників, при цьому широкозонна сторона щонайменше одного варизонного напівпровідника з'єднана з вузько зонною стороною щонайменше одного іншого варизонного напівпровідника. Місце з'єднання варизонних напівпровідників виконане із напівпровідниковим матеріалом із власною провідністю, варизонні напівпровідники, з'єднані між собою в пару, виконані із змінним легуванням. При цьому широкозонні сторони попарно з'єднаних варизонних напівпровідників леговані акцепторною домішкою.A semiconductor thermoelectric generator is configured to select heat from the environment of a semiconductor unit comprising at least one pair of interconnecting semiconductors, with the wide-band side of at least one varicon semiconductor connected to a narrowly band-side at least one orthogonal one. The place of connection of varizon semiconductors is made of semiconductor material with its own conductivity, varizon semiconductors, interconnected in pairs, made with variable doping. In this case, the broadband sides of the pairwise coupled varicon semiconductors are doped with an acceptor impurity.
Description
Корисна модель належить до термоелектричних генераторів, а саме до термоелектричних генераторів, які використовують у своїй роботі термоелектричні властивості варизонних структур, тобто властивості варизонних напівпровідників зі змінним легуванням та гетеропереходів між ними, а також властивості напівпровідникових матеріалів із власною провідністю, і може бути використана для живлення побутових електроприладів, зарядження елементів живлення переносних електронних пристроїв або іншого.A useful model belongs to thermoelectric generators, namely thermoelectric generators that use in their operation the thermoelectric properties of varison structures, that is, the properties of variable doped varison semiconductors and heterojunctions between them, as well as the properties of intrinsically conductive semiconductor materials, and can be used to power household electrical appliances, charging the power elements of portable electronic devices or other.
З рівня техніки відомий термоелемент (патент КО 2248647 С2, МПК НОТІ 35/08, опубліковано 20.03.2005 р., Бюл. Мо 8) виконаний щонайменше з одним п-шаром і щонайменше з одним р-шаром одного або декількох домішкових напівпровідників, при цьому п-шар (шари) і р-шар (шари) розташовані таким чином, що утворюють щонайменше один р-п перехід, причому, щонайменше один п-шар і щонайменше один р-шар селективно контактують електрично, а градієнт температур додається або знімається паралельно граничному шару між щонайменше одним п- і р-шаром, при цьому щонайменше один р-п перехід утворений, по суті, уздовж загальної переважно найбільш довгою протяжності п-шару (шарів) і р-шару (шарів) і тим самим, по суті, уздовж їх спільного граничного шару.From the state of the art, a known thermocouple (patent KO 2248647 C2, IPK NOTI 35/08, published on March 20, 2005, Bull. Mo 8) is made with at least one p-layer and at least one p-layer of one or more impurity semiconductors, with this p-layer(s) and p-layer(s) are arranged in such a way that they form at least one p-p junction, and at least one p-layer and at least one p-layer are selectively electrically contacted, and a temperature gradient is added or removed parallel to the boundary layer between at least one n- and p-layer, while at least one p-n transition is formed, in fact, along the common, mostly longest length of the n-layer(s) and p-layer(s) and thus, by in fact, along their common boundary layer.
Недоліками відомого аналога є низька ефективність, потужність, продуктивність, обмежена функціональність, які обумовлені його конструкцією, зокрема виконанням напівпровідників однорідно легованими та без градієнта ширини забороненої зони, а також селективним контактом напівпровідників через граничний шар, який, по суті, містить провідник.The disadvantages of the known analogue are low efficiency, power, performance, and limited functionality, which are due to its design, in particular, the implementation of semiconductors homogeneously doped and without a bandgap gradient, as well as selective contact of semiconductors through the boundary layer, which, in fact, contains a conductor.
Відомий аналог низьку ефективність, потужність та продуктивність, оскільки використання однорідно легованих напівпровідників, виконаних без градієнта ширини забороненої зони не дозволяє отримати струм достатньої потужності для живлення більшості побутових електроприладів, швидкого зарядження елементів живлення переносних електронних пристроїв через невелику різність квазірівнів Фермі напівпровідників та обмежену кількість генерованих електронно-діркових пар. Незважаючи на те, що у відомому аналогу наявний р-п-перехід між напівпровідниками, використання провідникових матеріалів у граничному шарі знижує кількість струму, що генерується, оскільки провідники, такі як золото, що використовується у варіанті виконання відомого аналога для контакту напівпровідників, не мають забороненої зони.The analog is known for its low efficiency, power and performance, since the use of homogeneously doped semiconductors made without a band gap gradient does not allow obtaining a current of sufficient power to power most household electrical appliances, fast charging of power cells of portable electronic devices due to a small difference in the quasi-Fermi levels of semiconductors and a limited number of generated electron-hole pairs. Although the prior art has a p-p junction between the semiconductors, the use of conductive materials in the boundary layer reduces the amount of current generated because conductors such as gold used in the prior art embodiment for the semiconductor contact do not have prohibited zone.
Недостатня потужність струму, що генерується, в свою чергу, обмежує функціональність відомого аналога, оскільки обмежує коло пристроїв, які він може живити або заряджати.The insufficient power of the generated current, in turn, limits the functionality of the known analog, as it limits the range of devices that it can power or charge.
Градієнт легування напівпровідників домішкою одного типу, який наявний в одному з варіантів виконання відомого аналога, не позволяє досягти суттєвого підвищення ККД, збільшення кількості електронів та дірок, які генерують електричний струм у термоелектричних процесах, і, відповідно, підвищення потужності термоелемента в цілому, оскільки дифузійний та дрейфовий струм, що виникають у напівпровідниках, потребують руху як основних, так і не основних носіїв заряду.The doping gradient of semiconductors with an impurity of the same type, which is present in one of the versions of the known analogue, does not allow to achieve a significant increase in efficiency, an increase in the number of electrons and holes that generate an electric current in thermoelectric processes, and, accordingly, an increase in the power of the thermocouple as a whole, since diffusion and drift current occurring in semiconductors require the movement of both major and non-major charge carriers.
Також відомий генератор енергії для транспортного засобу (патент 05 2017211450 АТ, МПКAn energy generator for a vehicle is also known (patent 05 2017211450 JSC, IPC
ЕО1М 5/02, НОТІ 35/22, НОТІ 35/30, НОТІ 35/32, опубліковано 27.07.2017 р.), який включає термоелектричний перетворювач, що включає напівпровідник п-типу, напівпровідник р-типу, розташований між ними напівпровідник із власною провідністю, при цьому ширина забороненої зони напівпровідника із власною провідністю нижча за ширину заборонених зон напівпровідника п-типу та напівпровідника р-типу, а також включає канал для проходження текучого теплоносія, виконаний з можливістю подачі тепла до термоелектричного перетворювача, при цьому термоелектричний перетворювач встановлений відносно каналу із теплоносієм таким чином, що поверхня напівпровідника із власною провідністю перпендикулярна потоку теплоносія.ЕО1М 5/02, NOTI 35/22, NOTI 35/30, NOTI 35/32, published on July 27, 2017), which includes a thermoelectric converter that includes a p-type semiconductor, a p-type semiconductor, a semiconductor with intrinsic conductivity, while the width of the forbidden band of a semiconductor with intrinsic conductivity is lower than the width of the forbidden bands of a p-type semiconductor and a p-type semiconductor, and also includes a channel for the passage of a flowing coolant, made with the possibility of supplying heat to a thermoelectric converter, while the thermoelectric converter is installed relative to the channel with the coolant in such a way that the semiconductor surface with its own conductivity is perpendicular to the coolant flow.
Недоліками відомого аналога є низька ефективність, потужність, продуктивність та обмежена функціональність, незручність, які обумовлені конструкцією його термоелектричного перетворювача, а саме виконанням напівпровідників без градієнта ширини забороненої зони.The disadvantages of the well-known analog are low efficiency, power, performance and limited functionality, inconvenience, which are due to the design of its thermoelectric converter, namely, the implementation of semiconductors without a bandgap gradient.
Відомий аналог має низьку ефективність, потужність та продуктивність, оскільки використання однорідно легованих напівпровідників, виконаних без градієнта ширини забороненої зони не дозволяє отримати струм достатньої потужності для живлення більшості побутових електроприладів, швидкого зарядження елементів живлення переносних електронних пристроїв через невелику різність квазірівнів Фермі напівпровідників та обмежену кількість генерованих електронно-діркових пар. Незважаючи на наявність напівпровідника із власною провідністю, який розташований між напівпровідником п-типу та напівпровідником р- типу та є джерелом додаткових електронів, кількість струму, який генерує відомий аналог, в тому числі завдяки наявності р-п переходу, є обмеженою, що відповідно обмежує його функціональність, оскільки відомий аналог може бути використаний лише для зарядження або живлення обмеженого кола пристроїв.The known analogue has low efficiency, power and performance, because the use of homogeneously doped semiconductors, made without a bandgap gradient, does not allow obtaining a current of sufficient power to power most household electrical appliances, fast charging of power cells of portable electronic devices due to a small difference in the quasi-Fermi levels of semiconductors and a limited number generated electron-hole pairs. Despite the presence of a semiconductor with its own conductivity, which is located between the n-type semiconductor and the p-type semiconductor and is a source of additional electrons, the amount of current generated by the known analogue, including due to the presence of a p-n junction, is limited, which accordingly limits its functionality, since the known analog can only be used to charge or power a limited range of devices.
Найближчим аналогом корисної моделі, що заявляється, є термоелектричний генератор (патент ОА 118506 С2, МПК НОТІ. 35/00, опубліковано 25.01.2019 р., Бюл. Мо 2), що включає виконаний із можливістю відбору тепла з навколишнього середовища напівпровідниковий блок.The closest analogue of the claimed useful model is a thermoelectric generator (patent OA 118506 C2, IPC NOTI. 35/00, published on January 25, 2019, Bull. Mo 2), which includes a semiconductor block made with the possibility of heat extraction from the environment.
Термоелектричний генератор містить щонайменше одну пару з'єднаних між собою варизонних напівпровідників, яка складається з варизонного напівпровідника р-типу та варизонного напівпровідника п-типу, при цьому широкозонна сторона Р щонайменше одного варизонного напівпровідника р-типу з'єднана з вузькозонною стороною п щонайменше одного варизонного напівпровідника п-типу, а при наявності іще щонайменше однієї пари варизонних напівпровідників широкозонна сторона М щонайменше одного варизонного напівпровідника п- типу з'єднана з вузькозонною стороною р щонайменше одного варизонного напівпровідника р- типу.The thermoelectric generator contains at least one pair of interconnected varison semiconductors, which consists of a p-type varison semiconductor and a p-type varison semiconductor, while the wide-band P side of at least one p-type varison semiconductor is connected to the narrow-band p side of at least one of a n-type varison semiconductor, and in the presence of at least one more pair of varison semiconductors, the wide-band side M of at least one n-type varison semiconductor is connected to the narrow-band p side of at least one p-type varison semiconductor.
Попри численні переваги найближчого аналога, такі як підвищений ККД, відсутність потреби у підтриманні різниці температур на контактах напівпровідників, економічність використання, простота конструкції та використання, здешевлення процесу виробництва, розширена функціональність та область використання, які зумовлені використанням варизонних напівпровідників та гетеропереходів між ними, взаємним розташуванням варизонних напівпровідників, зокрема їх широкозонних та вузькозонних сторін, для найближчого аналога характерна недостатньо велика продуктивність на одиницю площі, оскільки варизонні напівпровідники найближчого аналога є однорідно легованими, тобто такими, що містять або акцепторні, або донорні домішки, що зменшує різність квазірівнів Фермі варизонних напівпровідників та обмежує генерування електронно-діркових пар.Despite the numerous advantages of the closest analogue, such as increased efficiency, the absence of the need to maintain a temperature difference at the contacts of semiconductors, economy of use, simplicity of design and use, cost reduction of the production process, expanded functionality and the field of use, which are due to the use of varison semiconductors and heterojunctions between them, mutual due to the arrangement of varison semiconductors, in particular their wide-band and narrow-band sides, the nearest analogue is characterized by insufficiently high productivity per unit area, since the varison semiconductors of the nearest analogue are homogeneously doped, that is, they contain either acceptor or donor impurities, which reduces the difference in the quasi-Fermi levels of varison semiconductors and limits the generation of electron-hole pairs.
Крім того, найближчий аналог не містить напівпровідникових матеріалів із власної провідністю, що також обмежує генерування електронно-діркових пар в термоелектричних процесах, які відбуваються під час функціонування найближчого аналога і тим самим обмежує потужність дифузійного та дрейфового струмів. В свою чергу, знижена продуктивність найближчого аналога, яка є наслідком конструктивних особливостей його напівпровідникового блока, викликає потребу у збільшенні площі варизонних напівпровідників та контактних елементів, збільшення габаритних розмірів термоелектричного генератора в цілому, що ускладнює використання найближчого аналога та призводить до підвищених витрат матеріалів.In addition, the nearest analogue does not contain semiconductor materials with intrinsic conductivity, which also limits the generation of electron-hole pairs in thermoelectric processes that occur during the operation of the nearest analogue and thereby limits the power of diffusion and drift currents. In turn, the reduced performance of the closest analog, which is a consequence of the design features of its semiconductor block, causes the need to increase the area of varison semiconductors and contact elements, increase the overall dimensions of the thermoelectric generator as a whole, which complicates the use of the closest analog and leads to increased material consumption.
Зо В основу корисної моделі поставлена задача створення нового напівпровідникового термоелектричного генератора, який характеризується підвищеною ефективністю, потужністю, продуктивністю та розширеною функціональністю.The basis of the useful model is the task of creating a new semiconductor thermoelectric generator, which is characterized by increased efficiency, power, productivity and expanded functionality.
Поставлена задача вирішується тим, що напівпровідниковий термоелектричний генератор виконаний із можливістю відбору тепла з навколишнього середовища напівпровідникового блока, який містить щонайменше одну пару з'єднаних між собою варизонних напівпровідників, при цьому широкозонна сторона щонайменше одного варизонного напівпровідника з'єднана з вузькозонною стороною щонайменше одного іншого варизонного напівпровідника. Місце з'єднання варизонних напівпровідників виконане із напівпровідниковим матеріалом із власною провідністю, варизонні напівпровідники, з'єднані між собою в пару, виконані із змінним легуванням. При цьому широкозонні сторони попарно з'єднаних варизонних напівпровідників леговані акцепторною домішкою.The problem is solved by the fact that the semiconductor thermoelectric generator is made with the possibility of extracting heat from the environment of the semiconductor block, which contains at least one pair of interconnected varison semiconductors, while the wide-band side of at least one varison semiconductor is connected to the narrow-band side of at least one other varison semiconductor. The junction of varison semiconductors is made of semiconductor material with its own conductivity, varison semiconductors connected in pairs are made with variable doping. At the same time, the wide-gap sides of pair-connected varizone semiconductors are doped with an acceptor impurity.
Разом з тим, згідно з пропозицією, крайова частина вузькозонної сторони одного з варизонних напівпровідників, яка розташована у місці з'єднання варизонних напівпровідників, виконана з напівпровідникового матеріалу із власною провідністю.However, according to the proposal, the marginal part of the narrow-band side of one of the varison semiconductors, which is located at the junction of the varison semiconductors, is made of semiconductor material with intrinsic conductivity.
Крім того, згідно з пропозицією, у місці з'єднання варизонних напівпровідників наявний проміжний шар напівпровідникового матеріалу із власною провідністю, через який вони з'єднані.In addition, according to the proposal, at the junction of varison semiconductors there is an intermediate layer of semiconductor material with intrinsic conductivity through which they are connected.
Також, згідно з пропозицією, зовнішні поверхні напівпровідникового блока виконані з омічними контактами і до кожної зовнішньої поверхні напівпровідникового блока приєднано по виводу.Also, according to the proposal, the outer surfaces of the semiconductor block are made with ohmic contacts and a terminal is connected to each outer surface of the semiconductor block.
Разом з тим, згідно з пропозицією, на зовнішніх поверхнях напівпровідникового блока, виконаних з омічними контактами, закріплені контактні елементі, виконані із можливістю відбору тепла з теплоносія, і до кожної зовнішньої поверхні напівпровідникового блока приєднано по виводу.At the same time, according to the proposal, on the outer surfaces of the semiconductor block made with ohmic contacts, contact elements are fixed, made with the possibility of heat extraction from the coolant, and a terminal is connected to each outer surface of the semiconductor block.
Окрім того, згідно з пропозицією, напівпровідниковий блок включає пару варизонних напівпровідників, кожен з яких має широкозонну сторону бір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону Се), яка містить германій із власною провідністю, при цьому вузькозонна сторона Се; одного варизонного напівпровідника з'єднана із широкозонною стороною Зір іншого варизонного напівпровідника, а до не з'єднаних між собою сторін варизонних напівпровідників, які є зовнішніми поверхнями напівпровідникового блока, 60 приєднані виводи, і на вказаних зовнішніх поверхнях виконані омічні контакти.In addition, according to the proposal, the semiconductor block includes a pair of vari-band semiconductors, each of which has a wide-bandgap bir side that contains silicon doped with an acceptor impurity and a narrow-bandgap Ce) side that contains intrinsically conductive germanium, with the narrow-bandgap Ce side; of one varison semiconductor is connected to the wide-band Zir side of another varison semiconductor, and 60 terminals are connected to the non-connected sides of the varison semiconductors, which are the outer surfaces of the semiconductor block, and ohmic contacts are made on the indicated outer surfaces.
Разом з тим, з пропозицією, напівпровідниковий блок включає пару варизонних напівпровідників, один з яких має широкозонну сторону Зір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону Се, яка містить германій із донорною домішкою, інший варизонний напівпровідник має широкозонну сторону зір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону сеї, яка містить германій із власною провідністю, між вузькозонною стороною ббеп одного варизонного напівпровідника і широкозонною стороною Зір іншого варизонного напівпровідника розташований проміжний шар германію се; із власною провідністю, через який варизонні напівпровідники з'єднані, а до не з'єднаних із проміжним шаром сторін варизонних напівпровідників, які є зовнішніми поверхнями напівпровідникового блока, приєднані виводи, і на вказаних зовнішніх поверхнях виконані омічні контакти.However, with the proposal, the semiconductor unit includes a pair of vari-band semiconductors, one having a wide-bandgap Zir side containing acceptor-doped silicon and a narrow-band-gap Ce side containing donor-doped germanium, the other vari-band semiconductor having a wide-bandgap zir side, which contains silicon, doped with an acceptor impurity, and the narrow-band side of se, which contains germanium with its own conductivity, between the narrow-band side bbep of one varison semiconductor and the wide-band side Zir of another varison semiconductor, an intermediate layer of germanium se is located; with intrinsic conductivity, through which the varison semiconductors are connected, and to the sides of the varison semiconductors not connected to the intermediate layer, which are the outer surfaces of the semiconductor block, terminals are connected, and ohmic contacts are made on the indicated outer surfaces.
Крім того, згідно з пропозицією, напівпровідниковий блок включає пару варизонних напівпровідників, кожен з яких має широкозонну сторону Зір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону Се, яка містить германій із донорною домішкою, при цьому між вузькозонною стороною беп одного варизонного напівпровідника і широкозонною стороною бір іншого варизонного напівпровідника розташований проміжний шар германію се; із власною провідністю, через який варизонні напівпровідники з'єднані, а до не з'єднаних із проміжним шаром сторін варизонних напівпровідників, які Є зовнішніми поверхнями напівпровідникового блока, приєднані виводи, і на вказаних зовнішніх поверхнях виконані омічні контакти.In addition, according to the proposal, the semiconductor unit includes a pair of vari-band semiconductors, each of which has a wide-bandgap Zir side containing acceptor-doped silicon and a narrow-band Ce side containing donor-doped germanium, with a single vari-band gap between the narrow-bandgap side semiconductor and the wideband side of another varizone semiconductor is located with an intermediate layer of germanium se; with its own conductivity, through which the varison semiconductors are connected, and to the sides of the varison semiconductors not connected to the intermediate layer, which ARE the outer surfaces of the semiconductor block, terminals are connected, and ohmic contacts are made on these outer surfaces.
Технічним результатом є підвищення ефективності, потужності та продуктивності термоелектричного генератора із розширенням його функціональності.The technical result is an increase in the efficiency, power and productivity of the thermoelectric generator with the expansion of its functionality.
У сукупності суттєвих ознак заявленої корисної моделі забезпечується вказаний вище технічний результат за рахунок вдосконалення конструкції напівпровідникового блока, а саме виконання напівпровідникового блока із місцем з'єднання варизонних напівпровідників, яке виконане із напівпровідниковим матеріалом із власною провідністю, варизонними напівпровідниками, широкозонні сторони яких леговані акцепторними домішками, а вузькозонні сторони леговані донорними домішками або виконані з напівпровідникового матеріалу з власною провідністю.In the set of essential features of the claimed utility model, the above-mentioned technical result is provided due to the improvement of the design of the semiconductor block, namely, the implementation of the semiconductor block with the connection point of varison semiconductors, which is made of semiconductor material with intrinsic conductivity, varison semiconductors, the wideband sides of which are doped with acceptor impurities , and the narrow-band sides are doped with donor impurities or made of semiconductor material with intrinsic conductivity.
Зо Заявлений напівпровідниковий термоелектричний генератор має підвищену ефективність, потужність та продуктивність з наступних причин.The claimed semiconductor thermoelectric generator has increased efficiency, power and performance for the following reasons.
Внаслідок виконання напівпровідників варизонними, тобто з хімічних елементів або їх сполук, що мають неоднакову ширину забороненої зони, у кожному з напівпровідників напівпровідникового блока наявна широкозонна сторона, яка містить хімічний елемент або сполуку, що має велику ширину забороненої зони, та вузькозонна сторона, яка містить хімічний елемент або сполуку, що має ширину забороненої зони, меншу за ширину відповідного матеріалу широкозонної сторони. При цьому внаслідок варизонного характеру напівпровідника ширина забороненої зони поступово зменшується разом із поступовою зміною у хімічному складі напівпровідника у одному напрямку, від широкозонної сторони до вузькозонної сторони.As a result of making semiconductors varizone, i.e. from chemical elements or their compounds that have different band gap widths, each of the semiconductors of the semiconductor block has a wide-band side that contains a chemical element or compound that has a large band gap, and a narrow-band side that contains a chemical element or compound having a bandgap smaller than that of the corresponding material on the wideband side. At the same time, as a result of the varison nature of the semiconductor, the width of the band gap gradually decreases along with a gradual change in the chemical composition of the semiconductor in one direction, from the wide-band side to the narrow-band side.
Таке виконання напівпровідників разом із змінним легуванням та виконанням широкозонної сторони із акцептгорною домішкою дозволяє при нагріванні контактних поверхонь омічних контактів навколишнім середовищем або теплоносієм та при наступному рівномірному нагріванні варизонних напівпровідників отримати електрорушійну силу, що переміщує вільні носії заряду від вузькозонних сторін варизонних напівпровідників, де концентрація вказаних носіїв заряду вища, до широкозонних сторін варизонних напівпровідників, де концентрація вказаних носіїв заряду нижча.This design of semiconductors, together with variable alloying and the design of the wide-band side with an acceptor impurity, allows when the contact surfaces of ohmic contacts are heated by the environment or the coolant and during the subsequent uniform heating of varison semiconductors, to obtain an electromotive force that moves free charge carriers from the narrow-band sides of varison semiconductors, where the concentration of the indicated of charge carriers is higher, to the wide-gap sides of varizone semiconductors, where the concentration of these charge carriers is lower.
Таким чином у варизонних напівпровідниках виникає дифузійний електричний струм у напрямку від вузькозонної сторони, яка має вищу концентрацію вільних носіїв заряду, до широкозонної сторони, яка має нижчу концентрацію носіїв заряду. При цьому змінне легування значно посилює електрорушійну силу, оскільки внаслідок вирівнювання квазірівнів Фермі між сторонами варизонного напівпровідника, легованого зазначеним чином, виникає вбудоване поле, що збігається з полем, викликаним варизонністю напівпровідника, що призводить до посилення останнього, а також забезпечує сторони варизонних напівпровідників необхідною кількістю основних і неосновних носіїв заряду. Внаслідок виникнення вказаного дифузійного струму у протилежних частинах варизонних напівпровідників виникають об'ємні заряди, що призводить до виникнення дрейфового струму, який має напрямок, протилежний напрямку дифузійного струму.Thus, a diffusion electric current occurs in varizon semiconductors in the direction from the narrow-band side, which has a higher concentration of free charge carriers, to the wide-band side, which has a lower concentration of charge carriers. At the same time, variable doping significantly increases the electromotive force, because due to the alignment of the Fermi quasi-levels between the sides of the varison semiconductor doped in the specified way, a built-in field occurs that coincides with the field caused by the varison of the semiconductor, which leads to the strengthening of the latter, and also provides the sides of the varison semiconductors with the required amount main and non-main charge carriers. Due to the occurrence of the specified diffusion current, volume charges arise in the opposite parts of the varison semiconductors, which leads to the occurrence of a drift current, which has a direction opposite to the direction of the diffusion current.
Разом з тим вказане вище виконання напівпровідникового блока та варизонних напівпровідників призводить до виникнення зворотної напруги, зміщення гетеропереходу, бо виникнення теплового струму та струму термогенерації у місці з'єднання варизонних напівпровідників, в якому утворений гетероперехід. Таким чином відбувається рух неосновних носії заряду через гетероперехід. При цьому електрорушійна сила, яке виникає у варизонних напівпровідниках, сприяє руху неосновних носіїв заряду через гетероперехід та від вузькозонних сторін варизонних напівпровідників до широкозонних сторін напівпровідників з їх перетворенням на основні носії заряду та посиленням дифузійного та дрейфового струму у варизонних напівпровідниках.At the same time, the above implementation of the semiconductor block and varison semiconductors leads to the occurrence of a reverse voltage, displacement of the heterojunction, because the occurrence of thermal current and thermal generation current at the junction of the varison semiconductors, in which the heterojunction is formed. In this way, the movement of minor charge carriers through the heterojunction occurs. At the same time, the electromotive force that occurs in varison semiconductors promotes the movement of non-main charge carriers through the heterojunction and from the narrow-band sides of varison semiconductors to the wide-band sides of semiconductors with their transformation into main charge carriers and the amplification of diffusion and drift current in varison semiconductors.
При цьому матеріал із власною провідністю, розташований в місці з'єднання варизонних напівпровідників, є джерелом носіїв заряду, як електронів, так і дірок, у кількості, необхідній для підтримання посиленого струму термогенерації у гетеропереході.At the same time, the material with its own conductivity, located at the junction of varison semiconductors, is a source of charge carriers, both electrons and holes, in the amount necessary to maintain the enhanced current of thermogeneration in the heterojunction.
Таким чином сукупний струм, що виробляє заявлений напівпровідниковий термоелектричний генератор, складається з дифузійного та дрейфового струму у напівпровідниках, теплового струму та струму термогенерації у гетеропереході, розташованому у місці з'єднання варизонних напівпровідників, і є більш потужним, ніж дрейфовий та дифузійний струм, що виробляє найближчий аналог, при однакових або менших габаритних розмірах та площі варизонних провідників, що свідчить про підвищення ефективності термоелектричного генератора та його продуктивності на одиницю площі. Підвищена потужність струму, в свою чергу, дозволяє розширити функціональність та область використання заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора, оскільки дозволяє заряджати або живити пристрої, які потребують відповідно більш потужних джерел струму, що дозволяє використовувати заявлений термоелектричний генератор у випадках, в яких використання найближчого аналогу та будь-яких інших подібних термоелектричних генераторів, є неможливим.Thus, the total current produced by the claimed semiconductor thermoelectric generator consists of the diffusion and drift current in the semiconductors, the thermal current and the thermal generation current in the heterojunction located at the junction of the varison semiconductors, and is more powerful than the drift and diffusion current, which produces the closest analogue, with the same or smaller overall dimensions and area of varison conductors, which indicates an increase in the efficiency of the thermoelectric generator and its productivity per unit area. The increased current capacity, in turn, allows to expand the functionality and scope of use of the claimed semiconductor thermoelectric generator, as it allows charging or powering devices that require correspondingly more powerful current sources, which allows the use of the claimed thermoelectric generator in cases where the use of the closest analog and any - any other similar thermoelectric generators is impossible.
Підвищення ККД заявленого термоелектричного генератора досягається за рахунок того, що при вказаному вище виконанні напівпровідникового блока для отримання струму не використовують ефект Зеєбека, що, в свою чергу, усуває потребу у витратах енергії на підтримання різниці температур на контактах напівпровідників та одночасне нагрівання та охолодження напівпровідників, а також потребу у використанні складного обладнання для вказаних вище операцій. Фактично для ефективної роботи заявленого термоелектричного генератора необхідно нагрівати виключно зовнішні поверхні напівпровідникового блока, щоThe increase in the efficiency of the stated thermoelectric generator is achieved due to the fact that the above design of the semiconductor block does not use the Seebeck effect to obtain current, which, in turn, eliminates the need for energy expenditure to maintain the temperature difference at the contacts of semiconductors and simultaneous heating and cooling of semiconductors. as well as the need to use complex equipment for the above operations. In fact, for the effective operation of the claimed thermoelectric generator, it is necessary to heat exclusively the outer surfaces of the semiconductor block, which
Зо може бути здійснено шляхом простого контакту вказаних складових елементів з випромінюванням у навколишньому середовищі або нагрітим теплоносієм, таким як повітря або вода, причому таке нагрівання може бути побічним ефектом роботи іншого пристрою, наприклад, котла або сонячного колектора. При цьому більша частина теплової енергії, яка нагріває контактні поверхні омічних контактів, переходить у тепловий рух носіїв заряду у варизонних напівпровідниках, а теплова енергія, яку виділяє термоелектричний генератор в процесі роботи, розсіюється у закритому об'ємі з теплоносієм та може бути використана для нагрівання контактних поверхонь омічних контактів.Zo can be carried out by simple contact of the specified constituent elements with radiation in the environment or a heated coolant such as air or water, and such heating can be a side effect of the operation of another device, for example, a boiler or a solar collector. At the same time, most of the thermal energy that heats the contact surfaces of the ohmic contacts is transferred to the thermal movement of charge carriers in varison semiconductors, and the thermal energy released by the thermoelectric generator during operation is dissipated in a closed volume with the coolant and can be used for heating contact surfaces of ohmic contacts.
При цьому підвищується зручність та спрощується використання заявленого термоелектричного генератора завдяки зменшенню габаритних розмірів напівпровідникового термоелектричного генератора, зокрема, його площі, оскільки для генерування потужного струму достатньо термоелектричного генератора із варизонними напівпровідниками невеликої площі або сукупності таких термоелектричних генераторів, встановлених паралельно.At the same time, convenience increases and the use of the stated thermoelectric generator is simplified due to the reduction of the overall dimensions of the semiconductor thermoelectric generator, in particular, its area, since a thermoelectric generator with varison semiconductors of a small area or a set of such thermoelectric generators installed in parallel is enough to generate a powerful current.
Виконання зовнішніх поверхонь напівпровідникового блока з омічними контактами дозволяє зменшити потенційний бар'єр між напівпровідником і металом омічного контакту, що зменшує витрати електрорушійної сили на подолання зазначеного бар'єру носіями заряду, що, в свою чергу, зменшує витрати енергії і підвищує продуктивність і ефективність заявленого термоелектричного генератора. Приєднання до кожної зовнішньої поверхні напівпровідникового блока виводу необхідне для підключення заявленого термоелектричного генератора до навантаження, перетворювача струм-напруга або іншого подібного пристрою та утворення електричного ланцюга.Making the outer surfaces of the semiconductor block with ohmic contacts allows to reduce the potential barrier between the semiconductor and the metal of the ohmic contact, which reduces the cost of electromotive force to overcome the specified barrier by charge carriers, which, in turn, reduces energy consumption and increases the productivity and efficiency of the stated thermoelectric generator. The connection to each outer surface of the semiconductor terminal block is necessary to connect the claimed thermoelectric generator to a load, current-to-voltage converter or other similar device and form an electrical circuit.
Закріплення на зовнішніх поверхнях напівпровідникового блока, виконаних з омічними контактами, контактних елементів, виконаних із можливістю відбору тепла з теплоносія, підвищує зручність використання заявленого термоелектричного генератора, оскільки усуває потребу у закріпленні вказаних контактних елементів на засобах або пристроях, які містять або переносять теплоносій, і робить заявлений напівпровідниковий термоелектричний генератор готовим до встановлення у будь-який відповідний пристрій або засіб для переносу теплоносія без виконання додаткових операцій та відповідних витрат часу.Fixing on the outer surfaces of the semiconductor block, made with ohmic contacts, contact elements, made with the possibility of taking heat from the coolant, increases the convenience of use of the claimed thermoelectric generator, because it eliminates the need to fix the indicated contact elements on means or devices that contain or transfer the coolant, and makes the claimed semiconductor thermoelectric generator ready for installation in any suitable device or means for transferring the heat carrier without performing additional operations and corresponding time costs.
Суть корисної моделі пояснюють креслення.Drawings explain the essence of a useful model.
На фіг. 1 вигляд заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора у варіанті бо виконання, в якому напівпровідниковий блок включає пару варизонних напівпровідників, кожен з яких має широкозонну сторону Зір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону Се, яка містить германій із власною провідністю, при цьому вузькозонна сторона Се; одного варизонного напівпровідника з'єднана із широкозонною стороною Зір іншого варизонного напівпровідника, а до не з'єднаних між собою сторін варизонних напівпровідників, які є зовнішніми поверхнями напівпровідникового блока, приєднані виводи, і на вказаних зовнішніх поверхнях виконані омічні контакти.In fig. 1 is a view of the claimed semiconductor thermoelectric generator in an embodiment, in which the semiconductor block includes a pair of varison semiconductors, each of which has a wide-bandgap Zir side, which contains silicon doped with an acceptor impurity, and a narrow-bandgap Ce side, which contains germanium with intrinsic conductivity, while the narrow-band Se side; of one varison semiconductor is connected to the wide-band Zir side of another varison semiconductor, and terminals are connected to the non-connected sides of the varison semiconductors, which are the outer surfaces of the semiconductor block, and ohmic contacts are made on the specified outer surfaces.
На фіг. 2 вигляд заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора у варіанті виконання, в якому напівпровідниковий блок включає пару варизонних напівпровідників, один з яких має широкозонну сторону Зір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону Сеп, яка містить германій із донорною домішкою, інший варизонний напівпровідник має широкозонну сторону Зір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону Се), яка містить германій із власною провідністю, між вузькозонною стороною Сеп одного варизонного напівпровідника і широкозонною стороною б5ір іншого варизонного напівпровідника розташований проміжний шар германію Се; із власною провідністю, через який варизонні напівпровідники з'єднані, а до не з'єднаних із проміжним шаром сторін варизонних напівпровідників, які є зовнішніми поверхнями напівпровідникового блока, приєднані виводи, і на вказаних зовнішніх поверхнях виконані омічні контакти.In fig. 2 is a view of the claimed semiconductor thermoelectric generator in an embodiment, in which the semiconductor block includes a pair of varison semiconductors, one of which has a wide-bandgap side Zir, which contains silicon doped with an acceptor impurity, and a narrow-bandgap side Sep, which contains germanium with a donor impurity, the other varison semiconductor has a wide-band side Zir, which contains silicon doped with an acceptor impurity, and a narrow-band side Ce), which contains germanium with its own conductivity, between the narrow-band side Sep of one varison semiconductor and the wide-band side b5ir of another varison semiconductor, an intermediate layer of germanium Ce is located; with intrinsic conductivity, through which the varison semiconductors are connected, and to the sides of the varison semiconductors not connected to the intermediate layer, which are the outer surfaces of the semiconductor block, terminals are connected, and ohmic contacts are made on the indicated outer surfaces.
На фіг. З вигляд заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора у варіанті виконання, в якому напівпровідниковий блок включає пару варизонних напівпровідників, кожен з яких має широкозонну сторону Зір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону (Сет, яка містить германій із донорною домішкою, при цьому між вузькозонною стороною Сеп одного варизонного напівпровідника і широкозонною стороною б5ір іншого варизонного напівпровідника розташований проміжний шар германію Се; із власною провідністю, через який варизонні напівпровідники з'єднані, а до не з'єднаних із проміжним шаром сторін варизонних напівпровідників, які є зовнішніми поверхнями напівпровідникового блока, приєднані виводи, і на вказаних зовнішніх поверхнях виконані омічні контакти.In fig. From the appearance of the claimed semiconductor thermoelectric generator in the embodiment, in which the semiconductor block includes a pair of varison semiconductors, each of which has a wide-band side Zir, which contains silicon doped with an acceptor impurity, and a narrow-band side (Set, which contains germanium with a donor impurity, while between the narrow band-gap side Sep of one varison semiconductor and the broad-band side b5ir of another varison semiconductor there is an intermediate layer of germanium Ce; with its own conductivity, through which the varison semiconductors are connected, and to the sides of the varison semiconductors not connected to the intermediate layer, which are the outer surfaces of the semiconductor of the block, the terminals are connected, and ohmic contacts are made on the indicated external surfaces.
У зображеннях використані наступні умовні позначення:The following notations are used in the images:
Зір - широкозонна сторона варизонного напівпровідника, що складається з кремнію з акцепторною домішкою у варіанті виконання;Zir - the wide-band side of the varizone semiconductor, consisting of silicon with an acceptor impurity in the version;
Зо Се - вузькозонна сторона варизонного напівпровідника, що складається з германію із власною провідністю у варіанті виконання;Zo Ce is the narrow-band side of the varison semiconductor, consisting of germanium with its own conductivity in the version;
Себп - вузькозонна сторона варизонного напівпровідника, що складається з германію із донорною домішкою у варіанті виконання;Sebp - the narrow-band side of the varison semiconductor, consisting of germanium with a donor impurity in the version;
Се! - проміжний шар германія із власною провідністю; пт - рух теплоносіяThis! - an intermediate layer of germanium with its own conductivity; pt - movement of the coolant
ПТ тк дрейфовий струм киця шу й ди фузійний струм ченнннену тепловий струм пити тт ик. струм термогенерації пиатаннятттттеиPT tk drift current kisya shu and diffusion current chennnnenu heat current py tt ik. thermal generation current piatannyatttttey
На кресленнях схематично зображені переважні, але не виключні варіанти виконання заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора, який включає напівпровідниковий блок 1, який містить пару з'єднаних варизонних напівпровідників 2, два омічних контакти З та два виводи 4. Крім того на кресленнях спрощено та схематично позначені напрямки дифузійного та дрейфового струму, теплового струму та струму термогенерації, а також структура та матеріали варизонних напівпровідників 2.The drawings schematically show preferred, but not exclusive, versions of the claimed semiconductor thermoelectric generator, which includes a semiconductor block 1, which contains a pair of connected varison semiconductors 2, two ohmic contacts C and two terminals 4. In addition, the drawings are simplified and schematically marked directions diffusion and drift current, thermal current and thermogeneration current, as well as the structure and materials of varison semiconductors 2.
Під термоелектричним генератором або термоелектрогенератором, у даному випадку, розуміють пристрій, який здійснює перетворення теплової енергії в електричний струм.A thermoelectric generator or thermoelectric generator, in this case, means a device that converts thermal energy into electric current.
У зображених варіантах виконання напівпровідниковий блок 1 містить з'єднані у пару варизонні напівпровідники 2, виконані із змінним легуванням. У переважному варіанті виконання варизонні напівпровідники 2 нероз'ємно з'єднані між собою або з проміжним шаром 6 спаюванням, зрощенням або іншим подібним способом, із утворенням гетеропереходу у місці з'єднання попарно з'єднаних варизонних напівпровідників 2. Широкозонні сторони попарно з'єднаних варизонних напівпровідників 2 виконані із акцепторною домішкою.In the illustrated embodiments, the semiconductor block 1 contains paired varison semiconductors 2, made with variable doping. In the preferred embodiment, the varison semiconductors 2 are inseparably connected to each other or to the intermediate layer 6 by soldering, splicing, or another similar method, with the formation of a heterojunction at the junction of the pairwise-connected varison semiconductors 2. Wideband sides of the pairwise-connected varison semiconductors 2 are made with an acceptor impurity.
Місце з'єднання варизонних напівпровідників 2 виконане із напівпровідниковим матеріалом із власною провідністю. У варіанті виконання заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора, зображеному на Фіг. 1 крайова частина вузькозонної сторони одного з варизонних напівпровідників 2, яка розташована у місці з'єднання варизонних напівпровідників 2, виконана з напівпровідникового матеріалу із власною провідністю. У варіантах виконання заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора, зображених на Фіг. 2 та 3, у місці з'єднання варизонних напівпровідників 2 наявний проміжний шар 6, який виконаний з напівпровідникового матеріалу із власною провідністю та через який з'єднані варизонні напівпровідники 2. У всіх зазначених вище варіантах виконання напівпровідниковим матеріалом із власною провідністю є германій. Разом з тим таким матеріалом може бути будь-який матеріал, який має ширину забороненої зони меншу за ширину забороненої зони широкозонних сторін варизонних напівпровідників 2.The junction of varison semiconductors 2 is made of semiconductor material with its own conductivity. In an embodiment of the claimed semiconductor thermoelectric generator shown in Fig. 1, the edge part of the narrow-band side of one of the varison semiconductors 2, which is located at the junction of the varison semiconductors 2, is made of semiconductor material with intrinsic conductivity. In the embodiments of the claimed semiconductor thermoelectric generator shown in Fig. 2 and 3, at the junction of the varison semiconductors 2 there is an intermediate layer 6, which is made of a semiconductor material with intrinsic conductivity and through which the varison semiconductors 2 are connected. In all the above-mentioned embodiments, the semiconductor material with intrinsic conductivity is germanium. At the same time, such a material can be any material that has a band gap smaller than the band gap width of the wideband sides of variband semiconductors 2.
У переважному варіанті виконання, зображеному на Фіг. 1, кожен з варизонних напівпровідників 2 складається з широкозонної сторони Зір, яка складається з кремнію, легованого акцепторною домішкою, вузькозонної сторони Се, яка складається з германію із власною провідністю, та проміжкової зони між ними зі змішаним хімічним складом, в якій поступово зменшується вміст германію та збільшується вміст кремнію по напрямку до широкозонної сторони.In the preferred embodiment shown in Fig. 1, each of the varizone semiconductors 2 consists of a wide-bandgap Zir side, which consists of silicon doped with an acceptor impurity, a narrow-bandgap Ce side, which consists of germanium with its own conductivity, and an intermediate zone between them with a mixed chemical composition, in which the germanium content gradually decreases and the silicon content increases towards the broadband side.
У переважному варіанті виконання, зображеному на Фіг. 2, один з варизонних напівпровідників 2 має широкозонну сторону Зір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону Сбеп, яка містить германій із донорною домішкою, інший варизонний напівпровідник 2 - широкозонну сторону Зір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону Се, а між вузькозонною стороною (16п одного варизонного напівпровідника 2 і широкозонною стороною Зір іншого варизонного напівпровідника 2 розташований проміжний шар 6 германію се із власною провідністю, через який з'єднані варизонні напівпровідники 2.In the preferred embodiment shown in Fig. 2, one of the varison semiconductors 2 has a wide-bandgap Zir side that contains silicon doped with an acceptor impurity and a narrow-bandgap Sbep side that contains germanium with a donor impurity, the other varison semiconductor 2 has a wide-bandgap Zir side that contains silicon doped with an acceptor impurity, and narrow-band side Ce, and between the narrow-band side (16p) of one varison semiconductor 2 and the wide-band side Zir of another varison semiconductor 2 there is an intermediate layer 6 of germanium se with its own conductivity, through which the varison semiconductors 2 are connected.
У переважному варіанті виконання, зображеному на Фіг. З, кожен з варизонних напівпровідників 2 має широкозонну сторону Зір, яка містить кремній, легований акцепторною домішкою, та вузькозонну сторону Сен, яка містить германій із донорною домішкою, при цьому між вузькозонною стороною (Сеп одного варизонного напівпровідника 2 і широкозонною стороною Зір іншого варизонного напівпровідника 2 розташований проміжний шар 6 германіяIn the preferred embodiment shown in Fig. C, each of the varison semiconductors 2 has a wide-bandgap Zir side, which contains silicon doped with an acceptor impurity, and a narrow-bandgap Sen side, which contains germanium with a donor impurity, while between the narrow-bandgap side (Sep of one varison semiconductor 2 and the wide-bandgap Zir side of the other varison semiconductor 2 there is an intermediate layer of 6 germanium
Се; із власною провідністю, через який з'єднані варизонні напівпровідники 2.Se; with its own conductivity, through which the varison semiconductors 2 are connected.
Разом з тим варизонні напівпровідники 2 можуть бути виконані з будь-яких напівпровідникових матеріалів, які мають різну ширину забороненої зони та можуть бутиAt the same time, varison semiconductors 2 can be made of any semiconductor materials that have different bandgap widths and can be
Зо об'єднані у варизонному напівпровіднику з урахуванням викладених вище умов. Також у переважному виконанні акцепторною домішкою для широкозонних сторін варизонних напівпровідників 2 є трьохвалентний бор, а донорною домішкою для вузькозонних сторін варизонних напівпровідників 2 у відповідних варіантах виконання є п'ятивалентний фосфор.Zo are combined in a varison semiconductor, taking into account the conditions outlined above. Also, in the preferred embodiment, the acceptor impurity for the wide band gap sides of the varison semiconductors 2 is trivalent boron, and the donor impurity for the narrow band gap sides of the varison semiconductors 2 in the corresponding variants of the execution is pentavalent phosphorus.
Проте як акцепторна та донорна домішки можуть бути використані інші подібні матеріали відповідно до напівпровідникових матеріалів, з яких складаються варизонні напівпровідники 2.However, other similar materials can be used as acceptor and donor impurities in accordance with the semiconductor materials that make up varison semiconductors 2.
У зображених варіантах виконання заявленої корисної моделі варизонні напівпровідники 2 виконані у вигляді пластин, та з'єднані у горизонтальній площині. Варизонні напівпровідники 2 можуть бути вироблені методом рідкофазної епітаксії, газофазної іонно-пучкової епітаксії, дифузії або шляхом напилювання германію та кремнію на підкладку з алюмінію або нікелю.In the depicted variants of the claimed utility model, the varison semiconductors 2 are made in the form of plates and are connected in a horizontal plane. Varison semiconductors 2 can be produced by liquid-phase epitaxy, gas-phase ion-beam epitaxy, diffusion, or by sputtering germanium and silicon onto an aluminum or nickel substrate.
Разом з тим як підкладку можуть бути використані інші матеріали, які відповідають властивостям матеріалів варизонних напівпровідників.At the same time, other materials can be used as a substrate, which correspond to the properties of materials of varison semiconductors.
Два омічних контакти З виконані на зовнішніх поверхнях напівпровідникового блока 1, які є зовнішніми поверхнями варизонних напівпровідників 2. У зображеному варіанті виконання омічні контакти З являють собою нероз'ємно з'єднані із зовнішніми поверхнями напівпровідникового блока 1 горизонтально орієнтовані пластини, які у переважному варіанті виконання заявленої корисної моделі виконані з алюмінію. Разом з тим омічні контакти З можуть бути виконані з іншого матеріалу, який має високу теплопровідність, хімічну стійкість та стійкість до дії високої температури.Two ohmic contacts Z are made on the outer surfaces of the semiconductor block 1, which are the outer surfaces of the varison semiconductors 2. In the depicted embodiment, the ohmic contacts C are horizontally oriented plates integrally connected to the outer surfaces of the semiconductor block 1, which in the preferred embodiment the declared useful model is made of aluminum. At the same time, ohmic contacts C can be made of another material that has high thermal conductivity, chemical resistance, and resistance to high temperature.
Два виводи 4 приєднані до вузькозонної сторони одного варизонного напівпровідника 2 та до широкозонної сторони іншого варизонного напівпровідників 2, зовнішні поверхні яких є зовнішніми поверхнями напівпровідникового блока 1. У переважному варіанті виконання виводи 4 приєднані до вказаних поверхонь варизонних напівпровідника 2 та омічних контактів З і вкриті ізоляційним покриттям. Матеріалом металевих контактів для виводів 4 може бути, наприклад, мідь або інші хімічні елементи з вираженими металевими властивостями.Two terminals 4 are connected to the narrow-band side of one varison semiconductor 2 and to the wide-band side of another varison semiconductor 2, the outer surfaces of which are the outer surfaces of the semiconductor block 1. In the preferred embodiment, the terminals 4 are connected to the indicated surfaces of the varison semiconductor 2 and ohmic contacts З and are covered with insulating coating The material of metal contacts for terminals 4 can be, for example, copper or other chemical elements with pronounced metallic properties.
У зображеному варіанті виконання заявлений напівпровідниковий термоелектричний генератор розташований між двома засобами переносу теплоносія 5, по яким проходить рідкий або газоподібний теплоносій. Такими засобами переносу теплоносія можуть бути, наприклад, труби змійовика сонячного колектору, складові частини обігрівальних пристроїв або інші подібні засоби.In the depicted embodiment, the declared semiconductor thermoelectric generator is located between two means of transferring the coolant 5, through which the liquid or gaseous coolant passes. Such means of transfer of heat carrier can be, for example, pipes of the coil of the solar collector, components of heating devices or other similar means.
Заявлений напівпровідниковий термоелектричний генератор використовують наступним чином.The claimed semiconductor thermoelectric generator is used as follows.
Контакти виводів 4 під'єднують, наприклад, до перетворювача струм-напруга, утворюючи електричний ланцюг, та поміщають заявлений напівпровідниковий термоелектричний генератор між засобами переносу теплоносія 5 таким чином, щоб омічні контакти З вступали у безпосередній контакт з поверхнями засобів для переносу теплоносія 5 або з контактними елементами, виконаними із можливістю відбору тепла з теплоносія, у відповідному варіанті виконання заявленого термоелектричного генератора. Після цього теплоносій, що знаходиться у вказаних засобах для переносу 5, нагрівають зовнішнім джерелом тепла, наприклад, за допомогою палива, газу або акумульованими сонячними променями.The contacts of the terminals 4 are connected, for example, to a current-voltage converter, forming an electrical circuit, and the claimed semiconductor thermoelectric generator is placed between the means for transferring the heat carrier 5 in such a way that the ohmic contacts C come into direct contact with the surfaces of the means for transferring the heat carrier 5 or with contact elements made with the possibility of extracting heat from the coolant, in the corresponding version of the declared thermoelectric generator. After that, the heat carrier, which is in the specified transfer means 5, is heated by an external heat source, for example, with the help of fuel, gas or accumulated solar rays.
Теплова енергія з теплоносія проходить крізь омічні контакти 3, через зовнішні поверхні напівпровідникового блока 1 та рівномірно нагріває варизонні напівпровідники 2, що запускає процес роботи заявленого термоелектричного генератора. Внаслідок руху носіїв заряду між сторонами варизонних напівпровідників 2 та через утворений між варизонними напівпровідниками 2 гетероперехід виникають дифузійний струм, дрейфовий струм, тепловий струм та струм термогенерації, причому напрямки дифузійного струму, струму термогенерації та теплового струму співпадають.Thermal energy from the coolant passes through the ohmic contacts 3, through the outer surfaces of the semiconductor block 1 and evenly heats the varison semiconductors 2, which starts the process of operation of the stated thermoelectric generator. Due to the movement of charge carriers between the sides of the varison semiconductors 2 and through the heterojunction formed between the varison semiconductors 2, a diffusion current, a drift current, a thermal current, and a thermogeneration current arise, and the directions of the diffusion current, the thermogeneration current, and the thermal current coincide.
Таким чином в утвореному електричному ланцюгу з'являється електричний струм, який через виводи 4 направляється, наприклад, до перетворювача або перетворювачів струм- напруга і може бути використаний для живлення побутових електроприладів, технічного обладнання, заряджання елементів живлення переносних електронних пристроїв та іншого.In this way, an electric current appears in the formed electric circuit, which is sent through terminals 4, for example, to a converter or current-voltage converters and can be used to power household electrical appliances, technical equipment, charge batteries for portable electronic devices, and more.
При цьому нагрівання теплоносія 5 не потребує великих витрат енергії та складного обладнання, а його інтенсивність легко контролюється користувачем заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора. Для припинення роботи заявленого термоеєлектричного генератора достатньо від'єднати дроти виводів 4 від пристрою, що замикає електричний ланцюг або припинити нагрівання теплоносія 5, або вилучити заявлений напівпровідниковий термоелектричний генератор з простору між засобами для переносу теплоносія 5.At the same time, the heating of the heat carrier 5 does not require large expenditures of energy and complex equipment, and its intensity is easily controlled by the user of the declared semiconductor thermoelectric generator. To stop the operation of the declared thermoelectric generator, it is enough to disconnect the wires of the terminals 4 from the device that closes the electric circuit or to stop heating the coolant 5, or to remove the declared semiconductor thermoelectric generator from the space between the means for transferring the coolant 5.
При цьому слід враховувати, що кожен з трьох переважних варіантів виконання заявленогоAt the same time, it should be taken into account that each of the three preferred options for the implementation of the stated
Зо напівпровідникового термоелектричного генератора, вказаних вище, має оптимальну продуктивність при певній температурі теплоносія. Так варіант заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора, зображений на Фіг. 1, використовують у випадку, якщо температура теплоносія є рівною або вищою за температуру, при якій електрони вузькозонних сторін варизонних напівпровідників 2 набувають необхідної енергії для перетворення на носії заряду. Варіант заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора, зображений наOf the semiconductor thermoelectric generators listed above, it has optimal performance at a certain temperature of the coolant. Thus, the variant of the claimed semiconductor thermoelectric generator shown in Fig. 1, are used in the event that the temperature of the coolant is equal to or higher than the temperature at which the electrons of the narrow-band sides of the varison semiconductors 2 acquire the necessary energy to transform into charge carriers. A variant of the claimed semiconductor thermoelectric generator, shown in Fig
Фіг. 2, використовують у випадку, якщо температура теплоносія є рівною або нижчою за температуру, при якій електрони вузькозонних сторін варизонних напівпровідників 2 набувають необхідної енергії для перетворення на носії заряду. Варіант заявленого напівпровідникового термоелектричного генератора, зображений на Фіг. З, використовують у випадку, якщо температура теплоносія є суттєво нижчою за температуру при якій електрони вузькозонних сторін варизонних напівпровідників 2 набувають необхідної енергії для перетворення на носії заряду.Fig. 2, are used in the event that the temperature of the coolant is equal to or lower than the temperature at which the electrons of the narrow-band sides of the varison semiconductors 2 acquire the necessary energy to transform into charge carriers. A variant of the claimed semiconductor thermoelectric generator shown in Fig. C, used in the event that the temperature of the coolant is significantly lower than the temperature at which the electrons of the narrow-band sides of the varison semiconductors 2 acquire the necessary energy to transform into charge carriers.
Також для збільшення потужності струму, що виробляється, декілька заявлених термоелектричних генераторів можуть бути паралельно з'єднані через металеві контакти, розташовані між зовнішніми поверхнями напівпровідникових блоків 1.Also, to increase the power of the produced current, several claimed thermoelectric generators can be connected in parallel through metal contacts located between the outer surfaces of the semiconductor blocks 1.
В існуючих джерелах патентної та науково-технічної інформації не виявлений напівпровідниковий термоелектричний генератор, який має заявлену сукупність суттєвих ознак, тому представлене технічне рішення відповідає критерію "новизна".In the existing sources of patent and scientific and technical information, no semiconductor thermoelectric generator has been found, which has the declared set of essential features, therefore the presented technical solution meets the "novelty" criterion.
Запропоноване технічне рішення є промислово придатним, оскільки не містить у своєму складі жодних конструктивних елементів чи матеріалів, які неможливо відтворити на сучасному етапі розвитку техніки в умовах промислового виробництва.The proposed technical solution is industrially suitable, as it does not contain any structural elements or materials that cannot be reproduced at the current stage of technology development in the conditions of industrial production.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAU201902987U UA134717U (en) | 2019-03-27 | 2019-03-27 | SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAU201902987U UA134717U (en) | 2019-03-27 | 2019-03-27 | SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA134717U true UA134717U (en) | 2019-05-27 |
Family
ID=66641852
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UAU201902987U UA134717U (en) | 2019-03-27 | 2019-03-27 | SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| UA (1) | UA134717U (en) |
-
2019
- 2019-03-27 UA UAU201902987U patent/UA134717U/en unknown
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8766083B2 (en) | Thermoelectric element | |
| US5897715A (en) | Interdigitated photovoltaic power conversion device | |
| Emtage | Electrical Conduction and the Photovoltaic Effect in Semiconductors with Position‐Dependent Band Gaps | |
| RU2376679C1 (en) | Semiconductor multijunction solar cell | |
| EP2472712B1 (en) | Power generating apparatus | |
| EP1878054B1 (en) | Solar cell array with isotype-heterojunction diode | |
| UA120025C2 (en) | SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR | |
| WO2019004988A1 (en) | Thermoelectric generator | |
| UA134717U (en) | SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR | |
| JP3444501B2 (en) | Thermoelectric generator | |
| JP2023033940A (en) | Solar battery cell and solar battery | |
| EA041242B1 (en) | SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR | |
| Cusano et al. | CdTe hole lifetime from the photovoltaic effect | |
| KR20200058293A (en) | Thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion system, power generation method of thermoelectric conversion element, and power generation method of thermoelectric conversion system | |
| CN105874610A (en) | Photovoltaic cells | |
| RU2714690C2 (en) | Device for generating electric current by converting the energy of radio-chemical beta-decay of c-14 | |
| RU106443U1 (en) | SEMICONDUCTOR MULTI JUNCTION STRUCTURE | |
| RU215917U1 (en) | Semiconductor photovoltaic converter | |
| UA146730U (en) | THERMOELECTRIC BATTERY MODULE | |
| CN112768593B (en) | Thermoelectric-photoelectric device | |
| WO2021225563A1 (en) | Module of a thermoelectric battery | |
| EA037133B1 (en) | Thermoelectric generator | |
| RU2242064C1 (en) | Solar cell | |
| Kreveld | Solar smarts: What's the difference between p and n-type solar panels? | |
| Mbewe et al. | High-injection conditions at dislocations in silicon: a mechanism for dependence of lifetime on photogeneration rate |