專利名稱：固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱能到電能以及電能到致冷的轉(zhuǎn)換，更具體地說，涉及利用半導體二極管實現(xiàn)形式的固態(tài)熱電子轉(zhuǎn)換器。
背景技術：
熱電子能量轉(zhuǎn)換是通過熱電子發(fā)射將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的方法。在此過程中，通過加熱金屬并將充分的能量給予一部分電子以克服為了逃逸金屬表面的阻礙力，電子從金屬表面熱電子發(fā)射。與大多數(shù)其他傳統(tǒng)產(chǎn)生電能的方法不同，除了電荷，熱電子轉(zhuǎn)換既不需要能量的中間形式，也不需要工作液體，以便將熱轉(zhuǎn)為電。
在其最基本的形式中，傳統(tǒng)的熱電子能量轉(zhuǎn)換器包括連接到電源的一個電極，連接到熱沉(heat sink)并通過中間空間與第一電極分離的第二電極，將電極連接到電負載的導線，以及外殼。外殼中的空間既可以高度抽空，也可以用適合的變稀薄的氣體如銫填充。
傳統(tǒng)的熱電子轉(zhuǎn)換器中的基本過程如下。熱源以充分高的溫度將熱量供給到電子熱電子蒸發(fā)成抽空或填充有稀薄氣體的極間空間的一個電極，即發(fā)射器。電子通過此空間向保持在接近熱沉的低溫的另一電極，即集電器移動。在此，電子濃縮并通過外部電導線和在發(fā)射器和集電器之間連接的電負載返回到熱電極。通過電負載的電子流動由于電極之間的溫度差而得以持續(xù)。因此，電功輸送到負載。
熱電子能量轉(zhuǎn)換基于與熱源接觸的低電子逸出功陰極將發(fā)射電子的概念。這些電子通過冷的、高逸出功陽極吸收，且其可以通過其進行有用功的外部負載流回到陰極。實際的熱電子發(fā)生器受到用于陰極的適合金屬或其它材料的逸出功的限制。另一個重要的限制是空間電荷作用。在陰極和陽極之間的空間中存在的帶電荷電子將產(chǎn)生降低熱電子流的額外勢壘。這些限制將有害地影響最大電流密度，因此，是發(fā)展大型電子轉(zhuǎn)換器中存在的主要問題。
傳統(tǒng)的電子轉(zhuǎn)換器通常分為真空轉(zhuǎn)換器或充氣轉(zhuǎn)換器。真空轉(zhuǎn)換器具有在電極之間的抽空介質(zhì)。這些轉(zhuǎn)換器已經(jīng)在實際中限制了應用。
在充氣轉(zhuǎn)換器第一類中的實施方式設置有在產(chǎn)生正離子的極間空間中的蒸發(fā)物質(zhì)。此蒸發(fā)物質(zhì)通常為蒸發(fā)的堿性金屬如銫、鉀以及銣。由于這些正離子的存在，釋放的電子可以更容易地從發(fā)射器傳遞到集電器。在此傳統(tǒng)裝置形式的發(fā)射器溫度部分通過產(chǎn)生正離子物質(zhì)的蒸發(fā)溫度確定。總體上說，如果離子的有效產(chǎn)量可以在這些傳統(tǒng)裝置中實現(xiàn)，發(fā)射器溫度至少為正離子產(chǎn)生物質(zhì)儲存器溫度的3.5倍。
在充氣轉(zhuǎn)換器的第二類中的實施方式設置有第三電極以產(chǎn)生離子，而這些傳統(tǒng)裝置中的極間空間中的氣體為惰性氣體如氖、氬或氙。雖然這些轉(zhuǎn)換器可以在低溫操作，如大約1500K，但其更復雜。
典型的傳統(tǒng)熱電子發(fā)射器在從大約1400K到大約2200K的溫度范圍操作，而熱電子集電器在從大約500K到大約1200K的溫度范圍操作。在最佳的操作條件下，能量轉(zhuǎn)換的整個效率范圍從5％到40％，電能量密度級為1到100W/cm2，而電流的密度級為5到100A/cm2。總體上說，發(fā)射器溫度越高、效率越高、能量和電流密度在設計時要考慮輻射損失。能量從典型轉(zhuǎn)換器的一個單元傳遞的電壓為0.3到1.2V，也就是大約與普通電解電池的電壓相同。具有高能量額定頻率的熱電子系統(tǒng)包括串連電連接的多個熱電子轉(zhuǎn)換器。每個熱電子轉(zhuǎn)換器單元通常額定為10到500W。
熱電子轉(zhuǎn)換器的高溫特征可以對于一定的應用是有優(yōu)勢的，但因為要求發(fā)射器的溫度通常超過了許多傳統(tǒng)熱源的實際能力，所以，限制了其他應用。相反，通常的熱電轉(zhuǎn)換器在大約500K到大約1500K的熱源溫度范圍操作。然而，即使在最佳條件下，熱電能量轉(zhuǎn)換器的整個效率也只在3％到10％的范圍，電能量密度通常低于幾W/cm2，而電流密度級為1到100A/cm2。
從物理學的觀點看，熱電裝置與熱電子裝置相似。在這兩種情況下，在金屬或半導體上設置有溫度梯度，而兩種情況都基于電子運動為電的概念。然而，電子運動也輸送能量。強制電流輸送用于熱電子和熱電裝置的能量。熱電和熱電子裝置的主要不同在于輸送機構(gòu)用于熱電子的發(fā)射和擴散運動以及用于熱電學的歐姆輸送。歐姆流為宏觀擴散，而不是微觀擴散。其區(qū)別特征為是否存在過量載流子。在熱電學中，通常存在的載流子是造成電流的原因。在熱電子中，電流是由于在帶隙中設置過量的載流子產(chǎn)生。如果電子發(fā)射地穿過或越過帶隙，熱電子裝置就具有相對高的效率。對于熱電子裝置，所有的動能都從一個電極輸送到另一個電極。在熱電裝置中的電子運動為準均衡的且為電阻性的，可以根據(jù)為均衡參數(shù)的塞貝克系數(shù)說明。
在具有窄勢壘的結(jié)構(gòu)中，電子將不會移動足夠遠以當其經(jīng)過勢壘時承受碰撞。在這些環(huán)境下，熱電子發(fā)射理論的發(fā)射形式可以更精確地表示電流輸送。
根據(jù)本技術的目前狀態(tài)，通過利用真空轉(zhuǎn)換器或充氣轉(zhuǎn)換器，已經(jīng)探索了上述問題的解決途徑。降低真空轉(zhuǎn)換器空間電荷效果的努力旨在降低極間分離到微米級。降低充氣轉(zhuǎn)換器空間電荷效果的努力導致正離子在發(fā)射器前進入電子云。然而，這些傳統(tǒng)的裝置依然存在缺點，例如與其限制的最大電流密度以及溫度模式相關的缺點。
結(jié)果，依然需要在低溫模式下提供高效率和高能量密度地將熱能轉(zhuǎn)換為電能的更滿意的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器裝置，以及具有半導體或半導體金屬的實施方式用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能或電能轉(zhuǎn)換為致冷的方法。在本發(fā)明的n型熱-電實施方式中，由金屬或半導體材料制作的高摻雜的n*發(fā)射器區(qū)域?qū)⑤d流子注入n型帶隙區(qū)域。P型層位于發(fā)射器區(qū)域和帶隙區(qū)域之間，允許相應的費米能級間斷，并形成勢壘以通過能量將電子分類。
附加的p型層可以選擇性地形成于帶隙區(qū)域的集電器側(cè)。具有更高載流子濃度(p*)的這些層的一種形式作為所述裝置的冷側(cè)的阻擋層，而具有接近所述帶隙中n型濃度的載流子濃度的另一層(p**)降低了熱電回流分量?？梢詥为毷褂眠@些p型層或在收集器側(cè)一起使用。在所述裝置兩側(cè)上的歐姆觸點通過外部負載閉合電路。在制冷機的情況下，外部負載被外部電源替代。
在本發(fā)明的附加實施方式中，可以形成p型轉(zhuǎn)換器以及熱二極管組。本發(fā)明對空穴和電子進行工作?？梢杂帽景l(fā)明的裝置實現(xiàn)接近熱動力極限的效率。
從下面的說明和附屬權利要求可以使本發(fā)明的這些和其他特征變得更加清晰，或通過本發(fā)明的實施得到清晰地體現(xiàn)。


為了說明獲得本發(fā)明的上述和其他特征的方式，將參照在附圖中說明的其具體實施方式
對本發(fā)明上述簡要說明進行更具體的說明。應該理解，這些附圖只是本發(fā)明的典型實施方式，因此不能認為限制了其應用范圍，本發(fā)明將參照其他特征進行說明和解釋，并通過利用相應的附圖進行具體說明，其中圖1是顯示改進規(guī)定的半導體裝置的熱電性能的本發(fā)明中的熱二極管實施方式的簡要說明視圖；圖2是顯示相對導帶的底部，作為電離的受主濃度(左)和電離的施主濃度(右)的函數(shù)的用于InSb(銻化銦)的費米能級的曲線圖；圖3A和3B是顯示計算載流子濃度雜質(zhì)分布曲線圖以及用于He-4注入的相應勢壘形狀的曲線圖；圖4是顯示作發(fā)射器勢壘高度的函數(shù)的相對電輸出的曲線圖；圖5是顯示費米能級的理想計算位置以及用于具有1018cm-3Te(碲)摻雜和p-型勢壘的InSb帶隙區(qū)域的導帶的底部的曲線圖；圖6是顯示起集電器勢壘高度作用的規(guī)格化為熱電性能的相對電輸出的視圖；圖7是顯示用于具有與另一注入勢壘組合的發(fā)射器勢壘的本發(fā)明最佳轉(zhuǎn)換器的計算能量等級的曲線圖；圖8是顯示用于具有與阻擋層組合的發(fā)射器勢壘的本發(fā)明最佳轉(zhuǎn)換器的計算能量等級的曲線圖；圖9是顯示用于具有與另一注入勢壘和阻擋層兩者組合的發(fā)射器勢壘的本發(fā)明最佳轉(zhuǎn)換器的計算能量等級的曲線圖；圖10A是顯示只包括發(fā)射器注入勢壘組的本發(fā)明的熱二極管轉(zhuǎn)換器的簡圖；圖10B是顯示包括發(fā)射器注入勢壘加補償層組的本發(fā)明另一熱二極管轉(zhuǎn)換器的簡圖；以及圖10C是顯示包括發(fā)射器注入勢壘加集電器注入勢壘組的本發(fā)明另一熱二極管轉(zhuǎn)換器的簡圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及具有用于熱能轉(zhuǎn)換為電能，或電能轉(zhuǎn)換為致冷的半導體或半導體-金屬實施形式的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器裝置。本發(fā)明可以用空穴以及用電子實現(xiàn)。可以用本發(fā)明的裝置實現(xiàn)接近熱動力極限的效率。
參照附圖，圖1是顯示熱二極管10形式的本發(fā)明固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器的一個實施方式的簡圖，其改進了給定半導體裝置的熱電性能。如圖1所示，熱二極管10具有n型導電性，并包括具有與熱的熱交換表面14熱連通的發(fā)射器區(qū)域12。發(fā)射器區(qū)域12包括具有用于電子發(fā)射的施主濃度n*的n型區(qū)域16。具有施主摻雜n的半導體帶隙區(qū)域18為與發(fā)射器區(qū)域12電和熱連通。具有受主濃度p*的p型阻擋層20介于發(fā)射器區(qū)域12和帶隙區(qū)域18之間。阻擋層20構(gòu)成為在發(fā)射器區(qū)域12和帶隙區(qū)域18之間提供勢壘以及費米能級間斷。
作為圖1的進一步顯示，熱二極管10可以選擇性地包括與冷的熱交換表面24熱連通的集電器區(qū)域22。當存在時，帶隙區(qū)域18與集電器區(qū)域22電和熱連通。第一歐姆觸點26與發(fā)射器區(qū)域12電接觸，第二歐姆觸點28與集電器區(qū)域22電接觸。第一和第二歐姆觸點26、28通過外部負載(RL)閉合電路30用于熱電轉(zhuǎn)換。另外，第一和第二歐姆觸點26、28可以通過外部電源(PS)而不是外部負載閉合電路30，用于電到致冷的轉(zhuǎn)換。
集電器區(qū)域22可以包括具有鄰接帶隙區(qū)域18的載流子濃度p**的附加注入阻擋層(pI)以減少熱電回流分量。集電器區(qū)域22還可以包括具有與帶隙區(qū)域18中的施主濃度同樣的受主濃度p*的附加補償層(PC)，并作為轉(zhuǎn)換器的冷側(cè)的阻擋層。
集電器區(qū)域22還可以包括p型層、附加注入層(PI)以及附加補償層(PC)，注入層置于帶隙區(qū)域和補償層之間。
應該理解，發(fā)射器區(qū)域12和帶隙區(qū)域18極大地改進了熱二極管10的熱電性能，而即使沒有集電器區(qū)域22，裝置也是可行的。
發(fā)射器區(qū)域12由電和熱傳導材料如金屬、金屬合金、半導體、或摻雜半導體形成。發(fā)射器還可以包括在基體上的電和熱傳導材料。用于發(fā)射器區(qū)域的適合材料的非限制實施例包括Hg1-xCdxTe、Cd3As2、CdSnAs2、SiGe合金、TAGS、InAs1-xSbx、GaxIn1-xAsySb1-y、PbTe、PbSe、PbS、Ge1-xSnx和類似物。發(fā)射器區(qū)域12還可以具有大于1μm的厚度，或大約2個載流子散射長度。
帶隙區(qū)域18可以形成有半導體材料如InSb、HgCdTe、Cd3As2、CdSnAs2、Ge1-xSnx、CdGeAs2、InGaSbAs、PbTe、PbS、PbSe和類似物。用于帶隙區(qū)域的半導體材料可以為具有n型雜質(zhì)如碲的摻雜晶片的形式。帶隙區(qū)域18可以分割為以便其包括半導體材料的第一層，以及減少由金屬或不同的高n摻雜半導體材料制作的熱流密度的第二層。
帶隙區(qū)域18中的半導體帶隙(第一層)可以與一個或多個載流子散射長度同樣薄以保持勢壘結(jié)構(gòu)。例如，半導體帶隙可以至少為1個載流子散射長度寬，優(yōu)選為至少5個載流子散射長度寬。帶隙區(qū)域可以具有達到大約1mm的整個厚度?？梢杂糜趲秴^(qū)域的金屬材料包括Mo、鋼和類似物。
P型阻擋層20可以具有達到大約1μm的厚度，并可以通過半導體如摻雜有p型雜質(zhì)(例如，Co、Zn、Ge、Mn、Mg、Fe、Cu、Ag、Cr等)的InSb的沉積作用形成。此后將更具體地說明，p型層的p*摻雜濃度與帶隙區(qū)域的n摻雜濃度的關系為pi＞pn(m*p/m*n)，其中m*p為空穴的有效質(zhì)量，m*n為電子的有效質(zhì)量，而角標i表示在給定溫度的載流子的電離分數(shù)。
在本發(fā)明固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器的另一實施方式中，圖1的熱二極管10可以形成有p型傳導性。此實施方式包括與熱的熱交換表面熱連通的發(fā)射器區(qū)域12，發(fā)射器區(qū)域包括具有用于空穴發(fā)射的受主濃度p*的p型區(qū)域。具有摻雜p的施主的半導體帶隙區(qū)域18與發(fā)射器區(qū)域12電和熱連通。具有施主濃度n*的n型阻擋層20介于發(fā)射器區(qū)域12和帶隙區(qū)域18之間。p型熱二極管可以選擇性地包括與冷的熱交換表面熱連通的集電器區(qū)域22。第一歐姆觸點與發(fā)射器區(qū)域12電接觸，第二歐姆觸點與集電器區(qū)域22電接觸。
本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器裝置可以本領域的技術人員已經(jīng)熟知的通常用于形成金屬和半導體層的傳統(tǒng)沉積技術形成。
實施例提供下列實施例用于說明本發(fā)明，其目的不是限制本發(fā)明的范圍。
實施例1-發(fā)射器和轉(zhuǎn)換器的設計在本發(fā)明的研制中，由于其工業(yè)的適用性，將銻化銦(InSb)用作典型的半導體材料。InSb具有已知最高的電子活動性以及最大的散射長度(在室溫下0.8微米)。另一方面，InSb的熱傳導率相對較高，可以獲得平均熱電以下的品質(zhì)因數(shù)(ZT＝0.2，用于最佳條件)。應該理解，實驗達到用于InSb的大多數(shù)結(jié)果可以施用于具有各種其他半導體，根據(jù)其性質(zhì)進行修正。然而，在兩種極端的情況下，當能帶隙太小(低于kBT，其中kB為玻耳茲曼常數(shù)，而T為絕對溫度)，或太大時此方法可能不工作，以便其很難在合理的勢壘高度如低于10kBT內(nèi)產(chǎn)生熱流感應費米能級間斷。
摻雜有碲(n型)的晶片(帶隙)用于本設計。摻雜等級為每立方厘米1018原子(atoms/cm3)左右。用于n型轉(zhuǎn)換器的基本設計為n*/p/n，其中n*為發(fā)射器(既可以為金屬，也可以為半導體)，p為阻擋層，而n為帶隙材料。相應的p型轉(zhuǎn)換器布局為p*/n/p，其中p*為發(fā)射器，n為阻擋層，而p為帶隙材料。為簡化起見，將不進一步說明p型轉(zhuǎn)換器的實施方式，應該理解，涉及的物理學原理的內(nèi)容相同，而設計的變化很明顯。在轉(zhuǎn)換器的集電器側(cè)上，附加的p型補償層進一步改進了裝置的性能。將在后面說明的附加電流注入效果可以提供更加高的裝置性能。
在形成根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器中，具有n*區(qū)域的發(fā)射器層通過沉積高度摻雜有碲的InSb層，或通過沉積In、Mo、或In-Ga共晶形式的金屬層形成。p型層形成為產(chǎn)生用于熱電子注入的勢壘，并提供費米能級間斷，因此，防止了發(fā)射器外的電短路。在n型帶隙上的任何其他p型層都產(chǎn)生勢壘，但只有足夠高濃度的p型勢壘濃度可以保證費米能級間斷。換言之，p型層起到隔離物的作用。作為施主和受主濃度的函數(shù)的相對于導帶的底部的費米能級的定位通過凱恩表(Kane’s diagram)說明。圖2為用于InSb的凱恩表，其顯示了作為電離受主濃度(左)和電離施主濃度(右)的函數(shù)的費米能級(meV)的曲線圖。圖2說明了用于300K、350K、400K、450K、500K、550K、以及600K的溫度的結(jié)果。
p型層利用基于InSb空缺形成與Te(50meV)同樣電離化能量的p型雜質(zhì)的事實的方法形成。這在n-和p-型雜質(zhì)的相對濃度在整個溫度變化范圍上保持相同意義來說很容易。通過注入惰性氣體注入導致的空位濃度通過TRIM-91軟件模擬(Ziegler和Biersack，IBM，1991)。圖3A為當在摻雜有Te到1×1018cm-3的InSb中注入20-350keV4He的計算的載流子濃度雜質(zhì)分布曲線圖，而圖3B為用于在室溫注入的對應的計算的勢壘形狀。
此具體的雜質(zhì)分布和其他方面利用工業(yè)注入器(Core Systems Inc.，sunnyvale，California)實現(xiàn)。注入的InSb晶片切成小片，通常為幾個平方毫米，并在測試設備上測試，在別處說明(參見例如，P.Hagelstein以及Y.K ucherov，2001年秋材料研究學會會議學報，波士頓，MA，G.S.Nolas編輯，691卷，319-324頁，其在此合并參考)。沒有離子注入層的同樣幾片晶片提供熱電參考數(shù)據(jù)。顯示在圖4中的累積測試結(jié)果用于在作為用于不同發(fā)射器勢壘高度和溫度的多個熱電性能的相對電輸出的曲線圖中的0.5mm厚的晶片。
勢壘寬度與圖2所示相同。性能的峰頂為接近一個kBT寬(kB為玻耳茲曼常數(shù)，而T為絕對溫度)。在313K時，相對熱電性能沒有改變，直到勢壘高度達到接近4kBT。最佳的勢壘高度隨著溫度上升下降?？梢赃_到觀測的熱電輸出的6倍。
電子的有效質(zhì)量為m*n＝mn/mo＝0.0136(mo為自由電子質(zhì)量)，而用于空穴的有效質(zhì)量為m*p＝mp/mo為0.2(參見G.Slack，熱電CRC手冊，420頁，CRC出版，1995)。比率為14.7且當空穴濃度為比電子濃度高大約14.5-15.5倍時，出現(xiàn)實驗的最佳性能。換言之，當有電子移位的補償層時，費米能級間斷以及此具體情況的最大輸出發(fā)生。應該注意，在帶隙中的低摻雜級時，最大性能可以為比補償級高的勢壘摻雜級以提供更高的勢壘。但在大多數(shù)情況下，補償條件足夠。在此處合并參考的公開的專利號No.US 6,396,191,B1中，說明了當p和n型雜質(zhì)的濃度相同時，在局部補償點的最大集電器性能。
在一般情況下，局部補償可以寫為用于規(guī)定的半導體pi＝ni(1)其中pi為電離受主雜質(zhì)濃度，ni為電離施主雜質(zhì)濃度。雜質(zhì)的電離分數(shù)定義為(以受主為例)pi＝p/(1+g exp-{EF-Ei/kBT})，其中Ei為用于規(guī)定雜質(zhì)的電離能量，EF為費米能級，g為退化因數(shù)，其在InSb的情況下為4，kB為玻耳茲曼常數(shù)，而T為絕對溫度。對于電子移位補償，對應于最大發(fā)射器性能pi＞ni(m*p＞m*n)(2)等式(2)允許人們最佳化用于InSb以及可能為任意的其他半導體的發(fā)射器側(cè)。在熱電性能中6次增加將InSb裝置提高到相對好的熱電狀態(tài)。費米能級的理想計算位置以及用于具有1018cm-3Te摻雜和p型勢壘的InSb帶隙的導帶的底部顯示在圖5的視圖中。
具有大于散射長度厚度的固有材料層在功能上顯示為與局部補償層相同，并可以認為為用于制作的另一方法。在此情況下，n型轉(zhuǎn)換器同n*/i/n/i*一樣，其中為n*發(fā)射器，i為發(fā)射器固有層，n為帶隙材料，而為i*集電器固有層。應該理解，在一些情況下，優(yōu)選局部和電子勢壘移位兩者的組合。
如果開始使用更有效的材料，如Hg1-xCdxTe、Cd3As2、CdSnAs2、SiGe合金、TAGS、InAs1-xSbx、GaxIn1-xAsySb1-y等，可以實現(xiàn)接近熱動力極限的效率。用摻雜In的Hg0.86Cd0.14Te的發(fā)射器進行實驗，可以觀測到40％的理想卡諾循環(huán)，但即使此值也還可以提高。用于更高溫度操作的實際裝置需要在發(fā)射器的界面上比勢壘材料中的載流子的隧道長度薄的薄擴散阻擋層，以防止?jié)舛确植枷?。公知的擴散勢壘層通常由難熔的材料如TiN、ZrN、HfN、TaN、W等制作。在HgCdTe的情況下，已知的擴散勢壘材料為Yb(氧化鐿)。
實施例2-集電器的設計同樣的注入方法用于研究轉(zhuǎn)換器的集電器側(cè)上的勢壘高度的效果。實驗結(jié)果顯示在圖6的曲線圖中，為作為集電器勢壘高度的函數(shù)的標準化熱電性能的形式。集電器的溫度(Tc)為接近室溫。可以觀測到兩個不同的作用。在低勢壘高度時，一個峰值為局部補償左右，其中p型雜質(zhì)的濃度等于n型雜質(zhì)的濃度。對于此情況，用于施主和受主的電離能量相同。在較高勢壘高度時，對應于溫度，假設有從帶隙到集電器觸點注入電流，第二峰值位置與圖4完全相同。此外，此峰值對應于電子移位補償層。發(fā)射器和集電器通過為比發(fā)射器和集電器層兩者的厚度厚多倍的半導體層分隔開。結(jié)果，可以合理的假設當整個轉(zhuǎn)換器的斷路電壓小于兩個勢壘高度時，至少在限制范圍內(nèi)發(fā)射器和集電器側(cè)在很大程度上獨立地作用。這樣就提供了使發(fā)射器勢壘與另一注入勢壘、阻擋層或兩者相組合的機會。
例如，圖7為用于與具有與另一注入勢壘組合的發(fā)射器勢壘(具有1018cm-3Te摻雜以及0.5mm厚的InSb帶隙)的最佳轉(zhuǎn)換器的計算能量級的曲線圖。發(fā)射器的熱側(cè)溫度Thot＝300℃，而集電器的冷側(cè)溫度Tcold＝10℃。圖8為用于與具有阻擋層組合的發(fā)射器勢壘(具有1018cm-3Te摻雜以及0.5mm厚的InSb帶隙區(qū)域)的最佳轉(zhuǎn)換器的計算能量級的曲線圖。發(fā)射器的熱側(cè)溫度Thot＝300℃，而集電器的冷側(cè)溫度Tcold＝10℃。圖9為用于與具有另一注入勢壘以及阻擋層兩者組合的發(fā)射器勢壘(具有1018cm-3Te摻雜以及0.5mm厚的InSb帶隙區(qū)域)的最佳轉(zhuǎn)換器的計算能量級的曲線圖。發(fā)射器的熱側(cè)溫度Thot＝300℃，而集電器的冷側(cè)溫度Tcold＝10℃。
勢壘高度可以從圖4和6的實驗圖表獲得。同樣的勢壘高度還可以利用凱恩表(參見圖1)獲得，用于集電器阻擋層的利用公式(1)，用于發(fā)射器和集電器注入層的利用公式(2)。在存在集電器注入層的情況下，熱電性能相應的增強(在斷開電路中，電壓低于相應的勢壘高度)可以高達大約9，在阻擋層存在的情況下大約為8，或當這些層都存在時，大約為14。
對于更薄的板，熱電性能的增強可以更明顯，因為熱電斷路電壓較低且與集電器勢壘不干涉。所有0.5mm厚度板(帶隙)的性能增強來自于具有小于帶隙本身的組合厚度300倍的兩個薄層。當熱載流子穿過勢壘后，其在帶隙中傳播并散開。當接近5-10散射后，熱帶電完全熱能化且?guī)吨械妮d流子分布返回到無擾動的費米分布。對于InSb，散射長度在室溫接近為0.8微米，意味著當4-8微米后，帶隙不對裝置性能起更多的作用。
如果多個裝置制作為組，且接觸電阻不超過附加裝置的增益，則效率可以通過增加更多厚度大于5-10散射長度的裝置獲得。這種方法在對分離裝置具有較少說明的專利號No.US 6,396,191 B1中進行了說明。理想情況是，每個裝置的勢壘或至少裝置的障礙物應該調(diào)節(jié)為遵守公式(2)的操作溫度。串連的多個裝置可以只形成有發(fā)射器注入勢壘、發(fā)射器和集電器注入勢壘、發(fā)射器和集電器阻擋勢壘、或同時形成所有三個勢壘。
例如，圖10A為本發(fā)明的熱二極管轉(zhuǎn)換器的示意性描述圖，所述熱二極管轉(zhuǎn)換器包括具有在熱側(cè)(TH)上具有n*/p/n設計結(jié)構(gòu)的第一二極管110、以及在冷側(cè)(TC)上以n*層終止的與第一二極管110同樣結(jié)構(gòu)的多個重復N次二極管120。圖10B為本發(fā)明的熱二極管轉(zhuǎn)換器的示意性描述圖，所述熱二極管轉(zhuǎn)換器包括發(fā)射器勢壘加補償層(集電器阻擋勢壘)組200。組200具有在熱側(cè)(TH)上具有n*/p/n/pc設計結(jié)構(gòu)的第一二極管210，在冷側(cè)(TC)上以n*層終止的同樣結(jié)構(gòu)的重復N次二極管220。圖10C為本發(fā)明的另一熱二極管轉(zhuǎn)換器的示意性描述圖，所述熱二極管轉(zhuǎn)換器包括發(fā)射器勢壘加集電器注入勢壘組300。組300具有在熱側(cè)(TH)上具有n*/p/n/pi設計結(jié)構(gòu)的第一二極管310，具有在冷側(cè)(TC)上以n*層終止的同樣結(jié)構(gòu)的重復N次二極管320。
此外，本發(fā)明的熱二極管轉(zhuǎn)換器還包括發(fā)射器勢壘加補償層以及集電器注入勢壘組。此組具有與圖1所示二極管相似的n*/p/n/pi設計結(jié)構(gòu)的第一二極管，以及具有用圖10A到10C所示的以n*層終止的第一二極管同樣結(jié)構(gòu)的重復N次二極管。
在此存在表示注入勢壘的一些方法。一種為勢壘停止所有具有低于勢壘高度的能量的載流子。超過所述勢壘的載流子組成主要的向前移動的載流子，且在從勢壘的散射長度距離處，有效的載流子溫度高于勢壘高度。對于100meV的勢壘，其大約為1200K，從此層的費米能級分布進行一些稀釋。假設直線裝置在每個方面起作用，可以認為勢壘為同樣材料的熱電層，但具有比室溫高4倍的塞貝克系數(shù)，或與同樣層但沒有勢壘相比高16倍的品質(zhì)因數(shù)。
當幾個散射長度的載流子再次處于熱平衡中后，勢壘注入可以被重復。盡管與兩個熱電板的組不同，但串連的下一個裝置具有等同的塞貝克系數(shù)，其更加傾向于為界面溫度的函數(shù)，而不是勢壘高度的函數(shù)，并可以接近所述第一裝置。現(xiàn)在兩個裝置的組具有接近兩倍的塞貝克系數(shù)以及兩倍的熱和電阻力，但因為品質(zhì)因數(shù)隨著塞貝克系數(shù)的平方上升，相等同的品質(zhì)因數(shù)上升。
在0.5mm厚的裝置中，提供采用大約50-60個勢壘結(jié)構(gòu)。在實際中，在每個界面上的接觸阻力將減少通過裝置的熱流，且注入流為整個熱流的一部分，所以，相對熱的效果的效果量將下降。假設斷路電壓與溫度直線相關，簡單的模型表明由于理想的觸點只將聲子失配分量歸功于接觸熱電阻，所以界面的最佳數(shù)大約為20，同時品質(zhì)因數(shù)上具有25倍增益。當大約100界面后，就不需要增益。更復雜的組可以包括溫度調(diào)節(jié)勢壘和類似物。
圖10A-10C中顯示的設計對于致冷應用很有用，因為同樣的珀耳帖(Peltier)系數(shù)正比于各個勢壘高度的總和。性能系數(shù)正比于珀耳帖系數(shù)的平方，且即使幾個勢壘也將獲得更好的致冷性能。
如上所述，在大約5-10散射長度后，帶隙就不對裝置性能具有太大的貢獻。這就意味著大多數(shù)半導體材料的厚度可以用金屬代替。在此情況下，金屬層用于減少比熱流(specific heat flow)。裝置可以通過如上所述在金屬板上沉積發(fā)射器和集電器的半導體結(jié)構(gòu)而予以制作。金屬應該在熱膨脹系數(shù)上與半導體相匹配。在一些情況下，在金屬和發(fā)射器以及集電器結(jié)構(gòu)之間必須設置半導體的薄中間非晶層。對于p型轉(zhuǎn)換器，金屬帶隙更有問題，因為需要可靠的歐姆觸點。
本發(fā)明可以以其他的具體形式實施，而不會脫離其主題精神或基本特征。說明的實施方式在各個方面來說都是示例性的，而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍通過附屬權利要求說明而不是通過上述說明限定。在權利要求的含義以及等同物范圍的所有變更都包含在其保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種具有n型傳導性的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，包括與熱的熱交換表面熱連通的發(fā)射器區(qū)域，所述發(fā)射器區(qū)域包括具有施主濃度為n*的用于電子發(fā)射的n型區(qū)域；具有施主摻雜n的半導體帶隙區(qū)域，所述帶隙區(qū)域與發(fā)射區(qū)域電和熱連通；以及具有介于發(fā)射器區(qū)域和帶隙區(qū)域之間的受主濃度為p*的p型阻擋層，所述p型阻擋層構(gòu)成為在發(fā)射器區(qū)域和帶隙區(qū)域之間提供勢壘和費米能級間斷。
2.根據(jù)權利要求1所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，還包括與冷的熱交換表面熱連通的集電器區(qū)域。
3.根據(jù)權利要求2所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述帶隙區(qū)域與集電器區(qū)域電和熱連通。
4.根據(jù)權利要求2所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，還包括與發(fā)射器區(qū)域電連通的第一歐姆觸點。
5.根據(jù)權利要求4所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，還包括與集電器區(qū)域電連通的第二歐姆觸點。
6.根據(jù)權利要求5所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于第一和第二歐姆觸點通過外負載閉合電路用于熱到電的轉(zhuǎn)換。
7.根據(jù)權利要求5所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第一和第二歐姆觸點通過外部電源閉合電路用于電到致冷的轉(zhuǎn)換。
8.根據(jù)權利要求1所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述發(fā)射器區(qū)域包括金屬或高摻雜的半導體。
9.根據(jù)權利要求1所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述帶隙區(qū)域為至少1個載流子散射長度的寬度。
10.根據(jù)權利要求1所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述帶隙區(qū)域為至少5個載流子散射長度的寬度。
11.根據(jù)權利要求1所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述帶隙區(qū)域分割成部分，并包括半導體材料的第一層，以及金屬或不同半導體材料的第二層。
12.根據(jù)權利要求1所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于p型阻擋層的p*摻雜濃度與帶隙區(qū)域的n摻雜濃度的關系為pi＞pn(m*p/m*n)，其中m*p為空穴的有效質(zhì)量，m*n為電子的有效質(zhì)量，而角標i表示在規(guī)定溫度下的載流子的電離分數(shù)。
13.根據(jù)權利要求2所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述集電器區(qū)域包括具有鄰接帶隙區(qū)域的載流子濃度為p**的附加注入阻擋層以減少熱電回流分量。
14.根據(jù)權利要求2所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述集電器區(qū)域包括具有在轉(zhuǎn)換器的冷側(cè)作為阻擋層的受主濃度為p*的附加補償層，而受主濃度與帶隙區(qū)域中的施主濃度相同。
15.根據(jù)權利要求2所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述集電器區(qū)域包括兩個p型層，載流子濃度為p*的一層作為在轉(zhuǎn)換器的冷側(cè)的阻擋層，載流子濃度為p**的另一層作為附加注入阻擋層并鄰接帶隙區(qū)域以減少熱電回流分量。
16.根據(jù)權利要求13所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于附加注入阻擋層的p**摻雜濃度與帶隙區(qū)域的n摻雜濃度的關系為pi＞ni(m*p＞m*n)，其中m*p為空穴的有效質(zhì)量，m*n為電子的有效質(zhì)量，而角標i表示在規(guī)定溫度下載流子的電離分數(shù)。
17.一種具有n型傳導率的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，包括與熱的熱交換表面熱連通的發(fā)射器區(qū)域，所述發(fā)射器區(qū)域包括具有施主濃度為n*的用于電子發(fā)射的n型區(qū)域；具有受主濃度為p*的鄰接發(fā)射器區(qū)域的p型層，所述p型阻擋層構(gòu)成為提供勢壘和費米能級間斷；以及分段帶隙區(qū)域，其鄰接所述p型阻擋層，并包括半導體材料的第一層，以及金屬或不同的高度n摻雜半導體材料的第二層，所述第二層減少熱流密度。
18.根據(jù)權利要求17所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，還包括與發(fā)射器區(qū)域電連通的第一歐姆觸點。
19.根據(jù)權利要求17所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，還包括與帶隙區(qū)域電連通的第二歐姆觸點。
20.根據(jù)權利要求17所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第一層為至少1個電子散射長度的寬度。
21.根據(jù)權利要求17所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第一層為至少5個電子散射長度的寬度。
22.一種具有p型傳導率的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，包括與熱的熱交換表面熱連通的發(fā)射器區(qū)域，所述發(fā)射器區(qū)域包括具有受主濃度為p*的用于空穴發(fā)射的p型區(qū)域；具有施主摻雜p的半導體帶隙區(qū)域，所述帶隙區(qū)域與發(fā)射器區(qū)域電和熱連通；以及介于發(fā)射器區(qū)域和帶隙區(qū)域之間具有施主濃度為n*的n型阻擋層，所述n型阻擋層構(gòu)成為在發(fā)射器區(qū)域和帶隙區(qū)域之間提供勢壘和費米能級間斷。
23.根據(jù)權利要求22所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，還包括與冷的熱交換表面熱連通的集電器區(qū)域。
24.根據(jù)權利要求23所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述帶隙區(qū)域與集電器區(qū)域電和熱連通。
25.根據(jù)權利要求23所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，還包括與發(fā)射器區(qū)域電連通的第一歐姆觸點。
26.根據(jù)權利要求25所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，還包括與集電器區(qū)域電連通的第二歐姆觸點。
27根據(jù)權利要求26所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第一和第二歐姆觸點通過外部負載閉合電路用于熱到電的轉(zhuǎn)換。
28.根據(jù)權利要求26所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述第一和第二歐姆觸點通過外部電源閉合電路用于電到致冷的轉(zhuǎn)換。
29.根據(jù)權利要求22所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述帶隙區(qū)域為至少1個載流子散射長度的寬度。
30.根據(jù)權利要求22所述的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述帶隙區(qū)域為至少5個載流子散射長度的寬度。
31.一種固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，包括熱二極管組，其包括在所述轉(zhuǎn)換器的熱側(cè)上的具有n*/p/n設計結(jié)構(gòu)的第一二極管；以及具有與第一二極管同樣結(jié)構(gòu)的以n*層在所述轉(zhuǎn)換器的冷側(cè)上終止的多個二極管。
32.一種固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，包括熱二極管組，其包括在轉(zhuǎn)換器的熱側(cè)上的具有n*/p/n/pc設計結(jié)構(gòu)的第一二極管；以及具有與第一二極管同樣結(jié)構(gòu)的以n*層在所述轉(zhuǎn)換器的冷側(cè)上終止的多個二極管。
33.一種固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，包括熱二極管組，包括在轉(zhuǎn)換器的熱側(cè)上的具有n*/p/n/pi設計結(jié)構(gòu)的第一二極管；以及具有與第一二極管同樣結(jié)構(gòu)的以n*層在所述轉(zhuǎn)換器的冷側(cè)上終止的多個二極管。
34.一種固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，包括熱二極管組，其包括在轉(zhuǎn)換器的熱側(cè)上具有n*/p/n/pi/pc設計結(jié)構(gòu)的第一二極管；以及具有與第一二極管同樣結(jié)構(gòu)的以n*層在所述轉(zhuǎn)換器的冷側(cè)上終止的多個二極管。
35.一種用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能，或電能轉(zhuǎn)為致冷的方法，包括步驟通過位于發(fā)射器區(qū)域和帶隙區(qū)域之間的p型阻擋層將載流子從高摻雜的n*發(fā)射器區(qū)域注入進n型帶隙區(qū)域；實施對應的費米能級間斷；以及形成勢壘以通過能量將電子分類。
36.一種用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能或電能轉(zhuǎn)為致冷的方法，包括步驟通過位于發(fā)射器區(qū)域和帶隙區(qū)域之間的n型阻擋層將載流子從高摻雜的p*發(fā)射器區(qū)域注入進p型帶隙區(qū)域；實施對應的費米能級間斷；以及形成勢壘以通過能量將電子分類。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有半導體或半導體－金屬實施方式的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器，用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能，或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為致冷。在n型熱－電實施方式中，由金屬或半導體制作的高摻雜的n
文檔編號H01L35/00GK1768432SQ200480007662
公開日2006年5月3日 申請日期2004年3月15日 優(yōu)先權日2003年3月13日
發(fā)明者揚·R·庫切羅夫, 彼得·L·哈格爾施泰因 申請人:恩尼庫股份有限公司