Термоэлектрический преобразователь и способ преобразования тепловой энергии

Термоэлектрический преобразователь и способ преобразования тепловой энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники

Настоящее изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую энергию и к использованию электрической энергии для охлаждения, и, в частности, к твердотельному термоэлектронному преобразователю, в котором используется полупроводниковый диод.

2. Известный уровень техники

Термоэлектронное преобразование энергии - это способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с использованием термоэлектронной эмиссии. В этом процессе происходит термоэлектронная эмиссия с поверхности металла при нагреве, с приданием части электронов энергии, достаточной для преодоления задерживающих сил на поверхности металла для выхода за пределы металла. В отличие от большинства обычных способов генерирования электроэнергии, для преобразования тепла в электричество при термоэлектронном преобразовании не требуется ни использования промежуточных форм энергии, ни рабочей текучей среды, кроме электрических зарядов.

Обычный преобразователь термоэлектронной энергии, в наиболее элементарной форме, состоит из одного электрода, соединенного с источником тепла, второго электрода, соединенного с теплоотводом и отделенного от первого электрода промежуточным промежутком, проводников, соединяющих электроды с электрической нагрузкой, и корпусом. Из пространства внутри корпуса либо полностью откачивают воздух, либо его заполняют соответствующим разреженным паром, таким, как пары цезия.

Процесс в обычном термоэлектронном преобразователе, в основном, происходит следующим образом. Тепло от источника тепла при достаточно высокой температуре поступает на один электрод-эмиттер, из которого электроны улетучиваются в виде термоэлектронной эмиссии в межэлектродное пространство, в котором поддерживается вакуум, или которое заполнено разреженным паром. Электроны перемещаются через это пространство по направлению к другому электроду-коллектору, температура которого поддерживается на низком уровне с помощью расположенного поблизости теплоотвода. Здесь электроны оседают и возвращаются к горячему электроду через внешние электрические выводы и электрическую нагрузку, подключенную между эмиттером и коллектором.

Вариант воплощения обычного термоэлектронного преобразователя 100 схематично показан на фигуре 1. Такие устройства обычно содержат эмиттер 110 или катод с низкой работой выхода электронов, коллектор 112 или сравнительно более холодный анод с высоким значением работы выхода электронов, корпус 114, соответствующие электрические проводники 116 и внешнюю нагрузку 118. К эмиттеру 110 подводится поток 120 тепла, в результате чего из этого катода осуществляется эмиссия электронов 122, поток которых, таким образом, замыкает электрическую цепь и благодаря которым формируется электрический ток в нагрузке 118. Как указано выше, в обычных термоэлектронных преобразователях из пространства 130 между электродами воздух откачан, или оно заполнено разреженным паром.

Поток электронов через электрическую нагрузку поддерживается благодаря разности температур между электродами. При этом к нагрузке подводится электрическая работа.

Термоэлектронное преобразование энергии основано на концепции, что катод с низкой работой выхода электронов, находящийся в контакте с источником тепла, испускает электроны. Эти электроны поглощаются холодным анодом с высоким значением работы выхода электронов, и эти электроны могут поступать обратно на катод через внешнюю нагрузку, где они выполняют полезную работу. Использование термоэлектронных генераторов на практике ограничивается значениями работы выхода доступных металлов или других материалов, которые используют в качестве катодов. Другое важное ограничение составляет эффект пространственного заряда. Наличие заряженных электронов в пространстве между катодом и анодом создает дополнительный потенциальный барьер, который снижает термоэлектронный ток. Эти ограничения оказывают отрицательное влияние на максимальную плотность тока и, таким образом, представляют основную проблему при разработке крупномасштабных термоэлектронных преобразователей.

Обычно термоэлектронные преобразователи классифицируют как вакуумные преобразователи или преобразователи с газовым наполнителем. В вакуумных преобразователях из пространства между электродами воздух откачан. Такие преобразователи имеют ограниченное применение на практике.

В вариантах воплощения преобразователей с газовым наполнением первого класса в пространстве между электродами используют парообразное вещество, которое позволяет вырабатывать положительные ионы. В качестве такого парообразного вещества обычно используют пары щелочного металла, такого как цезий, калий или рубидий. Благодаря наличию этих положительных ионов, свободные электроны могут легче проходить от эмиттера к коллектору. Температура эмиттера в обычных устройствах такого типа частично определяется температурой испарения вещества, которое вырабатывает положительные ионы. Обычно температура эмиттера должна быть, по меньшей мере, в 3,5 раза выше, чем температура вещества-источника положительных ионов, если в таких обычных устройствах требуется достичь уровня эффективного образования ионов.

В вариантах воплощения преобразователей с газовым наполнением второго класса устанавливают третий электрод, предназначенный для генерирования ионов. В качестве газа, заполняющего пространство между электродами в этих обычных устройствах, используют инертный газ, такой как неон, аргон или ксенон. Хотя такие преобразователи могут работать при более низких температурах, приблизительно 1500 К, они имеют более сложную конструкцию.

Типичные термоэлектронные эмиттеры обычно работают при температурах в диапазоне от 1400 до 2200 К, и коллекторы работают при температурах в диапазоне от 500 до 1200 К. При оптимальных условиях работы общий КПД преобразования энергии составляет от 5 до 40%, удельная электрическая мощность составляет порядка от 1 до 100 Вт/см², и плотность тока составляет порядка от 5 до 100 А/см². В общем, чем выше температура эмиттера, тем выше КПД, удельная мощность и плотность тока при использовании конструкций, в которых учитываются потери на излучение. Напряжение, с которым вырабатывается энергия в одном типичном блоке преобразователя, составляет от 0,3 до 1,2 В, то есть, приблизительно находится на том же уровне, что и в обычной электролитической ячейке. Термоэлектронные системы с более высокой мощностью часто составляют из множества блоков термоэлектронных преобразователей, последовательно соединенных электрически. Каждый блок термоэлектронного преобразователя обычно имеет мощность от 10 до 500 Вт.

Требование использования высокой температуры в термоэлектронных преобразователях является предпочтительным для некоторых вариантов применения, но представляет ограничение для других случаев. Это происходит потому, что температуры, требуемые для работы эмиттера, обычно находятся за пределами практических возможностей многих обычных источников тепла. В отличие от этого, типичные термоэлектрические преобразователи работают при температуре источника тепла в диапазоне от 500 до 1500 К. Однако, даже при оптимальных условиях, общий КПД термоэлектрических преобразователей энергии находится в диапазоне только от 3 до 10%, удельная электрическая мощность составляет обычно менее нескольких Вт/см², и плотность тока составляет порядка от 1 до 100 А/см².

С точки зрения физики, термоэлектрические устройства похожи на термоэлектронные устройства. В обоих случаях к металлу или полупроводнику прикладывают градиент температуры, и оба случая основаны на концепции, что движение электрона представляет собой электричество. Однако движение электрона также переносит энергию. Вынужденный ток переносит энергию как в термоэлектронных, так и в термоэлектрических устройствах. Основное различие между термоэлектрическими и термоэлектронными устройствами состоит в механизме переноса: в термоэлектронных устройствах используется баллистический и диффузионный перенос и омический перенос в термоэлектрических устройствах. Омический поток обладает диффузией на микроскопическом уровне, но не на макроскопическом. Отличительное свойство состоит в наличии избыточных носителей. В термоэлектрических устройствах ток обычно формируется за счет присутствующих носителей. В термоэлектронных устройствах ток возникает благодаря вводу в промежуток избыточных носителей. Термоэлектронное устройство имеет относительно высокий КПД, если электроны баллистически пролетают через промежуток. В термоэлектронных устройствах вся кинетическая энергия переносится от одного электрода к другому. Движение электронов в термоэлектрическом устройстве представляет собой квазиравновесное состояние и является омическим, и может быть описано с использованием коэффициента Зеебека (коэффициент термоэлектрического эффекта), который является параметром равновесия.

В структурах с узкими барьерами расстояние пролета электронов обычно не достаточно велико, чтобы нужно было учитывать их столкновения при пересечении барьера. В этих условиях баллистическая версия теории термоэлектронной эмиссии является более точным представлением переноса тока. При этом плотность тока можно представить следующим уравнением:

,

где A₀ представляет постоянную Ричардсона (постоянная термоэлектронной эмиссии), ϕ - высота барьера (работа выхода электрона), е - заряд электрона, k_в - постоянная Больцмана и T - температура. Постоянная А₀ Ричардсона определяется следующим уравнением где m представляет эффективную массу электрона и - редуцированная постоянная Планка.

Приведенное выше уравнение плотности тока электронов представляет количественное выражение для пояснения некоторых наблюдений, описанных выше. Например, уравнение для тока эмиссии показывает, что скорость эмиссии резко увеличивается с ростом температуры и снижается экспоненциально в зависимости от работы выхода.

В известном уровне техники делались попытки найти решение вышеуказанных проблем путем использования вакуумных преобразователей или преобразователей с газовым наполнением. В результате попыток снизить влияние эффекта пространственного заряда с использованием вакуумных преобразователей стали использовать промежуток между электродами, уменьшенный до величины нескольких микрометров. В результате попыток снизить тот же эффект в преобразователях с газовым заполнением стали использовать ввод положительных ионов в облако электронов перед эмиттером. Однако таким обычным устройствам все еще присущи недостатки, связанные, например, с ограничением максимальной плотности тока и температурных режимов. Следовательно, сохраняется потребность в получении более удовлетворительного решения для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию при более низких температурных режимах с высокими КПД и высокими значениями удельной мощности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение было разработано для удовлетворения потребности в устройстве, которое позволяет эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую энергию при относительно низких рабочих температурах и значениях удельной мощности и КПД, достаточно высоких для коммерческого использования. Настоящее изобретение также работает в обратном режиме для обеспечения эффективного охлаждения.

Настоящее изобретение направлено на решение ряда проблем, которые присущи известному уровню техники, как описано выше. Более конкретно, устройство и способ, в соответствии с настоящим изобретением, составляют важный прогресс в области термоэлектронного преобразования энергии, что подтверждается характеристиками вариантов воплощения настоящего изобретения.

В общем, цели настоящего изобретения достигаются путем использования твердотельного преобразователя, содержащего эмиттер, включающий, по меньшей мере, область, содержащую первый донор с концентрацией , коллектор и область промежутка между эмиттером и коллектором, находящуюся в электрическом и тепловом соединении с эмиттером и коллектором. Область промежутка содержит полупроводник со вторым донором с концентрацией N_d, которую выбирают таким образом, чтобы натуральный логарифм отношения находился в пределах от 0 до приблизительно 7.

Другие варианты воплощения настоящего изобретения включают твердотельный термоэлектронный преобразователь, в котором используется вариант воплощения на полупроводниковом диоде, содержащем эмиттер, включающий область n*-типа; область промежутка между эмиттером и коллектором, область промежутка вблизи указанной области n*-типа и холодный омический контакт, соединенный с указанной областью промежутка, причем указанный холодный омический контакт имеет область рекомбинации коллектора, сформированную между холодным омическим контактом и указанной областью промежутка. В некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения коллектор содержит элемент рекомбинации, и такой коллектор электрически соединен с холодным омическим контактом. Горячий омический контакт электрически соединен с эмиттером. Область промежутка может быть n-типа, р-типа или может содержать беспримесный полупроводник. Для использования электрического тока, генерируемого в вариантах воплощения преобразователя, в соответствии с настоящим изобретением, электрическую цепь обычно замыкают снаружи с использованием электрической нагрузки, подключенной к горячему омическому контакту и холодному омическому контакту. Следует понимать, что такие термины, как "электрическая связь", "электрическое соединение" и "электрический контакт" относятся к взаимосвязи между элементами, благодаря которой между такими элементами может протекать электрический ток, при этом такие элементы находятся либо в непосредственном контакте, либо электрический ток протекает, по меньшей мере, через один проводник, соединяющий такие элементы.

В других вариантах воплощения настоящего изобретения используется множество пластин, каждая из которых представляет собой эмиттер и коллектор с областью промежутка между ними.

В вариантах воплощения, используемых для охлаждения, перенос носителя осуществляется с помощью внешнего электрического поля. Первый омический контакт на эмиттере, содержащий в одном из вариантов воплощения область n*-типа, соединен с тепловой нагрузкой, которую охлаждают путем отвода потока тепла с помощью электронов, испускаемых эмиттером. Как описано в связи с вариантами воплощения преобразователей тепла в электричество, в соответствии с настоящим изобретением, электроны в вариантах воплощения, используемых для охлаждения, циркулируют от эмиттера, предпочтительно с горячего омического контакта в области n*-типа, в область промежутка. Область промежутка в одном из вариантов воплощения расположена в непосредственной близости к эмиттеру, и второй омический контакт, содержащий область рекомбинации коллектора, сформирован между вторым омическим контактом и областью промежутка. Область промежутка в вариантах воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, может быть либо n-типа, либо р-типа, либо может быть выполнена из беспримесного полупроводника. Теплообменник рассеивает тепло горячих электронов на втором омическом контакте, который подключен к области промежутка.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более полного понимания способа достижения вышеописанных преимуществ и целей настоящего изобретения будет приведено более подробное описание настоящего изобретения со ссылкой на его конкретные варианты воплощения, которые иллюстрируются на прилагаемых чертежах.

Фиг.1 схематично изображает вариант воплощения обычного термоэлектронного преобразователя;

фиг.2 - вид в поперечном сечении теплового диода, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 - график нормированного параметра χ проводимости как функцию от температуры для материала InSb, при условии, что N*_D=10²⁰ см^-3;

фиг.4 - концентрация электронов и дырок для термоэлектронной структуры n*pn* в InSb, где концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет 10²⁰ см^-3, и концентрация акцептора в области промежутка составляет 10¹⁷ см^-3;

фиг.5А - концентрация электронов для термоэлектронной структуры n*nn* в InSb, где концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет 10²⁰ см^-3, и концентрация донора в области промежутка составляет 10¹⁴ см^-3;

фиг.5В - график нормированной проводимости χ как функция температуры для нескольких полупроводников;

фиг.6 - концентрации электронов и дырок для термоэлектронной структуры n*nn* в InSb, где концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет 10²⁰ см^-3 и концентрация донора в области промежутка составляет 8×10¹⁷ см^-3;

фиг.7 - нормированную высоту барьера Δu как функцию концентрации примесей;

фиг.8 - график зависимости токов короткого замыкания как функция высоты нормированного барьера для структур, описанных выше при Т_max=600 К и Δτ=0,5;

фиг.9 - характеристики тока и напряжения для конструкции из материала InSb толщиной 625 мкм, с концентрацией электронов эмиттера, составляющей 10²⁰ электронов/см³, при температуре эмиттера Т_max=600 К и температуре коллектора T_min=300 К;

фиг.10 - мощность нагрузки на единицу площади для конструкции из материала InSb толщиной 625 мкм, при концентрации электронов эмиттера, составляющей 10²⁰ электронов/см³, температуре эмиттера Т_max=600 К и температуре коллектора Т_min=300 К;

фиг.11 - график тепловой мощности, рассеиваемой на единицу площади как функция напряжения для конструкции из материала InSb толщиной 625 мкм, с концентрацией электронов на эмиттере, составляющей 10²⁰ электронов/см³, при температуре эмиттера Т_max=600 К и температуре коллектора Т_min=300 К;

фиг.12 - график интенсивности как функция напряжения для конструкции из материала InSb. Результаты вычислений приведены для плотностей примесей в промежутке 10¹⁷ (самая нижняя кривая на графике), 3×10¹⁷, 5×10¹⁷ и 7×10¹⁷ (самая верхняя кривая на графике) в единицах см^-3;

фиг.13 - результаты числовой оптимизации КПД как функции легирования материала промежутка в широком диапазоне концентрации примеси при фиксированной концентрации ионизированных примесей эмиттера, составляющей 10²⁰ см^-3;

фиг.14 - результаты для оптимального КПД как функции легирования эмиттера с фиксированным уровнем примесей в промежутке N_D=7×10¹⁷ см^-3;

фиг.15 - график тепловой мощности и мощности в нагрузке на единицу площади для конструкций теплового диода;

фиг.16 - график КПД конструкции с концентрацией электронов эмиттера, составляющей 10²⁰ электронов/см³ и плотностью примесей в промежутке, составляющей 7×10¹⁷ см^-3;

фиг.17 - график оптимизированного КПД как часть термодинамического ограничения;

фиг.18 - поток тепловой мощности при условиях оптимального преобразования энергии при различных температурах;

фиг.19 - вид в поперечном сечении компенсированного теплового диода;

фиг.20 - зависимость тока как функция количества примесей в промежутке для конструкции теплового диода InSb;

фиг.21 - графики оптимизации КПД как функции примесей промежутка с компенсацией р-типа, с использованием концентраций на уровне 7×10¹⁷, 10¹⁸, 2×10¹⁸ и 3×10¹⁸ см^-3;

фиг.22 - вид в поперечном сечении отдельного компенсированного теплового диода с повышением температуры в направлении, обозначенном стрелкой, отмеченной буквой Т;

фиг.23А - график КПД при оптимизированных условиях как функция температуры эмиттера для различных уровней легирования в промежутке с идеальной компенсацией. При этом предполагается использование материала InSb в качестве компенсированного теплового диода с толщиной 625 мкм, с плотностью электронов эмиттера, составляющей 10²⁰ см^-3, и температурой коллектора, составляющей 300 К;

фиг.23В - КПД, нормированный по отношению к термодинамическому пределу, при оптимизированных условиях как функция температуры эмиттера для различных случаев, показанных на фигуре 23А;

фиг.24 - вариант воплощения с использованием четырех установленных в ряд диодов;

фиг.25 - вариант воплощения, в котором используется множество установленных в ряд диодов, образующих криволинейный контур клиновидной формы;

фиг.26 - вариант воплощения в виде установленных в ряд диодов, в котором контур приближается к идеальной кривой, изображенной на фигуре 25;

фиг.27А-27В - зависимость КПД как функция температуры для оптимизированных вариантов воплощения компенсированных тепловых диодов, в которой температура коллектора составляет приблизительно 300 К, в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.28 и 29 - графики зависимости дозы, необходимой для создания компенсированного слоя в широком диапазоне энергии ионов в InSb диоде n-типа, легированного до концентрации n;

фиг.30 - результаты для дозы легирования омического контакта, требуемой для получения мелкого слоя примесей Те с концентрацией 10²¹ см^-3 в конструкции InSb;

фиг.31 - глубина проникновения ионов для фиг.30;

фиг.32 - результаты внедрения примеси Ag для получения омического контакта;

фиг.33 - результаты внедрения примеси Ag для получения омического контакта;

фиг.34 - температурные характеристики промежутка InSb;

фиг.35 - зависимость температуры от высоты барьера для слоя с примесью из Те до концентрации 3×10¹⁹ см^-3, нанесенной на InSb с примесью Те до концентрации 1×10¹⁸ см^-3 с In эмиттером;

фиг.36А - состояние поверхности контакта металл-полупроводник;

фиг.36В - схематический вариант воплощения настоящего изобретения, который содержит слой на границе раздела металл-полупроводник, предназначенный для снижения барьера;

фиг.37 - кривые I-V зависимости тока от напряжения для одного диода и установленных в ряд трех InSb диодов;

фиг.38 - график КПД одной пластины для InSb как функции дозы ионного легирования Ar для образца с размерами 0,50×1,0×1,5 мм³;

фиг.39 - график глубины ионного легирования ⁴Не как функции энергии иона для цели InSb;

фиг.40 - результаты моделирования множества вакансий на ион как функции энергии иона ⁴He для ионного легирования, представленной на фигуре 39;

фиг.41 - график плотности выходного тока для варианта воплощения, содержащего образец материала Hg_0,86Cd_0,14Te, как функции температуры горячей стороны образца с медным (Cu) слоем эмиттера, и образец со слоем In-Ga эмиттера;

фиг.42 - график плотности выходного тока для варианта воплощения, содержащего образец материала Hg_0,86Cd_0,14Te, как функции горячей стороны для образца с алюминиевой (Al) подложкой и для образца с In-а подложкой;

фиг.43 - график абсолютного КПД как функции температуры для варианта воплощения теплового диода с компенсацией, содержащего образец материала Hg_0,86Cd_0,14Te;

фиг.44 - график КПД, выраженного как процентное отношение к идеальному циклу КПД Карно, как функции температуры, для того же варианта воплощения, который представлен на фигуре 43;

фиг.45 - график абсолютного КПД для варианта воплощения преобразователя со слоистой структурой как функции температуры горячей пластины;

фиг.46 - график КПД, выраженного как процентное отношение к идеальному КПД цикла Карно, как функции температуры горячей пластины для того же варианта воплощения, который изображен на фигуре 45;

фиг.47 - график для нормированного показателя качества материала Hg_1-xCd_xTe по отношению к этому показателю для InSb как функции от х;

фиг.48 - тепловой диод, предназначенный для охлаждения;

фиг.49 - компенсированный тепловой диод, предназначенный для охлаждения;

фиг.50 - график зависимости коэффициента полезного действия как функции температуры для вариантов воплощения, предназначенных для охлаждения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение воплощено в виде твердотельного термоэлектронного преобразователя 10 энергии, который, в общем, изображен на фигуре 2, и направлено на способ и устройство, предназначенные для преобразования энергии. Один из вариантов воплощения твердотельного термоэлектронного преобразователя 10 энергии, в соответствии с настоящим изобретением, содержит полупроводниковый диод, включающий область 14 n*-типа, используемую в качестве эмиттера, область 16 промежутка, расположенную вблизи к области 14 n*-типа, горячий омический контакт 12, соединенный с указанной областью 14 n*-типа, и холодный омический контакт 20, который является коллектором и который соединен с указанной областью 16 промежутка. В одном из вариантов воплощения холодный омический контакт 20 имеет область 18 рекомбинации коллектора, сформированную между холодным омическим контактом 20 и указанной областью 16 промежутка.

Область рекомбинации в некоторых вариантах воплощения настоящего изобретения содержит явно выраженный слой. В других вариантах воплощения настоящего изобретения область рекомбинации получают путем обработки и/или нанесения повреждений на поверхности омического контакта или коллектора. Формование области рекомбинации в контексте настоящего изобретения, таким образом, включает процедуры, предназначенные для внедрения слоя рекомбинации, и процедуры для обработки и/или нанесения повреждений на поверхности омического контакта или коллектора.

Термин n*-область, используемый здесь, обозначает область n-типа, которая имеет более высокую концентрацию электронов, чем обычно область n-типа. Иллюстративные варианты воплощения материалов, составляющих n*-области, приведены ниже. Общая характеристика n*-области и n-области в зависимости от относительной плотности донора Nd* и Nd приведена ниже. Примеры областей n*-типа представляют области, которые включают InSb с примесью Те, при концентрации от приблизительно 10¹⁶ см^-3 до приблизительно 10¹⁹ см^-3. Концентрации порядка 10²⁰ см^-3 также рассматриваются как характерные для примесей материалов в областях n-типа в вариантах воплощения настоящего изобретения. Примеры областей n*-типа представлены областями, которые включают InSb с примесью Те при концентрациях от приблизительно 10¹⁹ см^-3 до приблизительно 3·10¹⁹ см^-3. Концентрации приблизительно 3·10²⁰ см^-3 также рассматриваются как характерные для примесей материалов в областях n*-типа в вариантах воплощения настоящего изобретения. Кроме Те в некоторых других вариантах воплощения настоящего изобретения примеси включают, по меньшей мере, один из следующих элементов: серу, селен и олово (S, Se и Sn). Кроме того, символ n** используется здесь для обозначения n*-области с более высокой концентрацией электронов, чем в n*-области. Примеры областей n**-типа представлены областями, которые включают такие материалы примесей, как индий, теллур, галлий и железо (In, Те, Ga и Fe).

В варианте воплощения преобразователя, в соответствии с настоящим изобретением, через электрическую нагрузку R_L, подключенную к горячему омическому контакту 12 и холодному омическому контакту 20, проходит вырабатываемый электрический ток. Эмиттер может быть металлическим. Область 16 промежутка может быть областью n-типа, р-типа, областью с умеренным количеством примеси или может состоять из беспримесного полупроводника. Электроны собираются в области 18 рекомбинации коллектора. Подогреваемый эмиттер вырабатывает электродвижущую силу по отношению к коллектору, которая приводит к образованию тока через последовательно подключенную нагрузку.

Следует отметить, что принцип действия, в соответствии с настоящим изобретением, такой же, как для дырочной проводимости, так и для электронов. Кроме того, приведенные здесь ссылки на металлы также включают сплавы.

В отличие от обычных термоэлектронных устройств, варианты воплощения преобразователей, в соответствии с настоящим изобретением, представляют собой твердотельные устройства. Однако в известном уровне техники описаны только устройства, основанные на использовании вакуума между электродами, или в которых пространство между электродами заполнено газом. Общие характеристики таких обычных устройств кратко описаны выше.

Вместо пространства с вакуумом или пространства, заполненного газом, варианты воплощения настоящего изобретения содержат полупроводниковый материал.

Полупроводники используются не потому, что они обладают электропроводностью, но благодаря наличию у них двух необычных свойств. Первое: концентрация свободных носителей в полупроводниковых материалах, и, следовательно, электропроводность повышаются экспоненциально с ростом температуры (приблизительно на 5% на градус Цельсия при обычных температурах). Второе: электропроводность полупроводника может быть существенно повышена и в точно контролируемой степени путем добавления небольших количеств примесей в процессе, называемом легированием полупроводника. Поскольку существует два типа носителей подвижных зарядов (электроны и дырки) с противоположными знаками, могут быть созданы необычные распределения носителей зарядов. Это свойство используется в полупроводниковом диоде. Полупроводники, чистые или легированные, р-типа или n-типа, являются двусторонними; ток протекает в них в любом направлении с одинаковой силой. Если, однако, расположить область р-типа в непосредственной близости к области n-типа, создается градиент носителей, который является однонаправленным; при этом ток свободно протекает только в одном направлении. Полученное в результате устройство - полупроводниковый диод - проявляет очень полезное свойство управления переносом носителей, которое может использоваться для преобразования энергии.

Приведенное ниже описание и графический материал относятся к моделям и/или имитациям явления, связанного с рабочими вариантами воплощения настоящего изобретения. Ссылки на эти модели и/или имитации не предназначены для ограничения описания настоящего изобретения. Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено и не сужено до какого-либо одиночного пояснения лежащих в его основе физических процессов. Модели и/или имитации предназначены для получения соответствующих переменных, которые могут использоваться для разработки дополнительных вариантов воплощения, предусматриваемых в пределах объема настоящего изобретения, даже если такие варианты воплощения не были подробно описаны в контексте настоящего описания. При использовании в настоящем описании таких инструментов специалист в данной области техники может разработать дополнительные варианты воплощения, которые находятся в пределах объема настоящего изобретения и формулы изобретения. В соответствии с этим, следующее описание и графический материал представляют варианты воплощения настоящего изобретения и модели, которые могут использоваться для разработки дополнительных вариантов воплощения, предусмотренных в объеме настоящего изобретения.

Ниже приведены результаты для теплового диода с материалом InSb, поскольку InSb является одним из полупроводниковых материалов, использованных для вариантов воплощения настоящего изобретения. Было показано, что поведение варианта воплощения на InSb согласуется с инжекцией носителей из эмиттера в область промежутка, с разрешенным переносом через промежуток к коллектору. Эти результаты сопоставимы с зависимостью КПД от степени легирования материала промежутка, поскольку степень легирования материала промежутка определяет высоту барьера и силу тока. Эти результаты также показывают, что оптимизация КПД теплового диода, в соответствии с настоящим изобретением, с использованием InSb может достигать 5,5% при 600 К на эмиттере и при плотности электронов на эмиттере, составляющей 10²⁰ см^-3.

Ниже также приведено описание со ссылкой на чертежи компенсации, используемой в качестве технологии повышения КПД в вариантах воплощения настоящего изобретения. Компенсация включает подавление обратного тока. Способы формирования омических контактов в вариантах воплощения настоящего изобретения описаны ниже.

Примеры вариантов воплощения настоящего изобретения, которые содержат материал InSb со слоем компенсации, включают пластины из InSb с легированием примесью n-типа, такой, как теллур Те, и слой эмиттера из теллура Те, имплантированного с использованием технологии магнетронного напыления. Слой компенсации в этих вариантах воплощения сформирован путем имплантации примесей р-типа. Такие примеси р-типа содержат, по меньшей мере, один ион такого типа, как аргон или гелий (Ar и Не), которые компенсируют примесь n-типа.

Другой материал для построения эмиттера типа n*/n в соответствии с настоящим изобретением, содержит Hg_1-xCd_xTe. Например, в вариантах воплощения в соответствии с настоящим изобретением, используется пластина Hg_0,86Cd_0,14Te для построения эмиттера n*/n путем реакции Hg_0,86Cd_0,14Te с подложкой, содержащей примеси n-типа, такие как алюминий и индий-галлий (Al и In-Ga), при этом создается n* область инжектирования электронов. Одна из форм материала индий-галлий (In-Ga), используемая с этой целью, представляет собой сплав In_0,75Са_0,25. Варианты воплощения с таким эмиттером позволяют получать плотность выходного электрического тока, которая повышается как функция температуры горячей стороны. Ниже показано, что при этом в вариантах воплощения достигаются КПД, которые превышают 30% от идеального КПД цикла Карно.

В других вариантах воплощения настоящего изобретения часть многопластинчатой или слоистой конфигурации составляет материал Hg_1-xCd_xTe. Например, один из вариантов воплощения этих слоистых структур, в соответствии с настоящим изобретением, содержит пластину InSb, легированную материалом n-типа, таким, как теллур (Те), и слой эмиттера из InSb, с напылением теллура (Те) и покрытием из такого материала, как In-Ga, более конкретно, In_0,75Ga_0,25. Вторая пластина в таком слоистом материале содержит Hg_1-xCd_xTe, где х, в одном из вариантов воплощения, равен 0,14.

Примеры вариантов воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, включают конструкционные параметры некомпенсированных тепловых диодов, компенсированных тепловых диодов и диодов Шотки. Кроме того, преобразователи, в соответствии с настоящим изобретением, включают преобразователи тепловой энергии в электричество, и варианты воплощения, предназначенные для охлаждения. Как описано ниже, два варианта воплощения включают одни и те же основные компоненты, при этом они работают либо как термоэлектронные преобразователи для охлаждения, либо как тепловые диоды для преобразования тепловой энергии в электричество.

При этом в контексте настоящего изобретения было определено, что материал Hg_1-xCd_xTe, при х, равном от приблизительно 0,08 до приблизительно 0,15, проявляет высокое значение термоэлектронного показателя качества, оставаясь при этом полупроводником, и с обеспечением возможности использования конструкции слой n* эмиттера/слой компенсации, и проявляя характеристики, описанные выше по отношению к другим материалам. Кроме того, в контексте настоящего изобретения также было определено, что материал Hg_0,92Cd_0,18Te проявляет отличные термоэлектрические свойства.

1. Твердотельный термоэлектронный преобразователь

Область 14 n* с высокой степенью легирования в вариантах воплощения настоящего изобретения может использоваться в качестве области эмиттера, из которой носители заряда могут выталкиваться под действием тепла в область 16 промежутка. Область n* содержит полупроводник, легированный с высокой концентрацией