Твердотельный преобразователь энергии (варианты) и способ преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической в холод (варианты)

Твердотельный преобразователь энергии (варианты) и способ преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической в холод (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую и электрической энергии в холод, в особенности к полупроводниковым термоэмиссионным преобразователям, использующим конструкцию полупроводникового диода.

Уровень техники

Термоэмиссионное преобразование энергии представляет собой способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию за счет термоэлектронной эмиссии. В процессе этого преобразования за счет термоэлектронного процесса из поверхности металла эмитируются электроны за счет его нагрева, при этом части электронов придается достаточное количество энергии для того, чтобы преодолеть силы, действующие у поверхности металла и тормозящие их вылет. В отличие от большинства других известных способов генерации электрической энергии термоэмиссионное преобразование не требует для превращения теплоты в электричество ни промежуточной формы энергии, ни какого-либо рабочего тела, кроме электрических зарядов.

Простейший известный термоэмиссионный преобразователь энергии содержит один электрод, присоединенный к источнику тепла, второй электрод, соединенный с теплоотдатчиком и отделенный от первого электрода посредством промежуточного переходного объема, электрические провода, соединяющие электроды с электрической нагрузкой, и корпус. Объем внутри корпуса может быть либо глубоко отвакуумирован, либо заполнен подходящим разреженным паром, например цезием.

Основной процесс, происходящий в обычном термоэмиссионном преобразователе, заключается в следующем. Тепло от источника подводится при достаточно высокой температуре к одному электроду, называемому эмиттером, из которого электроны испаряются путем термоэлектронной эмиссии в вакуумированный или находящийся под разрежением межэлектродный объем, заполненный паром. Электроны перемещаются через этот объем от эмиттера в направлении другого электрода, называемого коллектором, который поддерживают при низкой температуре, близкой к температуре теплоотдатчика. Здесь электроны конденсируются и возвращаются к горячему электроду по внешним электрическим проводам и через электрическую нагрузку, включенную между эмиттером и коллектором. Поток электронов, протекающих через электрическую нагрузку, поддерживается разностью температур между электродами. В результате электрическая энергия отводится к нагрузке.

В основу термоэмиссионного преобразования энергии заложен принцип, который заключается в том, что катод с низкой работой выхода электронов при контактировании с тепловым источником будет испускать электроны. Эти электроны поглощаются холодным анодом, имеющим высокую работу выхода, при этом электроны могут возвращаться обратно к катоду через внешнюю нагрузку, где они совершают полезную работу. Реально существующие термоэлектронные генераторы имеют ограничение, связанное с величиной работы выхода доступных для использования металлов или других материалов, применяемых для изготовления катодов. Другим важным ограничением является эффект пространственного заряда. Присутствие заряженных электронов в объеме между катодом и анодом будет создавать дополнительный потенциальный барьер, который уменьшает величину термоэлектронного тока. Указанные ограничения неблагоприятно влияют на максимальную плотность тока и поэтому представляют собой основную проблему при разработке крупных термоэлектронных преобразователей.

Известные термоэмиссионные преобразователи обычно подразделяют на вакуумные и газонаполненные преобразователи. Вакуумные преобразователи содержат между электродами вакуумированную среду. Такие преобразователи имеют ограниченное практическое применение.

В конструктивных воплощениях, относящихся к первому классу газонаполненных преобразователей, межэлектродное пространство заполняют парообразным веществом, которое генерирует положительные ионы. Это парообразное вещество обычно представляет собой пары щелочных металлов, таких как цезий, натрий и рубидий. Из-за присутствия положительных ионов освобожденные электроны могут легко перемещаться от эмиттера к коллектору. Температура эмиттера в устройстве этого типа отчасти определяется температурой испарения вещества, генерирующего положительные ионы. Как правило, температура эмиттера должна быть, по меньшей мере, в 3,5 раза больше температуры источника с веществом, генерирующим положительные ионы, если в этих известных устройствах предполагается обеспечить эффективную генерацию ионов.

Конструктивные воплощения, относящиеся ко второму классу газонаполненных преобразователей, снабжают третьим электродом, предназначенным для генерирования ионов, а газ в межэлектродном пространстве в этих известных устройствах представляет собой инертный газ, например неон, аргон или ксенон. Хотя такие преобразователи могут работать при низких температурах, например при температурах около 1500°К, они являются более сложными.

Типичные термоэлектронные эмиттеры работают при температурах в интервале, приблизительно, от 1400 до 2200К, а термоэлектронные коллекторы работают при температурах в интервале, приблизительно, от 500 до 1200К. При оптимальных условиях работы величина общего кпд преобразования энергии составляет от 5 до 40%, плотность электрической энергии имеет порядок от 1 до 100 Вт/см², а плотность тока - порядок от 1 до 100 Вт/см². Вообще говоря, для конструкций, учитывающих потери на излучение, чем выше температура эмиттера, тем выше величины кпд, мощности и плотности тока. Напряжение, при котором от блока типичного преобразователя отводится электрическая мощность, составляет от 0,3 до 1,2 В, т.е. приблизительно напряжение такое же, что и в случае обычных химических источников тока (гальванических элементов). Термоэмиссионные системы большой номинальной мощности часто состоят из большого количества последовательно соединенных единичных блоков термоэмиссионных преобразователей. Каждый блок приспособлен для определенных случаев применения, и является термоэмиссионным преобразователем, как правило, имеющим номинальную мощность от 10 до 500 Вт.

Высокотемпературные характеристики термоэмиссионных преобразователей служат ограничением в других случаях, поскольку необходимые температуры эмиттера, как правило, выходят за пределы фактических производственных возможностей многих известных источников тепла. Типичные термоэлектрические преобразователи могут функционировать при высоких температурах источника тепла, находящихся в интервале, приблизительно, от 500 до 1500К. Однако даже в оптимальных условиях величина общего кпд термоэлектрических преобразователей энергии находится лишь в интервале от 3 до 10%, плотность электрической энергии обычно меньше нескольких Вт/см², а плотность тока имеет порядок от 1 до 100 А/см².

С точки зрения физики термоэлектрические устройства подобны термоэмиссионным. В обоих случаях в металле или полупроводнике создают градиент температуры, и в основе действия этих устройств лежит концепция, заключающаяся в том, что электричество есть движение электронов. Однако при движении электронов происходит также и перенос энергии. Вынужденный ток переносит энергию, как в термоэмиссионных, так и в термоэлектрических устройствах. Основное различие между термоэлектрическим и термоэмиссионным устройствами заключается в механизме переноса; в термоэмиссионных устройствах реализуется баллистический и диффузионный перенос, а в термоэлектрических - омический перенос. Омический ток является диффузионным током, причем не микроскопически, а макроскопически диффузионным. Характерная особенность заключается в том, что в обоих случаях присутствуют избыточные носители заряда. В термоэлектрических устройствах ответственными за электрический ток являются всегда присутствующие в полупроводниках носители. В случае термоэмиссионных устройств ток обусловлен вводом в зазор (запрещенную зону в полупроводниковых устройствах) избыточных носителей. Термоэмиссионное устройство имеет относительно высокую величину кпд, если электроны баллистически перемещаются вдоль запрещенной зоны и через нее. В термоэмиссионном устройстве вся кинетическая энергия переносится от одного электрода к другому. Движение электронов в термоэлектрическом устройстве является квазиравновесным и омическим и характеризуется коэффициентом Зеебека, который представляет собой параметр равновесия.

В структурах с узкими энергетическими барьерами электроны не уходят настолько далеко, чтобы сталкиваться при пересечении барьера. В таких условиях баллистическая версия теории термоэлектронной эмиссии дает более точное представление о переносе электрического тока.

Решения вышеуказанных проблем искали на основе современного уровня техники за счет применения вакуумных или газонаполненных преобразователей. Предпринятые попытки уменьшить эффекты пространственного заряда в случае вакуумных преобразователей включали уменьшение межэлектродного зазора до величины порядка микрона. Попытки уменьшить эти же эффекты для газонаполненных преобразователей привели к необходимости вводить положительные ионы в электронное облако перед эмиттером. Тем не менее, созданным известным устройствам присущи недостатки, связанные, например, с ограниченной максимальной плотностью тока и температурными режимами работы.

Таким образом, существует необходимость в более удовлетворительном техническом решении, позволяющем преобразовывать тепловую энергию в электрическую при боле низких температурных режимах с высоким кпд и высокими плотностями энергии.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к устройствам для твердотельного преобразования энергии и способам преобразования энергии, в которых для преобразования тепловой энергии в электрическую или преобразования электрической энергии в холод используют полупроводник или комбинацию полупроводника с металлом.

В первом варианте твердотельный преобразователь энергии с проводимостью n-типа характеризуется тем, что содержит зону эмиттера, находящуюся в тепловой связи с горячей поверхностью теплообменника и включающую зону n-типа с концентрацией n* донора, предназначенную для эмиссии электронов; запрещенную зону полупроводника, легированную донорной примесью n-типа, находящуюся в электрической и тепловой связи с зоной эмиттера; барьерный слой р-типа с концентрацией р* акцептора, расположенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной, причем барьерный слой имеет конфигурацию, обеспечивающую наличие потенциального барьера и разрыва между уровнями Ферми зоны эмиттера и запрещенной зоны.

Во втором варианте твердотельный преобразователь энергии с проводимостью n-типа характеризуется тем, что содержит зону эмиттера, находящуюся в тепловой связи с горячей поверхностью теплообменника и представляющую собой область n-типа с концентрацией n* донора, предназначенную для эмиссии электронов; барьерный слой р-типа с концентрацией р* акцептора, примыкающий к зоне эмиттера и имеющий конфигурацию, обеспечивающую наличие потенциального барьера и разрыва уровней Ферми; и запрещенную зону, разделенную на части, примыкающую к барьерному слою р-типа и содержащую первый слой из полупроводникового материала и второй слой из металла или другого сильно легированного полупроводникового материала с концентрацией примеси n, уменьшающий плотность теплового потока.

Вариант твердотельного преобразователя энергии с проводимостью р-типа характеризуется тем, что содержит зону эмиттера, находящуюся в тепловой связи с горячей поверхностью теплообменника и включающую область р-типа с концентрацией р* акцептора, предназначенную для эмиссии дырок; запрещенную зону из полупроводника, легированного донором р-типа, находящуюся в электрической и тепловой связи с зоной эмиттера; и барьерный слой n-типа с концентрацией n* донора, расположенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной и имеющий конфигурацию, обеспечивающую наличие потенциального барьера и разрыва уровня Ферми между зоной эмиттера и запрещенной зоной.

Преобразователь энергии может содержать зону коллектора, находящуюся в тепловой связи с холодной поверхностью теплообменника, при этом запрещенная зона находится в электрической и тепловой связи с зоной коллектора. Кроме того, он может содержать первый омический контакт, находящийся в электрической связи с зоной эмиттера, и второй омический контакт, находящийся в электрической связи с зоной коллектора. Первый и второй электрические контакты замыкают электрическую цепь через внешнюю нагрузку для преобразования тепловой энергии в электрическую или через внешний источник энергии для преобразования электрической энергии в холод.

Предпочтительно, зона эмиттера содержит металл или сильно легированный полупроводник. Запрещенная зона имеет ширину, равную, по меньшей мере, 1 длине рассеяния носителей заряда, предпочтительно, равную, по меньшей мере, 5 длинам рассеяния носителей заряда.

В частности, запрещенная зона может быть разделена на части и содержать первый слой из полупроводникового материала и второй слой из металла или другого полупроводникового материала.

Предпочтительно, концентрация р* легирующей примеси в барьерном слое р-типа относится к концентрации легирующей n-примеси в запрещенной зоне как p_i>n_i(m*_р/m*_n), где m*_р - эффективная масса дырок, m*_n - эффективная масса электронов, а индексом i обозначена ионизированная фракция носителей заряда при заданной температуре.

Зона коллектора, в частности, включает дополнительный барьерный слой для инжекции с концентраций р** носителей заряда, который примыкает к запрещенной зоне и предназначен для уменьшения термоэлектрической составляющей обратного потока. Зона коллектора может содержать дополнительный компенсированный слой с концентрацией р* акцептора, служащий в качестве запирающего слоя на холодной стороне преобразователя, при этом концентрация акцептора такая же, что и концентрация донора в запрещенной зоне.

В частности, зона коллектора включает два слоя р-типа, один слой с концентрацией р* носителей заряда, служащий в качестве запирающего слоя на холодной стороне преобразователя, и другой слой с концентрацией р** носителей, служащий в качестве дополнительного барьерного слоя для инжекции, примыкающий к запрещенной зоне и предназначенный для уменьшения термоэлектрической составляющей обратного тока. Соотношение между концентрацией р** легирующей примеси дополнительного барьерного слоя для инжекции и концентрацией легирующей примеси n-типа определяется неравенством p_i>n_i(m*_p/m*_n), где m*_p - эффективная масса дырок, m*_n - эффективная масса электронов, а индексом i обозначена ионизированная фракция носителей заряда при заданной температуре.

Первый вариант предложенного способа преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической энергии в холод включает в себя инжектирование носителей заряда в запрещенную зону n-типа из сильно легированной зоны n* эмиттера через барьерный слой р-типа, размещенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной; обеспечение разрывности уровней Ферми; и образование потенциального барьера для разделения электронов по энергии.

Второй вариант предложенного способа преобразования тепловой энергии в электрическую или электрической энергии в холод включает в себя инжектирование носителей заряда в запрещенную зону р-типа из сильно легированной зоны р* эмиттера через барьерный слой n-типа, размещенный между зоной эмиттера и запрещенной зоной; обеспечение разрыва уровней Ферми; и образование потенциального барьера для разделения электронов по энергии.

Настоящее изобретение действует как для дырочной, так и для электронной проводимости. С помощью устройств, соответствующих данному изобретению, могут быть получены величины кпд, приближающиеся к термодинамическому пределу.

Вышеуказанные и другие возможности настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего описания и приложенных пунктов формулы, или же они могут быть обнаружены при практическом осуществлении изобретения, раскрытого ниже.

Краткое описание чертежей

Для иллюстрации того, каким образом реализуются вышеуказанные и другие возможности изобретения, ниже будет приведено более подробное описание изобретения (кратко раскрытое выше) с конкретными примерами его воплощения, которые иллюстрируются приложенными чертежами. Принимая во внимание, что эти чертежи отображают только типичные примеры воплощения и, следовательно, не являются ограничением в части объема, данное изобретение будет описано и разъяснено, с включением дополнительных особенностей и деталей, с помощью прилагаемых чертежей.

Фиг.1 - схематическое изображение выполнения термодиода, соответствующего настоящему изобретению, которое улучшает термоэлектрические характеристики полупроводникового устройства данного типа.

Фиг.2 - графическая функциональная зависимость разности энергий уровня Ферми для InSb и дна зоны проводимости от концентрации ионизированных акцепторов (слева) и концентрации ионизированных доноров (справа).

Фиг.3А и 3В - графики, отображающие расчетное распределение концентрации носителей в примеси и соответствующий расчетный профиль потенциального барьера для ионного легирования Не-4.

Фиг.4 - графическая зависимость между относительной электрической выходной мощностью и высотой барьера для эмиттера.

Фиг.5 - график, отображающий расчетные теоретические положения энергетического уровня Ферми и энергии дна зоны проводимости в случае запрещенной зоны InSb, легированной Те с концентрацией 10¹⁸ см^-3, и барьера р-типа.

Фиг.6 - график изменения относительной электрической выходной мощности, нормализованный по величине термоэлектрического кпд, в зависимости от высоты потенциального барьера для коллектора.

Фиг.7 - график расчетных уровней энергии оптимизированного преобразователя согласно данному изобретению, в котором барьер для эмиттера скомбинирован еще с одним барьером для инжекции.

Фиг.8 - график расчетных уровней энергии оптимизированного преобразователя согласно данному изобретению, в котором барьер для эмиттера скомбинирован с запирающим слоем.

Фиг.9 - график расчетных уровней энергии оптимизированного преобразователя согласно данному изобретению, в котором барьер для эмиттера скомбинирован с еще одним барьером для инжекции и с запирающим слоем.

Фиг.10A - схема преобразователя на термодиодах, соответствующего изобретению, который включает батарею только с барьером для инжекции из эмиттера.

Фиг.10В - схема преобразователя на термодиодах, соответствующего изобретению, который содержит батарею, выполненную с барьером для инжекции из эмиттера и слоем компенсированного полупроводника.

Фиг.10С - схема преобразователя на термодиодах согласно изобретению, который содержит батарею с барьером для инжекции из эмиттера и барьером для инжекции из коллектора.

Осуществление изобретения

Настоящее изобретение относится к твердотельным преобразователям энергии с использованием полупроводника или комбинации полупроводника с металлом, предназначенным для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию или электрической энергии в холод. Данное изобретение может быть реализовано как для дырок, так и для электронов. С помощью настоящего изобретения могут быть достигнуты величины кпд, приближающиеся к термодинамическому пределу.

На фиг.1 представлено схематическое изображение конструкции одного воплощения твердотельного преобразователя энергии, выполненного в виде термодиода 10, который обеспечивает повышение термоэлектрического кпд полупроводникового устройства данного типа. Как показано на фиг.1, термодиод 10 имеет проводимость n-типа и включает в себя зону 12 эмиттера, находящуюся в тепловой связи с поверхностью 14 горячего теплообменника. Зона 12 эмиттера представляет собой зону 16 n-типа с концентрацией доноров равной n*, предназначенную для эмиссии электронов. Запрещенная энергетическая зона 18 полупроводника, выполненная с добавлением донорной примеси n-типа, находится в электрической и тепловой взаимосвязи с зоной 12 эмиттера. Между зоной 12 эмиттера и запрещенной зоной 18 расположен барьерный слой 20 р-типа с концентрацией акцептора, равной р*. Барьерный слой 20 выполнен таким образом, чтобы обеспечить потенциальный барьер и разрыв между энергетическими уровнями Ферми зоны 12 эмиттера и запрещенной зоны 18.

Как показано на фиг.1, термодиод 10 при необходимости может включать зону 22 коллектора, которая имеет тепловую связь с поверхностью 24 холодного теплообменника. Запрещенная зона 18 находится в электрической и тепловой связи с зоной 22 коллектора, если таковая имеется. Первый омический контакт 26 электрически связан с зоной 12 эмиттера, а второй омический контакт 28 имеет электрическую связь с зоной 22 коллектора. Для осуществления процесса преобразования тепловой энергии в электрическую первый и второй электрические контакты 26, 28 замыкают электрическую цепь 30 через внешнюю нагрузку (R₁). В качестве альтернативы, для случая преобразования электрической энергии в холод, первый и второй омические контакты 26, 28 могут замыкать электрическую цепь 30 через внешний источник энергии (PS), включенный в цепь вместо внешней нагрузки.

Зона 22 коллектора может содержать дополнительный инжекционный барьерный слой (р^I) с концентрацией носителя заряда р**, который примыкает к запрещенной зоне 18, предназначенный для уменьшения термоэлектрической составляющей обратного тока. Зона коллектора 22, кроме того, может включать дополнительный компенсированный слой (р^C), концентрация р* акцепторов в котором такая же, что и концентрация доноров в запрещенной зоне 18 и который служит в качестве запирающего слоя на холодной стороне преобразователя.

Зона 22 коллектора, кроме того, может содержать слои р-типа, дополнительный инжекционный слой (р^I) и дополнительный компенсированный слой (р^C), при этом инжекционный слой расположен между запрещенной зоной и компенсированным слоем.

Зона 12 эмиттера выполнена из электро- и теплопроводных материалов, например металлов, сплавов металлов, полупроводников или легированных полупроводников. Помимо того, эмиттер может содержать размещенный на подложке электро- и теплопроводный материал. Примеры подходящих материалов для зоны эмиттера, не ограничивающие изобретение, включают Hg_1-xCd_xTe, Cd₃As₂, CdSnAs₂, сплавы SiGe, TAGS, InAs_1-x, Sb_x, а также Ga_x In_1-x, As_ySb_1-y, PbTe, PbSe, PbS, Ge_1-xSn_x и тому подобные материалы. Зона 12 эмиттера может иметь толщину более 1 мкм или, приблизительно, 2 длины рассеяния носителей заряда.

Запрещенная зона 18 может быть образована с помощью полупроводниковых материалов, таких как InSb, HgCdTe, Cd₃As₂, CdSnAs₂, Ge_1-xSn_x, CdGeAs₂, InGaSbAs, PbTe, PbS, PbSe и тому подобных. Полупроводниковые материалы, используемые в запрещенной зоне, могут быть в виде тонких дисков или пластин, легированных примесью n-типа, например теллуром. Запрещенная зона 18 может быть разделена на части так, чтобы она содержала первый слой из полупроводникового материала и второй слой, снижающий плотность теплового потока, который выполнен из металла или другого типа полупроводникового материала, сильно легированного примесью n-типа.

Для того чтобы сохранить структуру потенциального барьера, полупроводниковая область (первый слой) в запрещенной зоне 18 может быть достаточно тонкой, соответствующей одной или более чем одной длине рассеяния (длине свободного пробега) носителей заряда. Например, полупроводниковая зона может составлять, по меньшей мере, одну длину рассеяния носителей заряда, и предпочтительно, по меньшей мере, 5 длин их рассеяния. Запрещенная зона может иметь суммарную толщину, примерно, до 1 мм. В число металлических материалов, которые могут быть использованы в запрещенной зоне, входят Мо, сталь и тому подобные материалы.

Барьерный слой 20 р-типа может иметь толщину, примерно, до 1 мкм, и может быть образован путем осаждения полупроводника, например InSb, легированного примесями р-типа (например, Со, Zn, Ge, Mn, Mg, Fe, Cu, Ag, Cr и т.п.). Как более подробно будет описано ниже, соотношение концентрации р* легирования слоя р-типа и концентрации n легирования запрещенной зоны определяется неравенством р_i>n_i(m*_p/m*_n), где m*_р представляет собой эффективную массу дырок, m*_n - эффективная масса электронов, а индекс i обозначает ионизированную фракцию носителей заряда при заданной температуре.

В альтернативном воплощении твердотельного преобразователя энергии согласно изобретению, термодиод 10, изображенный на фиг.1, может быть выполнен с проводимостью р-типа. Такое конструктивное воплощение содержит зону 12 эмиттера, имеющую тепловую связь с горячей поверхностью теплообменника, при этом зона эмиттера представляет собой зону р-типа с концентрацией р* акцептора, предназначенную для эмиссии дырок. Запрещенная зона 18 полупроводника с донорной р-примесью находится в тепловой и электрической связи с зоной 12 эмиттера. Между зоной 12 эмиттера и запрещенной зоной 18 размещен барьерный слой 20 n-типа с концентрацией n* донора. Термодиод р-типа при необходимости может включать зону 22 коллектора, находящуюся в тепловой связи с холодной поверхностью теплообменника. Первый омический контакт имеет электрическую связь с зоной 12 эмиттера, а второй омический контакт электрически связан с зоной 22 коллектора.

Преобразователи, соответствующие данному изобретению, могут быть изготовлены с помощью известных технологий осаждения напыления, обычно применяемых для формирования слоев металла или полупроводника, которые хорошо известны специалистам в данной области техники.

Примеры

Нижеследующие примеры приведены для иллюстрации настоящего изобретения и не имеют целью ограничивать объем изобретения.

Пример 1 - Конструкция эмиттера и преобразователя

При разработке настоящего изобретения в качестве полупроводникового материала был использован антимонид индия (InSb) благодаря его доступности. Антимонид индия имеет одну из самых высоких величин подвижности электронов и наибольшую длину рассеяния (0,8 мкм при комнатной температуре). С другой стороны, теплопроводность InSb относительно высока, и поэтому термоэлектрическая добротность в этом случае ниже средней величины (для оптимальных условий ZT=0,2). Необходимо понимать, что большая часть результатов, полученных экспериментальным путем для InSb, может быть применима для разнообразия других полупроводников с поправкой на их свойства. Однако существуют два крайних случая, когда этот подход, вероятно, не работает, а именно, если ширина запрещенной энергетической зоны или слишком мала (менее k_BТ, где k_B - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура), или слишком велика, так что в пределах приемлемой высоты барьера, составляющей, например, менее 10 k_BТ, трудно создать тепловой поток, обусловленный разрывом уровня Ферми.

В данной конструкции были использованы пластины (запрещенная зона), легированные теллуром (n-тип). Уровень легирования составлял, приблизительно, 10¹⁸ атомов на кубический сантиметр (атомов/см³). Базовая конструкция преобразователя n-типа выполнена по структурной схеме n*/р /n, где n* - эмиттер (материалом может быть металл или полупроводник), р - барьерный слой, n - материал запрещенной зоны. Соответствующая компоновка преобразователя р-типа выполнена по схеме р*/ n/ р, где р* - эмиттер, n - барьерный слой и р - материал запрещенной зоны. С целью упрощения преобразователи р-типа, соответствующие изобретению, далее не будут рассмотрены, принимая во внимание, что физика процесса, относящаяся к этому случаю, такая же и соответствующие изменения конструкции являются очевидными. Добавление скомпенсированного слоя р-типа на стороне коллектора преобразователя дополнительно повышает кпд устройства. Кроме того, еще более высокую эффективность работы устройства может обеспечить дополнительный эффект инжекции тока, описанный ниже.

При изготовлении преобразователя в соответствии с настоящим изобретением слой эмиттера с областью n* был образован путем осаждения слоя InSb, сильно легированного теллуром, или путем осаждения слоя металла, а именно In, Mo, или эвтектики In-Ga. В целях создания потенциального барьера для инжекции горячих электронов сформирован слой р-типа и обеспечивается разрыв уровня Ферми, что предотвращает короткое замыкание эмиттера. Добавление какого-либо р-слоя на поверхность запрещенной зоны n-типа создает потенциальный барьер, но разрыв уровня Ферми обеспечивается лишь при достаточно высокой концентрации носителей заряда р-типа. Другими словами слой р-типа работает как разделитель. Зависимость разности энергий уровня Ферми и дна зоны проводимости от концентрации донора и акцептора отображается диаграммой Кана. На фиг.2 представлена диаграмма Кана для InSb, графически отображающая энергетический уровень Ферми (мэВ) как функцию концентрации ионизированного акцептора (на диаграмме слева) и концентрации ионизированного донора (справа). Фиг.2 иллюстрирует результаты, полученные для температур 300, 350, 400, 450, 500, 550 и 600К.

Слой р-типа был образован с помощью метода, основанного на том факте, что вакансия (дырка) в InSb образует примесь р-типа с такой же энергией ионизации, какую имеет Те (50 мэВ). Это является благоприятным в том смысле, что относительная концентрация примесей как n-типа, так и р-типа, остается одной и той же во всей области изменения температуры. Концентрация дырок, созданная ионной имплантацией инертного газа, была смоделирована компьютерной программой TRTM-91 (Ziegler and Biersack, IBM, 1991). На фиг.3А представлен график расчетной кривой распределения концентрации носителей заряда после имплантации ⁴Не при 20-350 кэВ в InSb, легированном Те до 10¹⁸ см^-3, а на фиг.3В - соответствующая расчетная кривая потенциала барьера для случая имплантации при комнатной температуре.

Представленная выше конкретная кривая распределения примесей, а также другие кривые распределения были реализованы с использованием имплантантов, производимых промышленностью (Core System, Inc. Sunnyvale, California). Пластины из InSb с имплантантом были нарезаны на небольшие куски, как правило, площадью в несколько квадратных миллиметров и были испытаны в аппаратуре, описанной в других источниках информации (см., например, P.Hagelstein and Y.Kucherov Proceeding of the 2001 Fall Materials Research Society Conference, Boston, MA, edited by G. S. Nolas, Vol.691, p.319-324). Куски таких же пластин без слоев с ионной имплантацией представляли собой термоэлектрические образцы для сопоставления. На фиг.4 приведены результаты кумулятивных испытаний для толстых пластин толщиной 0,5 мм в виде графической зависимости относительной электрической выходной мощности, умноженной на величину термоэлектрического кпд, от высоты барьера эмиттера при различных температурах.

Ширина барьера была получена такой же, что и на фиг.2. Пик характеристики (на фиг.4) по ширине соответствовал, приблизительно, k_BТ (k_B - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура). При температуре 313К величина термоэлектрического кпд не изменяется до тех пор, пока высота барьера не достигнет, приблизительно, 4 k_BТ. Оптимальная высота барьера снижается по мере того, как растет температура, при этом наблюдалось снижение термоэлектрической выходной мощности до 6 раз.

Эффективная масса электронов соответствует величине m*n=m_n/m_o=0,0136 (m_o - масса свободных электронов), а эффективная масса дырок равна m*р=m_р/m_o=0,2 (см. G.Slack, CRC Handbook of Thermoelectrics, p.420, CRC press, 1995). Отношение этих величин равно 14,7, и пик экспериментальной кривой наблюдается, когда концентрация дырок приблизительно в 14,5-15,5 раз превышает концентрацию электронов. Другими словами, разрывность уровня Ферми и максимум выходной мощности для этого частного случая имеют место, когда существует делокализованный компенсированный слой. Следует отметить, что при низких уровнях легирования запрещенного слоя максимальная величина кпд может быть достигнута при уровнях легирования барьера больших, чем уровень компенсации, необходимый для создания более высокого барьера. Но в большинстве случаев условие компенсации является достаточным. В патентном документе US 6396191 В1, ссылка на который включена в данное описание, приведена максимальная пропускная способность коллектора в точке локализованной компенсации с одинаковыми концентрациями примесей р-типа и n-типа.

В общем случае локализованная компенсация для выбранного полупроводника может быть представлена в виде

p_i=n_i(1),

где р_i - концентрация ионизированной акцепторной примеси, а n_i - концентрация ионизированной донорной примеси.

Ионизированная фракция примеси определяется (для акцепторов, в качестве примера) соотношением p_i=р/I+g ехр - {E_F-Ei/k_B Т}, где Ei - энергия ионизации для данной примеси, E_F - уровень Ферми, g - коэффициент генерации ионов, который в случае InSb равен 4, k_B - постоянная Больцмана и Т - абсолютная температура. Для делокализованной компенсации, соответствующей максимальной производительности эмиттера,

Уравнение (2) позволяет оптимизировать сторону расположения эмиттера для InSb и, возможно, любого другого полупроводника. Увеличение термоэлектрического кпд в 6 раз повышает статус устройства на основе InSb до относительно хорошего термоэлектрического устройства. На фиг.5 графически отображены идеальные расчетные значения энергетического уровня Ферми и дна зоны проводимости для запрещенной зоны, выполненной из InSb, легированного Те в количестве 10¹⁸ см^-3, и с барьером р-типа.

Как представляется, слой материала с собственной электропроводностью толщиной большей, чем длина рассеяния, выполняет ту же функцию, что и локализованный компенсированный слой, и может быть рассмотрен в качестве альтернативы выполнения. В этом случае преобразователь n-типа по конструкции будет похожим на n*/i/n/i*, где n* - эмиттер, i - слой эмиттера из материала с собственной электропроводностью, n - материал зазора запрещенного слоя и i* - слой коллектора из материала с собственной электропроводностью. Понятно, что в некоторых случаях может быть предпочтительной комбинация как локализованного, так и не локализованного барьеров.

Если использовать более эффективные материалы, например Hg_1-xCd _хТе, Cd₃As₂, CdSnAs₂, сплавы SiGe, TAGS, InAs_1-x, Sb_x, Ga_x In_1-x, As_ySb_1-y и т.п., то может быть достигнута величина кпд, приближающаяся к термодинамическому пределу. Экспериментально при использовании Hg _0,86 Cd _0,14 Те с эмиттером, легированным индием (In), был получен термический кпд, соответствующий 40% от кпд идеального цикла Карно, но даже такая величина кпд может быть повышена. Реальное устройство для работы при высоких температурах требует наличия тонкого диффузионного барьерного слоя на граничной поверхности эмиттера, который тоньше длины тоннельного перехода носителя в материале барьера, для того чтобы предотвратить размыв профиля распределения концентрации. Известные диффузионные барьеры обычно выполняют из жаростойкого материала, такого как TiN, ZnN, HfN, TaN, W и т.п. В случае использования HgCdTe материалом для диффузионного барьера служит Yb (оксид иттербия).

Пример 2 - Конструкция коллектора

Такой же способ имплантации был использован для изучения влияния высоты барьера со стороны коллектора преобразователя. Экспериментальные данные графически представлены на фиг.6 в виде зависимости выходной электрической мощности, нормализованной величиной термоэлектрического кпд, от высоты барьера коллектора. Температура коллектора (Тс) была близка к комнатной температуре. Наблюдалось два отдельных эффекта. При низкой величине высоты барьера один пик находится в области локализованной компенсации, где концентрация примеси р-типа равна концентрации примеси n-типа