專(zhuān)利名稱(chēng)：能量變換用的熱二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱能到電能的變換以及電能制冷，具體地說(shuō)，涉及利用半導(dǎo)體二極管執(zhí)行的固態(tài)熱離子變換器。
背景技術(shù)：
熱離子變換是一種通過(guò)熱離子發(fā)射直接將熱能變換成電能的方法。在這一過(guò)程中，通過(guò)加熱金屬并給部分電子以足夠的能量，克服脫離金屬表面逃逸的約束力，以熱離子方式從金屬表面發(fā)射電子。與大部分其它現(xiàn)有的產(chǎn)生電能的方法類(lèi)似，為將熱能變成電能，熱離子變換不需要除電荷以外的中間的能量形式或工作流程。
按照它的最基本形式，普通熱離子變換器包括一個(gè)與熱源相連的電極；第二電極，它與熱穴相連并由介于其間的間隔與第一電極分開(kāi)；使所述各電極與電負(fù)載相連的導(dǎo)線(xiàn)，以及機(jī)殼。機(jī)殼內(nèi)的空間或者是抽成高真空的，或者是充以適當(dāng)?shù)南”≌魵?，如銫蒸氣。
普通熱離子變換器的基本工作過(guò)程如下。所述熱源在足夠高的溫度下把熱量提供給一個(gè)電極，即發(fā)射體，從那里以熱離子方式將電子蒸發(fā)到被抽真空或充以稀薄蒸氣的電極之間的空間內(nèi)。電子通過(guò)該空間向著另一電極，即收集體移動(dòng)，后一電極保持在低溫下，并靠近所述熱穴。電子在那里被收集，并經(jīng)過(guò)在所述發(fā)射體與收集體之間的外部電導(dǎo)線(xiàn)和電負(fù)載回到熱電極。
作為普通熱離子變換器100的實(shí)施例有如圖1所示那樣。這種普通的裝置通常包括發(fā)射體110，或者電子功函數(shù)較低的陰極；收集體112，或較冷而電子功函數(shù)較高的陽(yáng)極；機(jī)殼114；適宜的電導(dǎo)線(xiàn)116，以及外部負(fù)載118。所述發(fā)射體110暴露于熱流120中，這種熱流引起所述陰極發(fā)射電子122，從而接通電路，并對(duì)所述負(fù)載提供電流強(qiáng)度。如上所述，普通熱離子變換器中的內(nèi)部空間130是抽成真空的介質(zhì)或者充以稀薄的蒸氣介質(zhì)。
由所述電極之間的溫差維持通過(guò)電負(fù)載的電子流。從而對(duì)所述負(fù)載提供電做功。
熱離子能量變換的理論基礎(chǔ)是，電子功函數(shù)較低的陰極與熱源接觸將會(huì)發(fā)射電子。這些電子被冷而電子功函數(shù)較高的陽(yáng)極所吸收，它們可以通過(guò)做有用功的外部負(fù)載流回所述陰極。實(shí)際的熱離子發(fā)生器受到陰極所用金屬或其它材料之功函數(shù)的限制。另一重要的限制是空間電荷效應(yīng)。在所述陰極與陽(yáng)極之間的空間內(nèi)存在荷電的電子，這將形成一個(gè)附加的勢(shì)壘，使熱離子電流降低。這些限制有害地影響著最大電流密度，而且這在開(kāi)發(fā)大尺度熱離子變換器當(dāng)中就存在一個(gè)主要的問(wèn)題。
通常把普通熱離子變換器分類(lèi)為真空變換器或充氣變換器。真空變換器在所述電極之間有被抽成真空的介質(zhì)。這些變換器已限于特殊的應(yīng)用。
第一類(lèi)充氣變換器的一些實(shí)施例在產(chǎn)生正離子的內(nèi)部空間中提供有被抽成真空的物質(zhì)。這種被抽真空的物質(zhì)通常是被抽真空的堿金屬，如銫、鉀和銣。由于這些正離子的存在，被釋放的電子更容易從發(fā)射體飛到收集體，這種普通裝置的發(fā)射體中溫度部分地由產(chǎn)生正離子的物質(zhì)的抽真空溫度確定。一般地說(shuō)，如果離子產(chǎn)生效率是這些普通裝置所要達(dá)到的，則所述發(fā)射體的溫度應(yīng)當(dāng)比產(chǎn)生正離子的物質(zhì)所儲(chǔ)存溫度小3.5倍。
第二類(lèi)充氣變換器的實(shí)施例設(shè)有第三電極，用以產(chǎn)生離子。這些普通裝置中內(nèi)部空間的氣體是惰性氣體，如氖、氬和氙。雖然這些變換器可在低溫，如大約1500K下工作，但它們較為復(fù)雜。
典型的普通熱離子發(fā)射體在1400K至2200K的溫度范圍工作，其收集體在500K至1200K的溫度范圍工作。在優(yōu)選的工作條件下，全部能量轉(zhuǎn)換效率的范圍在5-40％范圍，電功率密度為1-100w/cm2量級(jí)，電流密度為5-100A/cm2量級(jí)。一般地說(shuō)，發(fā)射體溫度越高，具有所需輻射損失計(jì)算值的所述效率、功率以及電流密度就越大。從普通變換器的一個(gè)單元提供電能的電壓是0.3-1.2v，也就是大約與普通電解電池的電壓相同。具有較高額定頻率的熱離子系統(tǒng)由多個(gè)熱離子變換單元串聯(lián)連接而成。所述每個(gè)熱離子變換單元通常的功率為10-500w。
對(duì)于某些特定的應(yīng)用而言，熱離子變換器的高溫特性有其優(yōu)勢(shì)，但它們對(duì)于其它的應(yīng)用受到限制。這是因?yàn)樗枰陌l(fā)射體溫度一般要超過(guò)許多普通熱源的實(shí)際能力。相反，在從500-1500K的熱源溫度范圍條件下，通常的熱離子變換器是最為可取的。不過(guò)，即使在最好的條件下，熱離子能量變換器的整個(gè)效率也僅在3-10％的范圍，電功率密度通常小于幾個(gè)w/cm2，而且電流密度在1-100A/cm2的范圍。
從物理學(xué)的觀(guān)點(diǎn)看，熱電子裝置類(lèi)似于熱離子裝置。在這兩種情況下，金屬或半導(dǎo)體發(fā)生溫度梯度，而且這兩種情況都是以電子運(yùn)動(dòng)成為電流原理為基礎(chǔ)的。然而，電子運(yùn)動(dòng)也攜帶能量。對(duì)于熱電子和熱離子裝置而言，受到作用力的電流在傳輸能量。熱電子裝置和熱離子裝置之間的主要差別在于這種遷移機(jī)制上對(duì)于熱離子而言是沖擊式和擴(kuò)散式的傳輸，而對(duì)于熱電子而言是歐姆傳輸。歐姆電流從微觀(guān)上講是擴(kuò)散，但從宏觀(guān)上講不是。區(qū)別特征在于是否存在很大的電流。在熱電子情況下，對(duì)于電流而言是依靠通常存在的載流子。在熱離子情況下，電流是歸因于在間隙中放有很多載流子。如果電子以沖擊的方式轉(zhuǎn)向并越過(guò)所述間隙，熱離子裝置具有較高的效率。對(duì)于熱離子裝置而言，所有的動(dòng)能都由一個(gè)電極被帶到另一電極。熱電子裝置中電子的運(yùn)動(dòng)是準(zhǔn)平衡的和歐姆的，并可用術(shù)語(yǔ)“塞貝克系數(shù)”描述，這個(gè)系數(shù)是一個(gè)平衡參量。
在窄勢(shì)壘結(jié)構(gòu)中，電子不會(huì)渡越得很遠(yuǎn)，足以發(fā)生碰撞而使它們?cè)竭^(guò)勢(shì)壘。在這種情況下，熱離子發(fā)射理論的沖擊模型是更為準(zhǔn)確的電流傳輸表述。所述電流密度由下式給出 ，其中A0是理查森(Richardson)常數(shù)，是勢(shì)壘高度(電子功函數(shù))，e是電子電荷，kB是玻茲曼(Boltzmann)常數(shù)，而T是溫度。所述理查森常數(shù)A0由 給出，其中m是有效電子質(zhì)量，是 約化普朗克(Planck)常數(shù)。
上述電流密度公式給出定量的描述，說(shuō)明上述某些觀(guān)察結(jié)果。例如，這個(gè)發(fā)射電流的公式表示發(fā)射比率隨溫度而快速增加，并隨功函數(shù)成指數(shù)下降。
按照現(xiàn)有技術(shù)，通過(guò)采用真空變換器或充氣變換器已經(jīng)尋求到上述問(wèn)題的結(jié)論。試圖采用真空變換器以減少空間電荷的影響，包括使電極間的分離減小到微米量級(jí)。試圖采用充氣變換器減少同樣的影響，將正離子引入在發(fā)射體前面的電子云中。然而，這些常規(guī)裝置仍然存在某些缺點(diǎn)，如那些與電流密度和溫度范圍受到限制有關(guān)的缺陷。因此，仍有需要，提供一種在低溫范圍以高效率和高功率密度將熱能變換成電能的更令人滿(mǎn)意的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的開(kāi)發(fā)是為了滿(mǎn)足一種以足以用于商業(yè)應(yīng)用之功率密度及高效率，并在較低工作溫度下有效地將熱能變換成電能的裝置之需。本發(fā)明還按相反的模式提供有效的制冷。
本發(fā)明尋求解決在上述背景技術(shù)中已經(jīng)體驗(yàn)到的大部分問(wèn)題。具體地說(shuō)，本發(fā)明的裝置和方法在熱離子能量變換器技術(shù)領(lǐng)域中表現(xiàn)出重要的優(yōu)點(diǎn)，有如通過(guò)本發(fā)明各實(shí)施例的特點(diǎn)所顯見(jiàn)的那樣。
簡(jiǎn)單地歸納，利用固態(tài)變換器實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，它包括發(fā)射體，具有至少包含濃度為Nd*的第一施主的區(qū)域；收集體；和在所述發(fā)射體與收集體之間的間隙區(qū)域，與所述發(fā)射體和收集體電氣聯(lián)系和熱聯(lián)系；所述間隙區(qū)域半導(dǎo)體，所述半導(dǎo)體包含具有濃度為Nd的第二施主，選擇所述第二施主的濃度，使Nd*/Nd的自然對(duì)數(shù)值在0到大約7之間。
本發(fā)明的其它實(shí)施例計(jì)有利用半導(dǎo)體二極管實(shí)現(xiàn)的固態(tài)熱離子變換器，它包括發(fā)射體，包含n*-型區(qū)；發(fā)射體與收集體之間的間隙區(qū)，所述間隙區(qū)接近所述n*-型區(qū)；以及與所述間隙區(qū)相連的冷歐姆接觸，所述冷歐姆接觸具有復(fù)合收集區(qū)，該區(qū)形成于所述冷歐姆接觸與所述間隙區(qū)之間。本發(fā)明的一些實(shí)施例中，收集體提供一個(gè)復(fù)合元件，而且這個(gè)收集體與冷歐姆接觸電氣聯(lián)系。熱歐姆接觸與所述發(fā)射體電氣聯(lián)系。所述間隙區(qū)可以是n-型區(qū)、p-型區(qū)或者本征型的。為了利用本發(fā)明變換器各實(shí)施例所產(chǎn)生的電流，通常使電路與所述熱歐姆接觸和冷歐姆接觸相連的電負(fù)載形式上接近。可以理解，比如“電氣聯(lián)系”、“電連接”以及“電接觸”等術(shù)語(yǔ)與各元件之間的關(guān)系有關(guān)，從而電流可在這種元件之間流過(guò)，它們涉及是否這種元件是直接接觸的，或者由至少一個(gè)與這種元件連接的導(dǎo)體促進(jìn)電流的流動(dòng)。
本發(fā)明的其它實(shí)施例還包括多個(gè)平板，每個(gè)平板包含發(fā)射體和收集體，其間具有間隙區(qū)。
依靠各實(shí)施例，由外部電場(chǎng)幫助載流子遷移。在一個(gè)n*-型區(qū)的實(shí)施例中所包含的發(fā)射體上的第一歐姆接觸與熱負(fù)載相連，所述熱負(fù)載受離開(kāi)該發(fā)射體的電子熱流所冷卻。有如本發(fā)明所述熱-電變換器的實(shí)施例有關(guān)的描述那樣，制冷實(shí)施例中的電子從發(fā)射體，最好是從n*-型區(qū)上的熱歐姆接觸流到所述間隙區(qū)。在一個(gè)實(shí)施例中，間隙區(qū)是臨近所述發(fā)射體的，并在第二歐姆接觸與所述間隙區(qū)之間形成具有復(fù)合收集區(qū)的第二歐姆接觸。本發(fā)明各實(shí)施例中的間隙區(qū)可為n-型區(qū)、p-型區(qū)或者本征型的。熱交換器消耗與所述間隙區(qū)相連之第二歐姆接觸上的熱電子的熱量。


為了更充分地理解獲得本發(fā)明的上述優(yōu)點(diǎn)和目的的方式，以下將參照由附圖所示的特定實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更為特定的描述。同時(shí)應(yīng)理解，這些附圖只是描述本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此，并不認(rèn)為是對(duì)它的范圍的限定。目前的優(yōu)選實(shí)施例以及現(xiàn)在所理解的本發(fā)明最好方式將通過(guò)利用附圖進(jìn)一步詳細(xì)地予以描述，其中圖1以示意的方式表示普通熱離子變換器的一種實(shí)施例；圖2是本發(fā)明熱二極管的剖面圖；圖3是作為InSb溫度函數(shù)之歸一化導(dǎo)電系數(shù)x的圖線(xiàn)，其中假設(shè)Nd*＝1020cm-3；圖4表示InSb中的n*pn*型熱離子結(jié)構(gòu)的電子-空穴濃度，其中發(fā)射體和收集體中的施主濃度范圍在1020cm-3，并且間隙中的受主濃度范圍在1017cm-3；圖5A表示InSb中的n*nn*型熱離子結(jié)構(gòu)的電子濃度，其中發(fā)射體和收集體中的施主濃度范圍在1020cm-3，并且間隙中的施主濃度范圍在1014cm-3；圖5B表示幾種實(shí)施例作為溫度函數(shù)的歸一化導(dǎo)電系數(shù)x；圖6表示InSb中的n*nn*型熱離子結(jié)構(gòu)的電子-空穴濃度，其中發(fā)射體和收集體中的施主濃度范圍在1020cm-3，并且間隙中的施主濃度范圍在8×1017cm-3；圖7表示作為攙雜濃度函數(shù)的歸一化勢(shì)壘高度Δu；圖8表示對(duì)于考慮上述Tmax＝600K和Δτ＝0.5的結(jié)構(gòu)的短路電流，它作為歸一化勢(shì)壘高度的函數(shù)；圖9表示對(duì)于一種厚度為625μm的InSb方案的電流和電壓特性，其中發(fā)射電子濃度為1020電子/厘米3，發(fā)射體溫度Tmax＝600K，收集體溫度為T(mén)min＝300K；圖10表示對(duì)于一種厚度為625μ的InSb方案的每單位面積負(fù)載功率，其中發(fā)射電子濃度為1020電子/厘米3，發(fā)射體溫度Tmax＝600K，收集體溫度為T(mén)min＝300K；圖11表示對(duì)于一種厚度為625μm的InSb方案的每單位面積消耗熱功率，它作為電壓的函數(shù)，其中發(fā)射電子濃度為1020電子/厘米3，發(fā)射體溫度Tmax＝600K，收集體溫度為T(mén)min＝300K；圖12表示對(duì)于一種InSb方案作為電壓函數(shù)的效率，所表示的計(jì)算是對(duì)于間隙施主密度為1017(圖中最下面的曲線(xiàn))、3×1017、5×1017和7×1017(圖中最上面的曲線(xiàn))的，以cm-3為單位；圖13表示在固定的離子化攙雜物濃度1020cm-3下，作為較寬攙雜密度范圍的間隙攙雜的函數(shù)，所述效率的數(shù)值優(yōu)化結(jié)果；圖14表示作為以固定的間隙攙雜ND＝7×1017cm-3的發(fā)射體攙雜的函數(shù)，最佳效率的結(jié)果；圖15表示對(duì)于一種熱二極管方案，每單位面積的熱功率和負(fù)載功率；圖16表示一種具有發(fā)射電子濃度為1020電子/cm3、間隙施主密度ND＝7×1017cm-3方案的效率；圖17表示最佳效率作為熱力學(xué)極限的函數(shù)；圖18表示在不同溫度的最佳能量變換條件下的熱功率流；
圖19是補(bǔ)償型熱二極管的剖面圖；圖20表示對(duì)于一種InSb熱二極管方案，電流作為間隙攙雜的函數(shù)；圖21表示效率的最佳值作為間隙攙雜的函數(shù)，其中具有用Na-濃度為7×1017、1018、2×1018和3×1018cm-3的p-型補(bǔ)償；圖22表示一種單一補(bǔ)償?shù)臒岫O管的剖面圖，其中由箭號(hào)T指示溫度的增加；圖23A表示在最佳條件下，對(duì)于具有理想補(bǔ)償?shù)牟煌g隙攙雜，效率作為發(fā)射體溫度的函數(shù)；假設(shè)一個(gè)InSb補(bǔ)償熱二極管的結(jié)構(gòu)厚度為625μ，其中發(fā)射電子濃度為1020電子/cm3，收集體溫度為300K；圖23B表示在最佳條件下對(duì)熱力學(xué)極限歸一化的效率，它作為圖23A所示不同情況的發(fā)射體溫度的函數(shù)；圖24示出具有四疊層二極管的一個(gè)實(shí)施例；圖25示出具有多疊層二極管的另一實(shí)施例，具有彎曲的邊界線(xiàn)并形成楔形幾何圖形；圖26示出一個(gè)多疊層二極管的實(shí)施例，其中疊層的邊界線(xiàn)接近圖25所示的理想曲線(xiàn)；圖27A-27B表示對(duì)于補(bǔ)償型熱二極管最佳實(shí)施例，效率作為溫度的函數(shù)，其中收集體溫度為按照本發(fā)明的大約300K；圖28和29表示為了在攙雜濃度為n的n-型InSb二極管中一個(gè)較寬的離子能量范圍形成補(bǔ)償層所需的劑量；圖30表示對(duì)于一個(gè)淺攙雜Te的InSb方案，要達(dá)到所需的歐姆接觸補(bǔ)償劑量的結(jié)果；圖31表示圖30的離子范圍；圖32表示要達(dá)到歐姆接觸Ag攙雜的結(jié)果；圖33表示要達(dá)到歐姆接觸Ag攙雜的結(jié)果；圖34表示InSb間隙的溫度變化情況；圖35表示對(duì)于一個(gè)具有In發(fā)射體的、沉積在攙雜有1×1018cm-3Te的InSb上的、攙雜Te達(dá)到3×1019cm-3界面層的溫度與勢(shì)壘高度的依賴(lài)關(guān)系；圖36A表示金屬半導(dǎo)體接觸的表面情況；
圖36B以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)包括金屬半導(dǎo)體界面勢(shì)壘降低層的實(shí)施例；圖37表示對(duì)于一個(gè)單獨(dú)二極管和一個(gè)三疊層InSb二極管的I-V曲線(xiàn)；圖38表示對(duì)于尺寸為0.50×1.0×1.5mm3的樣品而言，InSb的一個(gè)平片的效率作為Ar離子補(bǔ)償劑量之函數(shù)的曲線(xiàn)；圖39表示4He離子補(bǔ)償范圍作為InSb靶的離子能量之函數(shù)的曲線(xiàn)；圖40表示與圖39有關(guān)的離子補(bǔ)償中每個(gè)離子的空穴數(shù)作為4He離子能量之函數(shù)的模擬試驗(yàn)結(jié)果；圖41表示一個(gè)包含Hg0.86Cd0.14Te樣品之實(shí)施例的輸出電流密度作為具有Cu發(fā)射層之樣品和具有In-Ga發(fā)射層之樣品的熱側(cè)溫度之函數(shù)的曲線(xiàn)；圖42表示一個(gè)包含Hg0.86Cd0.14Te樣品之實(shí)施例的輸出電流密度作為具有Al基底之樣品和具有In-Ga基底之樣品的熱側(cè)溫度函數(shù)的曲線(xiàn)；圖43表示對(duì)于一個(gè)沒(méi)有包含Hg0.86Cd0.14Te樣品補(bǔ)償?shù)臒岫O管的絕對(duì)效率作為溫度函數(shù)的曲線(xiàn)；圖44表示對(duì)于與圖43有關(guān)之同一實(shí)施例的被表示為理想卡諾循環(huán)效率百分?jǐn)?shù)的效率作為溫度函數(shù)的曲線(xiàn)；圖45表示對(duì)于疊層變換器實(shí)施例的絕對(duì)效率作為熱平片溫度函數(shù)的曲線(xiàn)圖；圖46表示對(duì)于與圖45有關(guān)之同一實(shí)施例的被表示為理想卡諾循環(huán)效率百分?jǐn)?shù)的效率作為熱平片溫度函數(shù)的曲線(xiàn)圖；圖47表示相對(duì)于作為x函數(shù)的InSb的優(yōu)點(diǎn)的Hg1-xCdxTe歸一化圖的曲線(xiàn)；圖48示出提供制冷的熱二極管；圖49表示提供制冷的補(bǔ)償型熱二極管；圖50表示對(duì)于各制冷實(shí)施例而言，特性系數(shù)作為溫度的函數(shù)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)一種圖2所一般性表示的固態(tài)熱離子能量變換器10，并涉及一種用于能量變換的方法和裝置。本發(fā)明固態(tài)熱離子能量變換器10的一個(gè)實(shí)施例包括半導(dǎo)體二極管，具有n*-型區(qū)14，作為發(fā)射體；間隙區(qū)16臨近所述n*-型區(qū)14；和一個(gè)熱歐姆接觸12，它與所述n*-型區(qū)14相連，以及一個(gè)冷歐姆接觸20，它作為收集體并與所述間隙區(qū)16相連。在一則實(shí)施例中，所述冷歐姆接觸20具有復(fù)合收集區(qū)18，它形成于所述冷歐姆接觸20與間隙區(qū)16之間。
在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述復(fù)合區(qū)為一個(gè)特殊層。在本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，通過(guò)處理和/或耗損收集體的歐姆接觸表面，得到所述復(fù)合區(qū)。因而，本發(fā)明前后文中形成的復(fù)合區(qū)包括用以與一個(gè)復(fù)合層相結(jié)合的工藝過(guò)程，以及用以處理和/或耗損收集體的歐姆接觸表面的工藝過(guò)程。
這里將術(shù)語(yǔ)“n*-區(qū)”用于論述具有比n-區(qū)的電子濃度高的n-區(qū)。下面給出是舉例說(shuō)明的包含n*-區(qū)的各種材料的實(shí)施例。下面給出所述n*-區(qū)和n-區(qū)它們的相對(duì)施主數(shù)目的Nd*和Nd方面的一般特征。由包含濃度在大約1016cm-3至大約1019cm-3的Te攙雜之InSb的區(qū)域給出n-區(qū)的例子。1020cm-3量級(jí)的濃度也被正視看作為本發(fā)明多個(gè)實(shí)施例中n-型區(qū)中特征攙雜物質(zhì)的濃度。由包含濃度在大約1019cm-3至大約3×1019cm-3的Te攙雜之InSb的區(qū)域給出n*-區(qū)的例子。3×1020cm-3量級(jí)的濃度也被正視看作為本發(fā)明多個(gè)實(shí)施例中n*-型區(qū)中特征攙雜物質(zhì)的濃度。除Te之外，在本發(fā)明的另外一些實(shí)施例中，攙雜至少包含中S、Se和Sn的一種。此外，符號(hào)n**被用于論述其電子濃度比n*-區(qū)高的n-區(qū)。由包含In，Te，Ga和Fe等物質(zhì)的區(qū)域給出n**-區(qū)的舉例。
與熱歐姆接觸12和冷歐姆20相連的電負(fù)載RL具有由本發(fā)明變換器一種實(shí)施例所產(chǎn)生的電(流)強(qiáng)度。發(fā)射體可為金屬的。間隙區(qū)16可以是適度攙雜的n-型區(qū)、p-型區(qū)或者本征型的。電子被集中于復(fù)合收集區(qū)18中。相對(duì)于收集體的熱發(fā)射體產(chǎn)生EMF，該EMF驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)一系列負(fù)載。
以下說(shuō)明空穴導(dǎo)電以及電子導(dǎo)電的基本工作原理，而且其中所涉及的金屬包括合金。
與普通熱離子裝置相反，本發(fā)明變換器的實(shí)施例為固態(tài)裝置。而現(xiàn)有技術(shù)所教導(dǎo)的裝置依靠被抽真空的電極間空間或者依靠充氣的電極間空間。這些現(xiàn)有裝置的一般特性已在上面予以概述。
代替被抽真空的或充氣的空間，本發(fā)明的各實(shí)施例引入半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體的價(jià)值不僅在于它們的導(dǎo)電性，而在于兩個(gè)與眾不同的特性。首先，自由載流子的濃度以及導(dǎo)電系數(shù)隨溫度按指數(shù)增大(常溫下每一攝氏度約5％)。其次，通過(guò)所謂攙雜過(guò)程加入少量雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電系數(shù)大大增強(qiáng)，達(dá)到一個(gè)恰恰要控制的程度。由于存在兩類(lèi)相反符號(hào)的可以運(yùn)動(dòng)的電荷載流子(電子和空穴)，所以，可以形成特定的載流子分布。半導(dǎo)體二極管利用了這種特性。純的或者攙雜的p-型或n-型半導(dǎo)體都是雙向作用的，電流可以相同的可能性沿其中任一方向流動(dòng)。但如果一個(gè)p-型區(qū)緊靠著一個(gè)n-型區(qū)，則會(huì)存在單位方向的載流子濃度梯度；電流只沿一個(gè)方向容易流動(dòng)。所得到的裝置，即半導(dǎo)體二極管，顯示出非常有用的載流子遷移控制特性，這種遷移特性可用于能量變換。
下面所寫(xiě)的說(shuō)明書(shū)和圖解材料與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)現(xiàn)象的模擬和/或模仿有關(guān)。參照這些模擬和/或模仿并不意味著對(duì)本發(fā)明說(shuō)明的限制。應(yīng)能理解，本發(fā)明并不限于或者不被約束于它的基本物理過(guò)程的任何個(gè)別的說(shuō)明。各種模擬和/或模仿意在強(qiáng)調(diào)有關(guān)的變化，這些變化可能用于設(shè)計(jì)在本發(fā)明范圍內(nèi)所正視的附加實(shí)施例，盡管本說(shuō)明書(shū)前后文并未明確地涉及這些實(shí)施例。熟悉本領(lǐng)域的普通人員采用這些設(shè)計(jì)手段，可以設(shè)計(jì)本說(shuō)明書(shū)的技術(shù)，以及在本發(fā)明范圍內(nèi)的各附加實(shí)施例及權(quán)利要求。相應(yīng)地，下述記載的說(shuō)明書(shū)和圖形材料公開(kāi)了本發(fā)明的實(shí)施例，并給出多種模擬樣式，可用于設(shè)計(jì)在本發(fā)明范圍內(nèi)所正視之附加實(shí)施例。
應(yīng)能理解，下述材料中給出的標(biāo)題作為導(dǎo)引編排之目的，并非作為對(duì)本說(shuō)明書(shū)敘述和附圖的限制或者約束，它們的全部作為一個(gè)整體得到解釋。
以下表示有關(guān)InSb熱二極管的結(jié)果，因?yàn)镮nSb是一種半導(dǎo)體材料，用于本發(fā)明的各實(shí)施例中。InSb實(shí)施例的特性與載流子的發(fā)射一致，即從發(fā)射極進(jìn)入間隙區(qū)域，隨之載流子越過(guò)所述間隙被遷移到集電極。這些結(jié)果與間隙的攙雜效果一致，因?yàn)殚g隙的攙雜決定勢(shì)壘的高度和電流的流動(dòng)。這些結(jié)果還表示本發(fā)明熱二極管的有效優(yōu)化，它采用InSb可以達(dá)到5.5％，具有600K的發(fā)射極，發(fā)射極電子密度為1020cm-3。
接下去記載的說(shuō)明書(shū)和附圖還公開(kāi)了補(bǔ)償，它作為本發(fā)明實(shí)施例提高效率的技術(shù)。上述補(bǔ)償包括對(duì)電流的抑止。本發(fā)明的實(shí)施例中形成歐姆接觸的方法有如下述。
包含帶補(bǔ)償層的InSb的本發(fā)明實(shí)施例的舉例包括具有n-型攙雜物，如Te的InSb晶片，和由諸如磁控管濺射工藝植入Te的發(fā)射層。這些實(shí)施例中的補(bǔ)償層是通過(guò)植入p-型雜質(zhì)形成的。這種p-型雜質(zhì)包括諸如Ar和He離子當(dāng)中的一種離子，補(bǔ)償n-型攙雜物。
本發(fā)明用以形成n*/n發(fā)射極的另一種材料為Hg1-xCdxTe。例如，將Hg0.86Cd0.14Te晶片用于本發(fā)明的實(shí)施例中，通過(guò)使Hg0.86Cd0.14Te與n-型雜質(zhì)基片如A1或In-Ga反應(yīng)，形成發(fā)射電子的n*區(qū)，得到n*/n發(fā)射極。為此目的的一種In-Ga材料形式是In0.75Ga0.25。具有這種發(fā)射極的實(shí)施例顯示出輸出電流密度作為熱端溫度的函數(shù)而增大。下面示出這些實(shí)施例達(dá)到的效果，即超過(guò)30％的理想卡諾循環(huán)效率。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，Hg1-xCdxTe是多個(gè)平板的一部分或者是夾層結(jié)構(gòu)。例如，這些夾層結(jié)構(gòu)的一種實(shí)施例包括一個(gè)InSb平板，攙雜有n-型如Te，還包括一個(gè)InSb發(fā)射層，它被濺射以Te并被涂以諸如In-Ga的材料，具體地說(shuō)，被被涂以In0.75Ga0.25。這種夾層材料的第二個(gè)平板包含Hg1-xCdxTe，其中x在一種實(shí)施例中是0.14。
本發(fā)明實(shí)施例的舉例包括設(shè)計(jì)參數(shù)、無(wú)補(bǔ)償?shù)臒岫O管、補(bǔ)償?shù)臒岫O管和肖特基二極管。此外，本發(fā)明的變換器包括用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的變換器和制冷實(shí)施例。有如下述將要討論的，兩種實(shí)施例包括相同的主要部件，它們像熱離子變換器那樣，工作以便制冷，或者像熱二極管那樣工作，以便將熱能轉(zhuǎn)換成電能。
本發(fā)明的前后文已然發(fā)現(xiàn)，具有x在大約0.08的0.15的Hg1-xCdxTe表現(xiàn)出較高的熱離子特征值，同時(shí)保持半導(dǎo)體，使所設(shè)計(jì)的n*發(fā)射層/補(bǔ)償層以及有如這里關(guān)于其它材料所描述的特性都成為可能。此外，在本發(fā)明的前后文中還發(fā)現(xiàn)，Hg0.92Cd0.18Te表現(xiàn)出作為一種極好的熱電材料。1.固態(tài)熱離子變換器本發(fā)明實(shí)施例中的高攙雜n*區(qū)14可以用作發(fā)射區(qū)，從該區(qū)可使載流子受到激發(fā)，進(jìn)入間隙區(qū)16。所述n*區(qū)是攙雜有高濃度施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體(供給電子)。例如，可給InSb攙雜Te或S。本發(fā)明的前后文中發(fā)現(xiàn)，能量轉(zhuǎn)換是被歸一化導(dǎo)電系數(shù)x之半導(dǎo)體的一種功能，這也是材料參數(shù)和最高發(fā)射體攙雜的的函數(shù)。
本發(fā)明的前后文中已經(jīng)檢查了有關(guān)的材料參數(shù)，以確定對(duì)多數(shù)半導(dǎo)體為有用的操作方法。下面表示這種評(píng)估，以說(shuō)明對(duì)于多數(shù)材料選擇怎樣的相關(guān)材料參數(shù)，以及怎樣可將這種選擇和評(píng)估擴(kuò)展到本發(fā)明的范圍內(nèi)，以便在下面補(bǔ)充有關(guān)的材料。
表1示出一些材料參數(shù)，包括電子遷移率和導(dǎo)熱系數(shù)，以及的相關(guān)判斷。利用ND*＝1020cm-3估算歸一化的導(dǎo)電系數(shù)x的值。我們看到一個(gè)較寬的歸一化導(dǎo)電系數(shù)x可能值的范圍(幾乎是4個(gè)量級(jí))。構(gòu)成該表的數(shù)據(jù)是從CRC Handbook of Chemistry and Physics，67thedition收集的。具有較小x值的材料更為優(yōu)選。按照這個(gè)規(guī)范，表1中所列半導(dǎo)體當(dāng)中的優(yōu)選材料看得出是硒化汞，它的相關(guān)值x＝0.014。采用這種歸一化的導(dǎo)電系數(shù)和被降低的電位5，對(duì)于相對(duì)于發(fā)射極溫度的發(fā)射極-集電極溫度的差(Δτ)0.3和0.5，最佳勢(shì)壘效率將分別達(dá)到大約13.3％和23.8％。這些效果接近熱力學(xué)最大值的一半。
表1

一般地說(shuō)，遷移率和導(dǎo)熱系數(shù)都是溫度的函數(shù)。在InSb中，遷移率和導(dǎo)熱系數(shù)都隨溫度的增大而減小。所得到的溫度與x的關(guān)系有如圖3所示。圖3表示歸一化導(dǎo)電系數(shù)x(也稱(chēng)“特征值”)作為InSb溫度的函數(shù)，其中假設(shè)ND*＝1020cm-3。表示出對(duì)于具有攙雜濃度ND＝1015、1016、1017、1018(以cm-3為單位)的n-型間隙區(qū)的結(jié)果?？吹綒w一化導(dǎo)電系數(shù)在較高溫度下減小。另外，在存在背景載流子的情況下，歸一化導(dǎo)電系數(shù)減小，因?yàn)镮nSb中的電子遷移率隨攙雜密度是增大而減小。一般說(shuō)來(lái)，圖5B表示多種半導(dǎo)體的歸一化導(dǎo)電系數(shù)x。
表1中所列的半導(dǎo)體是一些包括本發(fā)明實(shí)施例可用的材料的舉例。InSb是這些半導(dǎo)體中間的一種材料。正如下面將要表明的，Hg1-xCdxTe是另一種半導(dǎo)體，它表現(xiàn)出歸一化的導(dǎo)電系數(shù)約為HgSe的同一參數(shù)值的一半。
本發(fā)明的前后文已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，發(fā)射體和間隙區(qū)中的濃度可能與發(fā)射體-間隙勢(shì)壘有關(guān)。具體地說(shuō)，發(fā)現(xiàn)發(fā)射體與p-型間隙之間的勢(shì)壘與攙雜濃度的關(guān)系是Δu=In[Nd+Na-ni2(Tmax)],]]>其中Δu是發(fā)射體-間隙勢(shì)壘，Nd+和Na-是離子化的施主濃度和受主濃度，ni是本征載流子密度，而Tmax是發(fā)射體溫度最大值。
本發(fā)明實(shí)施例中的勢(shì)壘達(dá)到大約7，最好在約為1.5至7之間的范圍，在大約3至7之間尤好?？上г诮咏覝厍闆r下，對(duì)于p-型間隙，當(dāng)缺少獨(dú)立的間隙偏壓時(shí)，對(duì)于InSb而言，不能達(dá)到這個(gè)范圍。
在n*發(fā)射體對(duì)n-型間隙區(qū)的情況下，勢(shì)壘高度被確定為是Δu=In[Nd*Nd].]]>歸一化的勢(shì)壘高度5-7對(duì)應(yīng)于e5-e7的攙雜比，這以數(shù)字方式評(píng)估成150-1100。如果n*區(qū)域被攙雜至1020cm-3量級(jí)，則間隙區(qū)域的攙雜應(yīng)該在9×1016cm-3到7×1017cm-3的區(qū)間。2.InSb熱二極管的結(jié)論a.載流子注入?yún)⒄請(qǐng)D2，發(fā)射體是左邊的熱n*區(qū)域14。間隙區(qū)16是中間較厚的區(qū)域，它可能是n-型的或p-型的(雖然發(fā)現(xiàn)如果間隙為n-型的，效率會(huì)更高些)。這里將收集體描述為復(fù)合收集區(qū)18，并且金屬接點(diǎn)20是冷的。本發(fā)明設(shè)計(jì)的前提是載流子可以從熱發(fā)射體區(qū)域14被激發(fā)到間隙區(qū)16，它們被傳送到收集區(qū)18和接點(diǎn)20。
這部分關(guān)注載流子在三種不同類(lèi)型間隙區(qū)(p-型、本征型和n-型)的選擇下從發(fā)射體注入到間隙區(qū)。電子注入p-型間隙區(qū)的結(jié)果在于要分析許多較為簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但存在一個(gè)足夠的勢(shì)壘，這出現(xiàn)在耗盡區(qū)內(nèi)。當(dāng)勢(shì)壘在4kBT量級(jí)時(shí)，發(fā)生最佳的效率。n*發(fā)射體和p-型間隙區(qū)之間的勢(shì)壘比較接近8-9kBT。因此，為了注入大量的載流子，需要較低的勢(shì)壘。由中等n-型間隙區(qū)域發(fā)生較低的勢(shì)壘，但我們應(yīng)當(dāng)理解多數(shù)載流子的載流子注入。
在熱電子注入p-型間隙區(qū)的情況下，本發(fā)明的前后文中已將npn雙極面結(jié)型晶體管的分析用于表示載流子注入的這些特性基本上是正確的。圖4示出自熱n*-型發(fā)射體將電荷發(fā)射到p-型間隙區(qū)的數(shù)值結(jié)論。可以看出，電子被發(fā)射到該間隙區(qū)內(nèi)并由多數(shù)載流子空穴所隔開(kāi)，而且主要通過(guò)擴(kuò)散發(fā)生所述多數(shù)載流子的遷移。這些空穴的作用是隔離間隙區(qū)中的場(chǎng)。
當(dāng)間隙區(qū)為本征型時(shí)，就會(huì)發(fā)生勢(shì)壘高度的明顯降低。當(dāng)注入載流子的密度可以是值得注意的時(shí)候，利用略有攙雜的n-型間隙區(qū)，它具有1014cm-3施主，這將與本征型間隙區(qū)相仿。這種偽本征型間隙區(qū)的勢(shì)壘比純本征型間隙區(qū)的低。圖4中示出這種情況下載流子注入的結(jié)果。圖4表示出InSb中n*pn*熱離子結(jié)構(gòu)的電子濃度和空穴濃度。發(fā)射體和收集體區(qū)域內(nèi)的施主濃度是1020cm-3，而間隙區(qū)內(nèi)的受主濃度是1017cm-3。發(fā)射體處于600K，收集體在300K。共示出三種情況開(kāi)路i＝0(平衡)，沒(méi)有載流子注入；短路ν＝0，具有最大的電流；還有中間情況，具有ν等于一半的開(kāi)路電壓?？梢钥闯?，電子密度和空穴密度變得非常接近相等，這意味著間隙區(qū)內(nèi)有電中性空穴，這可從這類(lèi)曲線(xiàn)看清楚。因而，以數(shù)字形式證實(shí)電荷注入到本征區(qū)內(nèi)是可能的，而且注入到間隙區(qū)內(nèi)的電子看來(lái)是能夠遷移到收集區(qū)內(nèi)的。
圖5中進(jìn)一步示出這種情況下的載流子注入結(jié)果。圖5表示出InSb中n*nn*熱離子結(jié)構(gòu)的電子濃度。發(fā)射體和收集體區(qū)域內(nèi)的施主濃度是1020cm-3，而間隙區(qū)內(nèi)的施主濃度是1014cm-3。發(fā)射體處于600K，收集體在300K。共示出三種情況開(kāi)路i＝0(平衡)，沒(méi)有載流子注入；短路ν＝0，具有最大的電流；還有中間情況，具有ν等于一半的開(kāi)路電壓?？梢钥闯?，電子密度和空穴密度變得非常接近相等，這意味著間隙區(qū)內(nèi)有電中性空穴，這可從這類(lèi)曲線(xiàn)看清楚。因而，以數(shù)字形式證實(shí)電荷注入到本征區(qū)內(nèi)是可能的，而且注入到間隙區(qū)內(nèi)的電子看來(lái)是能夠遷移到收集區(qū)內(nèi)而沒(méi)有困難的。
現(xiàn)在來(lái)檢查將載流子從n*-型發(fā)射區(qū)注入到適度攙雜的n-型間隙區(qū)內(nèi)的情況。圖6示出這種數(shù)字結(jié)果。圖6示出InSb中n*nn*熱離子結(jié)構(gòu)的電子濃度和空穴濃度。發(fā)射體和收集體區(qū)域內(nèi)的施主濃度是1020cm-3，而間隙區(qū)內(nèi)的施主濃度是8×1017cm-3。發(fā)射體處于600K，收集體在300K。共示出三種情況開(kāi)路i＝0(平衡)，沒(méi)有載流子注入；短路ν＝0，具有最大的電流；還有中間情況，具有ν等于一半的開(kāi)路電壓?？梢钥吹剑l(fā)生電子注入，并且遷移看來(lái)是或多或少擴(kuò)散的。
上述結(jié)果表明，就像在p-型間隙的情況中是期待的那樣，發(fā)生從n*-發(fā)射區(qū)到間隙區(qū)的電子注入，而且在本征型和n-型間隙區(qū)時(shí)也如是。向p-型間隙的注入預(yù)期將遵守二極管定律。相對(duì)于收集體加熱發(fā)射區(qū)導(dǎo)致發(fā)熱的EMF。這種結(jié)構(gòu)中的收集體所起的作用與二極管中的金屬化接點(diǎn)作用相同。因此，將能從二極管定律直接計(jì)算電流。但現(xiàn)在考慮電子注入到本征型和n-型間隙區(qū)，將沒(méi)有理由推理會(huì)預(yù)期滿(mǎn)足二極管定律。因此，感興趣的是研究是否將二極管類(lèi)型的特性擴(kuò)展到新的規(guī)范，以及將會(huì)預(yù)期怎樣的改型。
為了完成這種研究，除了在熱能變換器中不會(huì)出現(xiàn)可調(diào)整的電壓之外，需要電流-電壓的特性。通過(guò)選擇間隙區(qū)的攙雜特性，可以調(diào)節(jié)勢(shì)壘的高度。圖7示出對(duì)于考慮上述的例子而言，歸一化勢(shì)壘高度作為間隙攙雜的函數(shù)。圖7表示歸一化勢(shì)壘高度Δu作為攙雜濃度的函數(shù)。假設(shè)發(fā)射體被攙雜成具有1020電子/厘米3，并假設(shè)間隙內(nèi)的施主和受主被完全離子化。采用這種作為攙雜與勢(shì)壘高度之間變換的結(jié)果，模擬出短路電流作為間隙攙雜的函數(shù)，并將這些結(jié)果作為勢(shì)壘高度的函數(shù)被表示為電流值的曲線(xiàn)。圖8中示出這一點(diǎn)。圖8表明，對(duì)于考慮上述的結(jié)構(gòu)，短路電流作為具有Tmax＝600K之歸一化勢(shì)壘高度以及相對(duì)于發(fā)射體溫度0.5的發(fā)射體-收集體溫度差的函數(shù)?？梢钥吹?，在離開(kāi)本征型的p-型區(qū)域內(nèi)遵從二極管定律。還能看到，在n-型區(qū)域內(nèi)，定性地保持普通二極管定律的特性。這種特性與所要求的載流子從發(fā)射體到間隙區(qū)的注入相一致，能夠通過(guò)整個(gè)間隙遷移到達(dá)收集體。這構(gòu)成一種數(shù)字的確認(rèn)，對(duì)于這種以二極管定律為基礎(chǔ)的系統(tǒng)而言，所開(kāi)發(fā)的這種模型應(yīng)當(dāng)是適宜的。b.電流-電壓關(guān)系、功率和效率建立了基本的熱離子效應(yīng)的同時(shí)，現(xiàn)在將注意力轉(zhuǎn)向優(yōu)化效率的問(wèn)題。
圖9中所示的是幾種典型的曲線(xiàn)，它們表示對(duì)于考慮了上述625μ厚的InSb舉例所計(jì)算的電流特性和電壓特性，采用發(fā)射電子濃度為1020電子/厘米3，發(fā)射體溫度Tmax＝600K，收集體溫度Tmin＝300K。對(duì)于以cm-3為單位，間隙施主密度1017(圖中最下面的曲線(xiàn))、3×1017、5×1017和8×1017(圖中最上面的曲線(xiàn))，示出結(jié)果。表明在最好的近似范圍內(nèi)，電流與電壓的關(guān)系是線(xiàn)性的。還應(yīng)注意，有如上述，從發(fā)射體激發(fā)的電子將給出升高成負(fù)電流，以及負(fù)的開(kāi)路電壓。圖9的圖示出電流和電壓的大小。
圖10表示對(duì)于考慮到上述的625μm厚度之InSb舉例所計(jì)算的每單位面積負(fù)載功率，其中發(fā)射電子濃度為1020電子/厘米3，發(fā)射體溫度Tmax＝600K，收集體溫度Tmin＝300K。對(duì)于以cm-3為單位，間隙施主密度1017(圖中最下面的曲線(xiàn))、3×1017、5×1017和7×1017(圖中最上面的曲線(xiàn))，示出結(jié)果。
圖11示出由采用上述各種舉例條件的裝置每單位面積消耗的熱功率。圖11表示對(duì)于考慮到上述625μm厚度之InSb舉例所計(jì)算的每單位面積消耗的熱功率，其中發(fā)射電子濃度為1020電子/厘米3，發(fā)射體溫度Tmax＝600K，收集體溫度Tmin＝300K。對(duì)于以cm-3為單位，間隙施主密度1017(圖中最下面的曲線(xiàn))、3×1017、5×1017和7×1017(圖中最上面的曲線(xiàn))，示出結(jié)果?？梢钥闯?，所述功率由0電流條件下(即開(kāi)路電壓下)的恒定的斐克(Fick)定律分布和關(guān)于電流的線(xiàn)性項(xiàng)(因而也是電壓的線(xiàn)性項(xiàng))構(gòu)成。
圖12表明對(duì)于上述InSb舉例而言，所述效率作為電壓的函數(shù)。示出對(duì)于以cm-3為單位，間隙施主密度1017(圖中最下面的曲線(xiàn))、3×1017、5×1017和7×1017(圖中最上面的曲線(xiàn))，的計(jì)算結(jié)果。虛線(xiàn)表示的是最佳點(diǎn)條件下的效率。
上述結(jié)果表明，當(dāng)間隙攙雜確定了勢(shì)壘的高度和相應(yīng)的電流時(shí)，效率與間隙的攙雜有關(guān)。接近7×1017cm-3的間隙施主攙雜出現(xiàn)在所述最佳點(diǎn)附近。為了探究這種最佳化，圖13進(jìn)一步表示了效率數(shù)值的最佳化結(jié)果，在固定的1020cm-3發(fā)射體離子攙雜濃度條件下，它在很寬帶的攙雜密度范圍內(nèi)，都作為間隙攙雜的函數(shù)。如果間隙攙雜接近本征型，則效率較低。這從根本上是因?yàn)橄嚓P(guān)的發(fā)射體-間隙勢(shì)壘較高。相應(yīng)地，具有接近本征間隙攙雜的實(shí)施例具有較高的發(fā)射體-間隙勢(shì)壘，它的效率就比較低。如果間隙攙雜變得太高，則低發(fā)射體-間隙勢(shì)壘的有益效率就被電阻回流的有害效率所抵消。下面將進(jìn)一步檢驗(yàn)這個(gè)問(wèn)題。c.變換比率的分析熱二極管方案的效率是發(fā)射體攙雜的函數(shù)。假設(shè)厚度為625μm，間隙攙雜保持在7×1017cm-3，并將發(fā)射體和收集體的溫度分別假設(shè)為600K和300K。圖14示出其結(jié)果，最佳效率作為具有ND＝7×1017cm-3間隙攙雜之發(fā)射體攙雜的函數(shù)?？梢钥闯?，所述效率隨發(fā)射體的電子濃度而單調(diào)增大，而變換比率線(xiàn)性地減小。這是由于兩種有影響的效應(yīng)由于間隙攙雜保持固定，所以在較高的發(fā)射體攙雜下，發(fā)射體-間隙勢(shì)壘增大；在較高的載流子濃度下，電子遷移率減小。這兩種效應(yīng)的結(jié)合，降低了較大發(fā)射體攙雜的有益影響。
可以將濃度為1020cm-3量級(jí)的Te(這是最低的離子化能量施主)注入到發(fā)射體中。利用TRIM-91編碼模型顯示出如此高的攙雜密度將導(dǎo)致非晶形發(fā)射層的發(fā)展。這種層將具有不同于我們已經(jīng)模擬的帶隙、有效質(zhì)量和遷移率。另外，人們將會(huì)預(yù)期，復(fù)合率會(huì)是非常高的?？梢灶A(yù)期關(guān)于這一點(diǎn)的某些結(jié)果。電子注入到所述間隙中將受到發(fā)射體密度的限制，這里所說(shuō)的發(fā)射體密度適用于從間隙側(cè)測(cè)量時(shí)進(jìn)入該發(fā)射體一個(gè)復(fù)合長(zhǎng)度的量級(jí)。這種情況將下降到特殊的變換比率，這種比率意味著電子的自由程。
這種推理是大的非晶形發(fā)射體區(qū)域具有微米級(jí)的較小比率長(zhǎng)度，這種情況很容易存在一個(gè)有效的間隙攙雜密度，這個(gè)密度非常小于半導(dǎo)體邊緣所能達(dá)到的峰值密度。另一方面，迅變的n*分布可使電子能夠自由地從高攙雜非晶形區(qū)域流入到結(jié)晶形中間區(qū)域中。這后一種圖像更為接近地對(duì)應(yīng)于假設(shè)建立這里討論的模型。
另一個(gè)重要的結(jié)論是，發(fā)射體中施主的離子化程度不完全。如果發(fā)射體區(qū)域處于高攙雜下的結(jié)晶狀，則相關(guān)情況的狀態(tài)能帶密度就不會(huì)特別大，以致施主的離子化平衡將有利于促成明顯地生成施主。施主離子化能量數(shù)據(jù)是適宜的(InSb中Te具有50meV的施主離子化能量)，致使可以估算離子化的百分比。如果來(lái)自金屬的熱離子注入可能是十分大，在發(fā)射體處使用功函數(shù)低的金屬接點(diǎn)能夠回避有關(guān)的問(wèn)題。
與為了模擬本發(fā)明各實(shí)施例的效率所用的金屬有關(guān)，結(jié)論是最佳效率應(yīng)當(dāng)與間隙的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，或者說(shuō)，對(duì)于在200μm與2mm之間的間隙厚度近似保持這種無(wú)關(guān)。在本發(fā)明的前后文所考慮的各種模型中，有如關(guān)于熱二極管的圖15所示的那樣，發(fā)現(xiàn)熱功率與所述間隙厚度成反比。
上述討論集中在總厚度為625μm的InSb晶片上。在沒(méi)有復(fù)合效應(yīng)的情況下，對(duì)于較大的Tmax應(yīng)用，將首選較厚的層，因?yàn)橄嚓P(guān)的熱通量會(huì)相應(yīng)地很小。對(duì)于已經(jīng)考慮過(guò)的各種間隙密度而言，大塊的n-型結(jié)晶InSb中的電子復(fù)合長(zhǎng)度至少為已經(jīng)分析過(guò)的晶片厚度的10倍。另外，總復(fù)合比率由輻射復(fù)合占優(yōu)勢(shì)，這好像就是這里所討論的大結(jié)晶中加強(qiáng)了輻射的俘獲。因此，對(duì)于能量變換裝置而言，1-2mm量級(jí)的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)是感興趣的。
在復(fù)合變得重要的條件下，并不忙于復(fù)合關(guān)于裝置效率的影響。與通常假設(shè)復(fù)合影響對(duì)于熱能轉(zhuǎn)換是有害的同時(shí)，在尚無(wú)模擬結(jié)果的情況下，大概就不應(yīng)再推測(cè)這一問(wèn)題。有關(guān)這一點(diǎn)的理由在于，對(duì)于這里所考慮的擴(kuò)散限制，復(fù)合提高了注入的電流。與熱損耗與間隙長(zhǎng)度成反比的同時(shí)，所述電流應(yīng)該與所述復(fù)合長(zhǎng)度成反比。我們可以想像，在這一限制中，所得到的結(jié)果將會(huì)是效率的凈增加。這將由用以維持復(fù)合所需的空穴電流將來(lái)自有關(guān)的可能攙雜這一事實(shí)所緩和。由于InSb中的空穴遷移率較低，所以，有關(guān)的可能攙雜是大的。
圖16表示一種方案的效率，其中，電子發(fā)射體濃度為1020電子/厘米3，攙雜密度為7×1017cm-3。將結(jié)果做成曲線(xiàn)，作為發(fā)射體溫度的函數(shù)，同時(shí)假設(shè)收集體溫度為300K。兩種情況下的結(jié)果是極為接近地相同。最佳效率作為熱力學(xué)極限的百分比被示于圖17中。我們會(huì)看到，在所示溫度下與所述熱力學(xué)極限相比，設(shè)計(jì)工作多少是有些相同的。
在溫度差別比較小的情況下，對(duì)于給定的設(shè)計(jì)而言，熱功率流較小。圖18示出在不同溫度下，對(duì)于626μm和1250μm而言，在最佳能量轉(zhuǎn)換條件下的熱功率流。在是需的最佳工作條件下，所述熱功率流在幾百W/cm2范圍內(nèi)。d.總結(jié)上面的討論考慮了一種熱“二極管”模型，建立在說(shuō)明性的InSb實(shí)現(xiàn)過(guò)程的基礎(chǔ)上。這種裝置使用高攙雜的發(fā)射區(qū)，所述間隙區(qū)可為p-型的或者n-型的，并且歐姆金屬收集體具有足夠大的功函數(shù)，以便在電阻貢獻(xiàn)方面具有可以忽略的熱離子注入電流，這是由于收集體的接點(diǎn)處載流子保持平衡。
上面所報(bào)告的結(jié)果表明，要得到最大熱離子注入電流，就需要發(fā)射體-間隙勢(shì)壘最好在4-5kBTmax量級(jí)，這意味著所述間隙最好為n-型半導(dǎo)體。于是，本發(fā)明設(shè)想各實(shí)施例的發(fā)射體-間隙勢(shì)壘最好大約在4kBTmax到大約5kBTmax的范圍，此外的其它實(shí)施例中該勢(shì)壘在這個(gè)范圍之外，不過(guò)可由這里所提供的方法來(lái)設(shè)計(jì)所述的范圍。
如上所述，n*區(qū)域可一把電子注入n-型間隙區(qū)中，并在該間隙區(qū)內(nèi)的遷移或多或少地有所擴(kuò)散。此外，上面所述的還表明，所述熱二極管能夠作為能量變換器而工作，它的基礎(chǔ)是從發(fā)射體到所述間隙的熱離子發(fā)射，繼而遷移到收集體。上面所述的還能看出，本發(fā)明的實(shí)施例如何優(yōu)選作為間隙施主濃度的函數(shù)。具有600K之發(fā)射體，所述熱二極管的最佳效率可達(dá)5.5％這樣高，同時(shí)假設(shè)在這種發(fā)射體中可以開(kāi)發(fā)出1020cm-3的電子密度。盡管具有其它特性的實(shí)施例不符合這種特定的優(yōu)選，但這些參數(shù)都是本發(fā)明實(shí)施例的特征；而且按照這里給出方法是設(shè)計(jì)的方案，預(yù)計(jì)也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。3.關(guān)于InSb補(bǔ)償熱二極管的結(jié)論由于半導(dǎo)體的熱電子響應(yīng)，譬如圖2所示意表示的各實(shí)施例中熱離子能量轉(zhuǎn)換效率，最終要受到存在電阻回流的限制。如果能抑制這種電阻回流，實(shí)際上就可以得到效率的增高。這一部分表明，一般說(shuō)來(lái)，在減少回流的時(shí)候，可使所述效率提高一個(gè)因子2。
一種降低所述回流的方案包含以p-型攙雜補(bǔ)償n-型基底，本發(fā)明各實(shí)施例中的收集體接點(diǎn)前面得到一個(gè)接近本征型的層，從而引人注目地減少提供這種適合于引起電子電阻回流的電子。對(duì)于這種方法顯然要作一些調(diào)整，因?yàn)樘嗟膒-型成分可能會(huì)限制熱離子流向收集體的流動(dòng)。
本發(fā)明前后文所做的工作表明，在參數(shù)空間內(nèi)存在一個(gè)小小的窗孔，其中可以使所述補(bǔ)償層與所述間隙攙雜相符，以便能夠做到同時(shí)接近自由的熱離子流和接近零的電阻回流。這種最終的設(shè)計(jì)方案具有較高的預(yù)知能量轉(zhuǎn)換效率，并且可以與最好的熱電子去競(jìng)爭(zhēng)。由于還有其它實(shí)施例，使熱傳導(dǎo)比率具有更好的遷移率(如HgSe和HgTe)，所以可能有補(bǔ)償?shù)亩O管方案，具有開(kāi)發(fā)超過(guò)最好的熱電子的很好轉(zhuǎn)換效率的潛力。正如下面將會(huì)看到的—譬如參見(jiàn)關(guān)于圖38的討論—本發(fā)明前后文開(kāi)發(fā)的補(bǔ)償層表示出對(duì)于諸如InSb材料的明顯改進(jìn)性能。這種改進(jìn)在于使效率提高大約為2的因子。對(duì)于Hg1-xCdxTe而言，這種改進(jìn)傳化為使效率達(dá)到理想卡諾循環(huán)效率的50％的絕對(duì)極限。
因?yàn)榭梢杂墒煜け绢I(lǐng)域的人員按照這里提供的方法和舉例設(shè)計(jì)這些以及其它的補(bǔ)償二極管的實(shí)施例，它們具有這種表現(xiàn)出較高的導(dǎo)熱離子遷移率的半導(dǎo)體，所以它們都被設(shè)想在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在InSb下實(shí)現(xiàn)的基本熱二極管結(jié)構(gòu)被看作為一種能量變換器。發(fā)現(xiàn)這種裝置的效率被限制在略高于熱離子極限的10％。有如下面那樣實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。如上所述，通過(guò)相反符號(hào)的電阻回流抑制熱離子流，能夠提高所述的效率。這樣做的一種方法是，利用p-型攙雜，在收集體接點(diǎn)的內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償層，它將防止從裝置的收集體一側(cè)注入電子(見(jiàn)圖19)。圖19以示意的方式表示出本發(fā)明一種補(bǔ)償熱二極管的實(shí)施例。發(fā)射體是左側(cè)的熱n*區(qū)14。間隙區(qū)16是中心的較厚區(qū)域，為n-型的。這里將收集體描述成為金屬冷接點(diǎn)20。熱的歐姆接觸12臨近熱的n*區(qū)14。所述金屬接點(diǎn)內(nèi)部是補(bǔ)償區(qū)19，它是通過(guò)附加p-型攙雜形成的，用以抑制電子回流。如果不恰好與基底攙雜相符，則附加的p-型攙雜可產(chǎn)生一層p-型半導(dǎo)體，它可表現(xiàn)出熱離子電流到達(dá)收集體。在完美的補(bǔ)償周?chē)膮?shù)空間中發(fā)現(xiàn)一個(gè)小區(qū)域，其中可以選擇設(shè)計(jì)的數(shù)目，使得能夠同時(shí)收集熱離子電流和電阻回流的注入。發(fā)現(xiàn)對(duì)于這樣的裝置計(jì)算的效率實(shí)際上提高基本二極管結(jié)構(gòu)的效率。這部分考慮了這個(gè)裝置和相關(guān)的方案。a.回流在處置之前，需要在基本熱二極管中建立回流的存在。這樣做的一種方法是標(biāo)繪電流，包括符號(hào)，它作為間隙施主濃度的函數(shù)。結(jié)果表示在圖20中。圖20表明，這種電流作為在前面一部分所述InSb熱二極管的間隙攙雜的函數(shù)。對(duì)于熱離子方式，它對(duì)應(yīng)于負(fù)電流(電子從左移動(dòng)到右)，并在最佳效率的條件下計(jì)算該電流。對(duì)于熱電子方式，它對(duì)應(yīng)于正電流(電子從收集體移動(dòng)到發(fā)射體)，在電壓是熱感應(yīng)EMF之半的條件下得到電流，一般說(shuō)來(lái)，它在熱離子方式中是最佳的。所述熱感應(yīng)電流要改變符號(hào)。在低間隙攙雜情況下，間隙不具有足夠的導(dǎo)電性，去維持大到足以完成熱離子注入的電阻成分。當(dāng)增大間隙攙雜時(shí)，在有些點(diǎn)電阻電流抑制了熱離子電流的值，熱離子能量轉(zhuǎn)換的可能不大。這種電阻回流是起源于裝置的收集體一側(cè)并且主要遷移流到發(fā)射體的電子造成的。b.以阻擋層優(yōu)化效率現(xiàn)在我們考慮補(bǔ)償熱二極管所預(yù)知的工作情況，這里所述二極管包括一個(gè)本征阻擋層。在這種模型下，我們模擬補(bǔ)償層采用高斯p-型攙雜，補(bǔ)償長(zhǎng)度為5μn。圖21中示出有關(guān)不同受主密度的結(jié)論。圖21表明最佳效率作為具有p-型補(bǔ)償之間隙攙雜的函數(shù)，補(bǔ)償濃度采用7×1017、1018、2×1018和3×1018cm-3。點(diǎn)線(xiàn)表示在沒(méi)有阻擋層下所得的效率。當(dāng)把補(bǔ)償層的受主濃度調(diào)節(jié)得與基底施主濃度相符時(shí)，得到效率的最大值。在無(wú)補(bǔ)償情況下得到最佳效率的明顯增大。
從簡(jiǎn)單的考慮，可以等效地理解圖21所示效率曲線(xiàn)的形狀。在阻擋層為本征型的條件下，同時(shí)允許有熱離子電流從發(fā)射體傳送出來(lái)，并導(dǎo)致回流最小，使所述效率最大化。在間隙施主濃度較小的時(shí)候，補(bǔ)償層產(chǎn)生一個(gè)p-型區(qū)域，這種應(yīng)用特性或多或少像一個(gè)拒絕熱離子電流時(shí)的反偏壓二極管。在間隙施主濃度較大時(shí)，補(bǔ)償不足以消除過(guò)量的電子。開(kāi)始有回流，其值約略與阻擋層中的電子濃度成線(xiàn)性關(guān)系。因而，看到所述效率關(guān)于最適宜的高端側(cè)線(xiàn)性地增加。
從實(shí)踐的觀(guān)點(diǎn)，電流的容量導(dǎo)致電流密度限制在102-103A/cm3。另外，導(dǎo)線(xiàn)中的電壓降變得不能接受。此外，整個(gè)二極管存在200-300℃的溫度降落。對(duì)于給定的InSb導(dǎo)熱性而言，這表現(xiàn)為大約1cm的間隙厚度。這個(gè)厚度表現(xiàn)出復(fù)雜的問(wèn)題，比如復(fù)合長(zhǎng)度可與間隙厚度比較，以及對(duì)較厚晶片精加工的技術(shù)問(wèn)題。譬如，大部分晶片處理設(shè)備都是為厚度小于1mm設(shè)計(jì)的。
要實(shí)現(xiàn)厚間隙的典型方法是堆疊多個(gè)二極管。因?yàn)橥ㄟ^(guò)串聯(lián)堆疊的二極管的電流是相同的，這就意味著堆疊的二極管的電流應(yīng)該是一致的。一個(gè)引起大電流的二極管導(dǎo)致其它二極管的電壓降，并且由于附加的勢(shì)壘，使性能降低。
下面的討論接近在本發(fā)明的前后文中可以實(shí)現(xiàn)達(dá)到電流的調(diào)整。
(1)間隙攙雜濃度電流的調(diào)整下面的例子假設(shè)InSb二極管材料，它的所有二極管的幾何形狀都相同，并且熱源溫度為530K，受熱器的溫度為460K。圖22示出單獨(dú)一個(gè)二極管的結(jié)構(gòu)。圖22中的箭號(hào)指示熱歐姆接觸12的溫度T高于收集體20的溫度。從圖23A示出的圖線(xiàn)，同時(shí)還設(shè)定效率值在6％，則可如圖24所示那樣，可以堆疊四個(gè)二極管。其中第一個(gè)二極管(D1)的間隙攙雜濃度為5×1017cm-3，第二至四個(gè)二極管的間隙攙雜濃度分別為D2∽7×1017cm-3，D3∽1018cm-3和D4∽2×1018cm-3。在這個(gè)實(shí)施例中，所有四個(gè)二極管的電流相同，并且整個(gè)效率在6％。雖然本發(fā)明堆疊二極管的一些實(shí)施例的二極管，其中每一個(gè)二極管的各個(gè)元件都由相同的材料制成，但應(yīng)理解本發(fā)明前后文中各堆疊二極管的實(shí)施例并不限于這樣的堆疊。按照本發(fā)明，有些堆疊二極管的實(shí)施例的二極管，其中每一個(gè)二極管的各個(gè)元件由不同的材料制成，和/或不同堆疊二極管中的間隙區(qū)包含不同的材料，和/或不同堆疊二極管中的收集體包含不同的材料。
(2)由幾何圖形調(diào)整電流下面的例子假設(shè)圖23A的最高效率線(xiàn)，它對(duì)應(yīng)于間隙施主濃度為2×1018cm-3。在500K下的一系列堆疊形式的薄型二極管產(chǎn)生的電流差不多比非堆疊二極管所產(chǎn)生電流大兩倍。如果二極管處于400K，并且其面積是非堆疊二極管面積的兩倍那樣大，則將實(shí)現(xiàn)電流的匹配。這種實(shí)施例的結(jié)果示于圖25中，其中面積的變化呈楔形聚集形式。堆疊的邊界線(xiàn)實(shí)際并非直線(xiàn)，而是考慮圖23A中效率曲線(xiàn)的非線(xiàn)性特點(diǎn)的曲線(xiàn)。圖26所示的堆疊表明另一種實(shí)施例，其中堆疊的邊界線(xiàn)近似于有如圖25所示的理想曲線(xiàn)。圖25-26中的箭號(hào)表示溫度T從T冷到T熱的增加。
已使補(bǔ)償熱二極管的設(shè)計(jì)最佳化，按具有600K的熱發(fā)射體的最大效率工作。自然而然地確定所述裝置在其它發(fā)射體溫度下的效率。圖23A表示對(duì)于假設(shè)有完美補(bǔ)償?shù)牟煌讛v雜的效率的數(shù)字結(jié)果。圖23A表明在最佳條件下，所述效率作為具有完美補(bǔ)償?shù)?、不同間隙攙雜的發(fā)射體溫度的函數(shù)。假設(shè)一個(gè)InSb補(bǔ)償熱二極管結(jié)構(gòu)的厚度為625μm，它的發(fā)射體電子密度為1020cm-3，收集體溫度為300K。間隙施主濃度和相配的受主濃度(為的是像圖示那樣提高效率)是7×1017、1018、2×1018和3×1018cm-3。點(diǎn)線(xiàn)表示缺少阻擋層所得到的效率。圖23B表示可規(guī)范化于熱力學(xué)極限的效率的結(jié)果。圖23B表示在最佳條件下，對(duì)于圖23A所示不同情況，可規(guī)范化于熱力學(xué)極限的效率作為發(fā)射體溫度的函數(shù)。我們觀(guān)察到，在較高的發(fā)射體溫度下，補(bǔ)償曾是有效的。另外，高溫下的最佳化表現(xiàn)出相對(duì)于其它溫度得到了最佳值，使得不需要對(duì)不同溫度方式分別設(shè)計(jì)。下面將討論更具優(yōu)點(diǎn)的設(shè)計(jì)更加圍繞它們的指定溫度，而不是其它溫度。c.例子圖27A-27B表示本發(fā)明補(bǔ)償熱二極管最佳實(shí)施例的效率作為溫度的函數(shù)。圖27A-27B中的曲線(xiàn)是按照間隙的材料分類(lèi)的，括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示載流子濃度。圖27B所示的效率是相對(duì)于卡諾循環(huán)給出的。
n-型半導(dǎo)體中的補(bǔ)償層可由引入受主制成，但不限于此。對(duì)于Te(施主雜質(zhì))攙雜的InSb而言，施主離子化能量是50meV。同樣的離子化能量是由空穴形成的受主的特點(diǎn)。如果空穴的數(shù)目與初始施主濃度(n)相符，就存在補(bǔ)償層。
如果通過(guò)惰性氣體的離子注入產(chǎn)生空穴，則空穴數(shù)由每單位面積D的離子(離子/厘米2)確定，并由單個(gè)離子形成的空穴數(shù)V確定。V是離子能量E的函數(shù)，即V＝V(E)?？昭〝?shù)是Nν(E)＝D×V(E)。在這種情況下，空穴濃度c與材料R中的離子范圍有關(guān)，也即還是離子能量的函數(shù)R＝R(E)。于是，對(duì)于給定的離子類(lèi)型而言，空穴濃度作為離子能量的函數(shù)是C(E)=DV(E)R(E)]]>對(duì)于補(bǔ)償層C(E)＝n，或者D=nR(E)V(E)]]>R(E)和V(E)是用TRIM-91計(jì)算機(jī)編碼對(duì)于InSb和Ne、Ar及Xe離子模擬建立的。模擬的結(jié)果被示于圖28和29中。為了在被攙雜成濃度n的n-型InSb二極管中于較寬的離子能量范圍形成補(bǔ)償層所需的劑量，可以由圖28和29和上面給定的D的公式來(lái)確定。在圖28和29中，圖線(xiàn)32和38表示氬的曲線(xiàn)；圖線(xiàn)34和36表示氖的曲線(xiàn)，而圖線(xiàn)30和40表示氙的曲線(xiàn)。
離子注入形成空穴濃度分布圖形，該圖形在20-30％離子區(qū)域更為明顯。在InSb中，可使這20-30％的離子區(qū)域減少到小于穿過(guò)勢(shì)壘的距離，通常在100-150，以免形成附加勢(shì)壘。
所要利用的離子需要“pros”和“cons”平衡，如是形成的淺能級(jí)數(shù)與固態(tài)結(jié)構(gòu)的損傷間的平衡。比如，氙形成較多的淺層，但它造成更多的損傷，而且結(jié)晶是半結(jié)晶的。d.總結(jié)上述基本熱二極管的設(shè)計(jì)模型看出，它探尋減小限制所述裝置最大效率的電阻回流。證明在所述估算中存在電阻回流，并且在高間隙攙雜時(shí)熱離子電流占優(yōu)勢(shì)。表明包含在收集體內(nèi)部的補(bǔ)償層使所述回流減小，導(dǎo)致更高的最佳效率。這種模型的結(jié)果表明，對(duì)于給定的間隙濃度而言，完美的補(bǔ)償產(chǎn)生最高的效率。這一結(jié)論與從簡(jiǎn)單的物理論據(jù)所論述的一致。因此，本發(fā)明補(bǔ)償熱二極管的優(yōu)選實(shí)施例以高效率為其特征，以致補(bǔ)償?shù)某潭仍酱螅瑫?huì)導(dǎo)致效率越高。對(duì)補(bǔ)償熱二極管估算的峰值效率與最好的熱電子不相上下。4.歐姆接觸歐姆接觸被定義為金屬-半導(dǎo)體接觸，相對(duì)于半導(dǎo)體的體電阻或擴(kuò)展其間的電阻可忽略不計(jì)它(參見(jiàn)Sze，S.M.，Physics of SemiconductorDevice.N.Y.，John Wiley & Sons，1981，pp 304-311，這里特別引入它的內(nèi)容)。這部分?jǐn)⑹霰景l(fā)明的歐姆接觸及造成這種接觸的方法。
金屬-半導(dǎo)體的界面引出局部勢(shì)壘，公知的一般名字是肖特基(Schottky)勢(shì)壘。按照它的簡(jiǎn)化形式，相對(duì)于費(fèi)米能級(jí)測(cè)得的肖特基勢(shì)壘高度Φb可以寫(xiě)成Φb＝Φm-xs，其中Φm是金屬電子的功函數(shù)，xs是半導(dǎo)體電子的親和勢(shì)。對(duì)于GaAs的肖特基勢(shì)壘值的舉例為0.70eV，而InSb的肖特基勢(shì)壘值的舉例為0.18eV。
固態(tài)金屬-半導(dǎo)體熱離子變換器的工作電壓范圍低于肖特基勢(shì)壘的高度。這將消弱效果或者至少是降低工作電流。
本發(fā)明的典型工作電壓是10-100mV，功率是1-10W。這造成工作電流為I0＝100-1000A。肖特基勢(shì)壘的功率損耗是W損＝I0Φb。為使W損小于總功率的1％，Φb必須小于1meV。通常以接觸電阻表示勢(shì)壘。因此，在一定的電流下，接觸電阻必須小于10-5-10-6歐姆。
參見(jiàn)Chang等人的“Specific Contact Resistance of Metal-Semiconductor Barriers.Solid-state Electronics，Vol.14(1971)，pp.541-550，和Shannon，J.M.，Control of Schottky Barrier Height UsingHighly Doped Surface Layer.Solid-State Electronics.Vol.19(1976)，pp.537-543”，這里將其結(jié)合為參考文獻(xiàn)，它們述及形成歐姆接觸的方法。金屬-半導(dǎo)體界面處的電場(chǎng)形成半導(dǎo)體中的載流子耗盡區(qū)。隨著離子化雜質(zhì)濃度的增加，耗盡區(qū)的寬度變窄。在回過(guò)來(lái)引起隧道的遷移系數(shù)增大。因此，即使勢(shì)壘薄到足以使隧道的載流子遷移過(guò)程占優(yōu)勢(shì)，高的勢(shì)壘接觸也變成歐姆接觸。在300℃下，與10-6歐姆/厘米2相應(yīng)的攙雜(InSb中的Te)水平是1020-1021。隧道的電子有效質(zhì)量隨著溫度而增大，并且在500℃下所需要的濃度是1021，而不是1020。高攙雜濃度層必須是足夠薄的，使它不在接觸的半導(dǎo)體界面上引起自身的勢(shì)壘。上面所附Shannon的參考文獻(xiàn)估計(jì)這個(gè)厚度比150小。這種方式用于n-型攙雜和p-型攙雜，同時(shí)關(guān)心在從n-型區(qū)進(jìn)到p-型區(qū)時(shí)電流的符號(hào)倒過(guò)來(lái)。
利用TRIM-91計(jì)算機(jī)編碼計(jì)算為達(dá)到1021cm-3的淺攙雜所需的注入劑量(G.Ziegler，G.Biersack.IBM(1991))。對(duì)In和Sb分開(kāi)計(jì)算離子范圍和所需的劑量。將計(jì)算結(jié)果對(duì)InSb大致求平均。在整個(gè)能量范圍方面，In和Sb間的差別不超過(guò)20％。利用Te作為n-型攙雜，因?yàn)門(mén)e具有公知的最低離子化能量(50meV)。圖30表示對(duì)這種劑量計(jì)算的結(jié)果，而圖31表示離子的范圍。
對(duì)于p-型攙雜而言，對(duì)于InSb公知的材料包括Ge(9meV離子化能量)，以及Ag(Ej＝30meV)。Ag明顯地是首選的離子，因?yàn)樗菺e重，并且對(duì)于同樣的離子能量射程較短，這就使攙雜區(qū)寬度能能夠比較小。圖32和33表示Ag攙雜的計(jì)算值。離子注入過(guò)程形成空穴，隨后必須使得這些空穴被熱處理(annealed)。
另一種形成歐姆接觸的方法是通過(guò)擴(kuò)散熱處理。例如，通過(guò)熱處理InSb晶片上的銦層，可以形成包含InSb之二極管的歐姆接觸。在酸洗過(guò)的石英管內(nèi)完成下述程序。在高真空中將管子于800℃下烘焙一小時(shí)以上。將多個(gè)具有銦涂覆的InSb樣片放入石英管內(nèi)，管內(nèi)泵入10-100モ的氦氣。氦的導(dǎo)熱性較高，能快速致冷。在多種溫度下熱處理之后，在樣片上測(cè)得曲線(xiàn)I至V，確定存在歐姆接觸。在250-400℃下熱處理10-60分鐘，得到正的結(jié)果。在溫度超過(guò)500℃，即使樣品表現(xiàn)出歐姆特性，銦完全溶解，使樣品變得不能再用。5.舉例a.設(shè)計(jì)參數(shù)參照?qǐng)D2，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，在歐姆接觸(12，20)與散熱片之間，可在中間放置導(dǎo)熱層，以確保歐姆接觸。比如，可在熱端使用In等沉積層，而在冷端使用In-Ga共晶體等沉積層。這些材料可被充分地延展，以保證在低壓(0.1-1.0MPa)下有足夠的熱接觸。
相應(yīng)地，按照本發(fā)明可以被用作這些層的材料是能夠延展的導(dǎo)熱體，盡管在其它實(shí)施例中也可以使用其它材料。另一種提供熱接觸的方法是應(yīng)用糊劑、膠結(jié)物、低溫焊接合金或其等價(jià)物。然后再附加導(dǎo)電和導(dǎo)熱層，用作導(dǎo)熱層與半導(dǎo)體之間的擴(kuò)散阻擋層。本實(shí)施例中的導(dǎo)電和導(dǎo)熱層被用作發(fā)射體，而沒(méi)有附加的半導(dǎo)體發(fā)射層。這一層的特性和功能如下，但又不限于此。(1)導(dǎo)熱；(2)導(dǎo)電；(3)發(fā)射電子；(4)在金屬-半導(dǎo)體界面形成肖特基勢(shì)壘；(5)形成擴(kuò)散阻擋層；(6)使半導(dǎo)體與接著發(fā)生的層化學(xué)反應(yīng)；(7)與半導(dǎo)體的熱膨脹相匹配，防止分層；(8)在熱二極管的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定；(9)如果不處于真空，或者受惰性氛圍包圍時(shí)，具有較高的抗氧化性。
例如，在300-500K的溫度區(qū)間，InSb的熱膨脹系數(shù)是5.2-5.4×10-6K-1。其它可能的材料包括，但不限于Mo，Cr，W，Ta，Re，Os，Ir，鑭系元素與鎳的合金，Pt和諸如In，Au，Cu等軟金屬。由這個(gè)清單，Ta和鑭系元素傾向于受到氧化，而In的融解溫度低。
也可以使用高攙雜半導(dǎo)體和半金屬(semi-metal)。例如，Si的薄層具有足夠高的導(dǎo)熱及導(dǎo)電性。不過(guò)，應(yīng)當(dāng)看到要有一定的防范，特別應(yīng)當(dāng)注意，在與InSb相比時(shí)，禁用的大間隙保證了勢(shì)壘的形成，它阻止電流的傳輸。
所述導(dǎo)熱和導(dǎo)電層的具體厚度設(shè)計(jì)如下。導(dǎo)熱性最好是比半導(dǎo)體間隙的高。采用100-1000微米的間隙厚度，所述層厚最好小于約幾個(gè)微米，因?yàn)樗鼘?huì)增大熱損耗。在薄的一側(cè)，要確定層厚，是有一定考慮的。比如，為保持其阻擋特性，各金屬層最好比電子的平均自由程厚。由于所述的層非常接近另一金屬(中間層)，所以層厚將影響它的費(fèi)米能級(jí)位置，并改變電子發(fā)射到半導(dǎo)體中。公知是在金屬層厚度小于1000時(shí)，這種影響是明顯的。這個(gè)數(shù)值至少是幾個(gè)電子自由程的長(zhǎng)度，并且可將其看作實(shí)際下限，為的是避免不必要的復(fù)雜化。對(duì)于半導(dǎo)體發(fā)射區(qū)n*有類(lèi)似的考慮。
發(fā)射體-間隙界面的最好情況是在所述區(qū)域與結(jié)晶學(xué)相符的時(shí)候，也就是在發(fā)射區(qū)域在間隙區(qū)頂部上外延生長(zhǎng)的時(shí)候。對(duì)于InSb而言，通過(guò)把攙雜溫度保持在150℃(PVD)以上，可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)。對(duì)于其它的間隙材料，如Hg1-xCdxTe，這種外延生長(zhǎng)是較為復(fù)雜的。當(dāng)發(fā)射體-間隙界面配合不當(dāng)時(shí)，發(fā)生使變換器的性能分散并且降低。
一種公知的電接觸和熱接觸技術(shù)確認(rèn)有多種提供適當(dāng)電接觸和熱接觸的方法，而且本發(fā)明的范圍也不限于上面是附的各個(gè)舉例，而應(yīng)正視按照不同標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的其它實(shí)施例。b.不補(bǔ)償?shù)臒岫O管下述各個(gè)舉例意在說(shuō)明本發(fā)明選擇的實(shí)施例，而不是限制性的。可以特殊的方式實(shí)施本發(fā)明，而不會(huì)脫離本發(fā)明的精髓和特性。下面各例(1)-(9)中的攙雜濃度是以cm-3為單位給出的。
(1)金屬1/n/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr或Ni(1000-4000)/InSb(360微米；攙雜1.1×1018Te，晶向100)/Pt(1500)/In(多數(shù))。對(duì)于特定的金屬在特定溫度下，金屬1的厚度不小于電子的平均自由程，比如Ag的平均自由程約為400。
(2)金屬1/n*/n/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/InSb(400；攙雜3.0×1019Te)/InSb(360微米；攙雜1.1×1018Te)/Pt(1500)/In(多數(shù))。
(3)金屬1/n**/n*/n/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/InSb(400；攙雜3.0×1019Te)/InSb(360微米；攙雜1.1×1018Te)/In(100)/Pt(1500)/In(多數(shù))。
(4)金屬1/n**/n*/n/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(400；攙雜3.0×1020Te)/InSb(360微米；攙雜1.1×1018Te)/In(100)/Pt(1500)/In(多數(shù))。
(5)金屬1/n**/n/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(360微米；攙雜1.1×1018Te)/In(100)/Pt(1500)/In(多數(shù))。
(6)金屬1/n**/n*n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(500微米；攙雜1.1×1018Te)/In(100)/Pt(1500)/In(多數(shù))。
(7)金屬1/n**/n*/n/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(400；攙雜3.0×1020Te)/InSb(500微米；攙雜1.1×1018Te)/In(100)/Ni(1500)/In(多數(shù))。
(8)金屬1/n**/n/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(500微米；攙雜1.9×1017Te)/In(100)/Pt(1500)/In(多數(shù))。
(9)金屬1/n**/n/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(500微米；攙雜1.9×1017Te)/In(100)/Ni(1500)/In(多數(shù))。c.補(bǔ)償?shù)臒岫O管下述各例旨在說(shuō)明本發(fā)明選擇的實(shí)施例，而不是限制性的。可以其它特殊的方式實(shí)施本發(fā)明，而不會(huì)脫離本發(fā)明的精髓和特性。有關(guān)各層具有低攙雜(p)，也可以是n-型的。下面各例(1)-(5)中的攙雜濃度是以cm-3為單位給出的。
(1)金屬1/n**/n*/n/p/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(400；攙雜3.0×1019Te)/InSb(500微米；攙雜1×1018Te；偏離(100)2°)/p-InSb(400；攙雜3.1×1014Te)/In(100)/Pt(1500)/In(多數(shù))。
(2)金屬1/n**/n*/n/p/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(400；攙雜3.0×1019Te)/InSb(500微米；攙雜1×1020Te；偏離(100)2°)/p-InSb(400；攙雜3.1×1014Te)/In(100)/Pt(1500)/In(多數(shù))。
(3)金屬1/n**/n/p/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(500微米；攙雜1×1018Te；偏離(100)2°)/p-InSb(400；攙雜3.1×1014Te)/In(100)/Pt(1500)/In(多數(shù))。
(4)金屬1/n**/n*/n/p/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(400；攙雜3.0×1019Te)/InSb(500微米；攙雜1×1020Te；偏離(100)2°)/p-InSb(2000；攙雜3.1×1014Te)/In(100)/Pt(1500)/In(多數(shù))。
(5)金屬1/n**/n*/n/p/n**/金屬2InGa共晶體(多數(shù))/Cr(1500)/In(100)/InSb(400；攙雜1.0×1020Te)/InSb(500微米；攙雜1×1018Te)/p-InSb(400；其中p-型區(qū)以Ar或Ne離子注入)/In(100)/Pt(1500)。6.分布式肖特基二極管在Rhoderick，E.H.和Williams，R.H.的“金屬-半導(dǎo)體接點(diǎn)(Metal-Semiconductor Contacts)”O(jiān)xford，Clarendon Press(1988)中將描述金屬-半導(dǎo)體界面上形成肖特基勢(shì)壘，種類(lèi)將該文引為參考文獻(xiàn)。肖特基勢(shì)壘存在兩種主要模型。對(duì)于肖特基-莫脫(Schottky-Mott)模型，勢(shì)壘ΦB被認(rèn)為與金屬功函數(shù)Φm不同，而半導(dǎo)體電子的親和勢(shì)為xS，ΦB＝Φm-xS。事實(shí)上，ΦB幾乎與金屬的功函Φm數(shù)無(wú)關(guān)。J.Bardeen的解釋是勢(shì)壘受表面情況的影響。在表面狀態(tài)QSS下的電荷影響這種電荷的補(bǔ)償，并且電中性條件是Qm+Qd+QSS＝0，其中Qm是金屬表面上的負(fù)電荷，而Qd是無(wú)補(bǔ)償施主的正電荷。補(bǔ)償勢(shì)壘Φ0(中間值)的性質(zhì)與Φ0的相對(duì)位置和費(fèi)米能級(jí)EF有關(guān)。如果關(guān)于價(jià)帶的頂部測(cè)量Φ0，則肖特基勢(shì)壘如下ΦB≈Eg-Φ0。
對(duì)一定程度的攙雜濃度，間隙能量Eg是溫度的函數(shù)。表面雜質(zhì)的聚集影響ΦB，正如有關(guān)歐姆接觸的第4部分所述的那樣。表面上部分雜質(zhì)的堆集也會(huì)影響勢(shì)壘的高度。
圖34表示InSb的溫度特性(參見(jiàn)Landolt-Brnstein的“科技中的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)及函數(shù)關(guān)系(Numerical Data and Functional Relationship inScience and Technology)”第III分冊(cè)“晶體及固體物理”，(1983)卷22b，本文特別引入該文)。
可由從外部I-V測(cè)量所得曲線(xiàn)的斜率變化確定肖特基勢(shì)壘的值。室溫下的勢(shì)壘高度為175-180meV，與InSb中的攙雜濃度(Te)達(dá)到1020cm-3無(wú)關(guān)(接觸)。圖35表示對(duì)于攙雜有達(dá)到3×1019cm-3Te之2000界面層而言，勢(shì)壘高度作為溫度函數(shù)，所述表面層沉積在In發(fā)射體的攙雜有1×1018cm-3(500μm)Te的InSb上。由于勢(shì)壘高度隨溫度而降低，而且比Eg的(減少)速度快，這意味著中間值Φ0比EF高，并且表面狀態(tài)密度隨溫度增大。圖34和35給出要在約300℃下、15-20meV時(shí)估算的Φ0。圖36A說(shuō)明這種勢(shì)壘。圖36A中所示的絕緣膜(氧化物)是如此之薄，使得載流子隧道通過(guò)未予給出的實(shí)際勢(shì)壘，盡管它是存在的。本發(fā)明的前后文已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這類(lèi)二極管的注入提高了本發(fā)明各實(shí)施例的工作溫度。
a.實(shí)驗(yàn)結(jié)果在攙雜有1×1018cm-3Te的InSb晶片基礎(chǔ)上制作樣片。晶片厚度約為500微米，并拋光兩面。在經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的清洗之后，通過(guò)磁控管濺射，將攙雜有3×1019cm-3Te的InSb的2000的發(fā)射體層沉積在晶片上。樣片的尺寸范圍為1×1到3×3mm2的正方形，兩側(cè)上面涂有InGa共晶體(Tm＝35℃)。涂覆的過(guò)程包含利用一些加壓，以破壞所有的表面氧化層。
圖36B示意地說(shuō)明本發(fā)明的一種實(shí)施例，它包含熱歐姆接觸12、發(fā)射體14、間隙區(qū)16、補(bǔ)償區(qū)19和收集體20。在一些實(shí)施例中，于面對(duì)熱歐姆接觸12的發(fā)射體側(cè)面上形成區(qū)域15，用以降低金屬-半導(dǎo)體界面的勢(shì)壘。在一些實(shí)施例中，通過(guò)磁控管濺射形成這種金屬-半導(dǎo)體-界面-勢(shì)壘-降低層。在一些實(shí)施例中，于面對(duì)收集體冷金屬接觸20的間隙區(qū)側(cè)面上形成區(qū)域17，它的作用是降低所述金屬-半導(dǎo)體界面勢(shì)壘。用于類(lèi)似于形成區(qū)域15所采用的那些方法形成這個(gè)區(qū)域。本發(fā)明的其它實(shí)施例只包含區(qū)域15，本發(fā)明的另一些實(shí)施例則只包含區(qū)域17。如上所述，本發(fā)明的各實(shí)施例中，包括有補(bǔ)償?shù)膶?shí)施例和無(wú)補(bǔ)償?shù)膶?shí)施例，至少存在區(qū)域15和17當(dāng)中的一個(gè)，以提高它們的工作溫度。
測(cè)試裝置包括在一個(gè)整的鍍銀銅塊中的400W標(biāo)稱(chēng)的筒式加熱器，安裝在一個(gè)測(cè)微條形平臺(tái)上的水冷冷卻平板(鍍銀銅板)。電線(xiàn)是整根的柔性銅線(xiàn)(＜10-4歐姆)。由帶Keithly2001顯示器的Omega RTD控制溫度。對(duì)于10-4歐姆和更高的負(fù)載提供定制電阻器。電壓測(cè)量精度為0.01％，電流測(cè)量精度為1％。將樣片置于熱的板上，并用冷卻板壓在條形定位平臺(tái)上。在提高溫度的情況下，于各平板之間引入氬氣，以防止測(cè)量的氧化。使熱端與安裝的平板和周?chē)目諝鉄岣艚^。
圖37表示輸出的I-V曲線(xiàn)實(shí)例，線(xiàn)42表示單獨(dú)一片樣片的情況，線(xiàn)44表示三片樣片組成的塊，發(fā)射體的溫度是200℃。在熱流降低至少3個(gè)小時(shí)的情況下，在最大輸出功率的點(diǎn)時(shí)，輸出的差小于20％。這意味著所述堆疊結(jié)構(gòu)引人注目地提高效率。此外，由于并非理想的接觸和聲子失調(diào)的影響，每個(gè)界面都引入熱阻。聲子失調(diào)的最小數(shù)值約為4％(參見(jiàn)Swartz，E.F.的“界面熱阻(Thermal Boundary Resistance)”第61卷第3期(1989年7月)，這里將其引入本文)。每個(gè)樣片引入兩個(gè)附加的界面。
代替堆疊形式的樣片，如冷側(cè)上面的發(fā)射體層，與正確建立的堆疊相比，使5個(gè)樣片之堆疊中的輸出在200℃下降低差不多5倍，在300℃下降低差不多2倍。在300℃下，根據(jù)InSb導(dǎo)熱性和電輸出重新計(jì)算，在一些實(shí)例中，效率要好于輸出功率密度為3-8W/cm2理想卡諾循環(huán)的25％。7.附加舉例這一部分?jǐn)⑹鰷y(cè)試裝置的特性、樣片的制備方法，以及關(guān)于含有InSb和/或Hg-Cd-Te材料的實(shí)施例的更加特殊的結(jié)果。
a.制備測(cè)試裝置和樣片根據(jù)激光應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械部件設(shè)計(jì)測(cè)試裝置，包括Coherent不銹鋼試驗(yàn)(電路)板。使測(cè)微條形平臺(tái)和激光頭可有100mm的縱向直線(xiàn)間隔。
由一個(gè)Macor陶瓷環(huán)將所述熱側(cè)面安裝在所述條形平臺(tái)上，并包含一個(gè)整的銅塊，帶有400W的Ogden Scientific標(biāo)稱(chēng)加熱器。所述銅塊與多孔ZrO2陶瓷及玻璃纖維織物熱隔絕。由不含氧的銅制成可互換的銅棒，所述不含氧的銅涂有2微米的銀，用以將熱量釋放給樣片。每根棒至少有兩個(gè)孔，被設(shè)定用來(lái)接納溫度傳感器。通過(guò)沿著棒在兩個(gè)點(diǎn)測(cè)量溫度，并知道棒的導(dǎo)熱性和斷面，確定流到樣片的熱量。
將一塊涂有銀的水冷冷卻板安置在光學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的頂部，這是一個(gè)具有紐波特(Newport)三軸“球窩”平臺(tái)，它能使冷、熱平板平行對(duì)準(zhǔn)。
電流引線(xiàn)是鍍銀的編織銅線(xiàn)，電阻約為10-4歐姆。負(fù)載電阻的范圍在10-5歐姆到10-1歐姆，由銅和不銹鋼制成，并通過(guò)整個(gè)螺栓與各電流引線(xiàn)相連。
由Xantrex300-3.5直流電源為加熱器供電。使用4線(xiàn)結(jié)構(gòu)的HP34420ANIST-可追蹤毫微伏/微歐姆計(jì)測(cè)量負(fù)載及樣片電阻兩端的電壓。把Keithly2001萬(wàn)用表用作Omega熱電偶和RTD溫度傳感器的讀出裝置。用AmprobeA-1000變換器測(cè)量電流。所述負(fù)載和導(dǎo)線(xiàn)電阻可與電流無(wú)關(guān)地得到測(cè)量。除了電流小于1A外，所有被測(cè)量的參數(shù)的精確度都優(yōu)于1％。
為了防止樣片和各接點(diǎn)在溫度升高時(shí)氧化，用Capton金屬箔罩將氬氣引入到所述熱平板和冷平板之間。
制備樣片的材料是直徑約為2″厚度500μ的InSb晶片(Wafer Tech，U.K.)晶片的兩面被拋光約為20RMS(均方根)。標(biāo)準(zhǔn)攙雜(Te)濃度約為1018cm-3。用磁控管濺射沉積發(fā)射體層。也可以使用攙雜有3×1019cm-3Te的InSb靶。發(fā)射體層的厚度在約400到約15000的范圍。本發(fā)明一些實(shí)施例中的發(fā)射體厚度至少為大約400。此外，本發(fā)明前后文的原則并未對(duì)發(fā)射體的厚度強(qiáng)加任何限制，因此，本發(fā)明的各實(shí)施例并不受這種厚度上界的限制。
為了形成補(bǔ)償層，在半導(dǎo)體中放入大約1018cm-3p-型雜質(zhì)，以將已經(jīng)存在的濃度在大約1018cm-3的n-型攙雜(Te)。InSb中的空穴形成具有大約60meV離子化能量的p-型載流子(參見(jiàn)比如Landolt-Bornstein)，這與Te的離子化能量大體相同。使用TRIM-91軟件計(jì)算注入的劑量，以形成補(bǔ)償層。
然后清洗樣片并分開(kāi)它們，放到注入器中。以不同的劑量給各樣片注入40keV的Ar離子(Core Systems，Inc.，Santa Clara，California)。在大約200℃下以一種轉(zhuǎn)換模式測(cè)試每個(gè)樣片。圖38隨對(duì)于補(bǔ)償二極管所需的計(jì)算劑量一起示出測(cè)試的結(jié)果。由于晶片中攙雜濃度公知的精度約為10％，所以這些劑量可能會(huì)有變化。圖38中的0注入劑量對(duì)應(yīng)于不補(bǔ)償樣片；圖38中大于0的注入劑量與補(bǔ)償樣片有關(guān)。如圖38所示，其中所示補(bǔ)償樣片的最大效率與不補(bǔ)償樣片效率的比較顯示，所述補(bǔ)償層導(dǎo)致性能改善約80％。為了比較，圖38還表示出在給定的注入劑量下預(yù)計(jì)的計(jì)算效率。
對(duì)于InSb中40keV的Ar+的射程近似為400，這足以形成補(bǔ)償層。一層400的層傾向于在溫度升高時(shí)加快空穴的擴(kuò)散損失。為了避免這種擴(kuò)散損失，在另一些實(shí)施例中實(shí)行He離子注入。這些實(shí)施例中的He離子層厚度為幾個(gè)微米的量級(jí)，這增強(qiáng)了注入層的有效壽命。例如，在1微米情況下，InSb中空穴的估計(jì)擴(kuò)散半壽命在200℃下差不多為1年。由于補(bǔ)償層被置于本發(fā)明實(shí)施例的冷側(cè)，所以當(dāng)補(bǔ)償層為幾個(gè)微米厚時(shí)，通常能避免擴(kuò)散的問(wèn)題。計(jì)算的InSb中4He離子的離子射程及空穴形成被示于圖39-40中。
b.具有Hg1-xCdxTe的實(shí)施例Hg1-xCdxTe半導(dǎo)體(下稱(chēng)“MCT”)在0.08≤x≤0.15時(shí)具有非常好的熱離子品質(zhì)因數(shù)值，其中的上下界是近似給出的。x的優(yōu)選值約為0.14。本發(fā)明的各實(shí)施例具有500微米厚的Hg0.86Cd0.14Te晶片(LockheedMartin IR Imaging Systems)。MCT與各種基底反應(yīng)，密集地形成攙雜施主層(與諸如In，F(xiàn)e，Ga和Al等金屬反應(yīng))或受主層(與諸如Ag，Au和Bi等金屬反應(yīng))，反應(yīng)速率與材料及溫度有關(guān)。參見(jiàn)P.Caper，的“窄間隙鎘基組分的性質(zhì)(Properties of Narrow Gap Cadmium-basedCompounds)”，INSPEC，1994，這里引用該文。
MCT的反應(yīng)使得比InSb易于建立n*/n發(fā)射體層，因?yàn)镮nSb反應(yīng)很差，而且為了形成n*區(qū)，需要較為復(fù)雜的離子注入技術(shù)。此外，InSb限于約2-3×1019cm-3的攙雜濃度。
本發(fā)明各實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)表明，形成施主雜質(zhì)的基底是首選的，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生較高的電流密度。如圖41所示，沒(méi)有載流子注射層的熱電子響應(yīng)所產(chǎn)生的電流密度表現(xiàn)出很小或者不隨溫度改變。例如，銅形成受主雜質(zhì)，并且不應(yīng)當(dāng)形成n*區(qū)。相反，譬如Al，In和Ga基底在MCT中形成n-型雜質(zhì)，并且，它們形成電子注入n*區(qū)。圖41表明，對(duì)于Hg0.86Cd0.14Te樣片而言，電流密度作為溫度的函數(shù)，它們當(dāng)中之一具有Cu發(fā)射體層，另一個(gè)具有In-Ga發(fā)射體層，與基底組合成In0.75Ga0.25。接觸電阻在兩種情況下受到調(diào)整，以保證氧化層在所觀(guān)察到的結(jié)果中不起重要的角色。特別是發(fā)現(xiàn)In-Ga造成比銅略好的接觸(對(duì)于In-Ga約為92mΩ，對(duì)于銅約為103mΩ)。如圖41所示，對(duì)于具有銅的樣片而言，電流密度作為溫度的函數(shù)是平直的。MCT樣片能夠冷卻下來(lái)，并將約20-50微米厚度的In-Ga層置于銅基底的頂上。如圖41所示，所電流密度表現(xiàn)出隨溫度的變化只與具有銅的樣片在溫度達(dá)到70℃時(shí)的表現(xiàn)相類(lèi)似。同一幅圖表明，所述這一點(diǎn)指出電流密度明顯地隨溫度而增大。這歸因于受主型雜質(zhì)被n-型雜質(zhì)所淹沒(méi)，從而使樣片表現(xiàn)出載流子注射模式具有高很多倍的電流輸出。輸出電壓在兩種情況下近似相同，出大約290到大約350μV/K，并與公知的MCT的熱電子Zeebeck系數(shù)一致。
不同的施主材料導(dǎo)致不同的電流密度。圖42表示兩個(gè)Hg0.86Cd0.14Te樣片的電流密度作為溫度的函數(shù)，其中的一個(gè)具有Al基底，另一個(gè)具有In-Ga基底。這種基底是優(yōu)選組合是In0.75Ga0.25。這種In-Ga基底形成比Al更好的發(fā)射體，因?yàn)閷?duì)于具有In-Ga的樣片而言，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，作為溫度函數(shù)的電流密度始終是比較高的。雖然沒(méi)有示出電流密度對(duì)溫度的曲線(xiàn)形式，但I(xiàn)n形成的發(fā)射體比Ga更好，特別是具有純In的基底。諸如Al，In和Ga的基底是在MCT中形成n-型雜質(zhì)基底的實(shí)例，其中所述MCT形成電子注射的n*-型區(qū)。
圖43表示本發(fā)明MCT變換器一種實(shí)施例所表現(xiàn)的絕對(duì)效率，其中通過(guò)MCT與In0.75Ga0.25共晶體反應(yīng)，形成n*發(fā)射體層。絕對(duì)效率被定義為電功率輸出與通過(guò)樣片之熱流的比值。按照理想卡諾循環(huán)效率的百分比重新計(jì)算圖43所表示的同樣數(shù)據(jù)，它們被示于圖44中。理想卡諾循環(huán)效率ηc被定義為ηc＝(T熱-T冷)/T熱。公認(rèn)的是，超過(guò)30％的理想卡諾循環(huán)效率都是超過(guò)任何現(xiàn)有熱電子裝置的能力的，而且普通熱電子裝置很難達(dá)到20％的理想卡諾循環(huán)效率。相反，圖44表明本發(fā)明的各實(shí)施例，在具有T冷＝20.5℃、大約100℃到大約175℃的范圍內(nèi)都能產(chǎn)生超過(guò)20％的理想卡諾循環(huán)效率，而且在大約150℃到大約160℃的范圍內(nèi)，其效率超過(guò)30％的理想卡諾循環(huán)效率。
超過(guò)150-160℃，變換器性能下降可能是歸因于發(fā)射體層的分離和/或注射的載流子重新結(jié)合。為避免這種變換器性能下降，本發(fā)明的各實(shí)施例都包含一個(gè)擴(kuò)散阻擋層。一個(gè)達(dá)到大約10的鐿層是這種擴(kuò)散阻擋層的實(shí)例。厚度達(dá)到大約10是首選的，因?yàn)檫@種金屬層并不明顯地影響電子的遷移特性。其它制成擴(kuò)散阻擋層的方法比如參見(jiàn)A.Raisanen等人的“II-VI半導(dǎo)體的特性(Properties of II-VI Semiconductors)，MRS協(xié)會(huì)論文集，會(huì)刊1990年第161卷第297-302頁(yè)”，這里引用該文。c.具有InSb/Hg1-xCdxTe夾層的實(shí)施例如上所述，本發(fā)明的實(shí)施例包含多個(gè)被堆疊的InSb片結(jié)構(gòu)，具有熱端發(fā)射體，表現(xiàn)出明顯提高的效率。這些類(lèi)型半導(dǎo)體的效率是如下確定的。
InSb和NCT在不同溫度下表現(xiàn)出最好的性能對(duì)于InSb是從大約300-350℃，而對(duì)于MCT是大約150℃。考慮到這些不同的溫度，本發(fā)明變換器的各實(shí)施例對(duì)于兩種材料都是最好的。
MCT的導(dǎo)熱性小，這使得難以直接測(cè)量熱流，特別是在測(cè)量必須取較小樣片的情況下。此外，本發(fā)明實(shí)施例中所用某些樣片的尺寸至多是幾個(gè)平方毫米，而且由于這些被減小了的尺寸，不適宜于用適宜的溫度傳感器做接觸溫度測(cè)量。另外，這些小尺寸樣片不允許使用標(biāo)準(zhǔn)的IR圖像攝像機(jī)，因?yàn)檫@種IR圖像攝像機(jī)的空間分辨率有限。一種定制的光學(xué)IR攝像機(jī)避免了這一問(wèn)題。
另一種方法也適于這些實(shí)施例，它提示出如下的假設(shè)。同樣厚度的多個(gè)平板表現(xiàn)出同樣的熱流，基本上沒(méi)有熱損失。所述堆疊兩端的總溫度降落寫(xiě)為ΔT＝ΔT1+ΔT2，其中ΔT1是第一平板兩端的溫度降落，ΔT2是第二平板兩端的溫度降落。InSb和MCT的溫度對(duì)導(dǎo)熱性的關(guān)系分別是λ1(T)和λ2(T)。下面的方程組表示這些變化-λ1(T)ΔT1＝-λ2(T)ΔT2ΔT＝ΔT1+ΔT2可將ΔT確定為冷板與熱板之間的溫度差，并可用ΔT1、λ1(T)和λ2(T)的值迭代第一方程。按照這種迭代程序估算每個(gè)平板兩端的熱流和溫度降落。如上所述，利用電功率輸出與通過(guò)該裝置的熱流的比值計(jì)算變換器的效率。調(diào)整InSb板的厚度，以改變變換器工作溫度的范圍，從小于150℃到大于300℃，基本上具有相同的超過(guò)30％卡諾循環(huán)效率百分?jǐn)?shù)。以所示的紅外成像設(shè)備直接測(cè)量通過(guò)所述變換器的略為低一些的熱流，這或許是由于并非理想的接觸，得到3％-4％的較高效率。本發(fā)明各實(shí)施例中所觀(guān)察到的最大效率超過(guò)40％的卡諾循環(huán)效率。相反，普通變能量換器通常表現(xiàn)出的百分?jǐn)?shù)是大約16％的卡諾循環(huán)效率，而且是在較窄的溫度范圍內(nèi)。
圖45表示本發(fā)明夾層實(shí)施例的效率。這個(gè)實(shí)施例中使用約為1mm厚的InSb板，并且攙雜(Te)濃度約為1018cm-3。發(fā)射體層約為2000，并且包含具有約為3×1019cm-3Te的濺射InSb層。該板涂有含In-Ga的層。In-Ga的最好組合是以In0.75Ga0.25實(shí)施的。這一層的厚度是從大約30微米到大約50微米。第二個(gè)板是Hg1-xCdxTe，其中x最好滿(mǎn)足0.08≤x≤0.15，這里的上下界是近似給定的。這一結(jié)合的更為優(yōu)選形式具有由Hg0.86Cd0.14Te給定的近似理想配比，厚度為大約0.51mm。平均疊層截面積約為1.70×1.52mm2。對(duì)于本實(shí)施例而言，如圖46所示，理想卡諾循環(huán)效率的百分?jǐn)?shù)作為熱板溫度的函數(shù)。圖45-46相關(guān)的T冷是20℃。如圖46所示，本實(shí)施例中在最大效能時(shí)的理想卡諾循環(huán)效率的百分?jǐn)?shù)大致與圖44是顯示的情況相同，不過(guò)本實(shí)施例是在足夠高的溫度下表現(xiàn)這一點(diǎn)的。
d.Hg1-xCdxTe的品質(zhì)因數(shù)如表1所示的那樣，HgTe的品質(zhì)因數(shù)比InSb的大約要好2.5倍。給HgTe附加上Cd提高了載流子的遷移率，降低了導(dǎo)熱性。圖47示出相對(duì)于InSb的歸一化品質(zhì)因數(shù)，Hg1-xCdxTe的歸一化品質(zhì)因數(shù)作為的x函數(shù)。對(duì)于x＝0.08，Hg0.92Cd0.08Te的品質(zhì)因數(shù)約為0.0065，這比HgTe的品質(zhì)因數(shù)好一個(gè)大約為2的因數(shù)。本發(fā)明的其它實(shí)施例中，注意到這個(gè)品質(zhì)因數(shù)是像0.001那樣低。
在本發(fā)明的前后文中還發(fā)現(xiàn)，Hg1-xCdxTe的首選實(shí)施例的x值在從大約0.08到0.15的范圍，并發(fā)現(xiàn)在這個(gè)范圍內(nèi)，這種材料表現(xiàn)出它的熱離子品質(zhì)因數(shù)的最高值，同時(shí)這種材料仍然表現(xiàn)出半導(dǎo)體的各種特性。這支持了上述n*發(fā)射體層與間隙以及補(bǔ)償層與間隙之間的關(guān)系。8.制冷作用的實(shí)施例提供制冷作用的熱離子變換器50(參見(jiàn)圖48和49)的主要組成部件基本上與有如上面所述的將熱能轉(zhuǎn)換成電能之熱二極管10(見(jiàn)圖1和19)的相同。因此，按照本發(fā)明，術(shù)語(yǔ)“熱能的固態(tài)熱離子變換器”這里一般是關(guān)于熱能變換成電能的實(shí)施例的，但也涉及本發(fā)明的制冷實(shí)施例。
圖48說(shuō)明無(wú)補(bǔ)償?shù)臒岫O管，圖49是補(bǔ)償?shù)臒岫O管。熱能變換成電能與制冷實(shí)施例之間的本質(zhì)差別在于，載流子的遷移靠外部電場(chǎng)E外幫助，并且n*-型區(qū)14與熱負(fù)載連接，該負(fù)載要由流到n*-型區(qū)14上第一歐姆接觸52的熱流制冷。n*-型區(qū)14借助絕緣材料54絕熱。除了受熱的n*-型區(qū)14之外，有如熱能變成電能實(shí)施例的情況那樣，熱負(fù)載要由流到圖48所示熱二極管50中的n*-型區(qū)14的熱流Q負(fù)載制冷。間隙區(qū)16鄰近所述n*-型區(qū)14，第二歐姆接觸53具有復(fù)合收集區(qū)56，該區(qū)在所述第二歐姆接觸53與間隙區(qū)16之間。間隙區(qū)16可為n-型、p-型或本征型的。對(duì)于有如圖49所示的補(bǔ)償熱二極管情況，補(bǔ)償區(qū)19在金屬接觸的內(nèi)側(cè)上，它是通過(guò)附加用以抑制電流回流的p-型攙雜而形成的。第二歐姆接觸53的背面的作用就像一個(gè)熱交換器，熱流Q交換消散熱電子的熱量。
圖50表示對(duì)于本發(fā)明制冷實(shí)施例的補(bǔ)償熱二極管的性能系數(shù)(CoP相對(duì)于變換的卡諾循環(huán))作為溫度的函數(shù)。圖50中的性能系數(shù)曲線(xiàn)標(biāo)注有每個(gè)實(shí)施例中的不同間隙材料。相對(duì)于普通裝置，這額外地明顯提高了性能系數(shù)。圖50還表示本發(fā)明的各實(shí)施例在遠(yuǎn)低于200K以下的溫度工作，相反，各種普通裝置通常不能在大約200K以下的溫度工作。
熟悉熱交換領(lǐng)域的人公認(rèn)，可有很多方法實(shí)現(xiàn)熱交換，包括空氣制冷和液體制冷，或者它們的等效方法，但不限于這些。9.應(yīng)用由于能量變換是現(xiàn)代文明的基礎(chǔ)，所以，有效的能量變換具有廣泛的應(yīng)用，如現(xiàn)有的公用電廠(chǎng)、太陽(yáng)能電廠(chǎng)、居民供電、居民/太陽(yáng)能電廠(chǎng)、汽車(chē)、港口、太陽(yáng)能/港口技術(shù)、便攜式電器、環(huán)境熱泵、制冷(制冷器、空調(diào)器等)、航空航天技術(shù)等。
電廠(chǎng)有大量具有300℃或者稍低溫度的廢棄熱能。采用本發(fā)明的實(shí)施例按20-40％的卡諾效率變換這些廢棄的熱能，預(yù)期可額外給出全部工廠(chǎng)效率的10-20％，隨之節(jié)約等價(jià)的燃料。
按照本發(fā)明的低成本能量變換器的增值預(yù)期可降低收集太陽(yáng)能的電廠(chǎng)的成本，所述太陽(yáng)能電廠(chǎng)的效率比現(xiàn)行蒸氣/電力循環(huán)高。運(yùn)行溫度較低還將降低維修成本。
對(duì)于邊遠(yuǎn)地區(qū)來(lái)說(shuō)，建立在直接將熱能變換成電能之變換器基礎(chǔ)上的居民供電是理想的，在那里是難以或者不方便裝設(shè)電線(xiàn)的。熱源可以是化石燃料的形式，或者太陽(yáng)能收集器的形式。太陽(yáng)能收集器也可以是利用晝夜溫差的太陽(yáng)熱水槽。與本發(fā)明各實(shí)施例相關(guān)的幾百立方米的水有上百平方米的表面積，能夠?yàn)榫哂写蠹s10℃溫差的區(qū)域提供室內(nèi)供電。
本發(fā)明的熱二極管與普通能量驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)和電機(jī)結(jié)合，將大大提高汽車(chē)消耗單位數(shù)量汽油所能行駛的里程。
直接的能量變換廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)輛。一種應(yīng)用包含使用本發(fā)明的熱離子裝置作為整個(gè)效率的輔助裝置，采用達(dá)到150到200℃的工作溫度。另一種應(yīng)用是采用電力驅(qū)動(dòng)以及與發(fā)電機(jī)連接之普通引擎驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)，所述發(fā)電機(jī)具有本發(fā)明的變換器，作為中間散熱體。
汽車(chē)的應(yīng)用和推進(jìn)力的應(yīng)用還可用于港口的應(yīng)用中。另外，可將太陽(yáng)能變換器用于帆船的制造。廉價(jià)塑料的菲涅爾光學(xué)透鏡與本發(fā)明熱二極管變換器結(jié)合，可被引入現(xiàn)代的有結(jié)構(gòu)的輕體風(fēng)帆船中，提供對(duì)于風(fēng)能及太陽(yáng)能推動(dòng)船只的利用，具有大約100-200W/m2的帆船分力。、由于本發(fā)明變換器的實(shí)施例可按自身持續(xù)的方式利用非常小的溫度梯度，將用表面上的不對(duì)稱(chēng)熱交換形成各個(gè)熱接收器之間的溫度梯度(如可使一個(gè)熱接收器被絕熱)。還有，直到發(fā)生故障之前，系統(tǒng)一直在運(yùn)行，制冷環(huán)境以及產(chǎn)生電能?？偫ǘ裕@里所述的方法和裝置是對(duì)能量轉(zhuǎn)換的現(xiàn)有技術(shù)的明顯改進(jìn)。
還可以其它特定的方式實(shí)施本發(fā)明，而不致脫離它的精髓和特點(diǎn)。所述各實(shí)施例被認(rèn)為只是作為說(shuō)明，而不是限制。因此，本發(fā)明的范圍除前述外是由所附各權(quán)利要求定義的。權(quán)利要求的定義和等效范圍內(nèi)的所有變化都包含于它們的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)熱離子變換器，其特征在于，它包括發(fā)射體，具有至少包含濃度為Nd*的第一施主的區(qū)域；收集體；和在所述發(fā)射體與收集體之間的間隙區(qū)域，與所述發(fā)射體和收集體電氣聯(lián)系和熱聯(lián)系；所述間隙區(qū)域包含半導(dǎo)體，所述半導(dǎo)體包含具有濃度為Nd的第二施主，選擇所述第二施主的濃度，使Nd*/Nd的自然對(duì)數(shù)值在大于0到大約7的值之間。
2.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，還包括被置于所述間隙區(qū)域與收集體之間的補(bǔ)償區(qū)，設(shè)置所述補(bǔ)償區(qū)，以抑制從所述收集體到間隙區(qū)的電流回流。
3.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述Nd*/Nd的自然對(duì)數(shù)值在大約3到7之間的范圍。
4.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，在電流從所述發(fā)射體流向收集體時(shí)，所述發(fā)射體的溫度高于所述收集體的溫度。
5.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體包含金屬。
6.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含n-型半導(dǎo)體。
7.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，還包括復(fù)合區(qū)，它被置于所述間隙區(qū)域與收集體之間的電氣聯(lián)系中，或者包含與所述間隙區(qū)域電氣聯(lián)系的收集體的一部分。
8.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體包含InSb。
9.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體包含攙雜Te的InSb。
10.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含攙雜Te的InSb，攙雜濃度在從大約1016cm-3到大約3×1019cm-3的范圍。
11.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體包含攙雜Te的InSb，攙雜濃度在從大約1018cm-3到大約3×1019cm-3的范圍。
12.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含攙雜Te的InSb，攙雜濃度約為1018cm-3。
13.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體的厚度至少約為400。
14.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含半導(dǎo)體，它的無(wú)量綱歸一化導(dǎo)電系數(shù)x在從大約1到大約0.001的范圍。
15.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含HgSe。
16.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含HgTe。
17.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含Bi1-ySby，其中y在大約0.05至大約0.2范圍內(nèi)。
18.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含SezTe1-z，其中z滿(mǎn)足0≤z≤1。
19.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含Hg1-xCdxTe，其中x在大約0.08至大約0.2范圍內(nèi)。
20.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含Hg1-xCdxTe，其中x約為0.08。
21.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含攙雜的半導(dǎo)體，攙雜濃度在從大約1015cm-3到大約1020cm-3的范圍。
22.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含p-型半導(dǎo)體。
23.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述間隙區(qū)域包含本征型半導(dǎo)體。
24.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，對(duì)于電子從所述發(fā)射體發(fā)射到所述間隙區(qū)域的能量勢(shì)壘在從大約4kBT到大約5kBT范圍，其中kB是玻茲曼常數(shù)，而T是絕對(duì)溫度，在該溫度下發(fā)生電子發(fā)射。
25.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體是絕熱的。
26.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，還包括第一歐姆接觸，與所述發(fā)射體電氣聯(lián)系和熱聯(lián)系；在所述第一歐姆接觸與發(fā)射體之間的金屬-半導(dǎo)體-界面-勢(shì)壘-降低層第二歐姆接觸，與所述收集體電氣聯(lián)系。
27.如權(quán)利要求26所述的變換器，其特征在于，所述收集體形成于所述第二歐姆接觸上。
28.如權(quán)利要求26所述的變換器，其特征在于，還包括沉積在所述第一和第二歐姆接觸至少之一上的導(dǎo)熱層。
29.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，還包括冷歐姆接觸，與所述間隙區(qū)域電氣聯(lián)系和熱聯(lián)系；其中所述冷歐姆接觸包含緊跟在所述間隙區(qū)域之后的所述收集體，所述收集體包含復(fù)合收集區(qū)；以及補(bǔ)償區(qū)，它被置于所述間隙區(qū)域與收集體之間，設(shè)置所述補(bǔ)償區(qū)，以抑制電流從所述收集體流到間隙區(qū)域。
30.如權(quán)利要求29所述的變換器，其特征在于，所述復(fù)合收集區(qū)形成于所述冷歐姆接觸上。
31.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，還包括補(bǔ)償區(qū)，使所述間隙區(qū)域位于所述發(fā)射體與該補(bǔ)償區(qū)之間，其中所述收集體與所述補(bǔ)償區(qū)電接觸和熱接觸；所述補(bǔ)償區(qū)具有p-型攙雜，使從所述收集體到間隙區(qū)的電流實(shí)質(zhì)上能夠被抑制，而允許熱離子流能夠從所述間隙區(qū)域流到所述收集體。
32.如權(quán)利要求31所述的變換器，其特征在于，在電流在所述發(fā)射體與收集體之間流動(dòng)時(shí)，所述發(fā)射體的溫度高于所述收集體的溫度。
33.一種固態(tài)熱離子變換器，包括多個(gè)串聯(lián)布置的分開(kāi)的變換器，其特征在于，所述每個(gè)分開(kāi)的變換器是權(quán)利要求31中所述的變換器。
34.如權(quán)利要求31所述的變換器，其特征在于，通過(guò)將離子注入所述間隙區(qū)域形成所述補(bǔ)償區(qū)。
35.如權(quán)利要求31所述的變換器，其特征在于，所述補(bǔ)償區(qū)包含由離子注入形成的空穴。
36.如權(quán)利要求31所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體是絕熱的。
37.一種固態(tài)熱離子熱能變換器，其特征在于，它包括發(fā)射體，至少具有Hg1-xCdxTe與含In基底的一種反應(yīng)產(chǎn)物；收集體；在所述發(fā)射體與收集體之間的間隙區(qū)域，與所述發(fā)射體和收集體電氣聯(lián)系和熱聯(lián)系；所述間隙區(qū)域包含半導(dǎo)體，該半導(dǎo)體選自一組n-型、p-型和本征型半導(dǎo)體。
38.如權(quán)利要求37所述的變換器，其特征在于，還包括被置于所述間隙區(qū)域與收集體之間的補(bǔ)償區(qū)，設(shè)置所述補(bǔ)償區(qū)，以抑制從所述收集體到間隙區(qū)的電流。
39.如權(quán)利要求37所述的變換器，其特征在于，所述基底包含In-Ga。
40.如權(quán)利要求37所述的變換器，其特征在于，所述x在從大約0.08到大約0.25范圍內(nèi)。
41.如權(quán)利要求37所述的變換器，其特征在于，所述x在從大約0.08到大約0.09范圍內(nèi)。
42.如權(quán)利要求37所述的變換器，其特征在于，所述基底包含In1-wGaw，其中w在從大約0.1到大約0.3范圍內(nèi)。
43.如權(quán)利要求37所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體設(shè)有擴(kuò)散阻擋層。
44.如權(quán)利要求37所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體設(shè)有包含鐿的擴(kuò)散阻擋層。
45.如權(quán)利要求37所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體是絕熱的。
46.一種固態(tài)熱離子熱能變換器，其特征在于，它包括多個(gè)平板Pi，具有1≤i≤m，其中m是所述平板的總數(shù)；所述每個(gè)平板Pi具有發(fā)射體Ei，它具有至少一個(gè)區(qū)域包含具有濃度為Nd*的第一施主；收集體Ci；在所述發(fā)射體Ei與收集體Ci之間的間隙區(qū)域Gi，與所述發(fā)射體Ei和收集體Ci電氣聯(lián)系和熱聯(lián)系；所述間隙區(qū)域Gi包含半導(dǎo)體，所述半導(dǎo)體包含具有濃度為Nd的第二施主，選擇所述第二施主的濃度，使Nd*/Nd的自然對(duì)數(shù)值在大于0到大約7的數(shù)字值之間，并使1≤i≤m；其中每個(gè)平板具Pj具有發(fā)射體Ej+1、間隙區(qū)域Gj+1和收集體Cj+1，設(shè)置使得與一組發(fā)射體Ej、間隙區(qū)域Gj和收集體Cj串聯(lián)連接，其中1≤j≤(m-1)；標(biāo)號(hào)i和j都是整數(shù)，并且使收集體Cj與發(fā)射體Ej+1電連接，每個(gè)j都滿(mǎn)足1≤j≤(m-1)。
47.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，所述Nd*/Nd的自然對(duì)數(shù)值在大約3到7之間的范圍。
48.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，還包括設(shè)置于所述間隙區(qū)域Gj和收集體Cj之間的補(bǔ)償區(qū)，設(shè)置所述補(bǔ)償區(qū)Ri，以抑制從所述收集體到間隙區(qū)域的電流回流；其中每個(gè)平板具Pj具有發(fā)射體Ej+1、間隙區(qū)域Gj+i、補(bǔ)償區(qū)Rj+1和收集體Cj+1，設(shè)置使得與一組發(fā)射體Ej、間隙區(qū)域Gj、補(bǔ)償區(qū)Rj+1和收集體Cj串聯(lián)連接，其中1≤j≤(m-1)。
49.如權(quán)利要求48所述的變換器，其特征在于，所述發(fā)射體Ei和Ej實(shí)際上包括相同的材料，所述收集體Ci和Cj實(shí)際上包括相同的材料，以及所述補(bǔ)償區(qū)Ri和Rj實(shí)際上包括相同的材料，其中i≠j，并且1≤i≤m和1≤j≤m。
50.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，當(dāng)電流在所述發(fā)射體Ei和收集體Ci之間流動(dòng)時(shí)，所述每個(gè)發(fā)射體Ei的溫度高于所述每個(gè)收集體Ci的溫度
51.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，所述第一平板P1包含InSb。
52.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，所述第一平板P1包含攙雜Te的InSb。
53.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，所述第一平板P1包含攙雜Te的InSb，攙雜濃度約為1018cm-3。
54.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，至少所述第一平板發(fā)射體E1包含攙雜Te的InSb。
55.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，至少所述第一平板發(fā)射體E1包含攙雜Te的InSb，攙雜濃度約為3×1019cm-3。
56.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，至少所述第一平板P1被涂以含有In-Ga的材料。
57.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，至少所述第一平板P1被涂以含有In1-uGau的材料，其中u在0到大約0.3范圍內(nèi)。
58.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，至少所述第一平板P1被涂以含有In1-uGau的材料，其中u約為0.25。
59.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，至少所述一個(gè)平板包含Hg1-xCdxTe，其中x在大約0.08至大約0.2范圍內(nèi)。
60.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，至少所述一個(gè)平板包含Hg1-xCdxTe，其中x在大約0.08至大約0.14范圍內(nèi)。
61.如權(quán)利要求46所述的變換器，其特征在于，所述第一發(fā)射體E1是絕熱的。
62.一種使用固態(tài)熱離子變換器將熱能變換成電能的方法，所述方法包括將熱離子變換器與外部負(fù)載電連接的步驟；所述熱離子變換器包括熱離子變換器與外部負(fù)載電連接；所述熱離子變換器具有發(fā)射體；收集體；和在所述發(fā)射體與收集體之間的間隙區(qū)域，與所述發(fā)射體和收集體電氣聯(lián)系和熱聯(lián)系；將熱能發(fā)送到所述熱離子變換器的發(fā)射體，使得在所述發(fā)射體和收集體之間建立溫度梯度，并且當(dāng)把所述熱能發(fā)送到所述發(fā)射體時(shí)，在所述發(fā)射體和收集體之間建立電勢(shì)差，所述熱離子變換器以至少25％理想卡諾循環(huán)效率將熱能轉(zhuǎn)換成電能。
63.如權(quán)利要求62所述的方法，其特征在于，所述發(fā)射體的溫度在大約20℃到大約400℃范圍內(nèi)。
64.一種使用固態(tài)熱離子變換器制冷的方法，其特征在于，所述方法包括步驟在外部建立熱離子變換器兩端的電勢(shì)差，所述熱離子交換器具有使發(fā)射體絕熱，所述發(fā)射體具有至少一個(gè)區(qū)域包含具有濃度為Nd*的第一施主；收集體；在所述發(fā)射體與收集體之間的間隙區(qū)域，與所述發(fā)射體和收集體電氣聯(lián)系和熱聯(lián)系；所述間隙區(qū)域包含半導(dǎo)體，所述半導(dǎo)體包含具有濃度為Nd的第二施主，選擇所述第二施主的濃度，使Nd*/Nd的自然對(duì)數(shù)值在大于0到大約7的數(shù)字值之間；將熱負(fù)載遞送到所述發(fā)射體，隨著所述外部建立的電勢(shì)差在所述發(fā)射體與收集體之間引起電流流動(dòng)，由熱流使所述熱負(fù)載被冷卻。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于，所述Nd*/Nd的自然對(duì)數(shù)值在大約3到7之間的范圍。
66.如權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于，所述熱離子變換器還具有被置于所述間隙區(qū)域與收集體之間的補(bǔ)償區(qū)，設(shè)置所述補(bǔ)償區(qū)，以抑制從所述收集體到間隙區(qū)的電流回流。
全文摘要
固態(tài)熱離子能量變換器半導(dǎo)體二極管用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能的儀器和方法，以及將電能用于制冷。本發(fā)明的實(shí)施例中，高攙雜的n
文檔編號(hào)H01L35/30GK1428020SQ01809101
公開(kāi)日2003年7月2日 申請(qǐng)日期2001年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月6日
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