ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2006 года по МПК H01L35/00 H01J45/00 

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 донорной примеси (примеси, создающие избыток электронов). Например, материал InSb может быть легирован теллуром или серой (Те или S). При этом в контексте настоящего изобретения было определено, что преобразование энергии представляет собой функцию нормированной электропроводности χ полупроводника, которая, в свою очередь, представляет собой функцию параметров материала и пикового легирования материала полупроводника эмиттера.

Соответствующие параметры материала были исследованы в контексте настоящего изобретения для определения полезных рабочих режимов для ряда полупроводников. Эта оценка представлена ниже для иллюстрации того, как выбирали соответствующие параметры полупроводника из ряда материалов, и как этот выбор и оценка могут быть расширены в пределах объема настоящего изобретения на дополнительные материалы, указанные ниже.

В таблице 1 приведен список параметров материала, включая подвижность электронов и теплопроводность, и связанные с ними оценки значения χ. Оценки значений для нормированной электропроводности χ были получены с использованием уровня концентрации N*_D=10²⁰ см^-3, при этом можно видеть широкий диапазон (практически четыре порядка по величине) возможных значений нормированной электропроводности χ. Данные для построения этой таблицы приведены на основании публикации CRC Handbook of Chemistry and Physics, 67-oe издание. Материалы с малым значением χ являются более предпочтительными. В соответствии с этим критерием, предпочтительный материал среди полупроводников, представленных в таблице 1, представляет собой селенид ртути, с соответствующим значением χ=0,014. При такой нормированной электропроводности и сниженном потенциале 5 КПД оптимизированного барьера достигает приблизительно 13,3% и 23,8% для отношения разностей температур эмиттер-коллектор к температуре эмиттера (Δτ) 0,3 и 0,5, соответственно. Эти значения КПД близки к половине максимальных значений термодинамики.

ТАБЛИЦА 1ПолупроводникχHgSe200000,0100,014HgTe250000,0200,022InSb780000,1600,057CdSnAs₂220000,0700,089InAs330000,2900,25PbTe16000,0230,40PbSe10000,0170,47ZnO1800,0060,93PbS6000.0231,07GaAs88000,3701,18GaSb40000,2701,89CdO1000,0071,96Ge38000,6404,72InP46000,8004,87Si19001,24018,3GaP3001,100103Bi_0,9Sb_0,1500000,0500,028Se+Te_1-x100000,0350,097Bi (||треуг. ось)350000,0530,042

Как подвижность, так и теплопроводность, в общем, являются функциями температуры. В InSb, как подвижность, так и проводимость снижаются при повышении температуры. Получаемая в результате зависимость χ от температуры изображена на фигуре 3. На фигуре 3 изображен нормированный параметр χ проводимости (также называемый "показатель качества") как функция температуры для материала InSb, при условии, что N*_D=10²⁰ см^-3. Результаты показаны для областей промежутка n-типа с плотностями легирования N_D=10¹⁵, 10¹⁶, 10¹⁷, 10¹⁸ единиц см^-3. Как можно видеть, нормированная проводимость уменьшается при повышении температуры. Кроме того, нормированная проводимость уменьшается в присутствии фоновых носителей заряда, поскольку подвижность электронов в InSb уменьшается при повышении плотности легирования. В более общем смысле, на фигуре 5В показана зависимость нормированной проводимости χ для нескольких полупроводников.

Полупроводники, приведенные в Таблице 1, представляют собой материалы, которые могут использоваться в вариантах воплощения настоящего изобретения. InSb является одним из материалов среди этих полупроводников. Как будет показано ниже, материал Hg_1-xCd_xTe представляет собой другой полупроводник и проявляет свойство нормированной проводимости, составляющей приблизительно половину значения для такого параметра HgSe.

В контексте настоящего изобретения было определено, что концентрации в областях эмиттера и промежутка могут быть связаны с барьером потенциала эмиттер-промежуток. Более конкретно, было определено, что барьер потенциала между эмиттером и концентрациями легирования промежутка р-типа составляет

где Δu представляет барьер потенциала эмиттер-промежуток, и представляют концентрации ионизированного донора и акцептора, n_i - плотность беспримесного носителя, и Т_max представляет максимальную температуру эмиттера.

Барьер, в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения, составляет величину до приблизительно 7, предпочтительно, в диапазоне от приблизительно 1,5 до приблизительно 7, и более предпочтительно, от приблизительно 3 до приблизительно 7. К сожалению, такое значение является недостижимым для InSb в отсутствие независимого смещения промежутка для области промежутка р-типа при температурах, близких к комнатной температуре.

В случае перехода эмиттер n* - промежуток n-типа было определено, что высота барьера составляет

Нормированное значение высоты барьера 5-7 соответствует уровню легирования е⁵-е⁷, что в цифровом выражении составляет 150-1100. Если область n* легирована до уровня 10²⁰ см^-3, то легирование области промежутка должно быть в диапазоне от 9×10¹⁶ см^-3 до 7×10¹⁷ см^-3.

2. Результаты для Теплового Диода InSb

а. Инжектирование носителя заряда

Как показано на фигуре 2, эмиттер представляет собой горячую область 14 n*, изображенную с левой стороны. Область 16 промежутка представляет собой широкую область в центре, которая может быть либо областью n-типа, либо областью р-типа (хотя было определено, что более высокий КПД достигается при использовании промежутка n-типа). Коллектор изображен здесь как область 18 рекомбинации коллектора и холодный металлический контакт 20. Исходная предпосылка представленного здесь варианта конструкции, в соответствии с настоящим изобретением, состоит в том, что носители заряда выталкиваются под действием тепла из области 14 горячего эмиттера в область 16 промежутка, где они переносятся к области 18 коллектора и контакту 20.

В данной секции описаны вопросы, связанные с инжектированием носителей заряда из эмиттера в область промежутка, с тремя различными вариантами типа области промежутка (р-типа, беспримесный полупроводник и n-типа). Инжектирование электронов в область промежутка р-типа представляет собой гораздо более простую задачу для анализа, но при этом существует значительный барьер, который возникает в обедненной области. Оптимальный КПД достигается, когда барьер составляет порядка 4 k_BT. Барьер между n* эмиттером и промежутком р-типа приближается к уровню 8-9 k_BT. Следовательно, для инжектирования большего количества носителей заряда требуется более низкий барьер. Более низкие барьеры образуются при использовании областей промежутка n-типа с умеренной концентрацией, однако при этом следует понимать, что большая часть носителей заряда будет представлять собой инжектированные носители заряда.

В случае теплового электронного испускания в область промежутка р-типа, в контексте настоящего изобретения использовался анализ npn транзистора с биполярными переходами для того, чтобы показать, что такое описание инжектирования носителей зарядов в принципе является правильным. На фигуре 4 представлены численные решения эмиссии заряда из горячего эмиттера n*-типа в область промежутка р-типа. Можно видеть, что электроны поступают в область промежутка и экранируются большинством носителей заряда в виде дырок, и перенос меньшего количества носителей заряда в основном происходит благодаря диффузии. При этом дырки действуют как экран для поля в области промежутка.

Существенное снижение высоты барьера происходит, когда область промежутка выполнена на основе беспримесного полупроводника. Поскольку плотности инжектируемых носителей заряда могут быть существенными, используется область промежутка n-типа с незначительным легированием с количеством доноров 10¹⁴ см^-3, которая имитирует область промежутка на основе беспримесного полупроводника. Такая имитируемая область промежутка на основе беспримесного полупроводника позволяет получить более низкий потенциальный барьер, чем с использованием чисто беспримесной области промежутка. Результаты инжектирования носителей заряда в этом случае представлены на фигуре 4. На фигуре 4 показаны концентрации электронов и дырок для термоэлектронной структуры n*pn* в InSb. Концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет 10²⁰ см^-3, и концентрация акцептора в области промежутка составляет 10¹⁷ см^-3. Эмиттер нагревали до температуры 600 К, и коллектор имел температуру 300 К. На чертеже показаны три случая: разомкнутая цепь i=0 (равновесие), при которой не происходит инжектирование носителей заряда; короткозамкнутая цепь ν=0 с максимальным током; и промежуточный случай, когда ν равно половине напряжения разомкнутой цепи. При этом видно, что плотности электронов и дырок становятся практически равными, что подразумевает поддержание нейтрального уровня заряда в области промежутка, насколько это можно понять на графике такого типа. При этом численным способом было проверено, что инжектирование заряда в область беспримесного полупроводника является возможной, и что электроны, инжектированные в область промежутка, могут переноситься в область коллектора.

Результаты инжектирования носителя заряда в этом случае дополнительно показаны на фигуре 5. На фигуре 5 показаны концентрации электронов для термоэлектронной структуры n*nn* в InSb. Концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет для этого случая 10²⁰ см^-3, и концентрация донора в области промежутка составляет 10¹⁴ см^-3. Эмиттер нагрет до температуры 600 К, и температура коллектора составляет 300 К. На чертежах показаны три случая: разомкнутой цепи i=0 (равновесное состояние) без инжектирования носителей заряда; короткозамкнутой цепи ν=0 при максимальном токе; и промежуточный случай, когда ν равно половине напряжения в состоянии разомкнутой цепи. Можно видеть, что плотности электронов и дырок становятся практически равными, что подразумевает то, что нейтральный заряд поддерживается в области промежутка в тех пределах, которые можно видеть на графике такого типа. При этом численным способом было подтверждено, что инжектирование заряда в область беспримесного полупроводника является возможным и, что электроны, инжектированные в область промежутка, могут переноситься в область коллектора без каких-либо затруднений.

Ниже будет описан случай, когда носители заряда инжектируют из области эмиттера n*-типа в область промежутка n-типа с умеренным легированием. Численные результаты показаны на фигуре 6. На фигуре 6 представлены концентрации электронов и дырок для термоэлектронной структура n*nn* в InSb. Концентрация донора в областях эмиттера и коллектора составляет 10²⁰ см^-3, и концентрация донора в области промежутка составляет 8×10¹⁷ см^-3. Эмиттер нагревали до 600 К, и температура коллектора составляла 300 К. На чертежах изображены три случая: разомкнутой цепи i=0 (равновесное состояние) без инжектирования носителя заряда; короткозамкнутой цепи ν=0 при максимальном токе; и промежуточный случай, когда ν равно половине напряжения разомкнутой цепи. При этом наблюдалось, что возникает электронное инжектирование, и что перенос все еще, в большей или меньшей степени, является диффузионным переносом.

Представленные выше результаты показывают, что инжектирование электронов из области эмиттера n* в область промежутка происходит, как и ожидалось, в случае промежутка р-типа и в области промежутка из беспримесного полупроводника и промежутка n-типа. Можно ожидать, что инжектирование в область промежутка р-типа происходит в соответствии с диодной закономерностью. Нагрев области эмиттера по отношению к коллектору приводит к тепловому генерированию ЭДС. Коллектор в этой конфигурации играет ту же роль, что и металлизированный контакт в диоде. Следовательно, ток может быть вычислен непосредственно по характеристикам диода. Однако при инжектировании электронов в область промежутка из беспримесного полупроводника и полупроводника n-типа, которое будет описано ниже, нет основания априори ожидать, что будет удовлетворяться диодная закономерность. Поэтому интересно исследовать, распространяется ли поведение диодного типа на новые режимы, и какого рода изменения можно ожидать.

Для проведения такого исследования требуется получить характеристики зависимости тока от напряжения с учетом того, что в преобразователе тепловой энергии, вероятно, нет возможности регулировать напряжение. Высота барьера может быть изменена путем выбора характеристик легирования области промежутка. На фигуре 7 показана нормированная высота барьера для примера, описанного выше, как функция степени легирования промежутка. На фигуре 7 показана нормированная высота Δu барьера как функция концентрации легирования. Предполагается, что эмиттер легирован таким образом, что в нем содержится 10²⁰ электронов/см³. Предполагается, что доноры и акцепторы в промежутке полностью ионизированы. Используя этот результат как зависимость между степенью легирования и высотой барьера, проводилось моделирование тока короткозамкнутой цепи, как функции степени легирования промежутка, и результаты были показаны как график зависимости величины тока функции от высоты барьера. Это изображено на фигуре 8. На фигуре 8 показан ток короткого замыкания как функция нормированной высоты барьера для структур, описанных выше при Т_max=600 К и отношении разности температуры эмиттер-коллектор к температуре эмиттера, равном 0,5. При этом наблюдалось, что диодные характеристики проявлялись в режиме р-типа, далеком от беспримесного полупроводника. Также можно видеть, что поведение, характерное для диодной закономерности, вполне распространяется на режим n-типа. Такое поведение соответствует предположению об инжекции носителей заряда из эмиттера в область промежутка с обеспечением возможности переноса через промежуток в коллектор. Это обеспечивает возможность численной проверки того, что модели, разработанные для этой системы, основанные на поведении диодной характеристики, могут быть соответствующими.

b. Соотношение ток-напряжение, мощность и КПД

После установления основного термоэлектронного эффекта перейдем к описанию основного вопроса, связанного с оптимизацией эффективности.

На фигуре 9 представлены кривые, показывающие вычисленные значения характеристик тока и напряжения для примера материала InSb толщиной 625 мкм, описанного выше, с концентрацией электронов в эмиттере 10²⁰ электронов/см³ и при температуре эмиттера Т_max=600 К и температуре коллектора T_min=300 К. Результаты показаны для плотностей доноров в промежутке 10¹⁷ (самая нижняя кривая на графике), 3×10¹⁷, 5×10¹⁷ и 8×10¹⁷ (самая верхняя кривая на графике) в единицах см^-3. При этом показано, что взаимозависимости тока и напряжения могут быть отлично аппроксимированы линейными зависимостями. Кроме того, отмечено, как определено выше, что электроны, выталкиваемые из эмиттера, приводят к повышению отрицательного тока, а также отрицательного напряжения при разрыве цепи. На фигуре 9 приведены значения как тока, так и напряжения.

На фигуре 10 показана расчетная мощность в нагрузке на единицу площади для примера материала InSb толщиной 625 мкм, описанного выше, с концентрацией электронов в эмиттере 10²⁰ электронов/см³, при температуре Т_max=600 К и температуре коллектора T_min=300 К. Результаты показаны для плотностей доноров в промежутке 10¹⁷ (самая нижняя кривая на графике), 3×10¹⁷, 5×10¹⁷ и 7×10¹⁷ (самая верхняя кривая на графике) в единицах см^-3.

Тепловая мощность на единицу площади, рассеиваемая устройством для условий, использованных в предыдущих примерах, показана на фигуре 11. На фигуре 11 представлена расчетная тепловая мощность, рассеиваемая через единицу площади, для примера материала InSb толщиной 625 мкм, описанного выше, с концентрацией электронов эмиттера 10²⁰ электронов/см³, при температуре эмиттера Т_max=600 К и температуре коллектора T_min=300 К. Результаты показаны для плотностей доноров в промежутке, составляющем 10¹⁷ (самая нижняя кривая на чертеже), 3×10¹⁷, 5×10¹⁷ и 7×10¹⁷ (самая верхняя кривая на графике) в единицах см^-3. При этом можно видеть, что мощность состоит из постоянной составляющей, в соответствии с законом диффузии Фика, при нулевом токе (при напряжении разомкнутой цепи), и члена, который находится в линейной зависимости от тока (и, следовательно, в линейной зависимости по отношению к напряжению).

На фигуре 12 показан КПД как функция напряжения для примера InSb, описанного выше. Здесь показаны результаты вычислений для плотностей донора промежутка, составляющих 10¹⁷ (самая нижняя кривая на графике), 3×10¹⁷, 5×10¹⁷ и 7×10¹⁷ (самая верхняя кривая на графике) в единицах см^-3. Точками отмечены значения КПД в оптимальных точках.

Результаты, представленные выше, показывают, что КПД зависит от степени легирования промежутка, поскольку степень легирования промежутка определяет высоту барьера и соответствующую величину тока. Легирование донорами промежутка на уровне приблизительно 7×10¹⁷ см^-3, видимо, является значением, близким к оптимальному. Для дополнительного исследования такой оптимизации на фигуре 13 показаны результаты численной оптимизации эффективности как функции степени легирования промежутка в широком диапазоне плотностей легирования при фиксированной концентрации ионизированной примеси эмиттера, составляющей 10²⁰ см^-3. Если степень легирования промежутка будет близка к беспримесному полупроводнику, КПД будет невелик. Это, в конце концов, связано с тем, что формируется, соответственно, высокий барьер на переходе эмиттер-промежуток. В соответствии с этим, варианты воплощения со степенью легирования промежутка, близкой к беспримесному полупроводнику, при которой образуется высокий барьер перехода эмиттер-промежуток, обладают низким КПД. Если степень легирования промежутка становится слишком высокой, положительное воздействие низкого барьера перехода эмиттер-промежуток компенсируется за счет отрицательного влияния обратного омического тока. Этот вопрос дополнительно рассмотрен ниже.

с. Исследование степени масштабирования

КПД конструкции теплового диода представляет собой функцию степени легирования эмиттера. При этом предполагается, что толщина материала составляет 625 мкм, степень легирования промежутка поддерживают на уровне 7×10¹⁷ см^-3, и значения температуры эмиттера и коллектора, предполагается, равны 600 К и 300 К, соответственно. Результаты показаны на фигуре 14 для оптимальной эффективности как функция степени легирования эмиттера при фиксированной степени легирования промежутка N_D=7×10¹⁷ см^-3, при этом можно видеть, что КПД монотонно повышается вместе с концентрацией электронов эмиттера, но в меньшей степени, чем по линейному закону. Это происходит благодаря двум эффектам: барьер перехода эмиттер-промежуток повышается при более высоких значениях степени легирования эмиттера, поскольку степень легирования промежутка поддерживается на фиксированном уровне; и подвижность электронов понижается при более высокой концентрации носителей заряда. Оба эти эффекта совместно снижают положительное влияние большей степени легирования эмиттера.

Возможно имплантировать теллур Те (который является донором с самым низким уровнем энергии ионизации) в эмиттер при концентрациях порядка 10²⁰ см^-31. Моделирование с использованием кодов TRIM-91 показывает, что такая высокая плотность легирующего вещества приводит к формированию аморфного слоя эмиттера. Такой слой будет иметь промежуток с другой шириной, другую эффективную массу и подвижность, чем в моделях, приведенных выше. Кроме того, можно ожидать, что степень рекомбинации будет очень высокой. Можно предсказать некоторые следствия этого. Инжекция электронов в промежуток будет ограничена доступными плотностями эмиттера порядка одной длины рекомбинации в эмиттер при измерении со стороны промежутка. Это будет происходить при пространственных масштабах, составляющих порядок средней длины свободного пробега электрона.

Вследствие этого большая область аморфного эмиттера при относительно незначительной длине, которая составляет порядка 1 микрона, весьма вероятно, будет представлять эффективную плотность легирования для промежутка, которая будет гораздо меньше, чем пиковая плотность, получаемая на кромке полупроводника. С другой стороны, резкий профиль n* может привести к формированию свободного потока электронов из аморфной области с высокой степенью легирования в кристаллическую промежуточную область. Последняя зависимость может более близко соответствовать предположениям, положенным в основу модели, описанной ниже.

Другой важный момент состоит в том, что ионизация на уровнях донора, используемых в эмиттере, вероятно, будет неполной. Если бы область эмиттера была кристаллической при высоких уровнях легирования, то соответствующая плотность полосы проводимости состояний не могла бы быть особенно большой, в результате баланс ионизации доноров, вероятно, создавал бы благоприятные условия для существенного использования доноров. Данные для энергии ионизации донора являются доступными (теллур Те в InSb, вероятно, имеет энергию ионизации донора порядка 50 мэВ), поэтому можно провести оценку части фракции ионизации. Использование металлического контакта с низкой работой выхода электронов эмиттера может привести к связанным с этим проблемам, поскольку термоэлектронное инжектирование из металла может быть достаточно высоким.

В зависимости от модели, использованной для моделирования эффективности вариантов воплощения в соответствии с настоящим изобретением, можно сделать вывод, что оптимальный КПД должен быть независимым от длины промежутка или эта независимость практически должна поддерживаться для толщины промежутка в диапазоне от 200 мкм до 2 мм. При этом было определено, что тепловая мощность должна быть пропорциональна обратному значению толщины промежутка в любой модели, описанной в контексте настоящего изобретения, как показано на фигуре 15 для теплового диода.

В вышеприведенном описании использовали подложку из материала InSb с общей толщиной 625 мкм. В отсутствие эффекта рекомбинации толстые слои будут предпочтительными для вариантов применения с большим значением Т_max, поскольку связанный с этим тепловой поток может быть, соответственно, меньшим. Длина рекомбинации электронов в массе кристаллического материала InSb n-типа для описанных плотностей промежутка составляет, по меньшей мере, в 10 раз большую величину, чем толщина исследованной подложки. Кроме того, в общей рекомбинации преобладает рекомбинация с излучением, которая, вероятно, представляет собой, строго говоря, излучение, заключенное в крупных кристаллах, таких как рассматриваются здесь. Вследствие этого структуры порядка 1-2 мм должны быть интересными для применения для преобразования энергии.

Влияние рекомбинации на КПД устройства при условиях, когда рекомбинация становится важным фактором, не было исследовано. Хотя влияние рекомбинации может, в общем, рассматриваться как универсально отрицательное воздействие для термоэлектронного преобразования энергии, вероятно, его учет, вероятно, не следует оставлять на втором плане, в отсутствие результатов моделирования. Причина этого состоит в том, что рекомбинация повышает ток инжектирования выше уровня диффузионного предела, рассматриваемого здесь. Хотя тепловые потери обратно пропорциональны длине промежутка, ток будет обратно пропорционален длине рекомбинации. При этом можно предположить, что в этих пределах чистый результат будет представлять собой чистое повышение эффективности. Это можно предположить на основании того факта, что требуемый ток дырок для поддержания рекомбинации приведет к соответствующему падению потенциалов. Поскольку подвижность дырок в материале InSb мала, связанное с этим падение потенциала, вероятно, будет значительным.

На фигуре 16 показан КПД конструкции с концентрацией электронов эмиттера, составляющей 10²⁰ электронов/см³, и плотностью доноров в промежутке 7×10¹⁷ см^-3. Результаты показаны как функция температуры эмиттера при условии, что температура коллектора составляет 300 К. В двух классах были получены очень близкие результаты. Оптимизированный КПД как часть термодинамического предела представлен на фигуре 17. Можно видеть, что такая конструкция работает в большей или меньшей степени так же, как при сравнении с термодинамическим пределом для всех представленных температур.

При более низкой разности температур, поток тепловой энергии будет меньшим для данной конструкции. На фигуре 18 показан поток тепловой энергии в условиях оптимального преобразования энергии для конструкций с толщиной 626 мкм и 1250 мкм при различных температурах. Поток тепловой энергии находится в диапазоне несколько сот Вт/см² при оптимальных рабочих условиях, представляющих интерес.

d. Краткое описание

В предыдущем описании была рассмотрена модель теплового "диода", основанного на примере воплощения с использованием материала InSb. В этом устройстве используется область эмиттера с высокой степенью легирования, область промежутка, которая может быть либо р-типа, либо n-типа, и омический металлический коллектор с достаточно большой работой выхода, установленный таким образом, что он имеет незначительный термоэлектронный ток инжектирования по сравнению с омической составляющей, благодаря равновесию носителей заряда в месте контакта коллектора.

Приведенные выше результаты показывают, что для получения наибольшего термоэлектронного тока инжектирования требуется, чтобы барьер эмиттер-промежуток, предпочтительно, составлял порядка 4-5 k_BT_max, что подразумевает, что промежуток должен, предпочтительно, представлять собой полупроводник n-типа. Поэтому в настоящем изобретении рассматриваются варианты воплощения, в которых барьер эмиттер-промежуток, предпочтительно, находится в диапазоне от приблизительно 4 k_BT_max до приблизительно 5 k_BT_max, так же, как и в других вариантах воплощения, в которых этот барьер находится за пределами этого диапазона, но которые могут быть разработаны на основании приведенного здесь описания.

Как показано выше, область n* позволяет инжектировать электроны в область промежутка n-типа, и перенос в области промежутка осуществляется, в большей или меньшей степени, благодаря диффузии. Кроме того, выше также было показано, что тепловой диод может работать как преобразователь энергии на основе термоэлектронной эмиссии из эмиттера в промежуток, с последующим переносом на коллектор. Также выше было показано, как оптимизировать варианты воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, как функцию концентрации донора промежутка. Оптимальный КПД теплового диода может составлять 5,5% при температуре эмиттера 600 К при условии, что в эмиттере может быть сформирована плотность электронов на уровне 10²⁰ см^-3. Эти параметры являются характерными для вариантов воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, хотя варианты воплощения с другими характеристиками, которые отличаются от этого конкретного варианта оптимизации и которые разработаны в соответствии с приведенным здесь описанием, также рассматриваются как находящиеся в пределах объема настоящего изобретения.

3. Результаты для компенсированного теплового диода InSb

КПД термоэлектронного преобразования энергии в таких вариантах воплощения, как схематично показаны на фигуре 2, в конечном счете, ограничен наличием омического обратного тока, возникающего из-за термоэлектрического отклика полупроводника. Если можно было бы подавить этот обратный ток, можно было бы получить существенное повышение эффективности. В этом разделе показано, что при снижении обратного тока возможно повысить КПД приблизительно вдвое.

Одна из схем, предназначенных для снижения обратного тока, включает компенсацию подложки n-типа легированием р-типа для получения слоя, близкого к беспримесному полупроводнику, перед контактом коллектора в вариантах воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, и при этом существенно уменьшается подача доступных электронов, которые могли бы инициировать омический обратный ток. При таком подходе, очевидно, используется определенный компромисс, поскольку слишком большая компенсация р-типа может ограничить термоэлектронный ток в коллекторе.

Выполняемая работа, в контексте настоящего изобретения, показывает, что существует небольшое окно в пространстве параметров, в котором компенсированный слой может быть согласован с легированием промежутка с тем, чтобы одновременно обеспечить приблизительно свободный термоэлектронный ток и практически нулевой омический обратный ток. Получаемые в результате конструкции имеют очень высокий расчетный КПД преобразования энергии и могут быть конкурентоспособными с лучшими термоэлектрическими устройствами. Поскольку существуют другие полупроводники с лучшими отношениями подвижности к теплопроводности (такие, как HgSe и HgTe), схема компенсированного диода может иметь потенциал достижения эффективности преобразования, который превышают лучшие показатели для термоэлектрических приборов. Как будет показано ниже (смотри, например, описание фигуры 38), слои компенсации, разработанные в контексте настоящего изобретения, позволяют достичь существенного улучшения рабочих характеристик для таких материалов, как InSb. Это улучшение выражается в увеличении эффективности приблизительно в 2 раза. Для Hg_1-xCd_xTe, такое улучшение переводится в КПД, который приближается к абсолютному пределу 50% идеальной эффективности цикла Карно.

Поскольку эти и другие варианты воплощения компенсированных диодов с такими полупроводниками, проявляющими высокие значения отношения подвижности к теплопроводности, могут быть разработаны специалистами в данной области техники с использованием описаний и примеров, приведенных в настоящем описании, они рассматриваются как находящиеся в пределах объема настоящего изобретения.

Основная структура теплового диода в виде варианта воплощения с материалом InSb рассматривалась как преобразователь энергии. При этом было определено, что КПД устройства ограничен на уровне, несколько превышающем 10% от термодинамического предела. Компенсация осуществляется следующим образом. Как указано выше, возможно повысить КПД путем подавления омического обратного тока, который имеет знак, противоположный термоэлектронному току. Один из вариантов выполнения этого состоит в использовании легирования р-типа для получения компенсированного слоя на внутренней стороне контакта коллектора, которое предотвращает инжектирование электронов со стороны коллектора устройства (см. фигуру 19). На фигуре 19 схематично показан вариант воплощения компенсированного теплового диода, в соответствии с настоящим изобретением. Эмиттер представляет собой горячую область 14 n*, расположенную слева. Область 16 промежутка представлена широкой областью n-типа, расположенной в центре. Коллектор изображен здесь как холодный металлический контакт 20. Горячий омический контакт 12 расположен в непосредственной близости к горячей области 14 n*. С внутренней стороны металлического контакта сформирована компенсированная область 19, выполненная путем добавления примеси р-типа, которая подавляет обратный электронный ток. Добавление легирования р-типа позволяет получить слой полупроводника р-типа, который, если он не будет точно согласован с легированием подложки, может оказывать сопротивление термоэлектронному потоку электронов на коллектор. Было определено, что в пространстве параметров существует небольшая область вокруг идеального значения компенсации, в которой может быть выбран ряд конструкционных параметров, которая позволяет одновременно обеспечить поступление на коллектор термоэлектронного тока и компенсацию омического обратного тока. Было определено, что расчетный КПД такого устройства существенно повышается по сравнению с основной структурой диода. В этом разделе описано такое устройство и связанные с ним особенности.

а. Обратный ток

Прежде чем перейдем к настоящему описанию, следует установить наличие обратного тока в основном тепловом диоде. Один из способов достижения этого состоит в определении характеристики тока, включая его знак, как функции от концентрации донора промежутка. Результат показан на фигуре 20. На фигуре 20 показан ток как функция степени легирования промежутка для примера конструкции теплового диода InSb, описанной в последней секции. Для термоэлектронного режима, который соответствует отрицательному току (электроны перемещаются слева направо), ток вычисляют при условиях оптимального КПД. Для термоэлектрического режима, который соответствует положительному току (электроны перемещаются от коллектора к эмиттеру), ток получают при условиях, когда напряжение составляет половину индуцированной теплом ЭДС, которая получается, когда обеспечивается приблизительно оптимальный термоэлектронный режим. При этом наблюдается смена знака индуцированного теплом тока. При низком легировании промежутка электропроводность промежутка недостаточна для поддержания высокого уровня омического компонента, который мог бы конкурировать с термоэлектронным инжектированием. При увеличении степени легирования промежутка в определенной точке омический ток превышает по величине термоэлектронный ток, и после этого термоэлектронное преобразование энергии больше не будет возможным. Такой омический обратный ток образуется благодаря свободным электронам, которые образуются на стороне коллектора устройства и переносятся к эмиттеру прежде всего путем дрейфа.

b. Оптимизация КПД с использованием блокирующего слоя

Рассмотрим далее предполагаемую работу компенсированного теплового диода, который включает внутренний блокирующий слой. В данной модели моделируется слой компенсации с использованием гауссового легирования р-типа с характеристической длиной 5 мкм. Результаты для различных плотностей акцептора показаны на фигуре 21. На фигуре 21 показана оптимизация КПД, как функция легирования промежутка при компенсации р-типа, с использованием концентраций , составляющих 7×10¹⁷, 10¹⁸, 2×10¹⁸ и 3×10¹⁸ см^-3. Линией из точек показан полученный КПД в отсутствие блокирующего слоя. Максимальный КПД получается, когда концентрация акцептора слоя компенсации регулируется таким образом, чтобы она соответствовала концентрации донора подложки. При этом получают существенное повышение оптимального КПД по сравнению со случаем отсутствия компенсации.

Форма кривых КПД, показанных на фигуре 21, может быть качественно представлена с помощью простого анализа. КПД получается максимальным при условиях внутреннего блокирующего слоя, что одновременно позволяет производить передачу термоэлектронного тока от эмиттера при минимальном образовании обратного тока. При более низкой концентрации донора промежутка слой компенсации формирует область р-типа, которая в этом варианте применения работает в большей или меньшей степени как диод с обратным смещением, который препятствует протеканию термоэлектронного тока. При более высокой концентрации донора в промежутке компенсация будет недостаточной для устранения избыточных электронов. При этом начинается обратный ток, сила которого приблизительно линейно зависит от концентрации электронов в блокирующем слое. Следовательно, можно наблюдать линейное снижение КПД от оптимального значения.

С практической точки зрения, возможности передачи электрического тока через выводы ограничивают плотность тока до величины 10²-10³ А/см². При превышении этих значений падение напряжения в проводниках становится неприемлемым. Кроме того, через диод проходит падение температуры на 200-300°С. Для коэффициента теплопроводности InSb эту величину можно пересчитать в толщину промежутка, которая должна составлять приблизительно 1 см. Такая толщина создает проблему, связанную с длиной рекомбинации, которая становится сравнима с толщиной промежутка, и кроме того, возникают технологические проблемы, связанные с полировкой толстых подложек. Например, большая часть оборудования для обработки подложек разработана для толщины менее 1 мм.

Обычно широкие промежутки получают путем установки диодов в ряд. Поскольку ток через последовательно установленные в ряд диоды будет одинаковым, установленные в ряд диоды должны быть согласованы по току. Если один из диодов будет генерировать больший ток, это приведет к повышению падения напряжения на других диодах и к ухудшению общей характеристики из-за дополнительных потенциальных барьеров.

Приведенное ниже описание направлено на обеспечение согласования по току, которое может быть воплощено в контексте настоящего изобретения.

(1) Согласование по току с использованием концентрации легирования промежутка

В приведенном ниже примере предполагается, что используется материал диода InSb, причем все диоды имеют одинаковую структуру, и температура источника тепла составляет 530 К, а температура теплоотвода равна 460 К. Конфигурация с одним диодом показана на фигуре 22. Стрелка на фигуре 22 указывает, что температура Т горячего омического контакта 12 выше, чем температура коллектора 20. Основываясь на графике, показанном на фигуре 23А, и при установке уровня КПД 6%, четыре диода могут быть установлены в ряд, как показано на фигуре 24, где первый диод (D₁) имеет концентрацию легирования промежутка 5×10¹⁷ см^-3, D₂˜7×10¹⁷ см^-3, D₃˜10¹⁸ см^-3 и D₄˜2×10¹⁸ см^-3. В этом варианте воплощения все четыре диода генерируют одинаковый ток, и общий КПД составляет 6%. Хотя некоторые варианты воплощения составных диодов, в соответствии с настоящим изобретением, содержат диоды, соответствующие элементы которых изготовлены из одинаковых материалов для каждого диода, следует понимать, что варианты воплощения на основе составных диодов, в контексте настоящего изобретения, не ограничиваются такими рядами. Некоторые варианты воплощения составных диодов, в соответствии с настоящим изобретением, содержат диоды, соответствующие элементы которых изготовлены из различных материалов. Например, в некоторых вариантах воплощения на основе составных диодов эмиттеры в различных диодах содержат различные материалы, и/или области промежутка в различных составных диодах содержат различные материалы, и/или коллекторы в различных составных диодах содержат различные материалы.

(2) Согласование тока путем подбора геометрических размеров

В приведенном ниже примере используется линия наибольшего КПД по фигуре 23А, которая соответствует концентрации донора промежутка 2×10¹⁸ см^-3. Тонкий диод в последовательном ряду при температуре 500 К позволяет получить ток, приблизительно в два раза больший, чем ток, получаемый в диоде, не установленном в ряд. Согласование тока достигается, если диод имеет температуру 400 К и площадь в два раза больше, чем площадь диода, не установленного в ряд. Результаты этого варианта воплощения показаны на фигуре 25, где изменение площади приводит к формированию клинообразного ряда диодов. Граница набора в действительности составляет не прямую линию, а скорее кривую, которая учитывает нелинейное поведение кривой КПД, приведенной на фигуре 23А. Набор, показанный на фигуре 26, представляет другой вариант воплощения, где граница набора приблизительно соответствует идеальной кривой, показанной на фигуре 25. Стрелки на фигурах 25-26 обозначают повышение температуры T от низкой температуры (T_COLD) до высокой температуры Т_{горячей стороны}(Т_HOT).

Конструкция компенсированного теплового диода была оптимизирована для работы с максимальным КПД с горячим эмиттером 600 К. При этом интересно определить КПД устройства при других температурах эмиттера. Численные результаты для КПД показаны на фигуре 23А для различной степени легирования подложки при условии идеальной компенсации. На фигуре 2 ЗА показан КПД в оптимизированных условиях как функция температуры эмиттера для различной степени легирования промежутка при идеальной компенсации. Предполагается, что используется структура компенсированного теплового диода InSb толщиной 625 мкм с плотностью электронов эмиттера 10²⁰ см^-3 и при температуре коллектора 300 К. Концентрации донора промежутка и согласованные концентрации акцептора составляют (для повышения КПД в соответствии с графиком) 7×10¹⁷, 10¹⁸, 2×10¹⁸ и 3×10¹⁸ см^-3. Линия из точек представляет полученный КПД в отсутствие блокирующего слоя. Результаты для КПД, нормированные к термодинамическому пределу, показаны на фигуре 23В. На фигуре 23В показан КПД, нормированный к термодинамическому пределу в оптимизированных условиях, как функция температуры эмиттера для различных случаев, показанных на фигуре 23А. При этом можно наблюдать, что слой компенсации эффективно работает при высокой температуре эмиттера. Кроме того, оптимизация при высокой температуре, видимо, позволяет получать относительный оптимум на других температурах так, что не требуется применять отдельные конструкции, оптимизированные для различных температурных режимов. Более совершенные конструкции, которые лучше всего работают вокруг рассчитанного для них значения температуры, и не обеспечивают такую же эффективную работу при других температурах, будут описаны ниже.

с. Примеры

На фигурах 27А-27В показан КПД как функция температуры для оптимизированных вариантов воплощения компенсированных тепловых диодов, в соответствии с настоящим изобретением. Кривые на фигурах 27А-27В обозначены в соответствии с материалом промежутка, и цифры в квадратных скобках представляют концентрации носителей заряда. На фигуре 27В показан относительный КПД по отношению к циклу Карно.

Компенсированный слой в полупроводнике n-типа может быть изготовлен, включая, но не ограничиваясь, посредством ввода акцепторов. Для InSb, легированного теллуром Те (примесь донора), энергия ионизации донора составляет 50 мэВ. Такая же энергия ионизации характерна для акцепторов, созданных вакансиями. Компенсированный слой существует, если количество вакансий соответствует исходной концентрации (n) донора.

Количество вакансий определяется дозой ионов на единицу площади D (ионов/см²) и количеством вакансий, созданным одним ионом V, если вакансии индуцируются имплантацией иона инертного газа. V является функцией энергии Е иона, V=V(E). Количество вакансий составляет N_v(E)=D·V(E). В этом случае концентрация с вакансии зависит от глубины содержания ионов в материале R, который, в свою очередь, является функцией энергии иона R=R(Е). Таким образом, для данного типа ионов концентрация вакансий как функция энергии ионов представляет

Для компенсируемого слоя С(Е)=n, или

R (Е) и V (Е) были смоделированы с использованием компьютерного кода TRIM-91 для материала InSb и ионов Ne, Ar и Хе. Результаты моделирования показаны на фигурах 28 и 29. Доза, необходимая для создания компенсированного слоя в широком диапазоне энергии ионов в InSb диоде n-типа, легированного до концентрации n, может быть определена с использованием фигур 28 и 29 и уравнения для D, приведенного выше. На фигурах 34 и 35, соответственно, линии 32 и 38 представляют зависимости для аргона, линии 34 и 36 - для неона и линии 30 и 40 - для ксенона.

Имплантация ионов создает профиль концентрации вакансий, который более выражен в последних 20-30% глубины содержания ионов. Эти 20-30% глубины содержания ионов могут быть уменьшены до величины меньшей, чем расстояние туннелирования в InSb, которое обычно составляет 100-150 Å, для исключения возможности формирования дополнительных барьеров.

Выбор используемых ионов требует достижения баланса факторов "за" и "против", таких как количество создаваемых тонких слоев, по отношению к степени повреждения структуры твердого вещества. Например, ксенон (Хе) позволяет получать более тонкие слои, однако приводит к большей степени повреждения, и в результате получается полуаморфный кристалл.

d. Краткое описание

Модификация конструкции основного теплового диода, представленного в последнем разделе, была описана в форме поиска возможности снижения обратного омического тока, что ограничивает максимальный КПД устройства. Было продемонстрировано, что в вычислениях присутствует омический обратный ток, и что он преобладает над термоэлектронным током при высокой степени легирования промежутка. Как было показано, добавление компенсированного слоя на внутренней стороне коллектора приводит к снижению обратного тока, что позволяет достичь более высокого оптимального КПД. Результаты моделирования показывают, что идеальная компенсация позволяет достичь наивысших уровней КПД при заданной концентрации донора в промежутке. Этот вывод соответствует априорному анализу, проведенному на основе простых физических аргументов. Поэтому предпочтительные варианты воплощения компенсированных тепловых диодов, в соответствии с настоящим изобретением, характеризуются высокими КПД, а это означает, что большая степень компенсации приводит к достижению более высокого КПД. Пиковый КПД, вычисленный для компенсированного теплового диода, сравним с характеристиками лучших термоэлектрических приборов.

4. Омический контакт

Омический контакт определяется как контакт металл-полупроводник, который имеет незначительное сопротивление контакта по отношению к объемному или распределенному удельному сопротивлению полупроводника. (См. публикацию Sze, S.M., Physics of Semiconductor Devices, Нью-Йорк, издательство John Wiley & Sons, 1981, стр.304-311, содержание которой полностью приводится здесь в качестве ссылки). В данном разделе описаны омические контакты и способы формирования таких контактов в соответствии с настоящим изобретением.

Поверхности металл-полупроводник вводят местные потенциальные барьеры, которые известны под общим названием барьер Шоттки. В упрощенной форме высота ϕ_b барьера Шоттки, измеренная по отношению к уровню Ферми, может быть записана как ϕ_b=ϕ_m-χ_s, где ϕ_m представляет работу выхода электрона металла и χ_s представляет сродство электрона полупроводника. Примеры значений барьера Шоттки составляют 0,70 эВ для GaAs и 0,18 эВ для InSb.

Для твердотельного термоэлектронного преобразователя типа металл-полупроводник диапазон рабочих напряжений будет ниже, чем высота барьера Шоттки. Такое соотношение приводит к невозможности получения требуемого эффекта или, по меньшей мере, к снижению рабочих токов.

Типичное рабочее напряжение, в соответствии с настоящим изобретением, составляет 10-100 мВ и мощность составляет 1-10 Вт. Это позволяет получить рабочий ток I₀=100-1000 А, при этом потери энергии на барьере Шоттки составляют W_loss=I_oϕ_b. Для того чтобы значение W_loss составляло меньше 1% общей мощности, значение ϕ_b должно быть меньше, чем 1 мэВ. Барьер часто выражают в виде сопротивления контакта. Поэтому при установившихся токах сопротивление контакта должно быть меньше, чем 10^-5-10^-6 Ом.

В публикациях авторов Chang и др.. Specific Contact Resistance of Metal-Semiconductor Barriers. Solid-State Electronics, том 14 (1971), стр.541-550, и Shannon, J.M., Control of Schottky Barrier Height Using Highly Doped Surface Layers. Solid-State Electronics. Том 19 (1976), стр.537-543, которые приводятся здесь в качестве ссылки, приведен способ формирования омического контакта. Электрическое поле на разделе металл-полупроводник создает область, обедненную носителями заряда в полупроводнике. При повышении концентрации ионизированных примесей ширина обедненной области становится более узкой. Это, в свою очередь, приводит к повышению коэффициента передачи для туннелирования. Следовательно, даже высокий барьерный контакт может стать омическим, если барьер, в свою очередь, будет тонким настолько, чтобы туннелирование доминировало в процессе переноса носителей заряда. Уровень легирования, соответствующий 10^-6 Ом/см², составляет 10²⁰-10²¹ (Те в InSb) при температуре 300°С. Эффективная масса электрона для туннелирования повышается с температурой, и при температуре 500°С требуемая концентрация составляет скорее 10²¹, чем 10²⁰. Слой с высокой концентрацией легирования должен быть достаточно тонким, с тем чтобы он не вводил собственный барьер на границе контакта с полупроводником. В публикации автора Шэннон, приведенной выше, приводится оценка этой толщины как составляющей менее 150 Å. Этот подход применим как к легированию n-типа, так и к легированию р-типа, при учете того, что знак тока будет противоположным при переходе из области n-типа в область р-типа.

Требуемая доза имплантации для получения тонкого легирования 10²¹ см^-3 была вычислена путем использования компьютерного кода TRIM-91 (G.Ziegler, G.Biersack. IBM (1991)). Глубина проникновения ионов и требуемая доза были вычислены отдельно для In и Sb. Результаты вычислений были усреднены для приближения к InSb. Разность между и In и Sb в этом диапазоне энергии не превышала 20%. Теллур Те использовали как примесь n-типа, поскольку теллур Те имеет самую низкую энергию ионизации (50 мэВ). На фигуре 30 показаны результаты вычислений для этой дозы, в то время как на фигуре 31 показана глубина проникновения ионов.

Для легирования р-типа известные материалы для InSb включают германий Ge (энергия ионизации 9 мэВ) и серебро Ag (E_i=30 мэВ). Серебро Ag, очевидно, является предпочтительным ионом, поскольку оно является более тяжелым, чем германий Ge, и имеет меньшую глубину проникновения для тех же энергий иона, что позволяет сформировать меньшую ширину обедненной области. Результаты вычислений для легирования серебром Ag представлены на фигурах 32 и 33. В процессе имплантации иона создаются вакансии, которые в последующем должны быть обработаны отжигом.

Другой способ формирования омического контакта состоит в диффузионном отжиге. Например, омический контакт для диода, содержащего InSb, может быть сформирован путем отжига слоев индия на подложке InSb. Следующая процедура выполнялась в кварцевой ампуле, очищенной кислотой. Ампулу отжигали в течение более одного часа в условиях высокого вакуума при температуре 800°С. Образцы InSb с покрытием из индия были загружены в кварцевые ампулы, из которых был откачан газ и которые были заполнены гелием под давлением 10-100 торр. Гелий, обладающий высокой теплопроводностью, обеспечивает быстрое охлаждение. После отжига на разных температурах, проводилось измерение зависимости тока от напряжения на образцах для подтверждения того, что существуют омические контакты. Были получены положительные результаты в диапазоне температур 250-400°С при времени отжига 10-60 минут. При температурах, превышающих 500°С, индий полностью растворялся, что приводило к невозможности использования образцов, даже если такие образцы проявляли омические характеристики.

5. Примеры

а. Параметры конструкции

Как показано на фигуре 2, промежуточные теплопроводные слои могут быть размещены в других вариантах воплощения настоящего изобретения между омическими контактами (12, 20) и теплоотводом для обеспечения теплового контакта. Например, нанесенный слой индия In или подобного элемента может использоваться на горячей стороне, и нанесенный слой эвтектического In-Ga или подобного материала может использоваться на холодной стороне. Эти материалы являются в достаточной степени текучими для обеспечения адекватного теплового контакта при низком давлении (0,1-1,0 МПа).

В соответствии с этим, материалы, которые могут использоваться для этих слоев, согласно настоящему изобретению, представляют собой теплопроводящие материалы с хорошей текучестью, хотя в других вариантах воплощения также могут использоваться другие материалы. Другой способ обеспечения теплового контакта состоит в нанесении пасты, клея, легкоплавкого припоя или их эквивалентов. Затем добавляют электро- и теплопроводный слой, который служит в качестве барьера для диффузии между теплопроводным слоем и полупроводником. В настоящем варианте воплощения теплопроводный и электропроводный слой используются в качестве эмиттера без дополнительного полупроводникового слоя эмиттера. Характеристики и функции этого слоя включают следующие показатели: (1) проводит тепло; (2) проводит электричество; (3) осуществляет эмиссию электронов; (4) создает барьер Шоттки на границе металл-полупроводник; (5) создает барьер для диффузии; (6) предотвращает химическую реакцию полупроводника с последующим слоем; (7) согласует тепловое расширение полупроводника для предотвращения расслоения; (8) является термически стабильным в диапазоне рабочих условий теплового диода и (9) имеет высокую устойчивость к окислению, если не предполагается помещение его в вакуумном приборе или заключение в инертной окружающей среде.

Например, материал InSb имеет коэффициент теплового расширения, составляющий 5,2-5,4×10^-6 К в диапазоне температур 300-500 К. Другие возможные материалы включают, без ограничения, молибден Мо, хром Cr, вольфрам W, тантал Та, рений Re, осмий Os, иридий Ir, лантаноиды, а также сплавы никеля, платины Pt и мягких металлов, таких как индий In, золото Au, медь Cu или подобных металлов. Из этого списка тантал Та и лантаноиды подвержены окислению, и индий In имеет низкую температуру плавления.

Также могут использоваться полупроводники с высокой степенью легирования и полуметаллы. Например, тонкий слой кремния Si имеет достаточно высокую теплопроводность и электропроводность. При этом, однако, должны выполняться определенные предосторожности и, в частности, следует отметить, что большая запрещенная зона по сравнению с InSb приводит к формированию внутреннего барьера, который препятствует протеканию тока за счет переноса носителей заряда.

Толщина теплопроводного и электропроводного слоя определяется следующим образом. Теплопроводность, предпочтительно, должна быть выше, чем у полупроводникового промежутка. При толщине промежутка 100-1000 микрон толщина слоя, предпочтительно, должна быть меньше, чем приблизительно несколько микрон, поскольку толстый слой повышает тепловые потери. На тонкой стороне толщина слоя определяется с учетом нескольких условий. Например, слой металла, предпочтительно, должен быть толще, чем средняя длина свободного пробега электрона для поддержания его объемных свойств. Поскольку слой расположен в непосредственной близости к другому металлу (промежуточный слой), он может влиять на положение уровня Ферми и изменять электронную эмиссию в полупроводник. Известно, что этот эффект является существенным в слое металла с толщиной меньше 1000 Å. Эта цифра составляет, по меньшей мере, несколько средних длин свободного пробега электрона и может рассматриваться, как нижний практический предел для предотвращения ненужных усложнений. Аналогичные условия в отношении толщины применимы к области n* полупроводникового эмиттера.

Для области раздела эмиттер-промежуток предпочтительна ситуация, когда область имеет согласованную кристаллографию, то есть, когда область эмиттера была эпитаксиально наращена поверх области промежутка. Для материала InSb это может быть получено путем поддержания температуры нанесения на уровне выше 150°С (PVD - вакуумно-плазменное осаждение). Для других материалов промежутка, таких как Hg_1-xCd_xTe, эпитаксиальное наращивание выполняется более сложно. При несогласованности на границе раздела эмиттер-промежуток происходит рассеивание и ухудшение рабочих характеристик преобразователя.

Специалистам в области электрических и тепловых контактов известно множество способов обеспечения адекватного электрического и теплового контакта, и объем настоящего изобретения не ограничивается приведенными выше примерами, но также предусматривает другие варианты воплощения, разработанные в соответствии с другими критериями.

b. Некомпенсированные тепловые диоды

Нижеприведенные примеры предназначены для иллюстрации отдельных вариантов воплощения настоящего изобретения и не являются ограничивающими. Настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах, без отхода от его сущности или существенных характеристик. Концентрация легирующего вещества в следующих примерах (1)-(9) приведена в единицах см^-3.

(1) металл₁/n/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr или Ni (1000-4000 Å)/InSb (360 микрон; легированный 1,1×10¹⁸ Те, ориентация 100)/Pt (1500 Å)/In (в массе). Толщина металла₁ metal₁ не может быть меньше, чем средняя длина свободного пробега электронов для данного металла при конкретной температуре, например, для золота Ag, средняя длина свободного пробега составляет приблизительно 400 Å.

(2) металл₁/n*/n/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×10¹⁹ Te)/InSb (360 микрон; легированный 1,1×10¹⁸ Те)/Pt (1500 Å)/In (в массе).

(3) металл₁/n**/n*/n/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×10¹⁹ Те)/InSb (360 микрон; легированный от 1,1×10¹⁸ Те)/In (100 Å)/Pt (1500 Å)/In (в массе).

(4) металл₁/n**/n*/n/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×10²⁰ Те)/InSb (360 микрон; легированный 1,1×10¹⁸ Те)/In (100 Å)/ Pt (1500 Å)/In (в массе).

(5) металл₁/n**/n/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (360 микрон; легированный 1,1×10¹⁸ Te)/In (100 Å) /Pt (1500 Å)/In (в массе).

(6) металл₁/n**/n/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (500 микрон; легированный 1,1×10¹⁸ Те)/In (100 Å)/Pt (1500 Å)/In (в массе).

(7) металл₁/n**/n*/n/n**/металл₂; эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/ In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 3×10²⁰ Те)/InSb (500 микрон; легированный 1,1×10¹⁸ Те)/In (100 Å)/Ni (1500 Å)/(в массе).

(8) металл₁/n**/n/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (500 микрон; легированный 1,9×10¹⁷ Те)/In (100 Å)/Pt (1500 Å)/In (в массе).

(9) металл₁/n**/n/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (500 микрон; легированный 1,9×10¹⁷ Те)/In (100 Å)/Ni (1500 Å)/In (в массе).

с. Компенсированные тепловые диоды

Приведенные ниже примеры предназначены для иллюстрации выбранных вариантов воплощения настоящего изобретения и не являются ограничивающими. Настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без отхода от его сущности или существенных характеристик. Слои, обозначенные как имеющие низкую степень легирования (р), также могут быть слоями n-типа. Концентрация примеси в следующих примерах (1)-(5) приведена в единицах см^-3.

(1) металл₁/n**/n*/n/р/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×10¹⁹ Те)/InSb (500 микрон; легированный 1×10¹⁸ Те; 2° от (100))/p-InSb (400 Å; легированный 3,1×10¹⁴ Те)/In (100 Å)/Pt (1500 Å)/In (в массе).

(2) металл₁/n**/n*/n/р/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×10¹⁹ Те)/InSb (500 микрон; легированный 1×10²⁰ Те; 2° от (100))/p-InSb (400 Å; легированный 3,1×10¹⁴ Те)/In (100 Å/pt (1500 Å/In (в массе).

(3) металл₁/n**/n/р/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (500 микрон; легированный 1×10¹⁸ Те; 2° от (100))/p-InSb (400 Å; легированный 3,1×10¹⁴ Те)/In (100 Å)/Pt (1500 Å)/In (в массе).

(4) металл₁/**/n*/n/р/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 3,0×10¹⁹ Те)/InSb (500 микрон; легированный 1×10²⁰ Те; 2° от (100))/P-InSb (2000 Å; легированный 3,1×10¹⁴ Те)/In (100 Å/Pt (1500 Å)/In (в массе).

(5) металл₁/n**/n*/n*/р/n**/металл₂: эвтектический InGa (в массе)/Cr (1500 Å)/In (100 Å)/InSb (400 Å; легированный 1,0×10²⁰ Те)/InSb (500 микрон; легированный 1×10¹⁸ Те)/р-InSb (400 Å; где в область р-типа были имплантированы ионы Ar или Ne)/In (100 Å)/Pt (1500 Å).

6. Распределенный диод Шоттки

Формирование барьера Шоттки на границе раздела металл-полупроводник хорошо описано в публикации авторов Rhoderick, Е.Н. и Williams, R.H., Metal-Semiconductor Contacts. Оксфорд, Clarendon Press (1988), которая приводится здесь в качестве ссылки. Существуют две основные модели барьера Шоттки. Для модели Шоттки-Мотта барьер ϕ_в рассматривается, как разность работы ϕ_m выхода металла и степени χ_s сродства электрона полупроводника; ϕ_в=ϕ_m-χ_s. В действительности ϕ_в является практически независимым от работы выхода ϕ_m металла. Пояснение, приведенное автором J.Bardeen, состоит в том, что на барьер влияют статические заряды на поверхности. На компенсацию этого заряда влияет величина статического заряда Q_ss на поверхности. И электрически нейтральное условие представляется следующим выражением Q_m+Q_d+Q_ss=0, где Q_m представляет отрицательный заряд на поверхности металла и Q_d представляет положительный заряд некомпенсированных доноров. Свойства барьера ϕ₀ компенсации (нейтральный уровень) зависят от относительного положения ϕ₀ и уровня E_F Ферми. Если ϕ₀ измеряют по отношению к вершине валентной зоны, барьер Шоттки выражается следующим образом: ϕ_в≈E_g-ϕ₀.

Энергия Е_g промежутка представляет собой функцию температуры и в некоторой степени концентрации примеси. Накопление загрязнения на поверхности влияет на ϕ_в, как описано в разделе 4 в отношении омических контактов. Частичное накопление загрязнения на поверхности также влияет на высоту барьера.

На фигуре 34 показана характеристика температуры промежутка InSb (см. публикацию Landolt-Börnstein, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology, Group III: Crystal and Solid State Physics, (1983) том 22b, содержание которой приводится здесь полностью в качестве ссылки).

Значения барьера Шоттки могут быть определены по изменению наклона кривой, полученной по внешним измерениям зависимости тока от напряжения. При комнатной температуре высота барьера составляет 175-180 мэВ, независимо от концентрации примеси (Те) в InSb до 10²⁰ см^-3 (в контакте). На фигуре 35 показана высота барьера как функция температуры для слоя на границе раздела толщиной 2000 Å, легированного теллуром (Те) до концентрации 3×10¹⁹ см^-3, нанесенного на InSb легированного теллуром (Те) концентрации до 1×10¹⁸ см^-3 (500 мкм) для эмиттера из индия (In). Поскольку высота барьера уменьшается при росте температуры с большей скоростью, чем Е_g, это означает, что нейтральный уровень ϕ₀ будет выше, чем Е_F, и поверхностная плотность заряда повышается с ростом температуры. На фигурах 34 и 35 представлено значение ϕ₀, оценка которого должна проводиться при 15-20 мэВ и температуре приблизительно 300°С. Этот тип барьера представлен на фигуре 36А. Изолирующая пленка (оксид), показанная на фигуре 36А, выполнена настолько тонкой, что носители заряда проходят благодаря туннельному эффекту через нее так, что практически данный барьер совершенно незаметен, даже если он присутствует. При этом, в контексте настоящего изобретения, было определено, что диод такого типа работает при повышенных рабочих температурах, в соответствии с настоящим изобретением.

а. Экспериментальные результаты

Образцы были изготовлены на основе подложек InSb, легированных теллуром Те до 1×10¹⁸ см^-3. Толщина подложки составляла приблизительно 500 микрон, и подложка была отполирована с обеих сторон. После стандартной очистки слой эмиттера толщиной 2000 Å из InSb, легированного теллуром Те до концентрации 3×10¹⁹ см^-3, был нанесен на подложку с помощью напыления магнетроном. Образцы имели форму квадратов с размерами в диапазоне от 1×1 до 3×3 мм², которые были получены с использованием эвтектического InGa (Т_m=35°С) с обеих сторон. Процесс нанесения изображения представлял собой приложение некоторого давления для разрушения поверхностного слоя оксида.

На фигуре 36В схематично показан вариант воплощения настоящего изобретения, содержащий горячий омический контакт 12, эмиттер 14, область 16 промежутка, компенсированную область 19 и коллектор 20. Область 15 была сформирована в некоторых вариантах воплощения на стороне эмиттера, которая обращена к горячему омическому контакту 12, для уменьшения барьера на границе раздела металл-полупроводник. Такой слой снижения барьера на границе раздела металл-полупроводник сформирован в некоторых вариантах воплощения с помощью напыления магнетроном. Область 17 сформирована в некоторых вариантах воплощения на стороне области промежутка, которая обращена к холодному металлическому контакту 20 коллектора, и предназначена для уменьшения барьера на границе раздела металл-полупроводник. Эта область сформирована с помощью технологий, аналогичных технологии, использованной для формирования области 15. Другие варианты воплощения настоящего изобретения содержат только область 15, и в еще одних вариантах настоящего изобретения, используется только область 17. Как отмечено выше, наличие, по меньшей мере, одной из областей 15 и 17 в вариантах воплощения настоящего изобретения, включая компенсированные и некомпенсированные варианты воплощения, повышает рабочие температуры.

Испытательное устройство включало нагревательный элемент с мощностью 400 Вт, помещенный в массивном посеребренном медном блоке, и холодную пластину с водяным охлаждением (посеребренная медь), установленную на микрометрической линейной платформе. Электрические выводы представляли собой массивные гибкие медные полосы (<10^-4 Ом). Управление температурой осуществлялось с помощью устройства Omega RTD с дисплеем Keithly 2001. Выполненный по заказу банк резисторов представлял нагрузку от 10^-4 Ом и выше. Напряжение измеряли с точностью 0,01% и ток с точностью 1%. Образцы были установлены на горячей пластине и прижаты холодной пластиной на платформе линейной установки. Газообразный аргон вводили между пластинами для предотвращения окисления материалов при повышенных температурах. Горячая сторона была теплоизолирована от установочной пластины и окружающего воздуха.

На фигуре 37 приведен пример кривой зависимости выходного тока от напряжения для одного образца, обозначенной номером 42, и набора, составленного из трех образцов, кривая зависимости которого обозначена номером 44, при температуре эмиттера 200°С. В точке максимальной полученной мощности разность выхода между ними составляла менее 20% при уменьшении потока тепла, по меньшей мере, в три раза. Это означает существенное повышение КПД в конфигурации с набором образцов. Кроме того, каждая граница раздела вводит тепловое сопротивление из-за неидеального контакта и эффекта несоответствия фононов. Минимальные цифры для несоответствия фононов составляли приблизительно 4% (См. публикацию автора Swartz, E.T., Thermal Boundary Resistance, том 61, №3 (июль 1989 г.), которая приводится здесь в качестве ссылки). Каждый образец вводит две дополнительные границы.

Изменение ориентации образца в наборе так, чтобы слой эмиттера находился на холодной стороне, снижает выход в наборе из 5 образцов приблизительно в 5 раз при температуре 200°С, и приблизительно в 2 раза при температуре 300°С, по сравнению с правильно построенным набором. При 300°С и перерасчете на основе теплопроводности InSb и электрическом выходе, в некоторых случаях КПД был лучше, чем 25% от идеального цикла Карно с удельной выходной мощностью 3-8 Вт/см².

7. Дополнительные примеры

В данном разделе описаны характеристики испытательного устройства, технология подготовки образца и более конкретные результаты, относящиеся к вариантам воплощения с использованием InSb и/или материала на основе Hg-Cd-Te.

а. Испытательное устройство и подготовка образца

Испытательные устройства были разработаны на основе стандартных механических деталей, предназначенных для использования в лазерной технике, включая макетную плату Coherent® из нержавеющей стали. Микрометрическая линейная платформа и лазерный оптический стенд позволяли производить линейное перемещение по вертикали на расстояние 100 мм.

Горячая сторона была установлена на керамическом кольце Macor на линейной платформе и состояла из массивного медного блока с нагревательным элементом Ogden Scientific мощностью 400 Вт. Медный блок был теплоизолирован с использованием пористой керамики ZrO₂ и стеклоткани. Взаимозаменяемые медные стержни, изготовленные из бескислородной меди, с покрытием серебром толщиной 2 микрона, использовались для передачи тепла на образец. Каждый стержень содержал, по меньшей мере, два отверстия, сконфигурированных для установки термодатчиков. На основе измерений температуры в двух точках вдоль стержня и зная теплопроводность и поперечное сечение стержня, определяли тепловой поток к образцу.

Посеребренная холодная пластина с водяным охлаждением была установлена поверх оптического стенда с трехосевой платформой "шар и гнездо" марки Newport, которая позволяла осуществлять параллельное совмещение холодной и горячей пластин.

Выводы для электрического тока были выполнены из посеребренных переплетенных медных проводов с сопротивлением приблизительно 10^-4 Ом. Резисторы нагрузки в диапазоне приблизительно от 10^-5 Ом до приблизительно 10^-1 Ом были изготовлены из меди и нержавеющей стали и подключались к выводам тока с помощью массивных болтов.

Мощность на нагреватель передавалась от источника постоянного напряжения типа Xantrex 300-3.5. Напряжение на нагрузке и сопротивление образца измеряли с помощью нановольт/микроомметра типа НР34420А NIST в конфигурации с 4 проводниками. Мультиметры Keithley 2001 использовали в качестве устройства считывания для термопар Omega и термодатчиков RTD. Электрический ток измеряли с помощью преобразователя Amprobe® A-1000. На основе известных величин сопротивлений нагрузки и выводов проводили независимое определение тока. По всем измеряемым параметрам, за исключением токов ниже 1 А, точность составляла лучше 1%.

Для предотвращения окисления образца и контактов при повышенных температурах газообразный аргон подавали между горячей и холодной пластинами с использованием гибкой завесы из фольги типа Capton.

Материал для подготовки образцов был приготовлен в виде пластин из InSb (WaferTech, Великобритания) диаметром приблизительно 2 дюйма (5,08 см) и толщиной 500 мкм. Пластины были отполированы с обеих сторон до среднеквадратического значения неровностей приблизительно 20 Å. Стандартная концентрация примеси теллура (Те) составляла приблизительно 10¹⁸ см^-3. Слой эмиттера был нанесен путем напыления магнетроном. Использовали также InSb, легированный 3×10¹⁹ см^-3 теллура (Те). Толщину слоя эмиттера выбирали в диапазоне от приблизительно 400 Å до приблизительно 15000 Å. Толщина эмиттера в вариантах воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, составляла, по меньшей мере, приблизительно 400 Å. Кроме того, принципы в контексте настоящего изобретения не накладывают какие-либо ограничения на толщину эмиттера и поэтому варианты воплощения настоящего изобретения не имеют ограничения сверху в отношении такой толщины.

Для создания слоя компенсации приблизительно 10¹⁸ см^-3 примесь р-типа была помещена в полупроводник для компенсации уже существующей примеси теллура (Те) n-типа с концентрацией приблизительно 10¹⁸ см^-3. Вакансии в InSb формируют носители заряда р-типа с энергией ионизации приблизительно 60 мэВ (см., например, публикацию авторов Landolt-Bornstein), которая приблизительно равна энергии ионизации теллура Те. Дозы имплантации для формирования слоя компенсации пересчитывали с использованием программного обеспечения TRIM-91.

Образцы затем очищали и расщепляли для помещения в установку имплантации. Образцы имплантировали ионами Ar при 40 кэВ (компания Core Systems, Inc., город Санта-Клара, штат Калифорния) с различными дозами. Каждый образец проверяли в режиме преобразования при температуре приблизительно 200°С. Результаты испытаний показаны на фигуре 38 вместе с вычисленными дозами, требуемыми для компенсированного диода. Дозы изменялись, поскольку концентрация примеси в подложках была известна с точностью приблизительно 10%. Нулевая доза имплантирования на фигуре 38 соответствует образцу без компенсации, и дозы имплантирования, превышающие ноль на фигуре 38, относятся к компенсированным образцам. Как показано на фигуре 38, сравнение полученного максимального КПД для компенсированных образцов с КПД не компенсированного образца позволило определить, что слой компенсации позволяет улучшить рабочие характеристики приблизительно на 80%. Для сравнения на фиг.38 также показан расчетный КПД, который был спрогнозирован для заданной дозы имплантирования.

Глубина проникновения для Ar⁺ при 40 кэВ в InSb составляет приблизительно 400 Å, что достаточно для создания слоя компенсации. Слой 400 Å подвержен потерям на быструю диффузию вакансий при повышенных температурах. Для предотвращения таких потерь на диффузию в других вариантах воплощения выполняют имплантирование ионом Не. Толщина слоя иона Не в данных вариантах воплощения составляет порядка нескольких микрон, что увеличивает эффективный срок службы имплантированного слоя. Например, оценка периода половины срока работы диффузии вакансий InSb при толщине 1 микрон составляет приблизительно 1 год при 200°С. Благодаря тому, что слой компенсации расположен на холодной стороне в вариантах воплощения настоящего изобретения, проблемы диффузии обычно предотвращаются, когда слой компенсации имеет толщину несколько микрон. Расчетные глубины проникновения ионов и формирование вакансий для ионов ⁴He в InSb показаны на фигурах 39-40.

b. Варианты воплощения с Hg_1-xCd_xTe

Полупроводники Hg_1-xCd_xTe (обозначаемые здесь как "МСТ") имеют очень хорошие термоэлектронные значения показателя качества, когда 0,08≤x≤0,15, где верхняя и нижняя границы приведены приблизительно. Предпочтительная величина х составляет приблизительно 0,14. В вариантах воплощения настоящего изобретения использовали пластину Hg_0,86Cd_0,14Te толщиной 500 микрон (производства компании Lockheed Martin IR Imaging Systems). МСТ реагирует с различными подложками, образуя сильно легированные слои донора (взаимодействует с такими металлами, как индий In, железо Fe, галлий Ga и алюминий Al) или слои акцептора (взаимодействует с такими металлами, как серебро Ag, золото Au и висмут Bi), причем скорость реакции зависит от материала и температуры. См. публикацию автора Р.Caper, Properties of Narrow Gap Cadmium-based Compounds, INSPEC, 1994 год, которая приводится здесь в качестве ссылки.

Реакционная способность МСТ позволяет более легко строить слои эмиттера n*/n, чем при использовании InSb, поскольку материал InSb имеет меньшую степень реакционной способности и требует применения более сложной технологии для создания области n*. Кроме того, применение InSb ограничено концентрациями примеси на уровне приблизительно 2-3×10¹⁹ см^-3.

Рабочие свойства вариантов воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, показывают, что подложки, которые формируют донорные примеси, являются предпочтительными, поскольку они позволяют генерировать более высокие плотности тока. Как показано на фиг.41, термоэлектрический отклик без слоя инжектирования носителя заряда составляет плотность тока, которая проявляет незначительное изменение или отсутствие изменения по отношению к температуре. Например, медь формирует примесь акцептора и не должна формировать область n*. В отличие от этого, подложки, содержащие алюминий Al, индий In и галлий Ga, формируют примеси n-типа в МСТ и они создают области n* инжектирования электронов. На фигуре 41 показана зависимость плотности электрического тока как функция температуры для образцов Hg_0,86Cd_0,14Те, один из них использовался со слоем эмиттера из меди Си и другой со слоем эмиттера из In-Ga при составе подложки In_0,75Ga_0,25. Сопротивление контакта отслеживали в обоих случаях для обеспечения того, чтобы слои оксида не существенно влияли на наблюдаемые результаты. В частности, было определено, что In-Ga позволяет получить несколько лучший контакт, чем медь (приблизительно 92 мОм для In-Ga по сравнению с приблизительно 103 мОм для меди). На фигуре 41 показана плотность электрического тока как функция температуры для образца с медью, имеющая почти горизонтальную зависимость. Образец МСТ оставляли для охлаждения и слой In-Ga толщиной приблизительно 20-50 микрон помещали поверх медной подложки. Как показано на фигуре 41, плотность электрического тока при этом проявила изменение от температуры, которое было аналогично зависимости для образца с медью только при температурах приблизительно до 70°С. На той же фигуре показано, что выше этой точки плотность электрического тока явно повышалась с ростом температуры. Это связано с тем, что примесь акцепторного типа подавлялась примесями n-типа, что приводило к тому, что образец проявлял режим инжектирования носителей заряда с во много раз большим выходным током. Выходное напряжение в обоих случаях составляло приблизительно одинаковую величину от приблизительно 290 до приблизительно 350 мкВ/К, что соответствует коэффициенту термоэлектрического эффекта Зеебека для МСТ.

С другими материалами доноров были получены различные плотности электрического тока. На фигуре 42 показана зависимость плотности электрического тока как функция температуры для двух образцов Hg_0,86Cd_0,14Te, один из них с подложкой из алюминия Al и другой образец с подложкой из сплава In-Ga. Предпочтительный состав этих подложек был воплощен в виде In_0,75Ga_0,25. Подложка In-Ga позволяет сформировать лучший эмиттер, чем из алюминия Al, поскольку плотность электрического тока как функция температуры для образца из In-Ga была соответственно более высокой во всем диапазоне температур. Хотя это не показано в форме графиков зависимости плотности электрического тока от температуры, индий In позволяет формировать лучший эмиттер, чем галлий Ga, в частности, при использовании с чистой подложкой из индия In. Подложки из алюминия Al, индия In и галлия Ga представляют собой примеры, которые формируют примеси n-типа в МСТ, которые создают области n* инжектирования электрона.

На фигуре 43 представлен абсолютный КПД, показанный в вариантах воплощения преобразователя МСТ в соответствии с настоящим изобретением, в котором слой эмиттера n* был сформирован с помощью реакции МСТ с эвтектическим In_0,75Ga_0,25. Абсолютный КПД определяется как отношение выходной электрической мощности к тепловому потоку через образец. Те же данные, что показаны на фигуре 43, были пересчитаны в виде процентного отношения к идеальному КПД цикла Карно, и результаты пересчета показаны на фигуре 44. КПД η_с идеального цикла Карно определяется, как η_с=(Т_{горячей стороны}-Т_{холодной стороны})/Т_{горячей стороны}. При этом принимается, что уровень выше 30% от идеального КПД цикла Карно находится за пределами возможностей любого обычного термоэлектрического устройства, и что обычные термоэлектрические устройства с трудом достигают уровня 20% от идеального КПД цикла Карно. В отличие от этого, на фиг.44 показано, что варианты воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, постоянно работают с КПД, превышающим 20% от идеального КПД цикла Карно в диапазоне температур от приблизительно 100°С до приблизительно 175°С при температуре Т_{холодной стороны}=20,5°С, и с КПД выше 30% от идеального КПД цикла Карно при температурах от приблизительно 150°С до приблизительно 160°С.

Снижение рабочих характеристик преобразователя за пределами температур 150-160°С можно объяснить за счет растворения слоя эмиттера и/или рекомбинации инжектированных носителей заряда. Для устранения такого снижения рабочих характеристик преобразователя варианты воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, содержат барьер для диффузии. Слой иттербия толщиной приблизительно до 10 Å представляет собой пример такого барьера для диффузии. Толщина приблизительно до 10 Å является предпочтительной, поскольку такой слой металла не оказывает существенного воздействия на свойства переноса электронов. Другие способы построения барьера для диффузии описаны, например, в статье авторов A.Raisanen et al. в публикации Properties of II-VI Semiconductors, MRS Society Symposium Procceedings, том 161, стр.297-302, 1990 г., которая приводится здесь в качестве ссылки.

с. Варианты воплощения с многослойным пакетом InSb/Hg_1-xCd_xTe.

Как показано выше, варианты воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, которые содержат набор пластин InSb в конфигурации с эмиттером на горячей стороне, проявляют существенно лучший КПД. КПД для вариантов воплощения этого типа определялся следующим образом.

InSb и МСТ проявляют наилучшие рабочие характеристики при различных температурах: от приблизительно 300°С до приблизительно 350°С для InSb и приблизительно 150°С для МСТ. Учитывая такую разницу температур, варианты воплощения преобразователей, в соответствии с настоящим изобретением, были оптимизированы для обоих материалов.

Низкая теплопроводность МСТ затрудняет возможность проводить непосредственные измерения теплового потока, в особенности, когда измерения должны проводиться на небольших образцах. Кроме того, размеры некоторых образцов в использованных вариантах воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, составляли, по большей части, несколько квадратных миллиметров и из-за таких уменьшенных размеров не позволяли проводить контактные измерения температуры с помощью доступных датчиков температуры. Кроме того, небольшой размер этих образцов не позволял использовать стандартные камеры инфракрасного изображения из-за ограниченной пространственной разрешающей способности таких камер инфракрасного изображения. Технология, основанная на использовании инфракрасных камер со специально построенной оптикой, позволила устранить эту проблему.

Другая методология, которая была принята в этих экспериментах, подразумевала следующие предположения. Через пластины с одинаковой толщиной проходит одинаковый тепловой поток, так что, по существу, тепловые потери отсутствуют. Общее падение температуры на всем наборе записывается как ΔT=ΔТ₁+ΔT_2, где ΔТ₁ представляет падение температуры на первой пластине, и ΔT₂ представляет падение температуры на второй пластине. Значения теплопроводности, зависящие от температуры InSb и МСТ, были представлены соответственно как λ₁(T) и λ₂(Т). С помощью этих переменных можно описать следующую систему уравнений:

-λ₁(T)ΔT₁=-λ₂(T)ΔT₂

ΔT=ΔT₁+ΔT₂

Значение ΔT может быть измерено как разность температур между холодной и горячей пластинами, и первое уравнение можно итерировать, используя значения ΔT₁, λ₁(Т) и λ₂(Т). Тепловой поток и падение температуры на каждой пластине оценивают в соответствии с этой процедурой итерации. Как отмечено выше, КПД преобразователя вычисляют на основании отношения выходной электрической мощности к тепловому потоку через устройство. Толщину пластины InSb регулировали для изменения диапазона рабочей температуры преобразователя от значения менее чем 150°С до более чем 300°С при, по существу, том же значении составляющего КПД цикла Карно, превышающем 30%. Непосредственные измерения с помощью оборудования инфракрасного изображения показали несколько меньший тепловой поток через преобразователь, вероятно, из-за неидеальных контактов, что привело к 3-4% повышению КПД. Максимальный наблюдавшийся КПД в вариантах воплощения настоящего изобретения превышал 40% от идеального цикла Карно. В отличие от этого, обычные преобразователи энергии, доступные в настоящее время, обычно позволяют получить КПД, составляющий приблизительно 16% от КПД цикла Карно в узком диапазоне температур.

На фигуре 45 показан КПД варианта воплощения с многослойным преобразователем, в соответствии с настоящим изобретением. В данном варианте воплощения использовали пластину InSb толщиной приблизительно 1 мм, и концентрация примеси (Те) составляла приблизительно 10¹⁸ см^-3. Слой эмиттера имел толщину приблизительно 2000 Å и представлял собой нанесенный напылением слой InSb с концентрацией приблизительно 3×10¹⁹ см^-3 Те. Пластина была покрыта слоем, содержащим In-Ga. Предпочтительный состав такого материала In-Ga в данном варианте воплощения представлял In_0,75Ga_0,25. Толщина этого слоя составляла от приблизительно 30 микрон до приблизительно 50 микрон. Вторая пластина была изготовлена из Hg_1-xCd_xTe, при значении х, предпочтительно, удовлетворяющем неравенство 0,08≤х≤0,15, где верхняя и нижняя границы приведены приблизительно, более предпочтительная форма этого состава имеет приблизительную стехиометрию, заданную Hg_0,86Cd_0,14Te при толщине приблизительно 0,51 мм. Среднее поперечное сечение набора составляло приблизительно 1,70×1,52 мм². Доля КПД от идеального цикла Карно как функция температуры горячей пластины для этого варианта воплощения показана на фигуре 46. Значение Т_{холодной стороны} на фигурах 45-46 составляло 20°С. Как показано на фигуре 46, процент от КПД идеального цикла Карно для этого варианта воплощения при максимуме рабочих характеристик составил приблизительно то же значение, которое было показало на фигуре 44, но данный вариант воплощения проявляет ее при значительно более высокой температуре.

d. Показатель качества Hg_1-xCd_xTe

Как показано в Таблице 1, показатель качества для HgTe приблизительно в 2,5 раза лучше, чем для InSb. Добавка кадмия Cd к HgTe улучшает подвижность носителей заряда и снижает теплопроводность. На фигуре 47 показана нормированная зависимость для значения показателя качества для Hg_1-xCd_xTe по отношению к InSb, как функция от х. Для х=0,08, показатель качества для Hg_0,92Cd_0,08Te составляет приблизительно 0,0065, что лучше, чем показатель качества для HgTe приблизительно в 2 раза. В других вариантах воплощения настоящего изобретения предполагается, что значения показателя качества находятся на таком низком уровне, как приблизительно 0,001.

В контексте настоящего изобретения также было определено, что предпочтительные варианты воплощения Hg_1-xCd_xTe имеют значение х в диапазоне от приблизительно 0,08 до приблизительно 0,15 и что именно в этой области этот материал проявляет наивысшие значения для его термоэлектронного показателя качества, и при этом материал все еще проявляет свойства полупроводника. Это поддерживает взаимозависимость между слоем эмиттера n* и промежутком, и слоем компенсации, и промежутком, которая была описана выше.

8. Варианты воплощения для охлаждения

Основные компоненты термоэлектронного преобразователя 50 для обеспечения охлаждения (см. фигуры 48 и 49) являются, по существу, теми же, что и для теплового диода 10, предназначенного для преобразовании тепла в электричество, который описан выше (см. фигуры 1 и 19). В соответствии с этим, термин "твердотельный термоэлектронный преобразователь тепловой энергии", в общем, относится здесь к вариантам воплощения преобразователей тепловой энергии в электричество, в соответствии с настоящим изобретением, и к вариантам воплощения для охлаждения, в соответствии с настоящим изобретением.

На фигуре 48 представлен некомпенсированный тепловой диод и на фигуре 49 изображен компенсированный тепловой диод. Существенная разница между вариантами воплощения с преобразованием тепла в электричество и вариантами воплощения с охлаждением состоит в том, что перенос носителей заряда производится с помощью внешнего электрического поля E_Ext, и область 14 n*-типа соединена с тепловой нагрузкой, которая охлаждается при тепловом потоке к первому омическому контакту 52 в области 14 n*-типа. Область 14 n*-типа теплоизолирована с помощью изолирующего материала 54. В отличие от нагреваемой области 14 n*-типа, в случае варианта воплощения с преобразованием тепла в электричество, тепловую нагрузку охлаждают с помощью потока тепла, Q_Loud в область 14 n*-типа в тепловом диоде 50, как показано на фигуре 48. Область промежутка 16 расположена в непосредственной близости к области 14 n*-типа, и второй омический контакт 53 имеет область 56 рекомбинации коллектора, сформированную между вторым омическим контактом 53 и областью 16 промежутка. Область 16 промежутка может быть областью n-типа, областью р-типа или областью беспримесного полупроводника. Для случая компенсированного теплового диода, как показано на фигуре 49, компенсированная область 19 расположена на внутренней стороне металлического контакта и создается путем добавления примеси р-типа, которая подавляет обратный ток электронов. Задняя поверхность второго омического контакта 53 действует как теплообменник, и тепловой поток (Q_Exchange) рассеивает тепло от горячих электронов.

На фигуре 50 показан коэффициент полезного действия (КПД, по отношению к обратному циклу Карно) как функция температуры для компенсированных диодов в вариантах воплощения с охлаждением, в соответствии с настоящим изобретением. Кривые коэффициента полезного действия, показанные на фигуре 50, помечены для различных значений промежутка в каждом из вариантов воплощения. Кроме существенно повышенных коэффициентов полезного действия по сравнению с обычными устройствами, на фигуре 50 также показаны варианты воплощения, в соответствии с настоящим изобретением, которые работают при температурах гораздо ниже 200 К, в отличие от обычных устройств, которые, в общем, не могут работать при температурах ниже приблизительно 200 К.

Для специалистов в области теплообменников понятно, что существует множество средств для осуществления теплообмена, включая, но не ограничиваясь, воздушное и жидкостное охлаждение или их эквиваленты.

9. Промышленная применимость

Поскольку преобразование энергии представляет основу современной цивилизации, эффективный преобразователь энергии может иметь множество вариантов применения, таких как существующие электростанции, предназначенные для электроснабжения, солнечные электростанции, источники электроэнергии для жилых помещений, источники электричества для бытового потребления/солнечные источники электричества, автомобили, морские суда, солнечные/морские энергетические установки, портативные электронные приборы, тепловые насосы, преобразующие энергию окружающей среды, системы охлаждения (охлаждение, кондиционирование воздуха и т.д.), аэрокосмическая техника и т.д.

На электростанциях высвобождается огромное количество отходящей теплоты с потенциалом 300°С и ниже. Преобразование отходящей теплоты с КПД Карно 20-40% при использовании вариантов воплощения настоящего изобретения, предполагает дополнительное повышение общего КПД электростанции на 10-20% с эквивалентной экономией топлива.

Распространение преобразователей энергии с низкой стоимостью, в соответствии с настоящим изобретением, может привести к снижению капитальных затрат при строительстве электростанций с концентратором солнечной энергии с более высоким КПД, чем используемые в настоящее время циклы пар/электричество. Более низкие рабочие температуры также позволяют снизить эксплуатационные расходы.

Источники электроэнергии для бытового потребления, основанные на непосредственном преобразовании тепла в электрическую энергию, являются идеальными для удаленных областей, куда трудно или неудобно проводить линии электропередач. Источник тепла может быть либо в форме ископаемого топлива или в форме концентраторов солнечной энергии. Концентраторы солнечной энергии также могут быть выполнены на основе водяных бассейнов, нагреваемых от солнца, с использованием разности температур дня/ночи. Несколько сотен кубических метров воды со ста квадратными метрами поверхности совместно с вариантами воплощения настоящего изобретения позволяют обеспечить электричеством дом в областях с разностью температур приблизительно 10°С.

Тепловой диод, в соответствии с настоящим изобретением, в комбинации с обычным двигателем, приводящим электрогенератор и электродвигатель, позволяет существенно повысить расстояние пробега на единицу расхода топлива.

Непосредственное преобразование энергии имеет огромное количество вариантов применения в электрических автомобилях. Один из вариантов воплощения предполагает использование термоэлектронных устройств, в соответствии с настоящим изобретением, с рабочими температурами от приблизительно 150 до 200°С, в качестве устройств повышения общего КПД. Другой вариант воплощения может использоваться в автомобиле с электрическим приводом и обычным двигателем, соединенным с электрическим генератором, с множеством преобразователей, в соответствии с настоящим изобретением, используемых в качестве промежуточного радиатора.

Варианты применения в автомобильной технике и технике, обеспечивающей поступательное движение, также могут использоваться на море. Кроме того, концентраторы солнечной энергии могут использоваться на парусных судах. Комбинация легких и не дорогостоящих пластиковых линз Френеля с преобразователями на тепловом диоде, в соответствии с настоящим изобретением, может быть установлена на современных жестких парусах типа крыло, обеспечивая использование энергии ветра и солнца для привода судна с солнечным компонентом энергии, составляющим приблизительно 100-200 Вт/м² паруса.

Поскольку варианты воплощения преобразователя, в соответствии с настоящим изобретением, позволяют использовать очень небольшие градиенты температуры в самоподдерживающемся режиме, температурный градиент между теплоотводами может быть создан с использованием на поверхности асимметричного теплообменника (например, один из теплоотводов может быть теплоизолирован). Кроме того, система будет работать до тех пор, пока что-то не выйдет из строя, охлаждая окружающую среду и генерируя электричество. В общем, способ и устройство, описанные в настоящем изобретении, представляют собой существенное улучшение по сравнению с известным уровнем техники в области преобразования энергии.

Настоящее изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без отхода от его сущности или существенных характеристик. Описанные варианты воплощения следует рассматривать во всех отношениях только как иллюстрацию, а не как ограничение.

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии. Сущность: область с высокой степенью легирования n* может служить в качестве области эмиттера, из которой носители заряда могут инжектироваться в область промежутка. Область промежутка может быть р-типа, областью, изготовленной из беспримесного проводника, или областью n-типа с умеренной степенью легирования. Горячий омический контакт соединен с областью n*-типа. Холодный омический контакт служит в качестве коллектора и соединен с другой стороной области промежутка. Холодный омический контакт имеет область рекомбинации, сформированную между холодным омическим контактом и областью промежутка, и блокирующий слой компенсации, который снижает компонент термоэлектрического обратного тока. Эмиттер, нагретый по отношению к коллектору, генерирует электродвижущую силу, которая создает ток через последовательно подключенную нагрузку. Технический результат: повышение эффективности преобразования. 5 н. и 58 з.п. ф-лы, 50 ил., 1 табл.

1. Твердотельный термоэлектронный преобразователь, содержащий 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, и содержащую полупроводник, включающий второй донор с концентрацией N_d, выбранной таким образом, что натуральный логарифм отношения составляет значение в диапазоне от 0 до 7.2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит компенсированную область, расположенную между областью промежутка и коллектором и имеющую такую конфигурацию, благодаря которой подавляется электрический ток от коллектора в область промежутка.3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что значение натурального логарифма отношения находится в диапазоне от 3 до 7.4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что температура эмиттера выше, чем температура коллектора, когда электрический ток протекает от эмиттера к коллектору.5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттер содержит металл.6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что область промежутка содержит полупроводник n-типа.7. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит область рекомбинации, расположенную в электрическом соединении между областью промежутка и коллектором или включающую часть коллектора, соединенную с областью промежутка.8. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттер содержит InSb.9. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттер содержит InSb, легированный теллуром Те.10. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттер содержит InSb, легированный теллуром Те с концентрацией в диапазоне, по существу, от 10¹⁶ см^-3 до 3·10¹⁹ см^-3.11. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттер содержит InSb, легированный теллуром Те с концентрацией в диапазоне, по существу, от 10¹⁸ см^-3 до 3·10¹⁹ см^-3.12. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что область промежутка содержит InSb, легированный теллуром Те с концентрацией, по существу, 10¹⁸ см^-3.13. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что толщина эмиттера составляет, по меньшей мере, 400 Å.14. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что область промежутка содержит полупроводник, для которого безразмерное значение нормированной проводимости χ находится в диапазоне, по существу, от 1 до 0,001.15. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что область промежутка содержит HgSe.16. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что область промежутка содержит HgTe.17. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что область промежутка содержит Bi_1-yrSb_y, при этом у находится в диапазоне, по существу, от 0,05 до 0,2.18. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что область промежутка содержит Se_zTe_1-z, где z удовлетворяет неравенству 0≤z≤1.19. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что область промежутка содержит Hg_i-xCd_xTe, при этом х находится в диапазоне, по существу, от 0,08 до 0,2.20. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что область промежутка содержит Hg_1-xCd_xTe, при этом х составляет, по существу, 0,08.21. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что область промежутка содержит легированный полупроводник с концентрацией примеси в диапазоне, по существу, от 10¹⁵ см^-3 до 10²⁰ см^-3.22. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что энергетический барьер для инжектирования электронов из эмиттера в область промежутка находится в диапазоне, по существу, от 4 k_BТ до 5 k_BТ, где k_B представляет собой константу Больцмана, и Т представляет абсолютную температуру, при которой происходит инжектирование электрона.23. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что эмиттер является теплоизолированным.24. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит первый омический контакт, находящийся в электрической и тепловой связи с эмиттером; слой снижения барьера на границе металл-полупроводник между первым омическим контактом и эмиттером, и второй омический контакт, находящийся в электрической связи с коллектором.25. Преобразователь по п.24, отличающийся тем, что коллектор сформирован на втором омическом контакте.26. Преобразователь по п.24, отличающийся тем, что дополнительно содержит теплопроводный слой, нанесенный, по меньшей мере, на один из первого и второго омических контактов.27. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит холодный омический контакт, находящийся в электрической и тепловой связи с областью промежутка и содержащий коллектор, расположенный смежно с областью промежутка, при этом коллектор включает область рекомбинации коллектора, и компенсированную область, расположенную между областью промежутка и коллектором, сконфигурированную таким образом, что она подавляет электрический ток от коллектора в область промежутка.28. Преобразователь по п.27, отличающийся тем, что область рекомбинации коллектора сформирована на холодном омическом контакте.29. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит компенсированную область, при этом область промежутка расположена между эмиттером и компенсированной областью, и коллектор находится в электрическом и тепловом контакте с компенсированной областью, имеющей легирование р-типа, так что электрический ток от коллектора в область промежутка существенно подавляется при обеспечении возможности протекания термоэлектронного тока от области промежутка к коллектору.30. Преобразователь по п.29, отличающийся тем, что температура эмиттера выше, чем температура коллектора, когда электрический ток протекает между эмиттером и коллектором.31. Твердотельный термоэлектронный преобразователь, содержащий множество отдельных преобразователей, установленных последовательно, в котором каждый из отдельных преобразователей выполнен в соответствии с п.29.32. Преобразователь по п.29, отличающийся тем, что компенсированная область сформирована посредством имплантирования ионов в область промежутка.33. Преобразователь по п.29, отличающийся тем, что компенсированная область содержит вакансии, созданные с помощью имплантирования ионов.34. Преобразователь по п.29, отличающийся тем, что эмиттер является теплоизолированным.35. Твердотельный термоэлектронный преобразователь тепловой энергии, содержащий эмиттер, включающий, по меньшей мере, продукт реакции Hg_1-xCd_xTe с подложкой, содержащей индий In; коллектор и область промежутка между эмиттером и коллектором, находящуюся в электрической и тепловой связи с эмиттером и коллектором, содержащую полупроводник, выбранный из группы, состоящей из полупроводников n-типа, полупроводников р-типа и беспримесных полупроводников.36. Преобразователь по п.35, отличающийся тем, что дополнительно содержит компенсированную область, расположенную между областью промежутка и коллектором и конфигурация которой подавляет электрический ток от коллектора в область промежутка.37. Преобразователь по п.35, отличающийся тем, что подложка содержит In-Ga.38. Преобразователь по п.35, отличающийся тем, что значение х находится в диапазоне, по существу, от 0,08 до 0,25.39. Преобразователь по п.35, отличающийся тем, что значение х находится в диапазоне, по существу, от 0,08 до 0,09.40. Преобразователь по п.35, отличающийся тем, что подложка содержит In_1-wGa_w, в котором значение w находится в диапазоне от приблизительно 0,1 до приблизительно 0,3.41. Преобразователь по п.35, отличающийся тем, что на эмиттере предусмотрен диффузионный барьер.42. Преобразователь по п.35, отличающийся тем, что в эмиттере предусмотрен диффузионный барьер, содержащий иттербий.43. Преобразователь по п.35, отличающийся тем, что эмиттер является теплоизолированным.44. Твердотельный термоэлектронный преобразователь тепловой энергии, содержащий множество пластин Р_i, при 1≤i≤m, где m представляет общее количество пластин, каждая из которых содержит эмиттер E_i, имеющий, по меньшей мере, область, содержащую первый донор, имеющий концентрацию ; коллектор С_i и область G_i промежутка между эмиттером E_i и коллектором С_i, находящуюся в электрической и тепловой связи с эмиттером Ei и коллектором С_i, и содержащую полупроводник, включающий второй донор, имеющий концентрацию N_d, выбранную таким образом, что натуральный логарифм отношения Nd*/Nd находится в диапазоне числовых значений от 0 до 7; при этом каждая пластина P_j, имеющая эмиттер E_j+1, область G_j+1 промежутка и коллектор C_j+1 имеет такую конфигурацию, что она последовательно соединена с группой из эмиттера E_j, области G_j промежутка и коллектора C_j, для 1≤j≤(m-1), причем индексы i и j представляют собой целые числа, и коллектор C_j находится в электрической связи с эмиттером E_j+1 для каждого значения j, удовлетворяющего неравенству 1≤j≤(m-1).45. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что значение натурального логарифма отношения находится в диапазоне, по существу, от 3 до 7.46. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что дополнительно содержит компенсированную область R_i, расположенную между областью G_i промежутка и коллектором С_i и имеет такую конфигурацию, что она подавляет электрический ток от коллектора в область промежутка, при этом каждая пластина P_j, включающая эмиттер E_j+1, область G_j+1 промежутка, компенсированную область R_j+1 и коллектор C_j+1 выполнена таким образом, что она соединена последовательно с группой из эмиттера E_j, области G_j промежутка, компенсированной области R_j и коллектора C_j для значений 1≤j≤(m-1).47. Преобразователь по п.46, отличающийся тем, что эммитеры Е_i и E_j содержат, по существу, те же самые материалы, коллекторы С_i и C_j содержат, по существу, те же самые материалы, и компенсированные области R_i и R_j содержат, по существу те же самые материалы, для i≠j, и 1≤i≤m, 1≤j≤m.48. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что температура каждого из эмиттеров Е_i выше, чем температура каждого из коллекторов С_i, когда электрический ток протекает между эмиттером Е_i и коллектором С_i.49. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что первая пластина P₁ содержит материалы InSb.50. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что первая пластина P₁ содержит материал InSb, легированный теллуром Те.51. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что первая пластина P₁ содержит материал InSb, легированный теллуром Те при концентрации, по существу, 10¹⁸ см^-3.52. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что по меньшей мере, эмиттер E₁ первой пластины содержит материал InSb, легированный теллуром Те.53. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что по меньшей мере, эмиттер E₁ первой пластины содержит материал InSb, легированный теллуром Те при концентрации, по существу, 3·10¹⁹ см^-3.54. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что первая пластина P₁ покрыта материалом, содержащим In-Ga.55. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что по меньшей мере, первая пластина P₁ содержит покрытие из материала, содержащего In_1-uGa_u, в котором значение u находится в диапазоне, по существу, от 0 до 0,3.56. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что по меньшей мере, первая пластина P₁ содержит покрытие из материала, содержащего In_1-uGa_u, в котором величина u составляет, по существу, 0,25.57. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна из пластин содержит Hg_1-xCd_xTe при значении х, находящемся в диапазоне, по существу, от 0,08 до 0,2.58. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что по меньшей мере, одна из пластин содержит Hg_1-xCd_xTe при значении х, находящемся в диапазоне, по существу, от 0,08 до 0,14.59. Преобразователь по п.44, отличающийся тем, что первый эмиттер E₁ выполнен термоизолированным.60. Способ охлаждения с использованием твердотельного термоэлектронного преобразователя, содержащий создание внешней разности электрических потенциалов на термоэлектронном преобразователе, содержащем термоизолированный эмиттер, включающий, по меньшей мере, область, имеющую первую концентрацию Nd* донора; коллектор, область промежутка между эмиттером и коллектором, находящуюся в электрическом и тепловом соединении с эмиттером и коллектором, и содержащую полупроводник, включающий второй донор, имеющий концентрацию N_d, выбранную таким образом, что значение натурального логарифма отношения Nd*/Nd находится в диапазоне от 0 до 7; и подключение тепловой нагрузки к эмиттеру так, что тепловая нагрузка охлаждается с помощью потока тепла по мере того, как прикладываемая разность электрических потенциалов создает электрический ток между эмиттером и коллектором.61. Способ по п.60, отличающийся тем, что поддерживают температуру эмиттера в диапазоне, по существу, от 20 до 400°С.62. Способ по п.60, отличающийся тем, что значение натурального логарифма отношения Nd*/Nd находится в диапазоне, по существу, от 3 до 7.63. Способ по п.60, отличающийся тем, что в термоэлектронном преобразователе дополнительно создают компенсированную область, расположенную между областью промежутка и коллектором и имеющую такую конфигурацию, что она подавляет электрический ток от коллектора к области промежутка.