專利名稱：半導體接觸電容熱電池的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種熱電能量轉換系統(tǒng)的靜態(tài)電源裝置。
在以往的靜態(tài)電源裝置中，化學電池的應用最普遍。它是應用接觸電原理產生的電位差，作用于電解質中的正負離子向兩個相反極性的電極運動，使電極分別產生溶解與化合的過程，兩極板分別積聚了不同的電荷，用導線連接外電路，電子就從一個極板定向地流向另一個極板。這種將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置，無論制造和應用都很方便，缺點是廢電池中的重金屬離子對環(huán)境有嚴重的污染。燃料電池是燃料氧化還原反應產生的正負離子，再利用離子交換半透膜將正負離子分離集聚到不同電極產生電位差，將化學能轉變?yōu)殡娔堋Ｌ柲芄怆姵厥抢霉庹丈湓赑N結上產生電子和空穴，在PN結內電場作用下，將電子掃向N極，將空穴掃向P極，出現(xiàn)光伏打效應，將光能直接轉換為電能，缺點是光電池只能把一小部分光能轉換為電能，效率達到12％左右。
以上三種電源裝置的共同特點就是導電機制都有兩種載流子通過分離而成為電源。半導體通過不同的摻雜而形成P型半導體和N型半導體，每種類型的半導體都有多數載流子和少數載流子，如果將兩種載流子分離，它就可能成為一種新的電源。
本發(fā)明的目的在于利用半導體PN結特性，提供一種將熱能直接轉化為電能的裝置。
半導體受光照和加熱能夠激發(fā)載流子沖破共價鍵的束縛，產生自由電子和空穴，這早已為人們所認識。利用這個現(xiàn)象，制成了光電池，把太陽能直接轉化為電能受到了人們的重視。但是為什么不根據這個現(xiàn)象進一步把熱能直接轉化為電能呢？為了解決這個問題，有必要再重新研究一下半導體的基本性質，從光電轉換機理找到熱電轉換機理，為大規(guī)模把熱能直接轉化為電能開辟道路。
半導體導帶最低能谷與價帶頂之間的能量間隔稱為禁帶寬度。大多數半導體的禁帶寬度隨著溫度的升高而減小，即有負的溫度系數。純凈半導體的導電性主要來源于本征熱激發(fā)，本征熱激發(fā)是由于熱運動使?jié)M帶電子獲得大于禁帶寬度的能量而躍入導帶的過程。一般半導體的材料的電導率隨著溫度的升高很迅速地增大。在較低的溫度雜質激發(fā)是主要的，載流子將主要由施主激發(fā)到導帶的電子，而在較高的溫度，由滿帶到導帶的本征激發(fā)將成為主要的。半導體中的載流子主要來自本征激發(fā)和雜質電離，對于一定摻雜濃度的半導體，其載流子濃度只與環(huán)境溫度有關。熱產生是產生載流子對，每產生一個電子的同時將產生一個空穴；而雜質電離僅產生一種類型的可動載流子并產生電荷相反的固定離子。當溫度升高到本征激發(fā)產生的載流子濃度比摻雜濃度還大時，稱為本征態(tài)。本征半導體的費米能級位于禁帶中線附近。由于電子和空穴濃度都隨溫度變化，所以費米能級的位置必定也隨溫度變化。在同一溫度下?lián)诫s濃度高的材料，其費米能級更靠近導帶底或價帶頂，隨著溫度的升高禁帶寬度要稍微變窄。
共價鍵中的電子雖然被束縛在原子中，但不象在絕緣體里被束縛的那樣緊。在一定的溫度下，由于熱運動，一些電子就能夠獲得足以克服共價鍵的束縛，成為自由電子。溫度愈高，掙脫束縛的電子就越多。在光和熱的沖擊下，可以擊破某些共價鍵產生自由電子，所以半導體的導電能力受光照和溫度的影響很大。N型半導體中熱產生的空穴和P型半導體中熱產生的電子叫做少數載流子，而占優(yōu)勢地位的摻雜載流子叫做多數載流子。電子電流是帶負電的自由電子的定向運動，而空穴電流是帶正電的空穴的定向運動。在半導體中同時存在著電子導電和空穴導電，這是半導體導電機構的最大特點，是半導體和金屬在導電原理上的最大差別。
不論是在N型半導體中，還是在P型半導體中，多數載流子是由于摻入了雜質而產生的，摻入的雜質愈多，多數載流子的數目愈多。少數載流子則由于熱運動使得電子能夠掙脫共價鍵的束縛而產生的，溫度愈高，熱運動愈強烈，少數載流子的數目就愈多。在常溫下，由于一般半導體靠本征激發(fā)提供的載流子甚少，半導體的導電性能主要取決于摻雜水平。然而隨著溫度的升高，本征載流子的濃度將迅速增長。熱平衡時，整塊半導體材料的溫度處處一致不斷地有電子——空穴對通過本征激發(fā)產生出來，同時，又不斷地有電子和空穴相遇而彼此復合消失；并且產生與復合作用互相平衡；電子和空穴有著統(tǒng)一的、不隨空間位置變化的費米能級，在此情形，無論是導帶電子還是價帶空穴，都是借助于熱激發(fā)產生，就是說本征激發(fā)所需要的能量來自熱能。在半導體材料確定后，本征半導體自由電子濃度只與溫度有關，隨著溫度的升高，載流子濃度近似地按指數規(guī)律迅速增大。溫度是影響半導體性能的一個重要因素。
在電場的作用下，載流子在無規(guī)則熱運動之外產生的附加的運動，從而形成電流，稱為漂移運動。由于點陣振動的強弱以及載流子本身熱運動都隨著溫度變化，所以載流子的散射和漂移遷移率都是溫度的函數。
所謂PN結，是指在同一塊半導體內部P型區(qū)和N型區(qū)分界面附近的一個區(qū)域。如果分界面兩邊摻雜濃度都是常數，則稱為突變結；反之，如果由一種摻雜類型逐漸過渡到另一種摻雜類型，則稱為緩變結。PN結的基本電學特性是具有單向導電的整流性質。PN結所以會呈現(xiàn)整流性質，其物理根據在于結內存在載流子的勢壘。兩種材料的費米能級不同，必然要導致電荷的轉移。
如果對PN結施加正向電壓，則由于結區(qū)是高阻區(qū)，實際上我們可以認為所有外加電壓降落在結區(qū)。正向電壓使P區(qū)電勢高，就是使勢壘降低，于是削弱了結區(qū)電場的漂移作用。相比之下，載流子擴散作用占優(yōu)勢。電子源源不斷地從N區(qū)向P區(qū)擴散，空穴也不斷從P區(qū)向N區(qū)擴散，從而形成比較顯著的正向電流。反之，當施加反向電偏壓時，外加電場極性與內電場極性一致使勢壘升高。此時只有P區(qū)的電子和N區(qū)的空穴才能在結區(qū)電場的作用下漂移過PN結。由于這些都是少數載流子，只能構成數量上甚小的反向電流。
實際的PN結都是在同一塊半導體基片上控制不同部分的摻雜濃度來制備的，P區(qū)空穴多，電子少，而N區(qū)則是電子多空穴少。因此N區(qū)電子要向P區(qū)擴散，P區(qū)空穴也要向N區(qū)擴散。這種電荷遷移的結果是在邊界的N區(qū)一邊出現(xiàn)由電離施主構成的正空間電荷，而在邊界的P區(qū)一邊則出現(xiàn)由電離受主構成的負空間電荷。因此在空間電荷區(qū)內就形成了從N區(qū)指向P區(qū)的電場，稱為內建電場，以區(qū)別于對PN結施加的外電場，該電場的漂移作用是阻止N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴越過分界面向對方擴散。在結區(qū)(空間電荷區(qū))，當載流子受到的內建電場的漂移作用和擴散作用相抵消時達到平衡。顯然，此時對電子而言，邊界P區(qū)一側的勢能高于N區(qū)，換言之，在結區(qū)形成了電子的勢壘，其作用是妨礙電子向P區(qū)過渡。同理，對P區(qū)向N區(qū)過渡的空穴而言，結區(qū)也是勢壘。在空間電荷區(qū)內，自由載流子很少，常稱為耗盡層，這是個高阻區(qū)。PN結兩邊摻雜愈多，勢壘的寬度(即空間電荷區(qū)的寬度)是隨著摻雜的增加而下降的。
實際使用PN結都是兩邊雜質濃度相差很遠的不對稱結。若P區(qū)受主濃度大于N區(qū)施主濃度，記為P+N結，反之N區(qū)施主濃度大于P區(qū)受主濃度，則為N+P結。當P區(qū)受主濃度遠大于N區(qū)施主濃度時，N區(qū)為了拿出同樣多的正離子去與P區(qū)負離子組成空間電荷區(qū)，則N區(qū)一邊的空間電荷區(qū)將擴展得較寬，所以空間電荷區(qū)主要伸向N區(qū)一邊。不對稱結還有一個特點，就是在有外加電壓時，通過結的擴散電流和漂移電流均以一種載流子產生的電流為主。例如P+N結，在接有正向電壓時，擴散電流中的空穴電流大于電子電流，漂移電流也以空穴電流為主，總電流取決于空穴電流。
由空間電荷區(qū)所產生的電場是在PN結的內部，所以一般叫做內電場，便于和外電源所產生的電場相區(qū)別。內電場對于電子和空穴的運動起什么作用呢？內電場對于多數載流子(P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的自由電子)的擴散運動具有阻擋作用，所以在P區(qū)和N區(qū)交界處所形成的這個空間電荷區(qū)，又叫做阻檔層。內電場對少數載流子有什么作用呢？P區(qū)中的少數載流子是帶負電的自由電子，它們在內電場的作用下，將會順利地通過空間電荷區(qū)進入N區(qū)；同樣N區(qū)中的少數載流子是帶正電的空穴，它們也會在內電場的作用下很容易地越過空間電荷區(qū)漂入P區(qū)。反向偏置下勢壘增高，在PN結界面處發(fā)生少數載流子的抽取作用，即P區(qū)和N區(qū)少數載流子只要擴散到PN結邊界，立即就被結區(qū)內強大電場拉向對方。結果使界面兩側少數載流子濃度低于平衡值，引起少數載流子從體內向界面的擴散。只要擴散到PN結邊界，就又立即被抽取到對方。內電場對少數載流子的這種作用叫做漂移作用，少數載流子在內電場作用下的運動叫做漂移運動。少數載流子在內電場作用下的漂移運動方向與多數載流子的擴散運動方向是一致的。如果外加電場使勢壘高度增加，將幫助少數載流子越過空間電荷區(qū)，使這種少數載流子很容易掃過加速電場區(qū)，這種反向電流的大小與外加電壓無關，而僅由這兩區(qū)域中少數載流子的多少來決定。而少數載流子是由熱運動產生的，因此，這是一個更強烈地依賴于溫度的函數。
本發(fā)明是根據半導體的電導率隨溫度的升高而增大的原理制造的。半導體中的多數載流子的數目由摻雜濃度決定，而少數載流子的數目是由溫度決定的。PN結的內電場對多數載流子具有阻擋作用，對少數載流子具有漂移作用。所以半導體熱電池是在高溫條件下對PN結加反向電壓的裝置。半導體光電池是把光照在PN結上，產生電子和空穴，在PN結內電場作用下，電子轉移到N區(qū)，空穴轉移到P區(qū)。半導體熱電池與此相似，它將高摻雜的P型半導體和高摻雜的N型半導體做成電容器的極板，再連接兩個整流二極管。使二極管的P區(qū)連接電容器的P型極板，二極管的N區(qū)連接電容器的N極板。這樣的電容器N極板的多數載流子電子將通過二極管的PN結擴散到電容器的P極板，電容器P極板的多數載流子空穴也將通過另一個二極管的PN結擴散到電容器的N極板，使電容器的N極板帶正電荷，P極板帶負電荷，而這就相當于兩個二極管的PN結接上了反向電壓。當加熱半導體電容器，少數載流子的數目大增。P極板的少數載流子電子在PN結內電場的作用下進入電容器的N極板，電容器的N極板的少數載流子空穴在PN結內電場的作用下進入電容器的P極板，形成工作電壓。用導線連接電容器的兩個電極，電子就將從N極板流向P極板。只要給半導體電容器不斷地加熱，保持一定的溫度，它就可以不斷地把熱能直接轉化為電能。
本發(fā)明在結構上由半導體電容器和兩個緩變結二極管組成。這兩種元件都是已知的。在常溫下，電容器和二極管工作時都需要外加電壓。但是它們的組合，在高溫下卻改變了電流的方向，由用電器變成電源了。半導體電容器的作用是1、給二極管提供反向電壓源，2、加熱后成為少數載流子源，3、存貯漂移載流子，形成熱電池的工作電壓。二極管的作用是將半導體電容器一個極板產生的少數載流子在內電場的作用下轉移到另一個極板上去。
本發(fā)明與太陽能光電池在原理和結構上相似。光電池是光照射在PN結內產生的電子與空穴掃除空間電荷區(qū)形成光伏效應。由于只有一部分光產生的電子和空穴的能量大于禁帶寬度，小于禁帶寬度的電子空穴又復合了，不能產生光生伏打效應，所以光電池的效率比效低，理論上最高可達24％，實際只能達12％。熱電池卻不同，熱能夠使禁帶寬度變窄，熱能夠使少數載流子的數目超過多數載流子。PN結的內電場幫助少數載流子越過空間電荷區(qū)是通過兩個結構不同的二極管進行的，一個只通過電子，另一個只通過空穴。這樣就減少了電子與空穴復合的機會，使熱電轉換效率大大提高。同樣利用太陽能，熱電池的效率比光電池將提高7-8倍。
原子能發(fā)電是當今比較清潔的能量轉換方式，但由于它采用傳統(tǒng)的轉換方式，即先使熱能用蒸汽輪機轉換為機械能，再轉動發(fā)電機發(fā)電，這樣就把一半以上的能量白白浪費掉了。而這些能量用本發(fā)明不僅完全可以轉化為有用的電能，還可大大減少給環(huán)境造成的熱污染。
燃燒煤炭的火力發(fā)電是目前我國電力的主要來源，由于熱的機械轉換效率不高，再加上蒸汽凝結的汽化熱、爐渣及煙氣大量的熱能沒有得到合理的利用，不僅大量浪費了能源，還給環(huán)境帶來嚴重污染。利用本發(fā)明不僅可把現(xiàn)有火電站的效率提高2-3倍，還可減輕對環(huán)境的污染，因為在把廢氣、廢渣中的熱量轉化為有用的電能的同時，它們的溫度就大大降低了，就給治理它們創(chuàng)造了條件。
另外冶金、化工在過去由于熱能得不到循環(huán)利用，只有消耗大量能源才能維持生產。本發(fā)明可以把過去被浪費的熱能再重新轉化為生產中可利用的電能，不僅減少生產成本中的能耗，還可減輕冶金、化工生產給環(huán)境造成的污染。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖1為原理結構示意圖。
圖2為原理工作示意圖。
圖3為實施結構示意1與圖2中的1為半導體電容器高摻雜的P型極板；2為半導體電容器高摻雜的N型極板；3為半導體P+PN+崩越二極管；4為半導體N+NP+崩越二極管；5為歐姆接觸電極；6為歐姆電阻。將半導體電容器P極板連接兩個崩越二極管的P極，半導體電容器N型極板連接兩個崩越二極管的N極。電容器P型極板的多數載流子空穴通過P+PN+崩越二極管向電容器N型極板擴散；電容器N型極板的多數載流子電子通過N+NP+崩越二極管向電容器P型極板擴散。擴散的結果電容器的P型極板帶負電，N型極板帶正電，這就使與之同性相連的兩個崩越二極管加上了反向電壓圖2Δ為加熱半導體電容器100℃-200℃，多數載流子數目不變，少數載流子數目大增。半導體電容器P型極板的少數載流子電子在二極管內電場的作用下向電容器N型極板漂移，N型極板的少數載流子空穴在另一個二極管內電場的作用下向電容器P型極板漂移。載流子漂移的結果在電容器極板兩面形成工作電壓，使電子從電容器N極板經電阻6流向電容器P型極板，整個裝置成為電源。加熱電容器100℃-200℃的溫度，在電阻上將獲得1000℃-2000℃的溫度。
實施例如圖3所示，1為半導體電容器高摻雜P型極板；2為電容器高摻雜N型極板；3為輕摻雜P型半導體；4為輕摻雜N型半導體；5為歐姆接觸電極；6為歐姆電阻；7為半導體電容器絕緣層。
本發(fā)明采用綜合半導體集成電路制造技術和太陽能光電池制造技術。集成電路是在一塊半導體芯片上制造成千上萬個二極管、三極管、電阻和電容器元件；太陽能光電池是在一個大面積的PN結上兩面作好接觸電極引線。而半導體熱電池在硅片的一面只制造一個電容器和兩個二極管，結構比集成電路要簡單得多。在半導體芯片的一面，用外延或擴散等方法進行高摻雜加工成P(或N)型半導體，再氧化使之生成一層二氧化硅作為絕緣層。在一端光刻、腐蝕去掉一部分二氧化硅保護層，在這部分外延生長一層輕摻雜的P(或N)型半導體。然后在另一端也進行光刻腐蝕去掉一部分保護層，在這一部分外延生長一層輕摻雜的N(或P)型半導體。再用濺射或外延、離子注入等方法使整個硅片生長一層高摻雜的N(或P)型半導體，在P和N各作一歐姆接觸電極引線。半導體硅片的另一面也可以用同樣的方法再做一個熱電池。這樣P型半導體和N型半導體用二氧化硅或本征硅隔開的部分就成為電容器，兩端用輕摻雜的P型半導體或N型半導體連接的部分就成為崩越二極管。由于電容器的兩極板與二極管的兩極是連在一起的同一層高摻雜的半導體，多數載流子擴散的結果兩端變成了加反向偏壓的PN結，其空間電荷區(qū)內有很強的電場。在反向偏壓足夠高，空間電荷區(qū)內電場足夠強時，熱生載流子在通過強電場時會產生雪崩倍增效應。于是反向電流會隨著反向電壓迅速增加。這就是把熱能直接轉化為電能的過程。在半導體材料中，利用鍺將比硅可在較低溫度下獲得更大的電流。半導體熱電池和太陽能光電池一樣，工作電壓都不高，可用串聯(lián)和并聯(lián)方式提高電壓增大功率，達到實用效果。
權利要求
1.一種由兩種載流子經過分離而成的靜態(tài)電源裝置，其特征為將半導體電容器P+型極板連接兩個崩越二極管的P+極，半導體電容器N+型極板連接兩個崩越二極管的N+極，電容器P+型極板的多數載流子空穴通過P+PN+崩越二極管向電容器N+型極板擴散，電容器N+型極板的多數載流子電子通過N+NP+崩越二極管向電容器P+型極板擴散，擴散的結果電容器的P+型極板帶負電，N+型極板帶正電，這就使與之同性相連的兩個崩越二極管加上了反向電壓，加熱半導體電容器，多數載流子數目不變，少數載流子數目大增，半導體電容器P+型極板的少數載流子電子在二極管內電場的作用下向電容器N+型極板漂移，N+型極板的少數載流子空穴在另一個二極管內電場的作用下向電容器P+型極板漂移，載流子漂移的結果在電容器極板兩面形成工作電壓，使電子從電容器N+型極板經電阻流向電容器P+型極板，整個裝置成為電源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由半導體電容器和二極管組成的靜態(tài)電源裝置。半導體電容器與二極管同性極板相連，兩種多數載流子擴散的結果使半導體電容器充電，這就使二極管加上了反向偏置電壓。加熱半導體電容器，少數載流子增加。在二極管內電場作用下，兩種載流子分別漂移，形成工作電壓。只需不斷地加熱，熱電池就能把熱能轉化為電能。它可以把太陽能、地熱能、生產和生活中的熱能轉化為電能并進行循環(huán)利用，消除能源消費帶來的污染，達到可持續(xù)發(fā)展的目的。
文檔編號H01L49/00GK1505176SQ0215239
公開日2004年6月16日 申請日期2002年12月5日 優(yōu)先權日2002年12月5日
發(fā)明者石運達, 張金鋒, 石鐘艷 申請人:石運達