專利名稱：混合熱離子能量變換器和方法
技術領域：
本發明涉及熱能量變換到電能量，并將電能量變換到冷卻，尤其涉及效率和功率密度提高的熱離子變換器，通過減小像力效應造成勢壘高度，便于改變換器利用電子隧道和熱離子發射。
背景技術：
為了滿足對以較低工作溫度且功率密度大到足以商用，將熱能變換為電能的裝置的需要，開發了本發明。本發明還以提供有效冷卻的相反方式工作。
熱離子能量變換是一種通過熱離子發射直接將熱能變換為電能的方法。此方法中，通過對金屬加熱并對部分電子提供足夠的能量，克服金屬表面阻力，以便逸出，從金屬表面以熱離子方式發射電子。與產生電能的其他最常用方法不同，熱離子變換不需要直接形式的能量或工作液體，只需要電荷，以便將熱變為電。
其最基本的形式中，通常的熱離子能量變換器包含連接熱源的一個電極、連接冷源并由介入空間與該第一電極隔開的一個第二電極、將該2電極連接到電負載的導線以及一個殼體。該殼體中的空間為高度真空或填入適當稀薄的蒸汽，如銫。
通常熱離子變換器中的基本處理過程如下。熱源用足夠高的溫度對一個電極供熱，以熱離子方式將電子從該電極蒸發到真空或填充稀薄蒸汽的介入空間，該電極即發射極。電子通過此空間移動到其他電極，該電極即集電極，保持與冷源接近的低溫。在集電極，電子凝集，并經過連接在發射機和集電極之間的電線和電負載返回熱電極。
由電極之間的溫度差維持通過該負載的電子流。因此，將電功傳給負載。
熱離子能量變換依據的概念是與熱源接觸的低電子逸出功的陰極會發射電子。這些電子由高逸出功的冷陰極吸收，并可通過作有用功的外部負載流回陰極。實際的熱離子發生器受陰極可用金屬或其他材料逸出功限制。另一重要限制是空間電荷效應。陰極與陽極間的空間存在帶電電子，會形成減小熱離子流的額外勢壘。
典型的常規熱離子發射極工作在1400至2200K的溫度范圍，而集電極工作溫度范圍為500至1200K。在最佳工作條件下，能量變換總效率為5％至40％，電功率密度為約1～100瓦/厘米2，電流密度為約5～100安/厘米2。總的來說，對考慮輻射損耗的設計而言，發射極溫度越高，效率、功率密度和電流密度也越高。一個典型變換器所提供功率的電壓為0.3至1.2伏，即與普通電解電池的電壓大致相同。高額定功率的熱離子系統常包含電串聯的多個熱離子變換器單元。每一個熱離子單元通常額定功率為10瓦至500瓦。
熱離子變換器的高溫屬性對某些應用有利，但其所需發射極溫度通常超過許多常規熱源的實際能力，對另外一些應用受到限制。對比之下，通常的熱電變換器可在熱源溫度500至1500K范圍內工作。然而，即使在最佳條件下，熱電能量變換器的總效率僅為3％至10％，電功率密度通常小于幾瓦/厘米2，電流密度為約1至100安/厘米2。
根據物理學的觀點，熱電器件與熱離子器件相似。兩種情況下，都在金屬或半導體上有溫度梯度，并且兩種情況依據的概念均為電子的運動是電流。然而，電子的運動還攜帶能量。受迫電流對熱離子器件和熱電器件都輸送能量。熱電器件與熱離子器件的主要差別在于電流是擴散(熱電器件)，還是發射(熱離子器件)。如果電子以發射方式推出并跨越勢壘，熱離子器件就具有較高的效率。對熱離子器件而言，全部動能從一個電極載送到其他電極。熱電器件中電子的運動為準均衡并且擴散，能借助西貝克(Seebeck)系數描述，該系數為均衡系數。
在窄勢壘結構中，電子跨越勢壘時不會運行到足以受到碰撞。在這些環境下，熱離子發射理論是電流傳輸的較精確表示。電流密度由下式給出j＝A0T2e-eΨ/KT其中，A0為查理森常數，Ψ為勢壘高度(電子逸出功)，e為電荷，K為波爾茲曼常數，T為溫度。查理森常數A0＝(emK2T2)/(2π2h2)，其中m為有效電子質量，h為普朗克常數。
擴散理論適合勢壘厚度(長度)大于1維電子平均自由程的勢壘，而熱離子發射理論適合厚度(長度)小于平均自由程的勢壘。然而，如果勢壘變得非常窄，則量子力學隧道的電流傳輸變得更重要。
這里仍需要提供一種在低溫領域高效率且高功率密度變換熱能為電能的較充分解決方案。
發明概述本發明尋求解決上文所列出的背景技術遇到的問題。具體而言，如以下本發明所實現的目的和優點所證明，本發明的裝置和方法超越背景技術，構成一熱離子功率變換技術中的重要進步。
本發明的一個目的是產生勢壘離子變換器的高功率密度和效率，但工作在典型熱電器件的工作范圍。
本發明的另一目的是維持發射極和集電極之間的熱隔離。
本發明的再一目的是使熱膨脹效應最小。
按照本發明的說明，或通過本發明實踐學習，會明白本發明另外的目的和優點。
簡而言之，由一種裝置達到上述和其他目的，該裝置包含導電且導熱的電子發射極、接收發射極來的電子的導電導熱集電極、配置在所述發射極與集電極之間并且與其密切接觸以便濾除從發射極傳到集電極的高能量電子的固態障體、配置在發射極與障體或障體與集電極之間或其組合之間并與其密切接觸的一個或多個導電導熱小面接觸點、靠近小面接觸點和發射極與障體或障體與集電極或其組合的非導熱導電空間，以及連接發射極和集電極的電負載。
冷卻實施例中，由施加在發射極與集電極之間的電位輔助載流子傳送，并且發射極連接由發射極熱流冷卻的熱負載。熱交換器散逸集電極上熱電子來的熱量。
附圖簡要說明為了充分理解達到上述本發明優點和目的的方式，通過參照附圖中說明的本發明具體實施例，提供本發明較具體的說明。應當理解這些附圖僅說明本發明典型實施例，因而不應認為是對本發明范圍的限制。通過利用附圖，將較詳細說明本發明的當前較佳實施例和當前理解的最佳形態，附圖中

圖1為本發明熱離子變換器的截面圖；圖2示出具有三角形截面圖；圖3示出利用氫化鉭粉并以蜂窩結構支持該粉的發射極的透視圖；圖4A和圖4B示出置于金屬發射極和金屬集電極之間的真空中的低導熱性半導體障體的截面圖；圖5示出各種溫度下理查森熱離子電流密度對勢壘高度的曲線；圖6示出圓片的熱膨脹圖和納米線定位；
圖7示出矩形片的熱膨脹圖和納米線定位；圖8示出各種納米線的截面；圖9是本發明一實施例的截面圖，其中小面接觸點與障體關聯；圖10是一種障體結構的截面圖該結構包含金屬層、n型半導體層、p型半導體層和金屬層；圖11是一種障體結構的截面圖該結構包含金屬層、n型半導體層和金屬層；圖12是一種障體結構的截面圖該結構包含金屬層、p型半導體層和金屬層；圖13是包含諧振隧道二極管的障體結構的截面圖；圖14示出特定GaAs-AlXGa1-XAX異結構的發射概率；圖15A示出帶金屬層的非金屬集電極的截面圖；圖15B示出帶有金屬層和表面障體的非金屬集電極的截面圖，該表面障體與配置在集電極和障體之間的材料匹配，防止電子漏回發射極；圖16是包含TaH的發射極和包含Al2O3的障體的I_V曲線；圖17是在與圖16不同的溫度下包含TaH的發射極和包含Al2O3的障體的I_V曲線；圖18是包含TaH的發射極和包含Al2O3的障體其取決于溫度梯度的電壓曲線；圖19是Al基片上包含TiH2的發射極、包含PbTe的障體和包含Pt的集電極的I_V曲線；圖20示出提供冷卻的熱離子變換器的截面圖；圖21示出冷卻實施例中點接觸形式(微球)的障體的截面圖；圖22示出微球形式的障體的截面圖，該微球包含有外金屬層和半導體層的非導熱核心材料。
本發明詳細說明本發明實施一種熱離子能量變換器，并且針對圖1中一般說明的能量變換方法和裝置。本發明10包含導電且導熱的電子發射極12、接收發射極12來的電子的導電導熱集電極16、配置在所述發射極12與集電極16之間并與其密切接觸以便濾除從發射極12傳到集電極16的高能量電子的固態障體14，以及連接所述發射極12和集電極16的電負載。
本發明10如圖1所示，通過小面接觸點13維持發射極12與集電極16之間的熱隔離。維持發式機機12與集電極16之間的熱提供通過障體隔離14的發射式電子傳送，并減少通過傳熱性的聲子和電子的傳送。因此，通過收集發射電子并減少不能收集的導熱性電子，提高效率。重要的是要注意本發明原理對空穴傳導和電子傳導都有效。這里所提供的金屬包含合金。
由截面面積朝小面接觸點13遞減的小面幾何形狀規定小面接觸點13。例如，圖1示出一種由球形顆粒組成的障體14規定的小面接觸點13，其中小面幾何形狀為球形。小面接觸點可與發射極12、障體14或集電極16組成一體。發射極12、障體14或集電極16具有一個或多個配置在發射極12與障體14之間、或障體14與集電極16之間或其組合之間，并且與其密切接觸的小面接點13。
小面接觸點13還例如沿小接觸點13與集電極16之間的非接觸表面，在50埃或更小的距離提供量子力學隧道。此距離取決于所用的材料及其相應的逸出功。小面積接觸點13還借助減小像力效應造成的勢壘高度，沿小接觸點13與集電極16之間的非接觸表面，在25埃或更小的距離提供熱離子發射。此距離也取決于所用的材料及其相應的功函數。像力效應的討論見Coutts，T.J.著《薄金屬的導電(ElectricalConduction in Thin Metal Films)》(第54至55頁，紐約Elsevier科學出版公司，1974年)。
圖2示出起點發射極或接觸點作用的三角形截面的小面積接觸點13。小面積接觸點形狀的各種其他例子包括(但不受此限制)用諸如微光刻制版和全息圖像光刻制版、Tonk法(液體金屬表面的電不穩定性)、離子銑或其等效方法制作的拋物面形接點、橢圓形接點、弧形接點、納米管、顆粒、樹狀體。
包含真空、氙、氡或其他非傳導氣體(但不受此限制)的非導熱導電空間15靠近小面接觸點13、發射極12和障體14，或靠近障體14和集電極16或其組合。空間15減少會受到熱傳送并且輔助維持發射極12與集電極16之間熱隔離的電子。
在發射極12的逸出功小于集電極16的逸出功的情況下，發射極12與集電極16之間連接電負載RL時，出現電子流。決定負載電阻時，注意任何電功率源的最大效率通常出現在功率源的內阻等于負載電阻的情況下。因此，如果內阻很小，則所期望的負載電阻也要很小。
如果調整障體14，以揀選熱電子，發射極12就會受到冷卻，從而電子流會集電極造成16上電位升高。為了達到所希望的變換器效率，障體14必須用較低的能量有效阻止電子。發射極12與障體14匹配，使得在勢壘高度所規定的一致能量下，發射極12上的電子濃度大于集電極16上的電子濃度。
利用發射極端反射率低而集電極端反射率高的材料有利于維持高效率。1.發射極發射極12包含導電導熱材料，諸如金屬、合金、半導體或摻雜半導體材料。發射極12還包含基片上的導電導熱層，其材料諸如包含(但不受此限制)被覆金屬層或其他導熱導電材料的SiO2、晶體或等效物。
本發明的另一實施例中，小面接觸點利用與發射極12相同的高聲子能量材料與發射極相關聯，該材料最好具有至少為約3KT的平均能量，以便利用電子與聲子的相互作用使電子能量分布畸變。呈現這些特性的材料為與化學計量無關的氫化金屬MeXHY。這些離子包括TiHX、VHX、ZrHX、NbHX、TaHX、ScHX、YHX、ThHX、UHX等全部稀土氫化物或其組合，但不受此限制。形成氫化物的許多金屬可為標準金屬的合金，甚至標準金屬濃度高而不喪失其聲子頻譜中的高能量分量，并且可具有氧化作用方面較好的性能，其例子為TaCu或TiCu合金。發射極12還應提供導熱和導電性。
圖3示出發射極機的一個例子，該發射極包含蜂窩結構18中支持的氫化金屬粉17。
總的來說，全部氫化金屬MeXHY具有100meV以上的頻譜聲子能量，例外的是Pd和Pd合金。MeXHY優于MeXDY(或MeXTY)，因為1H1同位素較輕，并且提供較高的聲子頻率(能量)。還要注意聲子頻率基本上與輕濃度無關(見Landont-Bornstein著《科學技術中的數字數據和函數關系，第3組晶體和固態物理學(Numerical Data andFunctional Relationships in Science and Technology，Group IIICrystal andSolid State Physics)》，1983年，卷136，“金屬聲子狀態、電子狀態和費米面(MetalsPhonon States，Electron States and Fermi Surfaces)”，第333至354頁，其內容具體在此引入)。
具有高聲子能量的其他穩定材料包含BH、B4C、BN(六角形)、BN(方形)、金剛鉆或其組合，但不受此限制。采用非導體基片的發射極12還必須具有厚度小于電子平均自由程的導體層或摻雜層(諸如銀)，以便將電子發射進入障體14。或者，發射極12包含非導熱導電材料時，可將導體層或摻雜層置于障體14上。導體層或摻雜層提供導熱性和導電性。例如，如果發射極12包含BN微球，導體層或摻雜層包含Ag(電子平均自由程為400埃)，則導體層或摻雜層的厚度最好在50～200埃之間。2.障體具有禁帶的大多數半導體導熱性很低，諸如幾W/(m.k)，或為銅或銀導熱性的1/100。這提供對應發射極12與集電極16之間熱隔離至少幾度的障體幾何形狀選擇。圖4A和圖4B中說明此實例，其中在金屬發射極12與金屬集電極16之間的真空中放置低導熱性半導體障體14(例如固定的柱體、微球等)。發射極12溫度高于集電極16。虛線19表示等溫線(兩種材料中標度不同)。金屬中由于導熱性較高，等溫線19的間隔較大。100∶1的導熱性差估值導致達1微米的橋接界面線性尺寸(例如直徑)。區域A由于面向金屬-半導體界面上的低勢壘(1eV的幾分之一)，會發射電子。區域B不發射電子，因為面向具有幾eV勢壘的金屬-真空界面。區域A對區域B的比率規定該間隙導熱性的減小(無輻射分量)。例如，1∶100的比率提供發射極12與集電極16之間的100K熱隔離。發射極12面積減小1/100，會要求較高的電流密度。圖5中示出作為勢壘高度和溫度的函數的理查森電流密度圖線。圖線20代表300K時的值，圖線22代表350K時的值，圖線24代表400K時的值，圖線26代表500K時的值，圖線28代表700K時的值，圖線30代表800K時的值，圖線32代表900K時的值。例如總面積1cm2且發射極12溫度為400K的1W器件要求約103A/cm2的理查森電流。可用0.35eV的勢壘(諸如PbTe)取得此電流。104～105A/cm2是具有小禁帶的摻雜半導體的電子遷移實際極限。
可用諸如激光刻制版或全息圖像光刻制版構成圖4A和圖4B所說明的實施例。然而，某些材料必須考慮熱膨脹特性。例如，具有10-5K-1熱膨脹系數的1cm2金屬片端在溫度變化100K時會移動105埃，與僅有幾百埃的橋接長度不相符。因此，障體14最好是可移動(滾動或滑動)的障體。可移動障體14可包含配置在發射極12和集電極16之間的微球或短微線。微球較好，因為沒有熱膨脹方向問題。圖1中示出微球的實施例，其中按照沉淀、懸浮或等離子濺射制作方法可得5～100nm規模的半導體球14。然而，亞微米光刻制版技術的進步使得納米線法從技術的角度看是可行的。納米線法對發射極12和集電極16端都要求材料均勻無應力。最簡單的設計是徑向擴展的圓片。圖6示出圓片的膨脹圖34和納米線定位36。要注意該片穿過納米線的移動會使幾個熱循環后劣化，應避免。矩形片提供較復雜的熱膨脹圖38，如圖7所示。圖7示出納米線定位40比較復雜，并且在絕對尺寸變化較小時起作用，以免第2級效應。該片最好具有小的熱膨脹系數，使高溫時絕對尺寸變化最小。
圓片和矩形片發射極12和集電極16的幾何形狀不是唯一的結構。然而，每一種結構尤其本身的熱膨脹圖，必須根據所設計的納米線取向進行相應的數學分析。納米線截面可隨所用材料、工作溫度和溫度梯度而不同。截面42的一些離子包括圖8中所示的截面，但不受此限制。
只能用肖特基勢壘形成本實施例的電子勢壘。下面的表1中示出與金屬接觸的一些半導體的已知肖特基勢壘例。可對基本上任何肖特基勢壘，或通過比較界面材料電子逸出功與真空能級，擴充該表(見“半導體微結構的帶結構工程”，NATO ASI系列，系列B物理學，189卷，1988年，第4頁；Lerach，L.和Aldrecht，H著《低摻雜n型InSb上正向偏置肖特基勢壘的電流傳送》，第531至544頁，North-Holland出版公司，1978年；Brillson，L.著《半導體的接觸點基礎和技術》，Noyes出版社，1993年；Rhoderick，E.和Williams R.H.著《金屬半導體接點》，第2版，Clarendrn出版社，1988)。通過液體沉淀、介電泳、振動/充電、掩蔽或其等效方法，可制作球體14的定位。例如，介電泳將粉末當作電荷含入電介質媒體，諸如乙醇。重要的是使用新鮮的乙醇，因為乙醇會從大氣吸取水，這將使媒體有些傳導性，處理過程會劣化。施加電場，則電荷移動。施加的電壓和混合物中粉末的濃度，控制該被覆。利用超聲波或振動使粉末散開。
如上所述，如果發射極12包含非金屬材料，則可在發射極12或障體14上設置金屬層。例如，由圖1所示微球組成的導體14包含外金屬層和置于發射極12上的金屬接點。
表1
表1示出勢壘高度在0.1eV至1.0eV范圍內的各種材料。表1所列各種材料，其全部實際溫度均包含在圖5中。例如，在工作溫度800K、面積覆蓋1∶100和勢壘材料流通電流極限103A/cm2(≈1W/cm2的變換器比功率)時，n-GaAs或Pd2Si(0.7eV)是可接受的障體材料。半導體也可摻提供子帶傳導的雜質。例如，Ge摻雜Te，提供隔開導帶底部0.3eV的施主子帶寬，因而使本征表面勢壘變化0.15～0.20eV的值。
圖1中所示實施例可包含用諸如激光燒蝕或其等效方法以所希望的每單位面積密度在各種基片上堆積的100埃直徑的半導體球。半導體和電介質上的表面光潔度最好在幾埃RMS內，然而，該表面必須金屬化。10埃RMS表面的金屬被覆通常采用磁控管濺射。標準光學拋光提供1～3弧分的平行度。在一側無軟片時，只有約100微米以上的距離能保證無電短路。厚度約0.1mm或更小的材料，諸如玻璃、晶體、Si、Ge、云母或其等效物，可起局部彈簧的作用，補償平行度，其條件是采用熱傳導墊片(諸如碳纖維或其等效物)作為壓縮用的中間層。
為了說明熱操縱和壓縮的問題，圖9所示實施例在兩塊平滑的1×1cm2方形鉬片或鍍鉬片46和48之間包括100埃的鍺球44，片46和48之間的溫度差為100K，并且10W的熱流通過變換器。片46和48中的一塊薄到(例如10～20微米)足夠柔軟，以局部補償平行度問題。
由熱源(圖中未示出)提供熱流q。溫度T2的冷片46與溫度T1的熱片48之間維持溫差。本例中，T1-T2＝100K。片48由厚10微米且兩面鍍2000埃鉬加以金屬化的硅晶片材料組成。用激光燒蝕在片46上堆積Ge納米球44。在片48上為均勻負載提供碳纖維薄層50，并通過平壓片52傳導熱和電流。由校準彈簧54調整納米球44上的機械負載。原則上，彈簧54也貼附在片46上，而不是片52上。彈簧54提供的壓縮力規定球44的形變，并間接規定球-片界面上的熱特性和電接觸特性。整個器件封裝在真空腔體內，并且抽空到剩余壓力在5×10-4乇以下。在此壓力下，空氣的導熱性小于室溫下的輻射損耗(見Kaganer，M.G.著《低溫工程的熱絕緣》，第7至106頁，以色列科學程序翻譯公司，1969年)。Kaganer討論界面的熱阻是多個參數的復函數。為了簡化，以下實例假設球44的熱阻等效于界面1000平方埃的棒。通過導熱率k(鍺的該值為40W/(mk))的一個接點的特定熱流(qi＝kT/y)獲得4×10-6W的值。為了在10W維持100K溫度梯度，總熱流要求2.5×106個球，或球44之間隔開約6微米，該結構對應于薄硅晶片標準的約3弧分的片平行度。
因為Mo的彈性模數(300GPa)遠大于Ge的彈性模數(82GPa)，可認為在壓縮下，Ge球會變形，而片46保持平坦。計算表示提供1000安接觸面積需要約10-7N的力。本例中，總壓縮為0.25N，比較小，僅考慮用10微米厚硅片補償部分片平行度。用較薄的片或較柔軟的片材(諸如玻璃)，可改善其結果。
上述例子還說明此器件優化原理。如果所希望溫度差增加到200K，則必須對該器件提供20瓦熱流。如果只有10瓦，則納米球數必須減少一半，依此類推。
下列參考文獻中描示各種障體材料的例子，在此引用其內容Burstein，E.和Lundgvist，S.著《固體隧道現象》，第47至78頁，127至134頁，149至166頁和193至205頁，紐約Plenum出版社，1969年；Mizuta，H.和Tanoue，T.著《諧振隧道二極管的物理和應用》，第52至87頁，紐約康橋大學出版社，1995年；Duke，C.B.著《固體中的隧道》，第44至158頁和第279至290頁，紐約Academic出版社，1969年；Conley，J.W.和Tiemann，J.J.著“金屬半導體勢壘的隧道實驗概念”，應用物理雜志，Vol.38，No7(1967年6月)，第2880至2884頁；Stinrisser，F.和Davis，L. C.著“《金屬-鍺接點的電子和聲子隧道光譜學》，Physical Review，Vol.176，No3(1968年12月15日)，第912至914頁，Hicks.L. D.和Dresselhous，M.S.著“量子阱結構效應的熱電性能系數”，Physical Review B，Vol.47，No17(1993年5月15日)，第12272頁至12731頁；Abram，R.A.和Jaros，M.著“半導體微結構的結構工程設計”，Series B，Physics，Vol.189，紐約Plenum出版社，1998年，第1至6頁和21至31頁；Ferry等著“超小器件中的量子傳送”，Series B，Physics，Vol.342，紐約，Plenum出版社，1995年，第191至200頁，Shakorui，A.和Bowers，J.E.著“異結構綜合熱離子冷卻器”，Applied Physics Letters Vol.71，No9(1997年9月1日)，第1234至1236頁。
應用薄障體材料領域的技術人員認識到需要清潔，以免污染諸如細菌、外界顆粒、塵埃等。在設置障體的基片上準備光滑表面光潔度，也很重要。
純電介質具有極高的勢壘特性。例如，電介質的典型禁帶為4～6eV。很難將電子熱激勵到這種能量，以提供顯著的電流。電介質內的雜質和晶格缺陷提供低勢壘的局部導帶。
電介質中晶格缺陷和雜質的行為還未深入探索，見例如Hill，R.M.著《薄電介質膜中的單載流子傳送》，第39至68頁(阿姆斯特丹，Elsevier出版公司，1967年)，在此引用其內容。原則上通過改變雜質的類型和濃度，可控制勢壘高度。通過缺陷的多級隧道帶來的傳導，也提供低電子能量的一些傳導性。
相關領域的技術人員認識到由各種淀積法可用于形成極薄電介質被覆，其中包括CVD(化學汽相淀積)、PVD(物理汽相淀積)，有各種方式，諸如磁控管、電子束、脈沖激光淀積或其等效方式。已知這些淀積法淀積10～500埃電介質層，諸如Al2O3和SiO2等。
電子能量揀選障體13也可利用半導體，而不是電介質。由于可為所希望勢壘高度值選擇金屬-半導體界面勢壘，金屬-半導體勢壘比金屬-電解質-金屬結容易調節。金屬-半導體結展現高度衰退半導體(諸如高摻雜半導體)的隧道特性，顧及薄勢壘。
可用3種半導體障體〔1〕傳導或摻雜材料62/n型半導體64/p型半導體66/傳導或摻雜材料68(見圖10，注意，n型和p型層可倒換)；〔2〕傳導或摻雜材料70/n型半導體72/傳導或摻雜材料74(見圖11)；〔3〕傳導或摻雜材料76/p型半導體78/傳導或摻雜材料80(見圖12)。本實施例中，可由局部電場加速電子注入p型區。下列參考文獻中揭示半導體材料的例子，在此引用其內容。見Landolt Bornstein著《科學技術的數字數據和函數關系》，第3組“晶體和固體物理”，1982年，卷17b～17i和1987年，卷22a“半導體”；Madelung，O.著《科學技術數據半導體〔IV族元素和III-V族化合物除外〕》，第1至153頁，紐約，Springer-Verlag玻璃，海德堡；Conwell，E.M.，“半導體I”，Bulletin of American Physical Society，Vol.10，第593頁，1965年6月14日；Hall R.N.和Racette J.H.著“從隧道實驗推斷的帶結構參數”，第2078至2081頁，卷32附冊，No10(1961年10月)。
對禁帶能量Eg而言，第1勢壘具有指數系數Eg和約為Eg/2的第2指數系數(無與表面缺陷和晶格關聯的肖特基勢壘)。
半導體的勢壘高度低于相應的電介質勢壘。障體14的厚度對半導體不嚴格，其勢壘高度可用適當的半導體材料調整。例如，半導體的厚度與電介質所需幾十埃的厚度相比，可在幾百埃的區域內，比電介質厚。較厚的障體14容易制造得多，因為對針孔、塵埃和其他污染不敏感。此外，電流與勢壘高度呈指數關系。
對勢壘高度Ψ等于150meV的半導體，根據理查森公式，室溫下的電流污染不敏感。此外，電流與勢壘高密度非常高，約≥106A/cm2，而在Ψ等于約300meV時為104A/cm2。本實施例中可用勢壘高度在0.7eV以下的半導體，因為可提供適當大的電流密度(＞1A/cm2)。
諧振隧道RT障體81包含2個或多個障體82和86，并且障體82和86之間具有足以使電子形成駐波的間隔84(見圖13)。間隔84一般為100埃或更小，需要精確的淀積法，諸如分子束外延(MBE)或其等效方法。RT器件物理和技術的揭示見Mizuta，H.和Tanoue，T.著《諧振隧道二極管的物理和應用》，第1至235頁(康橋大學出版社，1995年)，在此引用其內容。
諧振隧道障體81的優點在于依賴發射選擇電子能量。圖14給出特定GaAs-AlXGa1-XAs異結構的發射概率例。從圖14可看到存在少量發射峰，分別具有多個基波。RT基波可調諧到發射極材料(諸如TiH2)的第1聲子諧波。可自動匹配高次諧波，從而提供要從費米分布尾部揀選的電子，所得效率高。RT的泄漏電流比其他類型的障體小得多。例如，0.1eV能量的電子滲透RT障體81的概率遠小于0.25eV能量的電子。這種揀選效率提供高變換器效率。3.集電極集電極16的材料必須具有以下特征，以確保變換器工作正常。集電極16必須提供導熱性和導電性。圖15示出具有基片88的集電極16，該基片不導電，被覆傳導或摻雜層90，以便導電。如果集電極用作電子揀選障體14的基片，必須拋光到表面光潔度優于障體14的厚度。例如，對厚150～200埃的障體14而言，整個集電極16表面光潔度必須優于50埃。金屬光學工業中公知滿足＜50埃表面光潔度要求的金屬。這些金屬包括Cu、Mo、W、Al、其組合或等效材料，但不受此限制。
一種替換的方法是利用光學拋光的電介質或半導體集電極16，該集電極具有良好的導熱性，并且被覆傳導或摻雜材料，以獲得需要的導電。這些材料包括硅、砷化鎵、藍寶石、晶體(熔融二氧化硅)或其等效物，但不受此限制。這些材料可方便地提供優于10埃的表面光潔度。玻璃具有1～2W/(m.K)的低導熱性，因而實際僅用于低功率密度的變換器。高熔點單晶和金剛鉆可用于要求較嚴的應用。
對高聲子能量材料用作發射極12的實施例而言，集電極16必須在其聲子頻譜中設有高能量分量。此外，由于聲子頻率通常隨金屬原子的質量而降低，集電極16的材料必須具有足以在KT以下使頻譜截止的原子質量。以下參考文獻中闡述滿足此規范的一系列金屬Landolt-Bornstein著《科學技術的數字數據和函數關系》，第3組“晶體和固體物理”，1981年卷13a“金屬聲子和電子狀態”、“費米面”，第7至180頁；Qhothevich等著《金屬中電子聲子交互作用點接觸頻譜圖》(1995年)，在此引用其內容。這些金屬的例子包括Au、BiH、Pb、Pt、W、Zr、Ta和Sm。
集電極16的材料的熱膨脹系數最好與障體14的材料的熱膨脹系數匹配，以免變換器在熱循環下工作時被覆剝離。此外，集電極16的材料必須具有足夠的機械完整性，以經受工作溫度。
障體14和集電極16的材料沒有選擇得避免電子通過障體14漏回時，必須在集電極16和障體14之間配置導電的障體匹配材料92(見圖15B)。電子逸出功Ψc的障體匹配材料91、電子逸出功Ψe的發射極12的材料和電子逸出功Ψb的障體14材料，其選擇法則為Ψc＞Ψb≥Ψe。實際的ΔΨ取決于工作溫度和應用。
從作為參考點的真空能級測量電子能量時，根據電子逸出功，對發射極12、障體14和集電極16的電子能量進行定位。集電極16的材料的逸出功太小，則集電極16起發射電子附加障體的作用，因而應避免。諸如Pt或Ir之類逸出功很大的金屬較佳。然而，發射極材料電子逸出功小時，未必需要這種材料。4.實例4(a)帶電介質障體的變換器用包含裝在蜂窩結構18中的氫化鉭粉末17的發射極(見圖3)組裝變換器。在帶有顯微鏡線性定位臺的剛體顯微鏡架上組裝變換器，該定位臺提供0.5微米的間隔調整。用調定直流電源對筒形加熱器(Omega，100W)饋電，并由拋光銅棒提供氫化鉭粉的熱接點。加熱器和銅棒均按玻璃陶瓷絕緣包裝，并以彈簧加載到顯微鏡架。在定位臺上安裝銅制的水冷散熱片，該定位臺另外帶有激光鏡架，對接觸面進行3維校準。借助穩定度為1小時±0.5℃的蠕動泵，在室溫下，從大水池供應冷卻水。用連接捕獲數據用的Keitaly2001萬用表(準確度±0.02℃)的兩個鉑RTD測量銅棒的溫度。利用各RTD的不銹鋼殼作為電線，使發射極與集電極之間的電路連接。用Hewlett Packard的HP 34420A型毫微伏電壓表(Rn＝10GΩ)測量外電路的電壓。
用Kepco ABC25-1DM外電源和Keithly 2001作為電流表，測量一例I-B曲線。將電阻器組(準確度1％)與電路并聯，可提供高達0.5GΩ的負載而不影響毫微伏電壓表。利用電壓負載測量規定I-V曲線。發射極粉末17包含TaH或TiH2顆粒，該顆粒從初始的10～20微米球磨到平均值0.2～0.5微米大小的顆粒。通過將粉末17拍入粘接到銅片上的低導熱性蜂窩結構18，或者通過在銅片上烘干酒精中的懸浮粉末，形成發射極。此樣例用的蜂窩結構18購自賓夕法尼亞Berwyn的Goodfellow公司。該蜂窩結構的部件號為AR312620，具有以下規格厚度為5mm，蜂窩壁0.05，蜂窩規模3mm。
測試各種集電極基片，包括金屬化的光學拋光藍寶石、光學拋光的可伐合金和鉬以及金屬化的光玻璃。在基片90(例如TaH發射極用的Ta)堆積厚度200～500埃的障體匹配材料92。通過PVD(物理汽相淀積，磁控管濺射)或CVD(化學汽相淀積)堆積Al2O3電介質層。不拘泥于控制這兩種方法所堆積的集中在發射極樣品上的雜質或缺陷。所獲得的在1cm2面積上無電短路的最小障體厚度約為250埃。有些障體樣品中，在室溫不短路但在35℃～40℃時失效。在發射極與集電極溫度差別35℃下采用電介質障體時，觀察到的最高電壓為0.22V。觀察到的最大電流為約2μA。有些樣品具有隧道二極管典型的S形電流-電壓曲線(見圖16)。圖16中，發射極的溫度為約31.96℃，發射極與集電極的溫度差為約11.06℃。S形曲線94不平滑，示意非晶態電介質中存在局部化導帶。有些樣品具有類似于隧道二極管S形曲線開頭部分的I-V曲線96和98(見圖17)。對I-V曲線96而言，發射極的溫度為約22.5℃，發射極與集電極的溫度差為約3.1℃。I-V曲線98則發射極溫度為約24.5℃，發射極與集電極的溫度差為約5.4℃。圖18中，線100表示電壓取決于溫度梯度，多數樣品該關系基本上為線性。線性的V(T)線100表示線性地取決于通過樣品熱流的聲子機制。該熱流是溫度差的線性函數，而電子分布是溫度的指數函數。
這些測試提供對變換器的初始概念性證明，該變換器具有高達10～15mV/K的電壓輸出，顯著高于任何已知的熱電器件。利用Al2O3障體的變換器的電流密度低，預計是由于障體較厚和沒有導帶控制。然而，可對導帶進行工程設計。文獻中指導用連續的Al2O3層，以約小到20埃的尺寸，能達到電流增益106倍。
4(b)帶半導體障體的變換器利用磁控管濺射堆積PbTe被覆作為半導體障體，制成變換器。磁控管濺射靶是摻入0.3～0.5原子％的Al的99.99％純p型PbTe。PbTe具有高電子逸出功(4.8～5.1eV)，對形成避免電子回流的障體提出挑戰。僅數量有限的金屬(如Pt和Au)具有較高的電子逸出功。用3000埃的導電用Ta層、500埃的金障體匹配層和350埃作為障體材料的PbTe，被覆拋光的玻璃基片。這時，肖特基勢壘的高度未知。
在100℃～200℃的PVD溫度下，PbTe常形成結晶被覆。本例中，樣品的淀積溫度為30℃～100℃因而不排除非晶態被覆。
表2中示出測試結果，其中按17mm2的截面積利用TaH粉末發射極。發射極的溫度為26.9℃，集電極的溫度為22.0℃。
表2
該結果顯然沒有達到“超越勢壘”的電流，其原因在于與所期望100mV以上的范圍相比，電壓擴散太小(例如僅為5.2mV)。這意味著此例中實際勢壘大于或接近于1eV。傳導性呈現與電介質中聲子輔助雜質導帶的傳導性相似。然而，不考慮空氣導熱性，重復計算使器件的效率為5.7％的理想卡諾循環。考慮空氣熱傳導時，在溫度300K和溫度差4.9K下，效率為6.6％。測量誤差不顯著，電壓為10-3％，電阻(電流)為1％，溫度為0.02℃。測試期間溫度漂移小于0.2℃。
4(c)帶半導體障體的變換器從與上述相同的PbTe濺射靶(摻入Al0.3～0.5原子％)構成與與節4(b)中所構成變換器結構相同的變換器。本變換器與節4(b)中的變換器主要的區別在于拋光到50埃RMS表面光潔度的鋁集電極基片(15×12×3mm3)。用3000埃的Ta和300埃的Pt被覆Al。Pt層上方的PtTe層為240埃。發射極也包含TiH2的微球。
按發射極溫度為31±0.5℃進行測試，發射極與集電極的溫度差為7.5±0.5℃。圖19中示出改變負載電阻所得的I-V曲線102。
與4(b)中產生的I-V曲線不同，電壓擴散足夠類似于“超越勢壘”電流的傳送。因為Al基片具有高導熱性，不能作效率估計。然而，本變換器的輸出大于節4(b)產生的輸出。5.冷卻實施例提供冷卻的熱離子變換器104的主要組成部分(見圖20)與上述熱變換為電的熱離子變換器10的組成部分基本相同。主要差別是由外電場EExt輔助載流子的傳送，并且發射極12連接熱負載。借助絕緣材料106使發射極熱絕緣。不是熱交換為電實施時的加熱發射極12，而是由流向圖20所示熱離子變換器104中發射極12的熱流Q負載冷卻熱負載。集電極16的背面起熱交換器的作用，并且熱流Q交換耗散來自熱電子的熱。熱交換器領域的技術人員知道有許多完成熱交換的手段，包括空氣和液體冷卻或其等效方法，但不受此限制。
上文說明提供發射極12與集電極16之間大量熱隔離的障體結構。
重要的是注意聲子輔助電子傳送在冷卻實施例中比在熱變換為電的實施例中重要性小，其原因在于冷卻方式主要取決于工作電壓。例如，在電流顯著時，不能從聲子得到0.3eV以上的增益。可從外電壓源Eext獲得工作電壓。
圖21示出提供冷卻的熱離子變換器108，其中利用點接觸式的障體14。障體14可包含例如與圖1所示實施例相同的球形半導體顆粒。
圖22所示障體14包含的顆粒具有可傳送發射載流子的薄半導體層114、用于導電和匹配電子逸出功的傳導或摻雜層112，以及核心材料110(見圖22)。核心材料可為電介質、傳導或摻雜材料、半導體或塑料，只要這些材料足夠硬，并且具有適當的工作溫度和熱膨脹系數。本實施例中，顆粒的一側起發射極的作用，另一側起集電極的作用。重要的是注意傳導或摻雜層112必須具有數值在發射極12與集電極16之間的逸出功。6.應用由于能量變換是現代文明的基礎，有效的能量交換器具有大量的用途，諸如用于現有大發電廠、太陽能電廠、住宅用供電、住宅用太陽能供電、汽車、航海、太陽能航海、便攜電子設備、環境熱泵、冷卻(冷藏、空調等)、航空航天等。
發電廠具有大量廢熱，潛熱在300℃以下。以20～40％的卡諾效率變換廢熱，將額外增加10～20％的發電廠總效率，并等效節省燃料。
低成本變換器的增多會降低太陽聚能發電廠投資費用，并且效率高于當前蒸汽發電循環。降低工作溫度也會降低維修費用。
基于直熱電能變換的住宅用供電對安裝供電線路有困難或不方便的邊遠地區較理想。熱源可為礦物燃料或太陽聚能器的形式。太陽聚能器的形式可為利用晝夜溫差的太陽加熱水池。約100立方米的水配合100平方米的表面覆蓋，可為住房溫差10℃的面積供電。
熱離子變換器與普通發動機驅動的發電機和電動機相組合，會增加大量好處。
直接能量變換在電動車輛中有大量應用。一種應用涉及采用工作溫度約150℃至200℃的熱離子器件提升總效率。另一種應用是汽車采用電驅動器和普通發動機，并配合基于變換器陣列作為中間輻射器的發電機。
汽車推動器的應用也可用于航海。此外，可按帆形使用太陽聚能器。現代剛體翼形帆可裝入輕便價廉塑料菲涅耳透鏡與熱離子變換器的組合，供利用風能和太陽能以帆形太陽能元件的約100～200W/m2推動航船。
由于變換器能以自保持方式利用很小的溫度梯度，可用表面上非對稱交換建立散熱片之間的溫度梯度(例如可將1個散熱片熱絕緣)。此外，該系統會運轉，對環境進行冷卻，并產生電流，直到出現某些異常。總之，這里揭示的方法和裝置是對熱離子能量變換當前技術狀態的極大改進。
本發明可按其他特定形式實施而不偏離其精神實質或基本特征。所述實施例應認為全部僅屬說明而非限定。因此，本發明的范圍由所附權利要求書指明，而非上述說明。落入權利要求書等效含義和范圍內的全部變化均包含在該范圍內。
希望得到專利保護的權利要求為
權利要求
1.一種固態熱離子變換器，其特征在于，包含導電且導熱的電子發射極；接收來自發射極的電子用的導電導熱集電極；配置在所述發射極與集電極之間用于濾除從發射極傳到集電極的高能量電子的障體；與所述發射極、障體或集電極綜合并且配置在發射極與障體之間或障體與集電極之間或其組合之間并與其密切接觸的一個或多個導電導熱小面接觸點；靠近小面接觸點、發射極和障體或障體和集電極或其組合的非導熱導電空間；連接所述發射極和集電極的電負載。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述發射極包含金屬、金屬、半導體材料或摻雜半導體材料。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述發射極包含基片上的導電導熱層。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述發射極包含具有高聲子能量頻譜的材料。
5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述材料包含TiHX、VHX、ZrHX、NbHX、TaHX、ScHX、YHX、ThHX、UhX全部稀土氫化物或其組合。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述發射極包含BH、B4C、BN(六角形)、BN(方形)、金剛鉆或其組合的基片，并且具有配置在基片與障體之間的傳導或摻雜層。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述傳導和摻雜層厚度小于所述傳導和摻雜層中的電子平均自由程。
8.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述集電極包含金屬、合金、半導體或摻雜半導體材料。
9.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述集電極包含基片上的導電導熱層。
10.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包含配置在障體與集電極之間用于避免電子漏回的障體匹配材料。
11.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述障體包含n型Ge、p型Ge、n型GaAs、n型InAs、n型GaSb、n型InSb、Sb、n型PbS、n型PbSe、p型Cu2O、P型Se、n型CDs、DySi2、IrSi3、HgXCdX-1Te、p型Ge、非晶B、LaB6、YbB6、Pd2Si、n型PbTe、P型GaAs、n型InP或其組合。
12.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述障體包含諧振隧道障體。
13.如權利要求12所述的裝置，其特征在于，所述諧振隧道障體包含2個或多個障體和障體之間提供電子形成駐波的空間。
14.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述障體包含可移動障體。
15.如權利要求14所述的裝置，其特征在于，所述可移動障體包含微球、微線或固定柱體。
16.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述障體包含電介質材料。
17.如權利要求16所述的裝置，其特征在于，所述電介質材料包含非晶Al2O3或SiO2。
18.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述障體包含第1傳導和摻雜層、n型半導體層、p型半導體層和第2傳導或摻雜層。
19.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述障體包含第1傳導和摻雜層、n型半導體層和第2傳導或摻雜層。
20.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述障體包含第1傳導和摻雜層、p型半導體層和第2傳導或摻雜層。
21.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述1個或多個小面接觸點的形式為點接觸。
22.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述1個或多個小面接觸點包含拋物面形接點、橢圓形接點、弧形接點或其組合。
23.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述1個或多個小面接觸點包含納米管、顆粒、樹狀物或其組合。
24.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述非傳導空間包含真空或非傳導氣體。
25.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述發射極連接熱負載，所述發射極與集電極之間施加電位而不是負載，所述集電極還包含起熱交換作用的背面。
26.一種熱變換為電所用的固態熱離子變換器的構成方法，其特征在于，包含下列步驟提供導電且導熱的電子發射極；提供接收來自發射極的電子用的導電導熱集電極；形成配置在所述發射極與集電極之間用于濾除從發射極傳到集電極的高能量電子的障體；形成與所述發射極、障體或集電極綜合并且配置在發射極與障體之間或障體與集電極之間或其組合之間并與其密切接觸的1個或多個導電導熱小面接觸點；形成靠近小面接觸點、發射極和障體或障體和集電極或其組合的非導熱導電空間；提供連接所述發射極和集電極的電負載。
27.如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述發射極連接熱負載，所述發射極與集電極之間施加電位而不是負載，所述集電極還包含起熱交換作用的背面。
全文摘要
本發明實現一種固態熱離子能量變換器,并針對一熱能變換為電能以及電能變換為冷卻的方法和裝置(10,104,108)。本發明通過橫截面積朝接點方向逐漸減小的小平面接觸點(13,42,44)維持發射極(12)與集電極(16)之間熱隔離。小平面接觸點(13,42,44)可與發射極(12)、障體(14)或集電極(16)關聯。維持發射極(12)與集電極(16)熱隔離可供發射電子輸送通過障體(14),并減少導熱過程的電子輸送。因此,通過收集發射電子并減少不能收集的熱傳導電子提高效率。本發明原理對空穴傳導和電子都有效。
文檔編號H01L37/00GK1351764SQ00807179
公開日2002年5月29日 申請日期2000年3月6日 優先權日1999年3月11日
發明者Y·庫切羅夫, P·哈格爾施泰因 申請人:恩尼庫股份有限公司