专利名称：半导体接触电容热电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热电能量转换系统的静态电源装置。
在以往的静态电源装置中，化学电池的应用最普遍。它是应用接触电原理产生的电位差，作用于电解质中的正负离子向两个相反极性的电极运动，使电极分别产生溶解与化合的过程，两极板分别积聚了不同的电荷，用导线连接外电路，电子就从一个极板定向地流向另一个极板。这种将化学能转变为电能的装置，无论制造和应用都很方便，缺点是废电池中的重金属离子对环境有严重的污染。燃料电池是燃料氧化还原反应产生的正负离子，再利用离子交换半透膜将正负离子分离集聚到不同电极产生电位差，将化学能转变为电能。太阳能光电池是利用光照射在PN结上产生电子和空穴，在PN结内电场作用下，将电子扫向N极，将空穴扫向P极，出现光伏打效应，将光能直接转换为电能，缺点是光电池只能把一小部分光能转换为电能，效率达到12％左右。
以上三种电源装置的共同特点就是导电机制都有两种载流子通过分离而成为电源。半导体通过不同的掺杂而形成P型半导体和N型半导体，每种类型的半导体都有多数载流子和少数载流子，如果将两种载流子分离，它就可能成为一种新的电源。
本发明的目的在于利用半导体PN结特性，提供一种将热能直接转化为电能的装置。
半导体受光照和加热能够激发载流子冲破共价键的束缚，产生自由电子和空穴，这早已为人们所认识。利用这个现象，制成了光电池，把太阳能直接转化为电能受到了人们的重视。但是为什么不根据这个现象进一步把热能直接转化为电能呢？为了解决这个问题，有必要再重新研究一下半导体的基本性质，从光电转换机理找到热电转换机理，为大规模把热能直接转化为电能开辟道路。
半导体导带最低能谷与价带顶之间的能量间隔称为禁带宽度。大多数半导体的禁带宽度随着温度的升高而减小，即有负的温度系数。纯净半导体的导电性主要来源于本征热激发，本征热激发是由于热运动使满带电子获得大于禁带宽度的能量而跃入导带的过程。一般半导体的材料的电导率随着温度的升高很迅速地增大。在较低的温度杂质激发是主要的，载流子将主要由施主激发到导带的电子，而在较高的温度，由满带到导带的本征激发将成为主要的。半导体中的载流子主要来自本征激发和杂质电离，对于一定掺杂浓度的半导体，其载流子浓度只与环境温度有关。热产生是产生载流子对，每产生一个电子的同时将产生一个空穴；而杂质电离仅产生一种类型的可动载流子并产生电荷相反的固定离子。当温度升高到本征激发产生的载流子浓度比掺杂浓度还大时，称为本征态。本征半导体的费米能级位于禁带中线附近。由于电子和空穴浓度都随温度变化，所以费米能级的位置必定也随温度变化。在同一温度下掺杂浓度高的材料，其费米能级更靠近导带底或价带顶，随着温度的升高禁带宽度要稍微变窄。
共价键中的电子虽然被束缚在原子中，但不象在绝缘体里被束缚的那样紧。在一定的温度下，由于热运动，一些电子就能够获得足以克服共价键的束缚，成为自由电子。温度愈高，挣脱束缚的电子就越多。在光和热的冲击下，可以击破某些共价键产生自由电子，所以半导体的导电能力受光照和温度的影响很大。N型半导体中热产生的空穴和P型半导体中热产生的电子叫做少数载流子，而占优势地位的掺杂载流子叫做多数载流子。电子电流是带负电的自由电子的定向运动，而空穴电流是带正电的空穴的定向运动。在半导体中同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电机构的最大特点，是半导体和金属在导电原理上的最大差别。
不论是在N型半导体中，还是在P型半导体中，多数载流子是由于掺入了杂质而产生的，掺入的杂质愈多，多数载流子的数目愈多。少数载流子则由于热运动使得电子能够挣脱共价键的束缚而产生的，温度愈高，热运动愈强烈，少数载流子的数目就愈多。在常温下，由于一般半导体靠本征激发提供的载流子甚少，半导体的导电性能主要取决于掺杂水平。然而随着温度的升高，本征载流子的浓度将迅速增长。热平衡时，整块半导体材料的温度处处一致不断地有电子——空穴对通过本征激发产生出来，同时，又不断地有电子和空穴相遇而彼此复合消失；并且产生与复合作用互相平衡；电子和空穴有着统一的、不随空间位置变化的费米能级，在此情形，无论是导带电子还是价带空穴，都是借助于热激发产生，就是说本征激发所需要的能量来自热能。在半导体材料确定后，本征半导体自由电子浓度只与温度有关，随着温度的升高，载流子浓度近似地按指数规律迅速增大。温度是影响半导体性能的一个重要因素。
在电场的作用下，载流子在无规则热运动之外产生的附加的运动，从而形成电流，称为漂移运动。由于点阵振动的强弱以及载流子本身热运动都随着温度变化，所以载流子的散射和漂移迁移率都是温度的函数。
所谓PN结，是指在同一块半导体内部P型区和N型区分界面附近的一个区域。如果分界面两边掺杂浓度都是常数，则称为突变结；反之，如果由一种掺杂类型逐渐过渡到另一种掺杂类型，则称为缓变结。PN结的基本电学特性是具有单向导电的整流性质。PN结所以会呈现整流性质，其物理根据在于结内存在载流子的势垒。两种材料的费米能级不同，必然要导致电荷的转移。
如果对PN结施加正向电压，则由于结区是高阻区，实际上我们可以认为所有外加电压降落在结区。正向电压使P区电势高，就是使势垒降低，于是削弱了结区电场的漂移作用。相比之下，载流子扩散作用占优势。电子源源不断地从N区向P区扩散，空穴也不断从P区向N区扩散，从而形成比较显著的正向电流。反之，当施加反向电偏压时，外加电场极性与内电场极性一致使势垒升高。此时只有P区的电子和N区的空穴才能在结区电场的作用下漂移过PN结。由于这些都是少数载流子，只能构成数量上甚小的反向电流。
实际的PN结都是在同一块半导体基片上控制不同部分的掺杂浓度来制备的，P区空穴多，电子少，而N区则是电子多空穴少。因此N区电子要向P区扩散，P区空穴也要向N区扩散。这种电荷迁移的结果是在边界的N区一边出现由电离施主构成的正空间电荷，而在边界的P区一边则出现由电离受主构成的负空间电荷。因此在空间电荷区内就形成了从N区指向P区的电场，称为内建电场，以区别于对PN结施加的外电场，该电场的漂移作用是阻止N区的电子和P区的空穴越过分界面向对方扩散。在结区(空间电荷区)，当载流子受到的内建电场的漂移作用和扩散作用相抵消时达到平衡。显然，此时对电子而言，边界P区一侧的势能高于N区，换言之，在结区形成了电子的势垒，其作用是妨碍电子向P区过渡。同理，对P区向N区过渡的空穴而言，结区也是势垒。在空间电荷区内，自由载流子很少，常称为耗尽层，这是个高阻区。PN结两边掺杂愈多，势垒的宽度(即空间电荷区的宽度)是随着掺杂的增加而下降的。
实际使用PN结都是两边杂质浓度相差很远的不对称结。若P区受主浓度大于N区施主浓度，记为P+N结，反之N区施主浓度大于P区受主浓度，则为N+P结。当P区受主浓度远大于N区施主浓度时，N区为了拿出同样多的正离子去与P区负离子组成空间电荷区，则N区一边的空间电荷区将扩展得较宽，所以空间电荷区主要伸向N区一边。不对称结还有一个特点，就是在有外加电压时，通过结的扩散电流和漂移电流均以一种载流子产生的电流为主。例如P+N结，在接有正向电压时，扩散电流中的空穴电流大于电子电流，漂移电流也以空穴电流为主，总电流取决于空穴电流。
由空间电荷区所产生的电场是在PN结的内部，所以一般叫做内电场，便于和外电源所产生的电场相区别。内电场对于电子和空穴的运动起什么作用呢？内电场对于多数载流子(P区中的空穴和N区中的自由电子)的扩散运动具有阻挡作用，所以在P区和N区交界处所形成的这个空间电荷区，又叫做阻档层。内电场对少数载流子有什么作用呢？P区中的少数载流子是带负电的自由电子，它们在内电场的作用下，将会顺利地通过空间电荷区进入N区；同样N区中的少数载流子是带正电的空穴，它们也会在内电场的作用下很容易地越过空间电荷区漂入P区。反向偏置下势垒增高，在PN结界面处发生少数载流子的抽取作用，即P区和N区少数载流子只要扩散到PN结边界，立即就被结区内强大电场拉向对方。结果使界面两侧少数载流子浓度低于平衡值，引起少数载流子从体内向界面的扩散。只要扩散到PN结边界，就又立即被抽取到对方。内电场对少数载流子的这种作用叫做漂移作用，少数载流子在内电场作用下的运动叫做漂移运动。少数载流子在内电场作用下的漂移运动方向与多数载流子的扩散运动方向是一致的。如果外加电场使势垒高度增加，将帮助少数载流子越过空间电荷区，使这种少数载流子很容易扫过加速电场区，这种反向电流的大小与外加电压无关，而仅由这两区域中少数载流子的多少来决定。而少数载流子是由热运动产生的，因此，这是一个更强烈地依赖于温度的函数。
本发明是根据半导体的电导率随温度的升高而增大的原理制造的。半导体中的多数载流子的数目由掺杂浓度决定，而少数载流子的数目是由温度决定的。PN结的内电场对多数载流子具有阻挡作用，对少数载流子具有漂移作用。所以半导体热电池是在高温条件下对PN结加反向电压的装置。半导体光电池是把光照在PN结上，产生电子和空穴，在PN结内电场作用下，电子转移到N区，空穴转移到P区。半导体热电池与此相似，它将高掺杂的P型半导体和高掺杂的N型半导体做成电容器的极板，再连接两个整流二极管。使二极管的P区连接电容器的P型极板，二极管的N区连接电容器的N极板。这样的电容器N极板的多数载流子电子将通过二极管的PN结扩散到电容器的P极板，电容器P极板的多数载流子空穴也将通过另一个二极管的PN结扩散到电容器的N极板，使电容器的N极板带正电荷，P极板带负电荷，而这就相当于两个二极管的PN结接上了反向电压。当加热半导体电容器，少数载流子的数目大增。P极板的少数载流子电子在PN结内电场的作用下进入电容器的N极板，电容器的N极板的少数载流子空穴在PN结内电场的作用下进入电容器的P极板，形成工作电压。用导线连接电容器的两个电极，电子就将从N极板流向P极板。只要给半导体电容器不断地加热，保持一定的温度，它就可以不断地把热能直接转化为电能。
本发明在结构上由半导体电容器和两个缓变结二极管组成。这两种元件都是已知的。在常温下，电容器和二极管工作时都需要外加电压。但是它们的组合，在高温下却改变了电流的方向，由用电器变成电源了。半导体电容器的作用是1、给二极管提供反向电压源，2、加热后成为少数载流子源，3、存贮漂移载流子，形成热电池的工作电压。二极管的作用是将半导体电容器一个极板产生的少数载流子在内电场的作用下转移到另一个极板上去。
本发明与太阳能光电池在原理和结构上相似。光电池是光照射在PN结内产生的电子与空穴扫除空间电荷区形成光伏效应。由于只有一部分光产生的电子和空穴的能量大于禁带宽度，小于禁带宽度的电子空穴又复合了，不能产生光生伏打效应，所以光电池的效率比效低，理论上最高可达24％，实际只能达12％。热电池却不同，热能够使禁带宽度变窄，热能够使少数载流子的数目超过多数载流子。PN结的内电场帮助少数载流子越过空间电荷区是通过两个结构不同的二极管进行的，一个只通过电子，另一个只通过空穴。这样就减少了电子与空穴复合的机会，使热电转换效率大大提高。同样利用太阳能，热电池的效率比光电池将提高7-8倍。
原子能发电是当今比较清洁的能量转换方式，但由于它采用传统的转换方式，即先使热能用蒸汽轮机转换为机械能，再转动发电机发电，这样就把一半以上的能量白白浪费掉了。而这些能量用本发明不仅完全可以转化为有用的电能，还可大大减少给环境造成的热污染。
燃烧煤炭的火力发电是目前我国电力的主要来源，由于热的机械转换效率不高，再加上蒸汽凝结的汽化热、炉渣及烟气大量的热能没有得到合理的利用，不仅大量浪费了能源，还给环境带来严重污染。利用本发明不仅可把现有火电站的效率提高2-3倍，还可减轻对环境的污染，因为在把废气、废渣中的热量转化为有用的电能的同时，它们的温度就大大降低了，就给治理它们创造了条件。
另外冶金、化工在过去由于热能得不到循环利用，只有消耗大量能源才能维持生产。本发明可以把过去被浪费的热能再重新转化为生产中可利用的电能，不仅减少生产成本中的能耗，还可减轻冶金、化工生产给环境造成的污染。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。
图1为原理结构示意图。
图2为原理工作示意图。
图3为实施结构示意1与图2中的1为半导体电容器高掺杂的P型极板；2为半导体电容器高掺杂的N型极板；3为半导体P+PN+崩越二极管；4为半导体N+NP+崩越二极管；5为欧姆接触电极；6为欧姆电阻。将半导体电容器P极板连接两个崩越二极管的P极，半导体电容器N型极板连接两个崩越二极管的N极。电容器P型极板的多数载流子空穴通过P+PN+崩越二极管向电容器N型极板扩散；电容器N型极板的多数载流子电子通过N+NP+崩越二极管向电容器P型极板扩散。扩散的结果电容器的P型极板带负电，N型极板带正电，这就使与之同性相连的两个崩越二极管加上了反向电压图2Δ为加热半导体电容器100℃-200℃，多数载流子数目不变，少数载流子数目大增。半导体电容器P型极板的少数载流子电子在二极管内电场的作用下向电容器N型极板漂移，N型极板的少数载流子空穴在另一个二极管内电场的作用下向电容器P型极板漂移。载流子漂移的结果在电容器极板两面形成工作电压，使电子从电容器N极板经电阻6流向电容器P型极板，整个装置成为电源。加热电容器100℃-200℃的温度，在电阻上将获得1000℃-2000℃的温度。
实施例如图3所示，1为半导体电容器高掺杂P型极板；2为电容器高掺杂N型极板；3为轻掺杂P型半导体；4为轻掺杂N型半导体；5为欧姆接触电极；6为欧姆电阻；7为半导体电容器绝缘层。
本发明采用综合半导体集成电路制造技术和太阳能光电池制造技术。集成电路是在一块半导体芯片上制造成千上万个二极管、三极管、电阻和电容器元件；太阳能光电池是在一个大面积的PN结上两面作好接触电极引线。而半导体热电池在硅片的一面只制造一个电容器和两个二极管，结构比集成电路要简单得多。在半导体芯片的一面，用外延或扩散等方法进行高掺杂加工成P(或N)型半导体，再氧化使之生成一层二氧化硅作为绝缘层。在一端光刻、腐蚀去掉一部分二氧化硅保护层，在这部分外延生长一层轻掺杂的P(或N)型半导体。然后在另一端也进行光刻腐蚀去掉一部分保护层，在这一部分外延生长一层轻掺杂的N(或P)型半导体。再用溅射或外延、离子注入等方法使整个硅片生长一层高掺杂的N(或P)型半导体，在P和N各作一欧姆接触电极引线。半导体硅片的另一面也可以用同样的方法再做一个热电池。这样P型半导体和N型半导体用二氧化硅或本征硅隔开的部分就成为电容器，两端用轻掺杂的P型半导体或N型半导体连接的部分就成为崩越二极管。由于电容器的两极板与二极管的两极是连在一起的同一层高掺杂的半导体，多数载流子扩散的结果两端变成了加反向偏压的PN结，其空间电荷区内有很强的电场。在反向偏压足够高，空间电荷区内电场足够强时，热生载流子在通过强电场时会产生雪崩倍增效应。于是反向电流会随着反向电压迅速增加。这就是把热能直接转化为电能的过程。在半导体材料中，利用锗将比硅可在较低温度下获得更大的电流。半导体热电池和太阳能光电池一样，工作电压都不高，可用串联和并联方式提高电压增大功率，达到实用效果。
权利要求
1.一种由两种载流子经过分离而成的静态电源装置，其特征为将半导体电容器P+型极板连接两个崩越二极管的P+极，半导体电容器N+型极板连接两个崩越二极管的N+极，电容器P+型极板的多数载流子空穴通过P+PN+崩越二极管向电容器N+型极板扩散，电容器N+型极板的多数载流子电子通过N+NP+崩越二极管向电容器P+型极板扩散，扩散的结果电容器的P+型极板带负电，N+型极板带正电，这就使与之同性相连的两个崩越二极管加上了反向电压，加热半导体电容器，多数载流子数目不变，少数载流子数目大增，半导体电容器P+型极板的少数载流子电子在二极管内电场的作用下向电容器N+型极板漂移，N+型极板的少数载流子空穴在另一个二极管内电场的作用下向电容器P+型极板漂移，载流子漂移的结果在电容器极板两面形成工作电压，使电子从电容器N+型极板经电阻流向电容器P+型极板，整个装置成为电源。
全文摘要
本发明公开了一种由半导体电容器和二极管组成的静态电源装置。半导体电容器与二极管同性极板相连，两种多数载流子扩散的结果使半导体电容器充电，这就使二极管加上了反向偏置电压。加热半导体电容器，少数载流子增加。在二极管内电场作用下，两种载流子分别漂移，形成工作电压。只需不断地加热，热电池就能把热能转化为电能。它可以把太阳能、地热能、生产和生活中的热能转化为电能并进行循环利用，消除能源消费带来的污染，达到可持续发展的目的。
文档编号H01L49/00GK1505176SQ0215239
公开日2004年6月16日 申请日期2002年12月5日 优先权日2002年12月5日
发明者石运达, 张金锋, 石钟艳 申请人:石运达