专利名称：金属与半导体接触电容热电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将热能直接转换为电能的静态电源装置。
将热能直接转变为电能的过程是塞贝克首先发现的，将两种不同金属接头分别放在温度不同的容器中，在闭合导体中就会产生电流。这是由于不同的导体在不同的温度下具有不同的电子浓度，由于浓度差别不大，因而金属的温差电动势不大，热电转换效率不高。利用不同类型半导体间的温差电现象可得到比金属间高的电压和较大的功率，但它的效率比热电机械转换要低得多，目前还无法与它竞争。将太阳光照在金属与半导体接触的结面上，也能把光能转换为电能、产生光电流。这种光电池虽然在技术上得到了应用，但由于效率低、造价高，它的应用受到了限制。效率低的原因就在于不能有效地把热能转变为有用的电能。
本发明的目的在于应用金属与半导体相接触的特殊性能提供一种将热能直接转化为电能的电源装置。
金属与半导体相接触时半导体内形成势垒。金属和N型半导体之间形成的接触电势差，称为肖特基势垒。金属与半导接触的整流性质类似于PN结，可以做成肖特基势垒二极管。但是它又具有不同于PN结的特点，没有非平衡态载流子的存储效应，正向导通电压低，当半导体掺杂浓度很高的时候，肖特基势垒宽度区减小。肖特基接触的正向电流由一种多数载流子来传导，这与PN结不同，因此，其瞬态响应不受少数载流子贮存的限制，高速性很好。另外，肖特基接触的扩散电位一般比PN结小，因此正向电流的上升电压较小。N型半导体的另一侧蒸镀上铝时，势垒的高度约为0.69ev，即使在室温下，也有热电子由金属向半导体释放，它与由半导体向金属扩散的电子流达到平衡，于是在耗尽层内产生扩散电位差，正向偏置下，扩散电流占优势，形成正向电流；反向偏置下，释放的热电子形成反向电流。伏安特性形式上与PN结的相同，但反向饱和电流数值大这一事实意味着，在与PN结元件相同程度的电流密度下，它将是一种正向压降低损耗小的元件。另一方面，由于温度上升，反向饱和电流急剧增大，所以势垒区的最高允许温度一般限制在100℃。
金属与半导体接触之所以能形成势垒，根本原因是它们有着不同的功函数。金属的功函数是金属中处于费米能级的电子拉到体外真空能级所需要的能量，所以功函数的大小反映着电子被物体束缚的强弱。半导体的功函数也是费米能级与真空能级之间的能量差。由于半导体的费米能级一般处于禁带之中，上面并没有电子，所以可以看成是将电子从价带或从导带移到真空能级所需能量的统计平均。
一块金属和一块半导体，它们彼此分开各自保持电中性。假定半导体是N型的，且其功函数小于金属的功数。使金属和半导体接触必有电子从半导体流向金属。使半导体表面出现未补偿的离子施主的正电荷，金属表面则积累负电荷，同时二者的费米能级拉平。这时体外静止电子的真空能级不再相同，在金属和半导体间隙处存在一个由半导体指向金属的电场。金属表面的负电荷与半导体表面的正电荷必定量值相等符号相反。金属表面负电荷是多余出来的导电电子只占很薄的一层。由于半导体中施主浓度比金属中电子浓度低几个数量级，所以半导体中的正电荷将占较厚的一层，称为空间电荷层，和PN结中一样，这里的正负空间电荷间的电场阻止半导体中的电子流向金属，达到平衡时称为自建电场，使半导体的能带向上弯曲，形成了阻止半导体中的电子向金属渡越的势垒。
N型半导体与金属接触的肖特基势垒，正向偏压下的电流主要是由半导体内向金属半导体界面扩散并越过势垒进入金属的电子。电子势垒恰好是空穴的积累层，平衡时电子势垒顶端的空穴浓度比体内浓度要大得多。在正向偏压下，电子势垒高度降低，表面处的空穴将向体内扩散。这种空穴电流也是正向电流的一部分。为维持这个空穴电流必然有空穴从金属向半导体注入，这种注入实质上是半导体价带顶端附近的电子流向金属费米能级以下的空状态，而在价带顶部形成空穴。注入空穴形成的少数载流子电流与总正向电流之比叫注入比。肖特基势垒的注入比是很小的，这是因为肖特基势垒的电子电流比同样的PN结的电子电流大得多，即使有相同的空穴电流，其注入比也比PN结的小。
在PN结中，当偏置状态突然从正偏置变为反偏时，正偏时注入存贮的少数载流子必须被反向电流移走才能使器件处于高阻状态。在用N型半导体制成的肖特基二极管，少数载流子的存贮有两方面的含义，一是从半导体注入到金属中的电子，另一是金属向半导体注入的空穴。从半导体注入到金属中的电子比金属中原有电子的能量高，称为热电子。反偏置时，热电子有可能返回半导体。但是，如果热电子通过与金属晶格和电子的碰撞损失掉其多余的能量，就不能返回半导体。
如果N型半导体的功函数大于金属的功函数，它们接触后金属中的电子将流入半导体，使半导体表面处的能带向下弯曲形成电子积累层，这种接触对金属与半导体双方的电子都无阻力，因而是一种欧姆接触。欧姆接触的电流输运理论是在热电子发射理论基础上同时考虑到电子隧道效应而形成的。隧道效应对电流的输运贡献取决于半导体的掺杂浓度，掺杂在1014厘米-3至于1017厘米-3而温度在室温以上时，金属与半导体接触的电流以热电子发射为主。金属与重掺杂半导体接触时，隧道效应显著，此为场发射情况。这时半导体的掺杂浓度在1019厘米-3以上。当半导体表面掺杂浓度在1017厘米-3至1018厘米-3时，即有热电子发射电流，也有隧效应引起的场发射电流。重掺杂半导体能与许多金属形成良好的欧姆接触，而轻掺杂半导体与金属形成欧姆接触就必须选择势垒高度很低的金属或合金才行。
MOS电容器是以二氧化硅为电介质，铝膜为上电极，高掺杂的N+作下电极。MOS电容器可视为平行板电容器。铝膜接正、N+接负，为加正向偏压。在加上负向偏压时，铝膜接负，N+接正，N+表面将产生耗尽层，电容量随负压的增大而减小，但由于N+表面浓度通常在1019厘米-3以上，电容随电压的变化很小。MOS电容器的优点是电容值不受偏压影响，使用不分正负极，应用灵活。同时电极的串联、电阻较低。此外MOS电容器的击穿电压较高，完好的二氧化硅，0.1微米厚就可以经受60V的电压，这些优点使MOS电容器在集成电路中有很大实用价值。
本发明是根据金属与半导体相接触产生热电子现象。金属与N型半导体相接触，半导体中的电子将向金属转移。同样的电子，在半导体中比在金属中具有更多的能量。如果在金属与半导体相接触的肖特基势垒加反向电压，金属中的电子将向半导体转移，电子必须比金属的电子能量高才能返回半导体。在反向偏压不太高的条件下，给金属和半导体加热，使电子获得足够的能量，就可能产生很大的电流。MOS电容器和肖特基势垒二极管都是现代技术应用很广的器件，把它们稍微改进并结合起来使用就可获得意想不到的效果。将MOS电容器和肖特基势垒二极管连接起来，使电容器的铝电极板和肖特基的金属铝电极连接起来，电容器的N型半导体电极连接肖特基势垒二极管的N型电极。MOS电容器的N电极板上的电子越过肖特基势垒向MOS电容器金属电极扩散。扩散的结果是MOS电容器的金属极板带负电，N型半导体极板带正电，这就相当于肖特基势垒二极管加上了反向电压。当加热MOS电容器，就产生从金属电极流向N型半导体的强大的反向电流。
将热能转换为电能给予社会生产和生活带来积极效果。
水只有在2400℃的温度下，才能自行分离，在这个温度下，氢和氧的分离又有许多技术上的难题尚未解决。本发明可将100-200℃温度下的热量转化为电能，电能在常温下就可将水分解并自行把氢和氧分离。也就是说本发明将水分解的温度从2400℃降低到100-200℃，这样温度的热量在自然和生产中很容易获得和控制。
电子计算机的发明，开辟了用电子信息技术改造传统产业的道路，使社会生产跃进到一个新的发展阶段。但电子计算机不是万能的，它无法改变能源结构及能源消费所带来的后果。本发明是应用电子技术的能量转换设备，它把热能转换为电能不需要温差，只需要保持一定温度就能实现能量形态的转变，就象受精卵保持恒定的温度，经过一定时间就孵化出小鸡、小鸭一样。它们的共同特点就是都发生了一种质变。传统产业的主要缺陷就在于不能循环利用热能，环境污染及温室效应主要是不合理的能源的消费造成的。所以，对传统产业的改造不仅要从电子信息方面进行，同时要从电子能源方面进行，只有进行能量循环利用，才能走出一条可持续发展的道路。能源的开发不仅要提高能量转变效率，还要使能量进行循环，只有掌握了大规模能量转变的技术和制造出相应的设备，才能控制风向、调节雨量，减轻风砂旱涝自然灾害给社会造成的损失。
本发明的热电能量转变设备不需要温差，仅需要温度将给社会创造更多的财富，为人类创造更高的物质文明。把热电池埋在具有100℃以上温度的地下，就可把地热能直接转化为电能输送到地面。它不仅使人类成为地球的真正主人，它也将使人类成为太阳系的主人。人类在开始月球和火星之后，第三个目标将是金星。金星和地球一样有一层厚厚的大气，由于温室效应，温度可达400℃左右。本发明可将几百度的热能直接转化为电能，而本身受到冷却，开发金星的能量将成为人类开发太阳系的能源基地。
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3为实施结构示意1与图2中的1为MOS电容器金属极板M，2为MOS电容器N型半导体极板S，3为肖特基势垒二极管，4为欧姆接触电极，5为欧姆电阻。将MOS电容器M连接肖特基势垒二极管的金属端电极，MOS电容器半导体电极S连接肖特基势垒二极管的半导体电极，MOS电容器的两个欧姆接触电极4连接一个欧姆电阻。MOS电容器N型半导体极板S中的电子通过肖特基势垒二极管向金属极板扩散，扩散的结果是MOS电容器的金属极板M带负电，半导体极板带正电，这就使与之同性相连的肖特基势垒二极管加上了反向电压。
图2Δ为加热MOS电容器100℃以上，肖特基势垒二极管在反向偏压和加热的条件下，将改变自己的电流方向，电子将从金属极板M流向半导体电极S。电子反向运动的结果在MOS电容器极板两面形成工作电压，使电子从S极板经电阻5流向M极板。整个装置成为电源，加热MOS电容器100℃左右，在电阻上可获得1000℃以上的温度，也就是用烧开水温度的热量，可把钢铁熔化。
实施例如图3所示，1为MOS电容器金属极板M，2为二氧化硅绝缘介质，3为MOS电容器N型半导体电极S，4为轻掺杂N型半导体，5为欧姆接触电极，6为欧姆电阻。
本发明采用综合MOS集成电路制造技术和肖特基势垒太阳能光电池制造技术。MOS集成电路是在一块半导体芯片上制造成千上万个肖特基二极管、MOS场效应晶体管、电阻和MOS电容器；肖特基势垒太阳能光电池是在不锈钢衬底上制造，首先沉积一薄层掺磷的N型硅、而后在上面沉积厚约1微米的不掺杂的硅，再在上面蒸发金属。在构成肖特基势垒的金属和半导体之间引入适当厚度的绝缘介质膜可以改善它的光伏特性，增加效率。半导体热电池正是根据这一经验，把电容器作为一个必要组成部分，大大提高了热电转换效率。金属与半导体接触电容热电池是在硅片的一面只制造一个MOS电容器和一个与之相连的肖特基势垒二极管，结果比MOS集成电路要简单得多。在半导体芯片的一面，用外延或扩散的方法进行高掺杂加工一层N型半导体，掺杂浓度控制在1017厘米-3-1018厘米-3之间，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N型半导体。再在上面蒸镀金属层并引出一电极，另一电极由高掺杂的N型半导体引出。半导体芯片的另一面也可以用同样的方法再做一个热电池。这样，金属和N型半导体用二氧化硅介质膜隔开的部分就成为电容器，一端用轻掺杂N型半导体连接部分就构成肖特基崩越二极管。由于MOS电容器的两极板与二极管的两极是连接在一起的，电子扩散的结果使MOS电容器充电，使二极管加上了反向偏压，在加热的情况下，在半导体耗尽层中流动的热生载流子会产生雪崩倍增效应。最终的结果是将热能高效地转化为电能。如果将衬底改为功函数较大的金属，即可提高工作电压，又可简化制造工艺，大大降低制造成本与造价。
权利要求
1.一种由一种载流子经过加热改变电流方向的静态电源装置，其特征为将MOS电容器M极板连接肖特基势垒二极管的金属端电极，MOS电容器半导体电极S连接肖特基势垒二极管的半导体电极，MOS电容器N型半导体极板S中的电子通过肖特基势垒二极管向金属极板扩散，扩散的结果是MOS电容器的金属极板带负电，半导体极板带正电，这就使与之同性相连的肖特基势垒二极管在反向偏压和加热的条件下，将改变电流方向，电子将从金属极板M流向半导体电极S，电子反向运动的结果，在MOS电容器极板两面形成工作电压，使电子从S极板经电阻流向M极板，整个装置成为电源。
全文摘要
本发明公开了一种由MOS电容器和肖特基势垒二极管组成的静态电源装置。MOS电容器与二极管同性极板相连，电子扩散的结果使MOS电容器充电，这就使二极管加上了反向偏置电压。加热MOS电容器电流向相反的方向流动，在MOS电容器极板形成工作电压。只要不断地加热，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，消除能源的消费带来的污染，以此达到可持续发展目的。
文档编号H01L33/00GK1505175SQ02152398
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