一种电阻率近似为零的虚拟超导体的制作方法

文档序号:13767188阅读:265来源:国知局

本发明涉及热能与电能相互转换的半导体技术领域,尤其是指一种电阻率近似为零的虚拟超导体。



背景技术:

现有技术中,超导体都需要降温到极低的超导阀值温度以下才实现超导,其实现条件较为困难,尤其是保持低温较为困难,使用成本较高,超导体本身体积庞大,难以大规模普及应用。现有技术通常着眼于寻找阀值温度较高的新材料,然而进展不大,阀值温度仍然很低,难以满足应用需求。

非均匀掺杂的半导体本身可以较高效率地实现热能-->电能的转换,与电阻产生焦耳热的电-->热的过程相反,利用半导体的该特性,可以在一定范围内始终抵消电流焦耳热的释放,表现为电阻减小,甚至大幅减小,电阻值接近于零的近似超导体,本案由此产生。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种电阻率近似为零的虚拟超导体,利用非均匀掺杂半导体吸热发电,输出电压增量和电功率增量,实现对电阻焦耳热消耗电压和电功率的补偿。

为达成上述目的,本发明的解决方案为:

一种电阻率近似为零的虚拟超导体,包括半导体、绝缘隔热层及外部连接导线;半导体沿宏观电流方向实施故意非均匀掺杂,形成不均匀的半导体属性分布;半导体端部分别连接外部连接导线作为电流的引入端及引出端;绝缘隔热层包覆在半导体上及包覆在半导体与外部连接导线连接处,半导体与外部环境形成热隔离。

进一步,绝缘隔热层与半导体之间设置电绝缘导热层;半导体设置为多个时,相邻的半导体之间设置电绝缘导热层。

进一步,外部连接导线的半导体属性跟与其连接的半导体端部半导体属性相同。

进一步,实施非均匀掺杂的整根半导体或同一根划分为多段之后的所有段或者部分段半导体,沿同一宏观电流方向实施杂质浓度单调连续增大或单调连续减小的半导体故意非均匀掺杂处理;掺杂处理后的该整根或该段半导体,沿宏观电流矢量正方向从一端到另一端具备从P-到P+,或从N+到N-,或从N到P的杂质浓度单调连续过渡变化的特征,两端的半导体属性强弱程度或属性类型具备差异。

进一步,电流方向串联≧2根非均匀掺杂的半导体时,任意一个整根单调变化掺杂的半导体两端的掺杂浓度,与串联方向所有同样整根单调变化掺杂半导体的对应两端平均掺杂浓度的误差,与该端平均掺杂浓度的比值≦±50%;一根半导体划分为多段之后实施单调变化掺杂的任意一半导体段两端的掺杂浓度,与串联方向所有同样划分为多段之后实施单调变化掺杂的半导体段对应两端的平均掺杂浓度的误差,与该端平均掺杂浓度的比值≦±50%。

进一步,半导体配置为单独一根,两侧与外部电路相连,或配置为相互首尾串联连接的两根以上,最外侧两根半导体分别与外部电路连接;配置为单独一根且划分为多段之后独立进行单调变化掺杂,任意一段实施单调变化掺杂段的长度与所有单调变化掺杂段的平均长度之比≦±50%;半导体串联配置为两根以上时,其中任意某个实施非均匀掺杂的半导体段的长度与所有实施同样非均匀掺杂的半导体段的平均长度之比≦±50%。

进一步,半导体配置为相互并联的两根以上,两根以上半导体平行层叠或并排靠拢,或者相互扭转,相互之间通过绝缘导热材料隔开保持电绝缘。

进一步,电流方向上配置两根以上串联半导体,同时在垂直于电流方向配置两根以上并联半导体。

进一步,垂直于宏观电流方向相互并排靠近的M个半导体,M为>1的正整数,取其中最接近于M/2的整数数量个半导体的掺杂浓度落差最大的节点位置处于其它半导体的前后两个最大掺杂浓度落差节点的中部,位置误差≦±20%;或者M个半导体按照相邻距离远近的顺序,各自掺杂浓度落差最大的节点位置相互等间距的错开,位置误差≦±30%。其中,取其中最接近于M/2的整数数量个半导体为:当M为偶数时,直接取M/2,当M为奇数时,取M/2商的整数加1,如M为5时,商为2.5,此时取商的整数2加1,即3。

进一步,半导体材质为硬质,或者为软质,每一根半导体电流横截面为圆形或矩形,每一根半导体外观为薄膜状或细丝状。

进一步,调整非均匀掺杂半导体在电流方向单位长度内的掺杂浓度变化率,或调整起始掺杂浓度基础,或调整平均掺杂浓度,以调节工作状态下虚拟超导体内部的平衡温度;在整个工作过程中,按照各个时间段的实际工作电流I的算术平均值,或者均方根值,确定电流水平I0,调整配置半导体单位长度内的掺杂浓度变化率,或者起始掺杂浓度基础,或平均掺杂浓度,使得在该I0电流水平下,虚拟超导体内部温度平衡稳定之后的半导体实际温度水平Ts,与外部环境温度Te的差距≦±30℃。

采用上述方案后,本发明外部连接导线的半导体属性跟与其连接的半导体端部半导体属性相同;绝缘隔热层包覆在半导体上及包覆在半导体与外部连接导线连接处,半导体与外部环境形成热隔离。

半导体在电流通过条件下产生焦耳热,对应消耗一部分电功率,产生对应的焦耳热功率Qi,也可以理解为在电流I条件下,对应消耗一部分电压Ui。

半导体沿宏观电流方向实施故意非均匀掺杂,形成不均匀的半导体属性分布,以故意非均匀掺杂电臂段的全部或至少一部分为吸热部位,吸入热功率进行热电转换。利用半导体热电效应来发电,通过半导体吸收温度热能量,转换为电能,也可以理解为在电流I条件下,沿某一方向产生一个电压增量Uo,对应输出一部分电功率Po。

半导体在电流流过的同时,既消耗电压Ui产生焦耳热功率Qi,又同时吸热发电,产生电压增量Uo和输出电功率Po。电阻单纯消耗的电功率被发电产生的电功率补充,等同于电阻减小。

半导体产生和消耗的电压近乎相等,即Uo≈Ui,该半导体的电阻发热耗电量接近于零,在电路中的等效电阻值R’变小,接近于零,为一个近似的虚拟超导体。

附图说明

图1a至图1c为本发明一整根不同属性半导体掺杂浓度方向示意图;

图2a至图2c为本发明一根划分为多段不同属性半导体掺杂浓度方向示意图;

图3为本发明的结构示意图;

图4a至图4c为本发明半导体两端与外部连接导线连接示意图;

图5为本发明第一实施例的结构示意图;

图6为本发明第二实施例的结构示意图;

图7为本发明第三实施例的结构示意图。

标号说明

半导体1绝缘隔热层2

外部连接导线3电绝缘导热层4。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。

参阅图1a至图7所示,本发明揭示的一种电阻率近似为零的虚拟超导体,包括半导体1、绝缘隔热层2及外部连接导线3。

半导体1沿宏观电流方向实施故意非均匀掺杂,形成不均匀的半导体属性分布,如图1a至图1c以及图2a至图2c所示。

半导体1两端分别连接外部连接导线3,优选为:外部连接导线3的半导体属性跟与其连接的半导体1端部半导体属性相同,如图4a及图4b所示。通常外部连接导线3为金属导线,如图4c所示。实际实施过程中因为不容易找到半导体属性相同的外部连接导线3,甚至可能是金属或其它几乎没有明显半导体属性的导体,因而这个要求往往是难以直接达成的。而且,即便达成该要求,整个虚拟超导体的特性虽然得以较好地维持,但导线最终还是需要连接到负载或其它金属导体等等,也会出现半导体属性的落差,将会导致在外部其它位置出现帕尔帖热和汤姆逊热损耗,对于整个电路来说,虚拟超导体只是相当于把功率损耗搬移到外部,却没能实际消除或减小,就没有明显的意义了。因此本说明书后面会有关于导热措施的描述,能够降低对连接导线半导体属性的要求标准。因为连接端部即便存在较明显的半导体属性落差,较明显的热电势属性落差,会形成发热或吸热,但是因为导热层的热扩散作用,可以比较均匀地平滑连接端部的吸、放热所导致的温度变化影响,减小对虚拟超导体性能的影响。

绝缘隔热层2包覆在半导体1上及包覆在半导体1与外部连接导线3连接处,半导体1与外部环境形成热隔离。

半导体1在电流通过条件下产生焦耳热,对应消耗一部分电功率,产生对应的焦耳热功率Qi,也可以理解为在电流I条件下,对应消耗一部分电压Ui。

半导体1以故意非均匀掺杂电臂段的全部或至少一部分为吸热部位,吸入热功率进行热电转换。利用半导体1热电效应来发电,通过半导体1吸收温度热能量,转换为电能,也可以理解为在电流I条件下,沿某一方向产生一个电压增量Uo,对应输出一部分电功率Po。

半导体1在电流流过的同时,既消耗电压Ui产生焦耳热功率Qi,又同时吸热发电,产生电压增量Uo和输出电功率Po。电阻单纯消耗的电功率被发电产生的电功率补充,等同于电阻减小。半导体1产生和消耗的电压近乎相等,即Uo≈Ui,该半导体1的电阻发热耗电量接近于零,为一个近似的虚拟超导体。

为了产生方向正确,大小合适的电压增量Uo,抵消电阻消耗的电源电压Ui,半导体1整根或部分段必须在正确的方向实施连续单调变化掺杂,具体为沿宏观正电流矢量方向实施故意非均匀掺杂,形成不均匀的半导体属性分布。

对于一整根半导体1,如果是P型,则沿宏观正电流矢量方向从输入一端到输出另一端单调连续变化掺杂,具备从P-到P+的半导体属性逐步过渡的分布;如果是N型,则同样方向从输入一端到输出另一端具备从N+到N-的逐步过渡的属性分布;如果是同时有P和N两种掺杂类型,则同样方向从输入一端到输出另一端具备从N到P逐步过渡的分布状态。必须确保上述掺杂处理方向,才能确保电流通过过程中半导体会产生同方向的电压增量Uo。

同一根半导体1划分为多段,如划分为M段(M为大于1的整数),其中每一段都沿宏观正电流矢量方向,从输入一侧的起始位置到输出一侧的终止位置,实施杂质浓度连续单调变化的掺杂处理,使得每一段前、后两端的半导体属性强弱形成同样性质的差异。

如果有多根半导体1,半导体1类型可能相同,如同为P型或同为N型,也可能不同,如有些是P型,有些是N型,但无论如何,沿同样的宏观正电流矢量的方向,都要实现上述掺杂处理措施。

一旦配置好之后,正电流矢量的方向也不能更改,否则与半导体属性过渡变化的方向相反或有差异,将丧失吸热发电的能力,因此虚拟超导体的电流输入、输出端是固定方向的,不允许反向使用。

绝缘隔热层2具备高电阻率和小导热率,对所有传递电流的半导体1进行包裹,并且在半导体1与外部电流或导线焊接或其它方式电连接完成之后,对该部位进行包裹,阻断与外部环境的热交换。

正电流矢量流过半导体1,半导体1实施了单调方向的连续梯度掺杂,半导体1吸热发电,同时也会产生焦耳热。假设焦耳热功率消耗电压Ui0,初期电流I0,环境温度T0,焦耳热功率和吸热功率刚好相等,则该段半导体导线总的放热=吸热,完全不消耗电功率,Ui0=Uo0,消耗的Uio被Uo0完全补充,电阻表现为零,实现了虚拟超导状态。

但是消耗电压Ui,或者说电流I,以及环境温度T的大小并不总是固定的,比如初期消耗电压Ui>Uo,发热大于吸热,半导体逐渐升温,平衡之后的温度高于环境温度,将会持续朝外发散热量,等同于持续损耗一部分焦耳热功率。反之,如果初期Ui<Uo,则平衡温度下降,低于环境温度,持续从外部环境吸热,等同于持续发电输出。再比如环境温度从T0变小为T1(T1<T0),半导体各个位置的热电势绝对值会随之下降,因此整段半导体1热电势变化率也会下降,同样I0条件下吸热发电能力会减弱,输出增量电压Uo1会减小,就会小于实际电阻R消耗的电压Ui1,因此表现出来整段半导体要对外释放一部分焦耳热,原本的虚拟超导态被破坏,或效果变差。

如果T0变高为T2,半导体1热电势变化斜率变大,吸热能力变强,从环境中吸入一部分热功率来发电,其输出电压Uo2>Ui2,会形成增量电压,对外部电路表征为电阻是负值,实际上是发电输出。虽然是增量发电,不消耗电源能量,但是对负载而言电压的提升可能反而会超过负载所允许的工作电压。因此,在开放的热环境中,或者隔离效果不理想的半开放热环境中,环境温度波动,或者电流大小波动,都会导致原本较为理想的近似超导态被破坏,都不利于维持超导状态的持续稳定。

解决的办法就是增强对外热隔离的能力,如在理想的100%对外热隔离的状态下,无论环境温度多高,无论电流I多大或多小,通电流初期一小段时间内,消耗的焦耳热功率和吸热功率可能无法契合,电阻表现为偏大,或者偏小,或者电阻为负的发电状态的任意一种。但是无论初期状态如何,足够长的一段时间之后,半导体的实际温度会达到一个平衡态,因为与外部完全热隔绝,这个平衡态与外部温度环境无关。所谓平衡,就是温度不再变化,也就是从此之后,半导体整段的吸热总是等于放热,即电阻R消耗的焦耳热功率,总是等于半导体吸收的热功率,两者始终是平衡相等,相互抵消。

如果初期焦耳热功率大于吸热功率,到达平衡过程中半导体会升温,平衡条件下,实现超导态的半导体温度会大于初始的环境温度;如果初期焦耳热功率小于吸热功率,到达平衡过程中半导体会降温,平衡条件下的温度会小于初始的环境温度。

如图5至图7所示,绝缘隔热层2与半导体1之间设置电绝缘导热层4。电绝缘导热层4的目的在于把半导体1两个端面的发热量携带起来,快速均匀地分散到整根半导体1表面,抑制端部的升温或降温,使整根半导体1的温度分布均匀,并保持在一个新的平衡态位置。

如果没有电绝缘导热层4,端部的温度增量和减量会堆积,只有绝缘隔热层2具备100%的完全阻热能力条件下,才可能持续维持虚拟超导态,而100%的隔热不可能实现,总会与外部环境存在一定的热交换,虚拟超导态会被破坏,或者低电阻的特性会变差。

电绝缘导热层4必须具备较高的导热率,必须是电阻率很大的电绝缘材料。电绝缘导热层4可以不止一种,不止一层,可以是多种混合,可以是多层结构。电绝缘导热层4可以是固体,也可以是液体,胶体或气体。如果是液体或气体,可以是静态处于某一稳定位置的,也可以通过相应泵和管道的配合,动态地流动。

半导体1整根或同一根划分为多段之后的所有段或部分段,沿宏观正电流矢量方向实施故意非均匀掺杂为杂质浓度单调连续增大或单调连续减小的半导体掺杂处理。P型半导体实施沿宏观正电流矢量方向从一端到另一端按照从P-到P+的浓度单调连续递增掺杂;N型半导体沿宏观正电流矢量方向实施从N+到N-的浓度单调连续递减掺杂;同时包含P型和N型两种属性的半导体,沿宏观正电流矢量方向实施从N到P过渡变化的单独连续掺杂。实施单调连续变化掺杂的整根半导体或者一根中分为多段之后每一段的两个端部分别为整根或该段中半导体属性最强或最弱部位。

半导体1配置为单独一根,两侧与外部电路相连,半导体1配置为更多根半导体串联连接,最外部的半导体端部各自与外部电路相连。

单独一根的半导体,既可以是整根沿电流方向实施单调变化掺杂,可以是划分为多段之后,所有段或部分段独立进行单调变化掺杂。无论是整根还是各个相应段独立实施单调变化掺杂,因为考虑到吸、放热发生位置和大小的需要尽可能均匀分布,将各单调变化掺杂段两端的掺杂浓度尽可能控制一致,并且长度也尽量控制一致。一般来说,任意一段的两端的掺杂浓度与所有段的相应各端的平均掺杂浓度的误差,与该平均掺杂浓度之比不要超过±50%,该比值越大,意味着各段的半导体属性分布越不均匀,吸、放热量的分布也越不均匀,越不利于维持虚拟超导体的性能水平。

不仅仅是掺杂变化情况,还包括半导体的长度,也应该尽量均匀相等,否则也会造成吸、放热发生位置的不均衡,比如某些地方放热比较集中,某些地方吸热又比较集中,不利于热量均匀分布,最终会影响虚拟超导体的性能。因此,一般来说,任意一个非均匀掺杂半导体段的长度,应该与所有该类型非均匀掺杂段的平均长度相同,其长度误差一般不超过±50%,过大的误差意味着热量分布的不均匀。

当然,半导体1也可以配置为多根,多根半导体1平行层叠,或并排,或相互扭转并联配置,或者其中一部分半导体1首尾串联配置,其它部分半导体1平行层叠并联配置。相互并联关系的半导体之间用绝缘导热材料进行隔离,确保电绝缘的并联关系。

还可以同时进行多根半导体1的串联,以及多根半导体1的同时并联。

对于在垂直于电流方向有不止一根半导体并排,比如相互靠近或层叠或扭转的情况,某些实例中为了进一步促进吸、放热的均匀分布,还对该方向各并排半导体单调变化掺杂段的位置关系进行调整。一种方式是对有M个并排半导体的,取其中一半或接近一半数量的半导体,将其掺杂浓度短距离发生突变的节点位置对齐,并且将剩余另一半数量的半导体的掺杂浓度单调过渡变化段的中部位置与之对齐。前者掺杂浓度突变的节点是主要放热的,后者位置是吸热的,两相结合刚好互补,比较有利于吸、放热的均衡。另一种方式是按照M个并排半导体的相互距离远近的位置关系,由近到远地逐次将各自掺杂浓度突变节点的位置,以均等的长度错开,每两个最靠近的半导体的突变节点,在电流方向的间隔距离相等或近似相等,同样有利于吸、放热的均衡。

半导体1材质为硬质,或者为软质,半导体1电流横截面为圆形或矩形,半导体1外观为薄膜状。

在隔热屏蔽之后的虚拟超导体内部,某个水平的电流I会对应造成相应水平的电阻焦耳热释放,以及相应水平的吸热发电转换。在最终稳定平衡状态下,虚拟超导体内部的半导体会维持在某一个相应的温度水平Ts。该温度水平与外部环境的差异越大,隔热层的阻热负担越重,热隔绝效果越差,因此我们希望在最常用的电流I0条件下,虚拟超导体内部半导体的实际温度Ts能够尽可能等于外部环境温度Te。

调整半导体单位长度内掺杂浓度的变化率大小,或调整起始位置的掺杂浓度水平,或调整整个半导体的平均掺杂浓度,都可以实现对最终平衡温度的调节。因此,我们进行调整的一个重要依据是,根据整个工作过程中实际电流大小的情况,计算各个时间内的电流水平的算术平均值,或者均方根值,或者根据实际情况采用其它任意的优化选择方法,得到一个所需的I0电流水平。虚拟超导体在该I0条件下,达到稳定平衡态之后,内部半导体的实际温度Ts≈外部环境温度Te。

一般来说,ΔT=Ts-Te的范围控制在±30℃之内比较好,越大的ΔT值意味着隔热效果越差,过大的温差将导致过大的功率损耗或外部热功率影响,从而导致虚拟超导体的电阻率变大或变为较大的负值,都不利于维持虚拟超导体特性的稳定。

以上所述仅为本发明的优选实施例,并非对本案设计的限制,凡依本案的设计关键所做的等同变化,均落入本案的保护范围。

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