专利名称：金属与半导体接触电容脉冲发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及应用电子技术的能量转换设备。
在本发明之前的技术状况是几乎所有的能量转换设备的特征是机械能和电磁能都可全部转化为热能，但是反过来的转化即把热能转化为机械能和电磁能却需要有温差存在作为先决条件。在热能传递过程中，热量只能单方向从高温物体传到低温物体，达到平衡态后热量就不再流动。在这种能量转换方式中，人们到处从外面寻觅动力源，水力、煤炭、石油、核能成为现代社会的四大常规能源。发达国家凭着自己的技术优势拢断了大部分石油资源和核能技术，同时却把大量的污染物转嫁给广大发展中国家。这种弱肉强食的生产方式的根源就在于不会利用平衡态热能。人类社会生产方式不会长期停留在这个水平上，利用异质金属逸出功不同形成电位差的《接触电容脉冲发电装置》(专利号98114180.3)和利用P型半导体与N型半导体所形成的电位差的《接触半导体电容脉冲发电装置》(专利号99112548.6)。它们对现有技术的突破就在于能把平衡态的热能转化为脉冲电流加以利用。除了异质金属相接触和不同类型半导体相接触能产生电位差外，金属和半导体间的接触也能产生电位差，这种电位差也同样能引起能量转变。
本发明的目的在于提供一种应用金属和半导体相接触的特性激发平衡态热能活性的能量转变工具。
金属的接触电现象两种不同的金属相接触即产生带电现象。几种金属相串联，电位差只发生在两端而与中间导体的性质无关，串联的导体闭合电位差消失。电位差由金属的逸出功之差决定，在金属的接触面上产生电位跳变，电子从逸出功低的金属流向逸出功高的金属。如果电流流过接触面放出热量，那么当电流反向流过接触面就吸收热量。
半导体的接触电现象本征半导体通过掺入不同的杂质可形成P型半导体或N型半导体。P型半导体与N型半导体的接触面即为PN结。PN结两侧有电荷积累，形成势垒，具有单向导电特性，接触电位差由半导体掺杂浓度决定，浓度越大，电位差越大。加正向电压，削弱势垒，电路导通；加反向电压，增强势垒，电路阻断，相当于电容器充电。
金属与半导体的接触电现象半导体与金属接触时所产生的接触电位差将在半导体表面附近形成一个阻挡层。接触时电子从半导体流向金属，导致半导体中电子能级下降(相对金属)，但是由于N型半导体中自由电子的密度比金属小得多，半导体所能荷带的正电荷密度有限，从而能级的下降将是逐渐的，正电荷分布在半导体表面的一个有限厚度的层内。这一层由于自由电子密度降到很小而具有很高电阻。它对电流成为一个阻挡层。当外加电压加在这种半导体-金属结上时，阻挡层的厚度发生变化，若N型半导体是在负电位，则阻档层厚度将减小，反之阻档层厚度将增加。这样，电流的大小就会同电压的方向有关，从而显示出整流作用。金属半导体接触的整流性质类似于PN结的特点，与PN结不同，没有非平衡态载流子的存储效应，正向导通电压低，因而在微波技术和高速集成电路中有重要应用。当半导体掺杂浓度很高的时候，肖特基势垒区宽度减小，电子可以借助隧道效应穿过势垒，这时不再表现出具有整流性质，而接触成为欧姆接触。
将肖特基势垒二极管并联一个极板为金属和半导体组成的电容器，金属极板为逸出功高的薄膜，另一极板为掺杂浓度很高的N型半导体。加正向电压可以减弱肖特基势垒，二极管并联电容器，在电容器充电过程中也以暂态形式减弱肖特基势垒，电容器充电完毕后，势垒又恢复原来的数值，达到新的平衡。将充了电的电容器放在电路中间或使其电容器处于闭合状态，电容器就发生放电过程，将许多相同的肖特基势垒二极管与金属半导体电容器联合体组成一个系列，在开放并联下自行充电，在串联闭合状态下放电。将二个相反方向的电容器组的两端并联电感器就可以得到正弦交流电，把三个这样的系列组成统一的整体，使各个系列分别充电和放电，只要变更电路开关和程序转换开关次序，就可分别得到三相交流电、单相交流电和直流电。
在以往技术中电池是利用接触电现象的化学电源，它的消费要改变物质的化学结构，大量的废弃电地将给环境造成污染。温差电池能够把热能直接转化为电能，但它的效率低、功率小，用于较大规模的能量转变不经济。在实践上电能绝大部分都是用发电机由机械能转换而来的。以电磁感应为基础的发电机，由于电压与发电机转速成正比，所以发电机对转速都有一定限制，尤其是交流同步发电机需要频率固定，对转速要求严格。这就使只有那些可控的调速性能好的四大常规能源得到开发利用。火力发电是电力生产的主要形式，大气污染的主要根源就在于大量燃煤。电能是清洁的二次能源，但它却来自不清洁的一次能源，煤炭的开采、运输都要化费大量的劳动，消费时又要造成污染。与火力发电相比，原子能核电是比较清洁的发电方法，但是核废料却难以处理。水力发电是四大常规能源唯一的可再生能源，但修建水电站投资大，基建周期长，要淹没大片土地，迁移大量的人口，对生态环境有较大的影响。风力发电是最清洁的发电方式，但风力的方向和速度经常改变，风能密度低，设备庞大，造价高。太阳能发电是比较理想的发电方式，但它受季节、昼夜、天气变化影响较大，另外造价高、效率低是它致命的弱点。有人设想将来在空间大规模开发太阳能以微波形式传向地面。这种设想虽然很高明，但却忽略了一点，就是它将破坏地球的热平衡，造成热污染。本发明是以接触电现象为基础开发物理能源的能量转变工具，它利用的是以金属和半导体中的电子运动，它工作的结果，不改变物质的分子结构和原子结构，因此不会产生污染。本发明不是把未来的希望寄托在遥远的太空，而是立足在开发我们生活在其中的物质世界的固有运动。物质本来就处于无休止的运动中，由于历史的局限，尤其是生产方式的限制，造成人们对运动片面的理解，只能利用自然界中现有的差别，在平衡态面前却无能为力。与此相反，本发明把平衡态热能当作无穷无尽的可开发利用的能源，因为任何平衡都是相对的，只对某种特定的运动形态才有意义。如果从其他的运动形态考察，平衡就变为不平衡。热平衡中的热能，不能推动卡诺热机运动。但是在同一温度下，电子能够从逸出功低的金属流向逸出功高的金属，从N型半导体流向P型半导体，从N型半导体流向金属，在两金属的接触面、PN节、金属半导体结的界面上形成势垒，阻止电子的流动，达到新的平衡。如果加正向电压，将削弱势垒，达到正向导通。利用接触电容器代替外加电源，就可达到用内部矛盾引起运动与变化。本发明输出电压主要由自己的结构决定，温度对它的电压有一定的影响，但不象速度对发电机那样有线性关系。在现有的电机中，交流电机和直流电机具有不同的结构，一般说来，不能通用。把交流电变为直流电需要整流器，把直流电变为交流电需要可控硅逆变。本发明只用一种设备，只要变换开关的控制程序，就可发出三相交流电、单相交流电、直流电以及各种波形和频率的脉冲电流。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
本发明采用肖特基势垒二极管并联MOS电容器为基本单位，电容器的一个电极板为金属，另一个极板为高掺杂的N型半导体片。将一系列相同的接触电容器按同一次序串联起来，串联的个数由需要决定，在每两个电容器之间串联一个开关。将另一系列数目相同的接触电容器但方向相反排列起来，把两端分别联结起来组成一相，在两端并联一个电感器。将三个这样的接触电容器组在左端联结起来组成A、B、C三相。A相包括1和2两组电容器串联程序转换开关、连结电感器X的开关K1、K2以及左端的电路开关K7、K8。B相包括3和4两组电容器串联程序转换开关、连接电感器Y的开关K3、K4以及左端的电路开关K9、K10。C相包括5和6两组电容器串联程序转换开关、连接电感器Z的开关K5、K6以及左端的电路开关K11、K12，如
图1所示。
三相交流发电控制程序如下关闭电路开关K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11、K12。
同时关闭1组所有程序转换开关，如图2所示。
同时关闭3组所有程序转换开关，如图3所示。
同时关闭5组所有程序转换开关，如图4所示。
同时关闭2组所有程序转换开关，开启1组所有程序转换开关，如图5所示。
同时关闭4组所有程序转换开关，开启3组所有程度转换开关，如图6所示。
同时关闭6组所有程序转换开关，开启5组所有程序转换开关，如图7所示。
同时关闭1组所有程序转换开关，开启2组所有程序转换开关，循环往复。
交流电周期为T，经过T/6时间，关闭一组开启另一组转换开关。六次脉冲完成一个周期。
单相交流发电控制程序如下同时关闭1组、3组、5组所有程序转换开关，然后同进开启，如图8所示。
同时关闭2组、4组、6组所有程序转换开关，然后同时开启，如图9所示。
单相交流电两次脉冲完成一个周期。
直流发电控制程序如下开启电路开关K1、K2、K3、K4、K5、K6，开启电路开关K7、K9、K11关闭电路开关K8、K10、K12，把这三个开关连结为一体。
同时关闭1组和2组所有的程序转换开关，如图10所示。
同时关闭3组和4组所有的程序转换开关，开启1组和2组所有程序的转换开关，如图11所示。
同时关闭5组和6组所有的程序转换开关，开启3组和4组所有的程序转换开关，如图12所示。程序转换开关循环往复就产生直流脉冲电流，再利用稳压管就可得到所需要的平直电流。
如果开启电路开关K8、K10、K12，关闭电路开关K7、K9、K11，把这三个开关连结在一起，控制程序与上述相同，电流的极性将改变。
本发明所用原部件种类较少，肖特基势垒二极管这是已有的电子原件。与它并联的接触电容器采用集成电路电容的方法制造，在硅片的表面先制造一层二氧化硅薄膜，在薄膜上的金属层引出电极，这就相当于平行板电容器，硅片本身和金属层是极板，二氧化硅薄膜是绝缘介质。这种电容器的电性能比较好，击穿电压比较高(与二氧化硅厚度有关)，每平方毫米的硅片上可以得到640微微法左右的电容值。与此相似本发明所用的电容器是将高掺杂的N型半导体氧化一层作为绝缘介质，在绝缘层上涂一层逸出功高的金属(钯、铑等)膜。每个电容器引出4个电极，其中两个连接肖特基势垒二极管，另外两个电极连接电子开关。在每个并联系统中，电容器高掺杂的N型半导体极板电子将流向金属的一侧，二极管的金属极板一般由铝制造，电容器的极板用钯或比钯逸出功更高的金属制造。铝是伏打序列最前面的金属，钯是伏打序列中最后面的金属，铝的电子将流向钯。电容器的充电过程就是在开路条件下高掺杂的N型半导体中的电子经过二极管流向电容器的金属极板。二极管具有单向导电特性，也就是电子只能由半导体流向金属，但是电容器放电却需要使金属极板的电子流向N型半导体极板。由于电容器的N型半导体是高掺杂的，它和金属相接触产生隧道效应，失去了单向导电特性，所以电容器中的电子可以由金属极板流向半导体极板。因此，金属半导体电容器并联二极管，即可自行充电，也可以放电。
在开路的状态下，接触电容自行充电，将电容器串联在中间或使电路闭合，电容器就放电。利用电子开关的关断与导通，就可控制电容器的充电与放电过程。电子开关可采用可控硅，用一个很小的电流可以控制较大的电流，每秒钟的开关次数，可以达到几万次。一般可控硅正向管降压为1.2伏特，在一般有外电压电路中，这是微不足道的。但是靠接触电压的电容器电路中，就要选择管降压低的电子开关和二极管，这样才有较多的剩余电压用于能量转化。电容器放电是按指数规律变化，在电容器组的两端并联一个电感器，利用并联谐振原理，就可将电容器放电脉冲波形变为正弦波形输出。
每一个金属半导体电容器都并联一个肖特基二极管，即电容器的金属极板与二极管的金属极相连，电容器的半导体极板与二极管的半导体极相连。在两个电容器之间串联接一个可控硅作为转换开关，即一个电容器的半导体极板连接可控硅的阳极，可控硅的阴极连接另一个电容器的金属极板。按同样的次序将电容器和可控硅串联起来，第一组串联的个数由所需电压决定。再将第二组方向相反串联的个数相等与第一组左端分别通过开关K7、K8连接起来，右端连接于A。在串、并联体的两端通过开关K1、K2连接电感器X。再将与上述结构相同的第3组和第4组左端分别通过开关K9、K10连接起来，右端连接于B。在串、并联体的两端通过开关K3、K4连接电感器Y。第5组和第6组左端分别通过开关K11、K12连接起来。右端连接于C。在串、并联体的两端通过开关K5、K6连接电感器Z。A、B、C三组左端连结于D，如图13所示。
在电容器的电容量与电阻较大的条件下，转换开关的次数可选用50HZ。50HZ三相交流电源随处都可获得，只要通过简便的变换，就可激发可控硅导通，使发电装置产生三相交流电，T/6一次脉冲，六次脉冲完成一个周期。如果三相串、并联用同一单相激发开关的导通与关断，发电装置就产生单相正弦交流电。如果开启X、Y、Z三个电感器的所有开关，开启K7、K9、K11(或K8、K10K12)，将A、B、C三相分别导通与关断，就可产生直流脉冲电流，经过稳压管削平就可得到平直电流。
由于开关的激发电流和发电装置产生的脉冲电流是同频率的，所以可采用自激形式，只需较少的外来信号的能量，其余能量由自己转化内能按信号的频率复制出来。
在电容器电容较小或串联的个数较多的情况下，利用时钟脉冲串环形分配器启动高速电子开关，再利用现有的技术就可得到各种波形、电压和频率的脉冲电流。利用本发明可以把空气、海洋中的热能直接转化为微波，所以那种到遥远太空将太阳能转化为微波向地球发射就成为多余的了。
任何平衡都是相对的，温度的平衡也同样可以自行打破。在有温度差别存在的条件下，可以把热能转化为电能；在没有温度差别的情况下，可以通过物体的化学成分的不同和物质的不同时空结构，促进能量的转化获得电流。在同一温度下，半导体和金属存在着能级的差别，相接触后，能级拉平又出现电位的差别，电路闭合电位差又消失。在电路不断地开启与闭合的交替转换中，电子发生循环运动，吸收着永不枯竭的能源，只是因为我们自己的无知和无能，由于历史的局限受传统观念和时代的偏见的限制，导致对某些表面现象的盲目崇拜，不能清醒地全面观察这个永恒转化的物质世界，被假象迷惑，导致理论的错误。物质本来就处于永恒运动中，不管人们认识还是不认识，利用还是不利用，都不能改变这个物质的固有属性。
权利要求
1.一种以电子技术为基础的能量转变工具，以往的一切能量转变工具都不能开发利用平衡态热能，本发明与传统相对立，把平衡态热能作为技术上可以开发利用的永不枯竭的能源，其特征为根据金属与半导体相接触形成的阻档层具有单向导电性和高渗杂的N型半导体与金属接触时又失去单向导电性这一矛盾现象制成的肖特基二极管、MOS电容器，每一个金属半导体电容器都并联一个肖特基二极管，即电容器的金属极板与二极管的金属极相连，电容器的半导体极板与二极管的半导体极相连，在两个电容器之间串联一个可控硅作为转换开关，即一个电容器的半导体极板连接可控硅的阳极，可控硅的阴极连接另一个电容器的金属极板，按同样次序将接触电容器和可控硅串联起来，第1组串联的个数由所需的电压决定，再将第2组方向相反串联的个数相等与第一组左端分别通过开关K7、K8，连接起来，右端连接于A，在串、并联体的两端通过开关K1、K2连接电感器X，再将与上述结构相同的第3组和第4组左端分别通过开关K9、K10连接起来，右端连接于B，在串、并联体的两端通过开关K3、K4连接电感器Y，第5组和第6组左端通过开关K11、K12连接起来，右端连接于C，在串、并联体的两端通过开关K5、K6连接电感器Z，A、B、C三相左端连接于D，在同一温度下，半导体和金属存在着能级的差别，相接触后，能级拉平又出现电位的差别，电路闭合电位差又消失，在电路不断地开启与闭合交替转换中，电子发生循环运动，吸收着永不枯竭的能源，转化为可利用的电能，并打破原来的热平衡，在电容器的电容量与电阻较大的条件下，转换开关次数可选择用50Hz，50Hz三相交流电通过简单交换激发可控硅导通，发电装置就可产生三相正弦交流电，T/6一次脉冲，六次脉冲完成一个周期，在电容器容量较小或串联电容器较多的情况下，利用时钟脉冲串环形分配器启动高速电子开关就可得到高频脉冲电流。
2.根据权利要求1所述的金属与半导体接触电容脉冲发电装置，其特征在于三相串、并联体用同一单相激发可控硅的导通与关断，就可产生单相正弦交流电。
3.根据权利要求1所述的金属与半导体接触电容脉冲发电装置，其特征在于开启X、Y、Z三个电感器的开关，开启K7、K9、K11，交替导通与关断A、B、C三相，就可获得直流电。
4.根据权利要求1所述的金属与半导体接触电容脉冲发电装置，其特征在于用已有的脉冲变换方法，可获得各种波形、电压和频率的脉冲电流。
全文摘要
本发明公开了一种利用金属与半导体相接触具有单向导电性和高掺杂半导体与金属相接触又失去单向导电性制成的二极管和电容器组成A、B、C三相,D为中线,每相包括二组方向相反的二极管并联电容器串联可控硅在两端并联电感器的双螺旋体,通过不同的组合,以及特定的程序控制开关的导通与关断,使电容器发生充电和放电作用,充电时将常温下平衡态热能转化为静电能,放电时将静电能分别转化为三相交流电、单相交流电、直流电或各种波形、电压和频率的脉冲电流。
文档编号H02N11/00GK1329392SQ01111570
公开日2002年1月2日 申请日期2001年3月18日 优先权日2001年3月18日
发明者石运达, 张金锋, 石钟艳 申请人:石运达