热泵式吸热发光双效半导体研究课件.pdf

热泵式吸热发光双效半导体研究 秦友刚 石家庄钢铁有限公司，河北石家庄(050031) E-mail:qinyougang@163.com 摘 要:根据制冷半导体和 LED 原理，提出了吸热发光结合的新型双效半导体原理。分析了 双效半导体的结构组成。给出了实现高效率的解决方案。 关键词：双效半导体；接触电阻；功函数。 1 基本设计思路： 半导体制冷技术和半导体发光技术被广泛地应用于工农业生产和日常生活的众多领域 中。一般的半导体制冷技术是将制冷半导体的两端分别作为制冷端和制热端，制冷时，回路 通有电流，制冷端的接触面吸热，制热端的接触面发热。为了保证发出的热不被传导到制冷 端，必须使制冷端与制热端距离足够大。但是连接上述两端的是半导体，电阻率很高，距离 越长，能量消耗越大，同时温差大，冷热两端的接触电势就不同，该差异必须由电源提供能 量补足，因此目前的制冷半导体效率不可能达到很高。 而对于半导体发光技术而言，现有技术已经使发光效率达到了很高程度。在目前广泛使 用的LED 设计制造上只考虑了P-N 结的发光效率，没有考虑金属-半导体接触面制冷效率。 为了确保欧姆接触，在半导体为低掺杂时还需要在金属-半导体接触面之间加一重掺杂层， 在重掺杂下金属-半导体接触面的空间电荷层宽度很薄，以至载流子可以隧道穿越而不是越 过势垒，这样的结果是实现了在正反向偏压下基本上对称的纯（低）电阻性质的I-V 曲线， 同时失去了吸热效果，使得 P-N 结的发光能量主要由电源提供，这样最大效率也只能做到 100%。 随着人们对于节约能源、保护环境意识的不断增加，对于制冷技术的要求也越来越高， 如何提高半导体制冷效率是人们关注的问题。传统热泵以介质的冷热温度能量为传递的因果 关系，因此必须将冷源和热源绝热隔离，隔离的效果直接影响热泵效率。热泵之所以有用， 就是人们需要一定的温度差，但温度差越大（吸热端温度低于放热端时），热泵效率越低， 这就使得热泵的效率受到限制。因此，如果能够解决隔离的效果，将会直接提高半导体制冷 的效率。更进一步，如果能够使制冷端和制热端互相没有影响，就不必考虑隔离的问题，而 从根本上解决了提高半导体制冷效率的关键。 热泵式吸热发光双效半导体（以下简称双效半导体）就是能够提供一种使半导体制冷端 和制热端基本互不影响的能够实现高效率制冷和发光的技术。 对现有的制冷半导体进行改进，取消一般制冷半导体发热端的金属导体，改为P 型半导 体与N 型半导体直接接触，形成P-N 结，其半导体材料及P-N 结结构与LED 完全相同，使 制热端过电流时大部分能量消耗在发光而不再发热或极少发热，其制冷端就可以极大缩短与 P-N 结（原制热端）的距离，连接上述两端的半导体长度可以大大减小，能量消耗大量降低。 光能代替热能可以瞬间远距离以辐射方式传输出去。 2 关键技术解决方案 -1- 现有制冷半导体的制冷端只有不超过0.5 伏的势垒高度，需要很多元件串联才能达到需 要的制冷量。现有发光二极管有 1-3 伏的势垒（电压降）。因此必须提高制冷端的势垒达到 与发光二极管相匹配的数值。 1）半导体P-N 结可以达到1-3 伏的电势场，但必然产生整流效应，不能实现反向电流。 2 ）金属- （低掺杂）半导体结与半导体P-N 结有着同样效果。将产生肖特基整流效应。 3 ）金属- （重掺杂）半导体接触不会产生整流效应，达到欧姆接触，但不会（或很少） 产生电势场。 4 ）金属- （异质）金属接触由于不同功函数的原因可以产生能实现反向电流的电势场（电 [1] 场建立在金属外表），并能够达到 1-3 伏的电势场要求 。 根据上述条件，找到合适的金属材料就可以实现热泵式吸热发光双效半导体。具体结构 见图1。