热泵式吸热发光双效半导体制造技术

一种热泵式吸热发光双效半导体，属半导体器件技术领域，用于提高半导体的吸热发光效率问题。其技术方案是：采用高发光效率的Ｎ型半导体和Ｐ型半导体，它们的一端相互直接接触，形成Ｐ－Ｎ结，另一端分别通过半导体－金属接触面与两个金属导体相连接，这两个金属导体分别作为与电源正、负极相接的引出线；所述金属－半导体接触面的厚度和材料选择应使制冷端接触电势达到发光端电势的３０－１００％。本发明专利技术制冷、发光同时利用，环温热能利用效率大大提高；制冷效率高于现有半导体制冷元件，可以达到８０－２００％，发光效率高于现有ＬＥＤ，可以达到１００－２８０％；制冷速费快，体积小，无需散热附件，适于小型设备使用；节约能源，对环境无污染。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用电能发光并制冷的半导体器件，属半导体器件

技术介绍
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，但由于P-N结发光侧的引出线是细金属线，将导致该引出线失去制冷效果。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。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种使半导体制冷端和制热端互不影响的、能够实现高效率制冷和发光的热泵式吸热发光双效半导体。解决上述问题的技术方案是一种热泵式吸热发光双效半导体，其结构是采用高发光效率的N型半导体和P型半导体，它们的一端相互直接接触，形成P-N结，另一端分别通过半导体-金属接触面与两个金属导体相连接，这两个金属导体分别作为与电源正、负极相接的引出线；所述金属-半导体接触面的厚度应使制冷端接触电势达到发光端电势的30-100％。上述热泵式吸热发光双效半导体，所述金属-半导体接触面的厚度为1-1000微米。上述热泵式吸热发光双效半导体，所述半导体-金属接触面采用多层不同能级的导电材料顺序叠加构成，或者采用电子或空穴浓度梯度半导体功能材料制成，对于前者，P型半导体选用功函数较大的金属与其接触，所述金属为铂，镍，金；N型半导体选用功函数较小的金属与其接触，所述金属为钇，钡，锶，采用低势垒接触；并在该金属层外再镀一层引线金属。上述热泵式吸热发光双效半导体，所述电子或空穴浓度梯度半导体功能材料为磷化镓(GaP)，磷化砷镓(GaAsP)，氮化镓(GaN)，氮化铟镓(InGaN)或磷化铟镓铝(InGaAlP)半导体材料中的一种。上述热泵式吸热发光双效半导体，P-N结发光侧的引出线采用串联的N型和P型半导体平滑过渡或多层电子或空穴浓度梯度半导体功能材料制造，其输出端接金属引线。本专利技术取消了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，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。同时，采用多层不同能级的导电材料或电子空穴浓度梯度半导体功能材料以增加金属-半导体接触面的厚度，一方面可以提高制冷端的有效体积，提高制冷量，也减少了接触面与外部的温差，保证温度效应产生足够的接触电势，与P-N结发光端接触电势相匹配。另一方面，可以使接触电势沿电流方向更均匀，减少电势突变，达到减低阻耗，确保欧姆接触的目的。在实际应用中，这种热泵式吸热发光双效半导体具有如下优点1.全部元件为固体，运行稳定、维护量少、寿命长，可以制冷、发光同时利用。2.环温热能利用效率大大提高。单功能(制冷或发光)利用，其输出入功率之比都将大于现有元件的效率；双功能时效率将更高。3.制冷效率高于现有半导体制冷元件，略低于或相当于现有流行的制冷系统，可以达到80-200％，发光效率高于现有LED，可以达到100-280％。4.制冷速度快，体积小，无需散热附件，适于小型设备使用。5.节约能源，对环境无污染。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是制冷端采用多层不同能级导电材料叠加时的结构示意图；图3是制冷端采用梯度材料时的结构示意图；图4是PN结和梯度材料依次间隔串联时的结构示意图；图5是现有技术结构示意图；图6是半导体平滑过渡梯度功能材料串联时的结构示意图。图中标记如下N型半导体1、P型半导体2、多层不同能级的导电材料3、电子或空穴浓度梯度半导体功能材料4、金属导体5、电源6。具体实施例方式本专利技术利用了半导体制冷技术和半导体发光技术，将这两种技术进行了新的结合，这种结合不仅充分利用了半导体原有的功能特性，还极大提高了环温热能利用效率，单功能(制冷或发光)利用，其输出入功率之比都将大于现有元件的效率，双功能时效率将更高。从图中可以看到，本专利技术取消了半导体发热端连接的金属导体，由P型半导体与N型半导体直接接触，形成P-N结。同时选择合适的P型和N型半导体材料，提高接触电势，使P-N结在通过电流时大部分能量消耗在发光而不是发热，而光能可以通过透明材料及反射材料导出或放散。由于制热端的P-N结不再发热或极少发热，制冷端就可以极大缩短与P-N结的距离。从原理上讲，连接上述两端的半导体长度可以降为零，能量消耗大量降低。现有制冷半导体要求较低的热导率，要求选材的热电优值参数最大化，但导电性与导热性的矛盾使热电优值参数很难得到高值。现有材料的热电优值参数都小于1。只有大于1，才有可能在用于空调时，达到一般空调的效率。本专利技术反而允许较高的热导率，甚至P-N结的少量发热还可以作为制冷端的热能量输入(单发光用途时)。该类材料容易获得，能够达到高发光效率的肖特基N型半导体-金属结也可以实现双效半导体功效。图1～4给出了不同组合形式的PN结结构图，从图中可以看到，为了实现制冷端的吸热效果，必须增加金属-半导体接触面的厚度，本专利技术采用多层不同能级的导电材料顺序叠加构成，或者选用电子或空穴浓度梯度半导体功能材料替代金属-半体接触面效果更好。这样一方面可以提高制冷端的有效体积，提高制冷容量，也减少接触面与外部的温差，保证温度效应产生足够的接触电势，与P-N结发光端接触电势相匹配；另一方面可以使接触电势沿电流方向更均匀，减少电势突变，达到减低阻耗，确保欧姆接触的目的。但是这种厚度也不能无限延长，否则也会增加电阻损耗。一般原则是电阻压降不大于接触电势的十分之一左右；制冷接触面内部温度与发光接触面温度差不高于30℃，温差大必然造成制冷端和发光端的接触电势差异的增大，该差值将由电源补偿，必然降低整体效率，一般控制在10℃以内为好。半导体-金属接触本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热泵式吸热发光双效半导体，其特征在于：采用Ｎ型半导体和Ｐ型半导体，它们的一端相互直接接触，形成Ｐ－Ｎ结，另一端分别通过半导体－金属接触面与两个金属导体相连接，这两个金属导体分别作为与电源正、负极相接的引出线；所述金属－半导体接触 面的厚度应使制冷端接触电势达到发光端电势的３０－１００％。

【技术特征摘要】
1.一种热泵式吸热发光双效半导体，其特征在于采用N型半导体和P型半导体，它们的一端相互直接接触，形成P-N结，另一端分别通过半导体-金属接触面与两个金属导体相连接，这两个金属导体分别作为与电源正、负极相接的引出线；所述金属-半导体接触面的厚度应使制冷端接触电势达到发光端电势的30-100％。2.根据权利要求1所述的热泵式吸热发光双效半导体，其特征在于所述金属-半导体接触面的厚度为1-1000微米。3.根据权利要求2所述的热泵式吸热发光双效半导体，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦熠，秦友刚，
申请(专利权)人：秦熠，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]