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1、http:/ 热泵式吸热发光双效半导体研究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: 摘摘 要要: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。 关键词关键词：双效半导体；接触电阻；功函数。 1 基本设计思路：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
2、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（
3、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
4、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
5、方案关键技术解决方案 -1- http:/ 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
6、场建立在金属外表） ，并能够达到 1-3 伏的电势场要求1。 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。 引线金属铜 电势场金属电极铂 重掺杂 P 型磷化镓（GaP）低掺杂 P 型磷化镓（GaP） P-N 结 低掺杂 N 型磷化镓（GaP）重掺杂 N 型磷化镓（GaP）电势场金属电极钡 引线金属铜 电流 图 1 热泵式吸热发光双效半导体基本结构 其中选材和结构上要求是： 1） 引线金属可选用常规导电材料铜，银，铝等 2） 高功函数的金属电极材料选用铂（功函数 5.35）,铱（5.3）,镍（4.85）等2。注意：P 型半导体端选用的金属功函数必须大
7、于该半导体价带对应得功函数值。 3） 半导体材料选用常见的 LED 材料磷化镓（GaP） ，磷化砷镓（GaAsP） ，氮化铟-2- http:/ 镓（InGaN）或磷化铟镓铝（InGaAlP）等。在发光单效率可以达到很高的前提下 P-N 结电势场越小越容易找到功函数匹配的金属。 4）为了在金属-半导体接触面不产生整流效应，必须采用重掺杂的半导体，达到欧姆接触。 5）低功函数的金属电极材料选用钡（功函数 2.5）,锶（2.5）,钙（2.8）等2，也可以选用导电的碱土金属氧化物。注意：N 型半导体端选用的金属功函数必须小于该半导体价带对应得功函数值。最低功函数的金属铯（功函数 1.9）也可以做电极
8、，但熔点太低，仅适用于低温情况。 6）引线金属和特定功函数的金属电极可以做的很薄，但不能出现引线金属与半导体直接接触的现象。 可以看出， 双效半导体与 LED 的区别就是在金属-P 和 N 型半导体之间各增加了一层特定金属膜。 3 制冷发光双功能实现的原理分析制冷发光双功能实现的原理分析 任何不同金属或金属与半导体之间的接触都将产生电子扩散， 总是从低功函数材料向高功函数材料扩散。在环境温度下达到平衡时就会产生接触电势，低功函数金属为正电位，高功函数金属为负电位3。如果有电流通过，电子从正电位流向负电位时该接触面发热，电子从负电位流向正电位时该接触面吸热。 图一中当外加电压，有电子从负极向正极
9、流动时： 1） 负端引线金属铜-低功函数金属电极钡接触面(图二中的 a-b)上电子是从负电位流向正电位，该接触面吸热； 2） 金属电极钡-重掺杂 N 型磷化镓（GaP）接触面(b-c)没有电势差是欧姆接触，因为电阻很小，只有很小的发热； 3） 重掺杂 N 型磷化镓（GaP）-低掺杂 N 型磷化镓（GaP）接触面(c-d)也存在着浓度电子扩散，产生的电势差较低，电子电流是从正电位流向负电位，该接触面发热，发热量较小； 4） P-N 结(d-e)处电子与空穴结合发出光（属于耗能与发热相当） ； 5） 低掺杂 P 型磷化镓（GaP）-重掺杂 P 型磷化镓（GaP）接触面(e-f)存在空穴的浓度扩散，
10、产生的电势差也较低，空穴电流是从负电位流向正电位，该接触面发热，发热量较小（由于是空穴移动可以等效于电子反向移动，在图二中为了表示电位，采用了等效电子电流的方式） ； 6） 重掺杂 P 型磷化镓（GaP）-金属电极铂接触面(f-g)也没有电势差是欧姆接触，因为电阻很小，只有很小的发热； 7） 高功函数金属电极铂-正端引线金属铜接触面(g-h)上也是电子是从负电位流向正电位，该接触面吸热； 图 2 是双效半导体各材料及接触面的电势示意图 -3- http:/ a b c d e f g h a-引线金属铜 b-金属电极钡 c-重掺杂 N 型磷化镓（GaP） d-低掺杂 N 型磷化镓（GaP） d
11、e-P-N 结 h-引线金属铜 g-金属电极铂 f-重掺杂 P 型磷化镓（GaP） e-低掺杂 P 型磷化镓（GaP） de-P-N 结 0V 图 2 双效半导体各材料及接触面的电势示意图 图 2 是一个理想的电位图， 输入两端的电压差基本为零， 发光能量全部由吸热能量提供。事实上不会如此，当电流通过时，吸热端总会有温降，发光端总会有温升，必然会产生阻碍电流的压降，使输入两端的电压差增大，回路电阻也将使该电压差增大。重掺杂半导体与匹配金属的穿越电流也有一定的限制。这些都可能导致双效半导体的效率下降。 由于在双效半导体的两面都有双层金属，光能如何尽可能多地辐射出去将是一个问题。采用侧面发光只能做
12、成小型元件。 采用单面发光需要牺牲发光端面的制冷电极改为透明电极使效率下降一半，除非人们找到既能透明又能制冷的电极材料。采用超薄（约 10 埃厚）金属铂加网格电极可以达到透明目的， 但制冷效果需要试验数据。 也可以把两端电极做到一面，P-N 结裸露，但制作工艺很复杂，不利于大规模生产。 4 两端电极电位的讨论两端电极电位的讨论 半导体 P-N 结的势垒高度由半导体禁带宽度决定，异质金属接触势垒高度由金属的逸出功函数差和自由电子数量差决定。 这两者之间没有相关制约因素。 因此图 2 中输入两端电位开路时可能会有三种情况： 1) a 端电压高于 b 端。这是一般二极管的情况：金属接触势垒低于半导体
13、 P-N 结的势垒高度， 金属与半导体接触通过半导体重掺杂实现穿越电流达到欧姆接触无势垒的目的。 显然要能够使正向电流通过就必须外加正向电压。如果两端电压差接近半导体 P-N 结的势垒高度，可以认为基本没有金属间接触势垒产生，也就不会有制冷现象发生。 2）a 端电压等于 b 端。选择合适的金属是可以达到该条件的，前面已有阐述。这种现象除了可以实现吸热发光双效半导体功能外还可以制成正向无压降的功率二极管。 元件中的-4- http:/ 吸热和发热端尽可能接近，保持最小温差，使温差产生的压降尽可能低。这样可以达到正向大电流微损耗，耐高反压的目的。特别适用于大电流低电压的整流逆变单元。 3）a 端电
14、压低于 b 端。如果存在这种现象，当短路两端时将有无源的正向环流，显然违反了热力学第二定律。但选择的金属接触势垒远高于半导体 P-N 结的势垒高度，其差值会体现在何处呢？目前为止还没有查到任何有关的试验报道和分析。 这里仅做一些猜测性分析。 我们可以从隧道二极管原理得到一些启发： 在重掺杂情况下，杂质浓度大，半导体 P-N 结势垒区很薄，由于量子力学的隧道效应，隧道二极管的正向电流含有很大部分是隧道电流4。这种电子的穿越是没有能量变化的，金属接触势垒将穿越重掺杂区加到了低掺杂区，a 端电压等于 b 端电压。同时还可能存在另一种称为间接穿越的电流5，这是因为半导体 P-N 结势垒区很薄，电场强度
15、非常大，超过了半导体材料耐压值被激发出电子-空穴对，电子流向正电势端，空穴流向负电势端。这种电流是有能量变化的，是热作用产生的电流。无论该电流多么微弱，也属于热能转换为电能的现象。这时的 a 端电压就会低于 b 端。 如果该元件具有发电（热能转换为电能）的可能。这将为我们提供了新的理论和应用领域。但由于间接穿越的电流太小，目前阶段不可能存在实用价值。 如果金属接触势垒将穿越重掺杂区加到了低掺杂区。这将类似与半导体 P-N 结，正向电流引起发热。 上述讨论都是以功函数差值和禁带宽度作为接触势垒高度的， 实际上接触势垒高度不仅与功函数差值和禁带宽度有关还与温度和载流子浓度有关。以单晶硅为例：禁带宽
16、度为1.12eV，掺杂浓度为 1017cm-3，环温下的 P-N 结势垒高度为 0.7V6，浓度越高势垒高度越接近禁带宽度。 作者尚未查到金属之间的接触势垒值的完整资料， 考虑到金属自由电子的浓度较高，因而只能用功函数差值和禁带宽度做分析，与实际的材料选择上会有一定的差异。 5 结束语结束语 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
