制冷半导体与发光半导体的完美结合

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qinyougang

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发表于 2006-4-30 11:12:03 |只看该作者 |倒序浏览

制冷半导体与发光半导体的完美结合：

热泵式吸热发光双效半导体

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。

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。

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接近100%的超高水平，但在目前广泛使用的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。

制冷半导体与发光半导体结合就是提供了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技术----热泵式吸热发光双效半导体。

解决上述技术问题的技术方案是：

在通用的制冷半导体原理基础上进行了改进，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。

该技术明显有以下优点：

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。

具体实施方式

本发明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。

本发明的单制冷功能可广泛用于中小型冰箱，空调等各种需要冷源的场合。单发光功能可广泛用于家庭，街道，广场，汽车等各种照明场合。双功能共用时可以同时满足家庭制冷照明功效，但需要一些导光设施。

该技术正在申请国家发明专利，欢迎企业和个人投资合作开发。

qinyougang@163.com

20060430