换能器和热电转换电阻器的制作方法

换能器和热电转换电阻器
1.描述和设计：
2.构成本设备的结构的设计和材料是完全相同的，无论是其用作热电式换能器还是热电子调节器，两种功能之间的唯一差异是其部件之一的厚度；因此，我们将描述其在一种使用模式下和另一种使用模式下的操作。
3.我们从换能器作为热电发电机元件的功能开始。
4.换能器是能够接收一些电、机械、声学性质等能量的输入、并提供另一种不同性质(其特性取决于所接收的能量)的能量的输出的设备。
5.术语“热电”是指热能和电能之间的关系，使它们相互依赖，其可以互换地指任何使两种形式的能量相互作用的“物理效应”(例如，塞贝克、珀尔帖、汤姆森、焦耳、爱迪生等)。
6.另一术语，转换电阻器及其收缩晶体管，是指具有三个建议在电路中电子控制电阻的变化的基本功能的设备：
7.断开(cut)，它相当于一个高到阻止电流流过电路的电阻；而饱和(saturation)，是一个低到允许电流自由流过电路的电阻；以及，活性(active)，使晶体管专门作为放大器执行。
8.然后，我们必须考虑热能作为该换能器的(输入)能量，其来源是来自外源的热量。
9.热量以三种不同的方式从一个地方传递到另外一个地方：
[0010]-通过固体之间的传导
[0011]-通过流体(液体或气体)中的对流，以及
[0012]-通过可以传播辐射的介质进行辐射。
[0013]
本设备是固态设备，因此无论它是否与热源直接接触，或者热量是否通过热源的辐射接收，热量在整个结构中传播的方式都是通过“传导”；我们还必须考虑到，本设备由几个不同的元件组成，并且每个元件都有自己的“热特性”，主要特性如下：
[0014]-导热系数(λ)。
[0015]-密度(ρ)。
[0016]-容积比热(ρcp)。
[0017]-热扩散率(a)，以及
[0018]-热渗透性(b)。
[0019]
但是，对于本工作，根据稍后将解释的选择，我们将只考虑可以构成所提出的设备的金属的“导热系数(1)”，包括它们各自的导热系数(λ＝w/km)(瓦特/开尔文x米)如下：
[0020]
表1
[0021]
镍(ni)90.7w/k.m铬(cr)93.7w/k.m铁(fe)80.2w/k.m钛(ti)21.9"钨(w)174"钴(co)100"铑(rh)150"铱(ir)147"铂(pt)71.6"钌(ru)150"锰(mn)7.82"铼(re)47.9"钼(mo)139"锆(zr)22.7"铪(hf)23"
钪(sc)15.8"钇(y)17.2"钽(ta)57.5"铜(cu)400"银(ag)429"金(au)317"
[0022]
传导和对流总是发生在物质内部，当物质已经从热源接收到热量时，而辐射有一些特性，这些特性可以通过其自身的定义来解释。
[0023]
热或发热的辐射是：温度高于绝对零度(0
°
k＝-273.15℃)的任何物理系统的热能向外发射和传播，并转化为电磁波。
[0024]
但这只是辐射的一种形式；共同的因素是，所有形式的辐射都以电磁波的形式(例如热、紫外线、无线电波和电视波等)传播能量，或以亚原子粒子的形式传播能量，亚原子粒子又可具有质量，如中子、质子、电子或离子等，或者它们可以是称为光子的无质量能量粒子(具有相对质量)；所有这些形式的能量都以某种方式与物质相互作用。
[0025]
必须从两个角度考虑“物质辐射”的相互作用：
[0026]-辐射的吸收；物质(例如，任何类型的换能器)从外源接收的辐射，以及
[0027]-辐射的发射；物质(由同一换能器)在被激发后发出的辐射。
[0028]
一般来说，构成商业设备的所有换能器，通过某种类型的辐射或通过与外源的直接接触，将它们从外源接收的热能通过辐射(通常是来自亚原子粒子的辐射)转化为电能，将物质电子带到更高的能级，而离物质的原子核最远的电子发生电子转移到更高的能级所需的能量被定义为构成物质的材料的“功函数”。
[0029]
固态物理学将“功函数”或“提取功”定义为将电子从固体刚好启动到固体表面外部的一点(或将电子从“费米能级”(量子系统在0
°
k温度下占据的最高能级)移动到真空所需的能量)所需的最小能量(通常以电子伏特来测量)。在这里，术语“刚好外部”意味着电子的最终位置在原子级别上远离该表面，但在宏观级别上仍然接近该固体。
[0030]
最常见的这类商业设备是：光电设备和/或光伏设备，以及热离子设备。
[0031]
在第一种情况下，物质(设备)的电子通过来自外源(可见光或紫外光)的“光子”(亚原子粒子的辐射)接收激发能量，这些光子入射到物质结构上(辐射的吸收)使带电荷的电子从物质表面以大于零的动能释放(亚原子粒子的辐射发射)。
[0032]
该过程仅在固体物质(设备)从光子接收到足够能量的情况下发生，这仅取决于电子不会被释放(光电子)的最小频率(辐射阈值)，这个过程叫做光电功。
[0033]
光电功所需的能级对每种材料都是特定的，在固态物理学中称为光电功函数。
[0034]
在第二种情况下，电子从热量中获得能量，而不是通过光子获得能量，固体材料(设备)增加其温度(电磁辐射的吸收)到一定程度，使其与表面电子分离(亚原子粒子的辐射发射)，具有足够动能以离开固体物质(设备的阴极)，穿过为此目的而故意制造的真空以到达另一个极性相反的地点(设备的阳极)。
[0035]
在此过程中，电磁辐射光谱的大量不同频率和波长成分被一起接收，但这并不代表电子(热电子)发射的任何不便，因为它仅取决于系统的绝对温度(相对于0
°
k的平均温度)，基于此，它被称为热离子功。
[0036]
至于光电功，每种材料都需要特定量的能量来进行热离子功，在这种情况下，固态物理学将其定义为热离子功函数。
[0037]
(术语光电子和热电子总是指相同的电子，仅作区分用)。
[0038]
对于相同的材料，光电功(如果是光发射器)总是小于热离子功。
[0039]
以非常浅显的方式解释如下：
[0040]
在光电功中，激发能量是从没有质量的(具有相对质量)光子的高能粒子流中接收的，粒子流对材料具有一定的波长和特定的频率，低于该波长和频率时不会发射电子。由于光子没有质量，所以粒子之间没有碰撞，这样物质的电子就可以毫无损失地接收光子携带的所有能量，这也提供了足够的动能将它们从固体中分离出来。
[0041]
另一方面，对于热离子功，激发能量来自外部热源，具有非常不同的长度和频率的电磁波，其逐渐提高物质的温度(转化为热能)，一部分能量被辐射损失，另一部分能量被物质的原子用于增加其动能；质量粒子之间的碰撞吸收另一小部分能量，直到电子积累足够的动能与固体分离；这意味着对于相同的材料，关于拉扯电子所需的总能量，热离子功比光电功更大。
[0042]
在本技术中提出的热电设备的输出能量也是亚原子粒子(特别是电子)的辐射，这将产生前面提到的电流。
[0043]
对于本文的内容，阳极的极性是根据电流的方向确定的，并考虑了这种现象的普遍定义。
[0044]
因此：
[0045]
如果设备消耗电，则阳极为正极。
[0046]
另一方面，如果设备提供能量，则阳极是负极。
[0047]
已提出光电-光伏效应和热离子，因为在这两种情况下，辐射都转化为电力，并且很明显的是尽管最终产物是相同的(特别是从固体中提取电子)，但光电功和热离子功即使涉及同一材料也具有不同的大小，因为每一个都需要不同量的能量。
[0048]
本文中介绍的设备通过利用其部件的功函数的大小之间的差异来工作，与光伏换能器和热离子换能器完全相同；然而，尽管它从热能量源(如热离子设备)馈电，但它像光伏设备那样处理这些能量；也就是说，从阴极释放的电子在到达阳极之前不必像热离子那样穿过一个空的空间，而是像在光伏中一样，这些(电子)立即传递到阳极。由于电子没有被赋予额外的能量(动能)，所以使用的总能量较少，也就是说，热量较少，因此它可以开始工作的温度低于热离子换能器所需的温度。
[0049]
热离子设备的换能器和本设备的换能器之间能量处理的差异基本上在于，在前者中，阴极和阳极物理分离并有意极化，以便通过将设备置于磁场的影响下或使用任何其他机械的传导手段，无论是否在真空中，电子可以自行移动；而在第二种情况下，也就是说，在本设备中，阴极和阳极与“结点(junction)”物理接触，在该结点中，这两个部件之间产生了离子相互作用，这被具体称为“非欧姆”结点，其辨别效应可以在本说明书的详述中看到。
[0050]
除了上述效应外，有必要对其他热电现象做非常简短的回顾，尽管这些现象与辐射现象没有直接关系，但都是本设备为了提高其性能的设计的一部分。
[0051]
这些现象是广为人知的塞贝克、珀尔帖和汤姆森效应，在这种情况下，对于将热电设备的阳极及阴极(芯体)与它们的连接端子连接的“放电电极或漏极”，考虑了这些效应。
[0052]
所述效应与换能器之间的关系：
[0053]
光电-光伏设备：
[0054]
如前所述，光电效应(图1)是由来自可见或不可见光源(3)的光子(2)的作用引起的从固体(1)提取电子(4)，但这种效应本身不会产生可使用的电流。
[0055]
通过光子(2)的相同的作用获得电流(图2)，但当固体(1)由与另一“p”型半导体(5)接触的“n”型半导体材料(4)组成时，形成所谓的“联合体np”。
[0056]
就在这条接触的线上，产生所谓的“耗尽区或势垒”(6)，将设备分成两个具有相反电荷的部分；当从外源(3)吸收能量的电子(而不是以带电粒子的形式从物质中排出)从物质的负电荷“n”(4)浓度最高的区域循环到正电荷或空穴“p”(5)的浓度最高的区域时，使用电荷“r”(7)闭合电路，电荷“r”(7)可以是电流计。
[0057]
这种耗尽区或势垒在以下情况下形成：
[0058]
在两个半导体“n”和“p”的结点的接触线上，更靠近结点带的材料“n”的电子被更靠近联合体的区域“p”中的正电荷或空穴吸引。
[0059]
通过这种方式，材料“p”接收即将成为阴离子或负离子的电子；但同时，它们在即将相对的材料“n”中留下空位或空穴，即组中的阳离子或正离子。这就是为什么在(图2)中，“n”区(4)中的负号(-)最丰富，而“p”区(5)中的正号(+)最丰富(这些是各自区域中的主要载流子)。因此，在耗尽区(6)中，将有阳离子(+c.i)和阴离子(-a.i.)在一侧产生正电势，在另一侧产生负电势，因此在“n”和“p”之间将形成电势差(p.d.)或电张力(但与大多数载流子的电荷的极性相反)。
[0060]“n-p”结点中的半导体的这种配置在电子学中技术上称为标准的“二极管”。
[0061]
热离子设备：
[0062]
这种性质的设备的工作原理是完全相同的，无论电子是如何发射的：通过来自外源的热辐射、通过直接热传导或通过焦耳效应。但是描述热离子换能器的工作的最简单的代表是众所周知的真空阀，称为热离子阀或热离子二极管(图3)(也可以在其更专业的版本“三极管阀”中看到)。
[0063]
由约翰
·
安布罗斯
·
弗莱明(john ambrose fleming)在1904年左右发明，它基于当时所称的“爱迪生效应”，现在被称作“热离子效应”。其中，有来自白炽灯丝“阴极c”(1)的电子的位移，由电流使其温度(2)升高而进行。从阴极释放的电子(3)被另一个具有带正电荷的“阳极a”(4)的相对膜吸引，并穿过将“阴极c”(1)和“阳极a”(4)分隔开的“空的”空间，这允许用于此目的的合适仪器(“g”电流计)(5)记录由电子(3)的热辐射产生的通过电流。
[0064]
阴极可以被直接加热“直接迦勒底(direct chaldean)”(同一热灯丝是发射器)(1)，或使用单独的白炽灯丝(6)加热发射电子的阴极(间接加热)。在任何一种情况下，如果阴极被某种氧化物覆盖，其功函数或提取电子的功函数都会显著降低(有时达到几乎一半)，例如，未覆盖的被直接加热钨丝的功函数在φ＝4.54至5.22ev之间，但被氧化钍覆盖时其功函数会降低到φ＝2.5ev；这意味着它需要较少的激发能量来起作用。
[0065]
在这些换能器中，无论它们是直接加热还是间接加热，或者阴极由纯金属制成或被一些氧化物覆盖，它总是从这个“阴极”(1)释放电子(3)，而阳极(4)将始终是电子(3)穿过将“阴极”(1)和阳极(4)隔开的空隙到达的地点；在三极管阀中也会发生同样的情况，不同之处在于，在阴极和阳极之间并入了第三调节元件，即控制条(7)，并在其上施加小电压(8)，该小电压(8)随必须调制的信号(9)而变化，且电子从阴极到阳极的流动可以被完全中断，和/或根据需要使其更高或更低。
[0066]
但事实是，当阴极涂上氧化物时，它不再是“单一材料”，而变成由两种固体组成的阴极，无论它们是否是相同的类型(gender)，这两种材料的两种不同功函数之间的相互作
用将不可避免。
[0067]
虽然功函数既不是负的也不是正的，但会有一个更大的量值(这会施加更多的阻力来释放其电子)和另一个更小的量值(这会允许其电子在另一材料之前释放)；这些是带正电的阳极将吸引设备另一端的电子，而不管它已经释放了两种材料中的哪一种。
[0068]
在这些设备的操作中，发生了一个与能量的转换相反的过程；一开始，离开阴极的电子在到达阳极的过程中没有遇到任何物理阻力，因为它的元素处于有意创建的“真空”中，但随着电子流到达阳极，电子逐渐在阳极周围聚集，形成“电子云”(10)，“电子云”具有与到达的这些电子相同的负电荷，它们的电荷相互排斥，并逐渐将电流降低到比开始时低得多的水平。
[0069]
为了避免或减少这种不便，已经尝试了很长时间，在热离子发电机中加入了一系列机制，尽管它们具有一定水平的技术复杂性，但它们保证在很短的时间内是可行的，但正如它们自己的设计者所报告的那样，它们仍处于完善阶段。
[0070]
例如：
[0071]
‑“
从热能和太阳能获得电力的热离子发电机”(“thermionic generator to obtain electricity from heat and solar energy”)，德国斯图加特的马克斯普朗克固态研究所开发的。
[0072]
‑“
光子增强热离子能量转换器”(“photon-enhanced thermionic energy converter”)，来自斯坦福大学和麻省理工学院。
[0073]
‑“
期限离子增强的近场热光伏设备”(“thermo-photovoltaic device of near field enhanced with term ions”)，由马德里理工大学(polytechnic university of madrid，upm)的太阳能研究所与里昂能源和热科学中心等合作开发。
[0074]
通常为了强调阀或热离子设备操作中的有趣方面，可以方便地加个括号。
[0075]
当电子从阴极分离，甚至经过很小的空间到达阳极时，它们会“无方向”地四处消散，如图1所示的光电效应中的电子一样；为了避免这种情况并能够引导它们，通常的做法是用磁场引导它们，或者在大多数情况下，通过有意极化阴极和阳极，迫使电子覆盖将它们分开的路径，但为此，它们要使用与换能器本身无关的额外的电能。
[0076]
热电设备：
[0077]
塞贝克、珀尔帖和汤姆森效应。
[0078]
在这些设备中，我们只想强调(出于本技术的目的)：
[0079]-在塞贝克效应中，相对于可以随机形成普通热电偶的材料的绝对塞贝克系数“s
ab”。
[0080]-根据珀尔帖效应，珀尔帖或商用光伏电池的半导体“n”和“p”的热电对的结合，以及
[0081]-根据汤姆森效应，事实是只有通过其方程，才能确定我们所指的绝对塞贝克系数“s
ab”。
[0082]
与前面讨论的功函数的情况一样，当两种材料(通常是金属)接触时，将发生相互作用，该相互作用将在它们各自的绝对塞贝克系数之间。通常，人们使用“热电偶的塞贝克系数”作为一个，因为没有实验方法直接找到单个材料的绝对塞贝克系数。然而，使用被称为开尔文关系式的汤姆森方程，已可以发现参考材料的绝对塞贝克系数；然后用可找到绝
对塞贝克系数的每一种材料形成参考材料对，测量每对的塞贝克系数，并通过数学补偿运算获得不同元件的绝对系数。
[0083]
铂(pt)已被用作参考材料，某些材料的绝对塞贝克系数(单位：毫伏/开尔文度)的值如下表所示：
[0084]
表21：
[0085][0086][0087]1https://es.qwe.wiki/wiki/seebeck coefficient；https://doi.org/10.1002/pssb.2221810217
[0088]
对于这种设计，我们将使用构成换能器的“放电电极或漏极”的金属的绝对塞贝克系数。这些电极是与核的阴极和阳极直接接触的电极，核是热电转换开始的设备的元件。
[0089]
它们由不同的金属的片段组成，这些金属的片段是根据它们各自的绝对塞贝克系数之间的关系而精确选择的，电流正是通过它们流向换能器的端子。
[0090]
仅由于热的作用和它们各自的塞贝克系数的绝对值，两种金属中的一种相比于另一种金属将或多或少地为正或者或多或少地为负，这取决于情况；即使两种互连金属的绝对塞贝克系数具有相同的符号，或者具有相反的符号但大小相等，情况也是如此。
[0091]
芯体的热量通过构成放电端子或漏极端子的各种金属片段的传导来传递，并在其各个结点之间产生或导致不同的热梯度，因为金属片段具有前面段落中提到的不同水平的导热系数，并因为它们逐渐远离是设备的最热点的芯体，因此温度也会随着它们与芯体之间距离的增加而降低。
[0092]
在所提出的设计中，为了构造放电电极或引流电极，最负的金属片段与最正的金属片段互相夹在一起，并且以这种方式产生“级联电势差”，这增加了从芯体本身(最热点)到链的最后元件(即换能器端子(最小热点))创建的温度梯度，向电子引入更多的能量，使其以更大的流动性循环，防止它们在它们路径上的某个点堆积，并避免在热离子换能器的阳极上趋于形成不需要的电子云。
[0093]
通过一些简单的例子，我们将尝试说明该设备如何利用“级联”中的这种电势差。
[0094]
在图4中：两种金属，铝(1)，其具有绝对塞贝克系数“s
ab”＝-1.5mv/k，和镍(2)，其“s
ab”＝-20mv/k，通过导体(3)互连，导体(3)的塞贝克系数对系统来说是中性的，无论导体是什么(根据热电偶的第二定律)该定律表示为：“在由两种不同的金属组成的热电电路中，如果我们在任何点插入一般金属并将新接头保持在相同的温度下，则电动势不会发生变化”。尽管这两种材料具有负的塞贝克“s
ab”系数，但理论上很容易确定这对材料的极性；事
实上，在实践中，预期会发生的是：(1)这对材料中的正元素，(2)是负元素。
[0095]
然后我们得到这个塞贝克对的极性是(+al)
‑‑‑
(-ni)＝》(+1)
‑‑‑
(-2)。
[0096]
现在让我们看看第四种金属的连接是如何影响的，其连接到工作中的热电偶(热电对的第三定律)，该定律表示：“在结点温度分别为t1和t3的两种同质和不同的金属的热电电路中产生的电动势等于结点温度为t1和t2该电路的电动势加上结点温度为t2和t3的相同电路的电动势的代数和”。
[0097]
图5：如果我们假设同一对“al-ni”经受温度梯度，其中结点[+1(+3-)-2](受热)的温度t1(5)大于温度t2(6)，在温度t2(6)下，其极值“e1(8)和e2(9)”(室温)被发现，当然仍然是对(+1)和(-2)的极性。
[0098]
利用此配置，在e1(8)和e2(9)之间测量电势差和电流，我们得到：
[0099]
原始扭矩(+al)
‑‑‑
(-ni)＝》(+1)
‑‑‑
(-2)＝12.6mv；12.6μa＝》电阻是r＝1kω。
[0100]
现在，我们在热电对上连接第四金属镍铬“nicr”(4)，其s
ab
＝+20mv/k，首先在e1端(8)，我们再次进行强度和电压测量，然后对e2端(9)进行同样的测量，两者的连接将在相同的温度t2(6)(环境温度)下。
[0101]
但首先，我们将确定将要形成的各个对的极性，我们可以根据经验和/或根据表2所示来确定。
[0102]“nicr”与“al”组合来形成塞贝克热电对＝
[0103]
＝(+nicr)
‑‑‑
(-al)＝》(+4)
‑‑‑
(-1)；
[0104]“nicr”与“ni”组合来形成另一个塞贝克热电对
[0105]
＝(+nicr)
‑‑‑
(-ni)＝》(+4)
‑‑‑
(-2)。
[0106]
在两种组合中，当分别用两种金属形成塞贝克对时，“nicr”为正。
[0107]
这意味着“nicr”是：如果不具有相反的极性，当与它结合时，至少比“al”更为正(但我们从表中知道，它确实具有与“al”相反的极性)，＝》“nicr”s
ab
》》“al”s
ab
；而且
[0108]
与“ni”组合时，“nicr”的极性与“ni”相反，＝》“nicr”s
ab
》》“ni”s
ab
。
[0109]
但在原始的对“al-ni”中，“al”的负性比“ni”小，＝》“al”s
ab
》“ni”s
ab
。
[0110]
执行我们注册指明的：
[0111]
图6(+al)
‑‑‑
(-[-ni+nicr])＝》(+1)
‑‑‑
(-2
‑‑‑
+4)＝11.7mv；11.6μa.＝》r＝1.0086206kω。
[0112]
图7[+al++nicr]
‑‑‑
(-ni)＝》(+1
‑‑‑
++4)-(-2)＝14.8mv；14.7μa.＝》r＝1.0068027kω。
[0113]
注意：对于本实施例中的电动势，我们采用开路电压和电阻为1欧姆(1ω)的闭合电路电流。
[0114]
尽管t2(6)和t3(7)明显是相同的温度(室温)，这无疑会低于t1(5)的温度；由于热的传导(所述热通过设备(金属)的组成中使用的材料而传播)，t2(6)实际上会比t3(7)更热；因此，在这两个点(6和7)之间产生热梯度；因此，处于温度梯度[在t1(5)和t3(7)之间]的放电电极的热电对，根据其特定的“s
ab”系数而适当地放置，将产生额外的电动势，这将增加设备的最终功率，如在图5、图6和图7之间用先前组合进行的测量中可以看到的。
[0115]
最后，我们有珀尔帖电池，它基于塞贝克效应的相同原理，但却相反。电流的通道穿过由一端连接在一起的两种不同的金属，从而导致在联合体(union)中的温度升高，且自
由端的温度降低。
[0116]
目前，所有珀尔帖电池都不是使用金属，而是由具有特定设计的成对的半导体的联合体(union)构成，它们的元件的电极性被很好地定义为是在形成对之前它们所经历的掺杂确定的；常数是半导体的结点“n-p”，图8。
[0117]
值得注意的是，在这种情况下，半导体“n”(1)和“p”(2)如果没有通过良好的电导体(3)(通常是金属的)连接，则不会像光伏电池中发生的那样彼此直接接触，从而电流可以沿着一系列半导体对(4)自由流动。
[0118]
再次参考热电对的第二定律，可以理解，该电导体(3)无论是否是金属的，它都不介入该过程，其是系统的无源元件(passive element)，并且其仅用作电流导体；另一方面，因为其是半导体与另一种材料的联合体(union)(如前所述，另一种材料通常是金属导体)(金属-半导体联合体)，其相互作用我们将在后面更详细地看到；还需强调的是，尽管它是这种类型的结点(大量串联连接的半导体对)(4)的链(chain)，但在金属与半导体的接触点，由离子电荷相互作用产生的电张力相互补偿，因为在这种情况下，在金属(3)和半导体“p，-i阴离子”(5)之间产生的电张力会与在与半导体“n，+i阳离子”(6)物理接触的金属(3)的同一段的另一端产生的电张力相反，如圆圈中强调的那样；因此结点将是电中性的，在各对的链中的任何一点，半导体“n”和“p”之间不会有电势差(pd)或电压，只要其两个面(热的(7)和冷的(8))之间没有温差。
[0119]
到目前为止，我们已经介绍了一些换能器和支持其工作的热电效应，并且我们将它们与本技术中提出的热电设备联系起来。
[0120]
现在我们将涉及与

技术实现要素：
中提到的电子设备(二极管和晶体管)相关的特性。
[0121]
首先，我们涉及的是一种叫做“二极管”的电子设备，一般来说，它是一种允许电流沿单一方向流过的部件；特别是关于“肖特基二极管”或肖特基势垒二极管，图9。
[0122]
由金属(+1)
‑‑
半导体型“n”结点(-2)组成，而不是传统的两个半导体“n-p”的结点。
[0123]
用于肖特基二极管的构建的最常见的接触金属是“硅化物”；其是硅和其他正电元素的化合物(最多的正电元素是碱金属)；严格来说，这是由二极管的功能原因而决定的，通过这种方式实现了金属具有更大的倾向来排斥与其形成联合体的“n”掺杂半导体的电子，这将金属-半导体“n”结点中的“耗尽区或势垒”(3)减至最小，并且允许肖特基二极管的反应比普通二极管的反应更快。
[0124]
在图10中，显示了在常用二极管中使用的联合体，即半导体“p”(+1)
‑‑
半导体“n”(-2)，它是构成珀尔帖电池和光伏电池的半导体的相同组“p-n”，当然具有不同的设计，因为它们的性能也是不同的；在这种情况下，可以注意到势垒(3)非常宽，因为半导体“p”朝向半导体“n”的电子的电负性也非常高。
[0125]
肖特基势垒二极管的详细操作和使用与本工作无关；我们的具体兴趣只是强调组成它的材料之间的联合体的类型。
[0126]
其次，我们有传统的固态“晶体管”；像二极管一样，它是电子元件；但它主要用于如开关、信号放大器、振荡器或整流器等电路中；它在其一个端子处使用小的电输入信号的波动。图11。
[0127]
其由三个元件组成，每个元件都是常规地掺杂的半导体(根据它们的名称，它们可
以是“npn”或“pnp”)：产生载流子的发射极“e”(+或-l)，接收或收集载流子的集电极“c”(+或2)，第三个元件基极“b”(3)夹在前两个元件之间，并用小的电输入信号调节所述载流子的通路。
[0128]
其的行为类似于通-断开关(切断和饱和)：
[0129]
当基极电压为零或小于0.6vl(该差额可能因制造商而异)，晶体管无法激活集电极和发射极之间的电流通路，并充当打开开关(没有电流通过)，另一方面，当其达到0.6vl时，它开始允许电流通过(闭合电路)，并根据该电压的值调节电流。
[0130]
手，当电压达到0.6vl时，它开始允许电流通过(闭合电路)，并根据该电压值调节电流。
[0131]
其表现为(有源)放大器：
[0132]
当具有较小的基极电流时，其控制集电极的较大电流，而实现其放大。基极处的较小电流充当“阀”，调节从集电极到发射极的较大电流，但晶体管本身不向电路提供任何额外的功率。
[0133]
除了这些功能外(这是我们为本工作的目的强调的所感兴趣的功能)；它们也可以如前所述用于完成其他任务，为此，有不同类型的晶体管，其中每种晶体管都具有特定的特性；例如功率、高频，以放大低水平信号；甚至特殊的光敏晶体管(如光电晶体管)。
[0134]
直到最近，开头(发明内容中)作出的观点才完全正确，“激活电子设备(例如晶体管和二极管)的能量源通常是电的”。但在2017年，发表了由瑞典linkdping大学的研究人员发展的这项工作，其中他们提出了：“第一个热激活的晶体管”，图12，其输入信号是热信号，而不是像传统晶体管中一样是电信号。
[0135]
这种新型“晶体管”由用具有自由离子(2)的naoh(1)处理的聚环氧乙烷电解质和导电聚合物分子(3)组成。带正电的离子移动得很快，而带负电的聚合物由于其大得多的尺寸而移动得慢得多。当组件受到热源(4)时，离子“飞”到最远的冷侧(5)，留下聚合物；这种分离产生电势差(6)，该电势差激活晶体管；通过这种操作，它充当通-断开关，而不向电路提供额外的能量。
[0136]
热电设备的结构介绍：
[0137]
如发明内容中所述，它是一种从外部热源接收能量的热电设备，其利用该能量加热阴极，阴极继而通过辐射产生电子流，并最终产生电流。还提到了，热电设备的物理结构与肖特基势垒效应二极管的物理结构相似，不同之处在于它不是由这样的金属-半导体联合体构成的，而是由金属与碱性氧化物或金属氧化物的联合体形成的。
[0138]
金属氧化物，也称为碱性氧化物，是由金属阳离子(m+)和氧化物阴离子(o2-)氧自然形成的无机化合物，阴阳离子两者之间存在静电相互作用；其中(m+)是源自纯金属的任何阳离子。
[0139]
但金属氧化物的范围非常广泛，并且具有非常不同的特性；因此，作为我们感兴趣的金属-金属氧化物联合体的可能组分，放弃了可以中断电流的流动的金属氧化物(绝缘体)，并只考虑导电金属氧化物和电半导体，其优选为：
[0140]
氧化钛(tio2)、氧化镍(nio)、氧化钨(wo3)、氧化铬(cro2)、氧化铬iii(cr2o3)、氧化钒(vo2)、氧化钌(ruo2)、氧化铁iii(fe2o3)以及氧化铜i和ii(cu2o)、(cuo)。
[0141]
这些碱性氧化物除了含有建立金属-金属氧化物联合体所需的电荷(离子)外，它
们还共享某些特性，其中最适用于这种设计的是：它们的高离子迁移率，这允许它们作为固体电解质发挥良好；在某些条件下成为良好的电导体；并且还具有高熔点。
[0142]
在选择组成用金属时也会发生类似的情况；元素周期表中有相当数量的金属，因此我们将只考虑那些能够构成具有我们想要的特征(对这些特征将详细说明)的金属-金属氧化物联合体的金属。
[0143]
这些选自所谓的过渡金属；“iupac”(international union of pure and applied chemistry，国际纯粹与应用化学联合会)将过渡金属定义为“原子具有不完整的子层(d)的元素或可产生具有不完整子层(d)的阳离子的元素”。根据这个定义，过渡金属是周期表中“d”区的40种化学元素减去具有完整子层(d)(10个电子)的锌、镉和汞。
[0144]
但除了这种情况外，还有其他一些情况会稍微减少可选金属集：出于安全原因，它们本质上不应具有放射性或毒性；出于实际原因，它们不能是“合成的”金属，因为它们是不常见的，且仅用于科学研究目的。
[0145]
这给我们留下了总共二十一(21)种金属(表1)，这些金属可用于与上述的金属氧化物进行合理数量的组合，并根据你想要给它们的具体用途形成最方便的金属-金属氧化物联合体。
[0146]
发生这些金属氧化物和过渡金属的组之间的联合是因为前者具有正(+ic.阳离子)和负(-ia.阴离子)的带电粒子(离子)，如前所述具有高离子迁移率，而这些特定金属使用一种特殊的机制来维持它们的稳定性，称为“电子跃迁”，这包括完成在其最后一个价壳层中缺失的电子，从其他内层中提取这些电子，而这些内层又保持不完整，但它们可通过对其他内壳的电子进行同样的处理来补偿，等等。(每当一个电子移动时，它都会留下一个空穴，这个空穴可以被来自另一物质的电子所填充)。
[0147]
正是在这条物理接触线上，两种材料之间发生了离子交换，这通过在它们的端部的电势差(p.d.)的存在来验证，极性与设备被激活时设备的极性相反。离子(阳离子和阴离子)占据的该区域构成了耗尽区或内部势垒，正如常见二极管、常规的晶体管和肖特基二极管的联合体中所发生的那样，但在这种情况下，它是由没有任何掺杂的材料制成的，并且它也是“非欧姆结点”，这意味着，如果设备未工作，电流的通路在联合体的两个方向都受到限制，也就是说，电流的通路在任何方向上都没有电连续性。从这刻起，这两个元素成为了阴极和阳极，其构成了所提出的热电设备的“芯体(core)”。
[0148]
在这点上，重要的是要注意，设备处于“关闭”位置(未运行)；任何热电偶或珀尔帖电池的活性部件之间的结合；它们允许电流在两个方向上流动，也就是说，在它们的端部之间在两个方向上，它们都具有电连续性。但二极管阀或三极管不会发生同样的情况，即如果它们不工作，电流在任何意义上都不可能在它们的阴极和阳极之间流动，也就是说，在这些条件下，电连续性是不可能的。然而，对于二极管和晶体管来说，总有一种意义是电流可以在一定程度上自由流动，而另一种意义是电阻高到限制电流的流动。
[0149]
所提出的设备的芯体的电阻与沉积在金属上的金属氧化物衬底的厚度直接成正比，并且取决于氧化物和构成它的金属(根据组合)。对于芯体的相同给定组成(金属-金属氧化物)，如果电阻增加，芯体的两种材料之间的耗尽区或势垒也将成比例地增加；因此，根据设备的预期的用途，电阻可以高到足以中断电流流过芯体，直到其达到非常高的温度水平，或者电阻能够通过使设备敏感到能够在更温和的温度下激活、以方便的方式简单地调
整上述参数来最小化。
[0150]
无论该电阻的初始值是多少，一旦导致其变化的外部作用停止，它将恢复到相同的水平。
[0151]
普通的二极管、常规的晶体管(npn或pnp)和肖特基二极管(金属-半导体)，要克服它们的组件之间的结点的势垒或耗尽区，保持电路打开(低于起始电压或阈值电压)；它们利用由外部电流源提供的电位或电压在其极值之间的差值的增加；前者大约在0.6vol.下进行，而肖特基在0.2vol.下进行，这些值是它们各自的起始电压。
[0152]
在我们所提出的设备的情况下，无论芯体电阻的初始大小如何；通过直接接触或来自外部热源的热辐射来提高其结构的温度，电阻的初始大小将逐渐减小，就像它是一个热敏电阻，热敏电阻为：“一种电阻，其值随温度而变化，(负温度系数或ntc)，其电阻随温度升高而降低，(正温度系数或ptc)，随着温度的升高，其电阻增加”。
[0153]
当电阻达到通过选择芯体部件及其尺寸而预先确定的最小值时，内部势垒将被克服，电路闭合并允许电流开始流过该电路；如二极管或晶体管达到启动电压时所发生的；但在这种设备的情况下，电阻不仅会根据供给所述电路的外部来源的电压进行调整，根据欧姆定律这是不可避免的，还会根据环境温度进行调整。
[0154]
由于这也是一个“热电换能器”，温度的升高逐渐降低了芯体中的电阻，从而克服了势垒，同时，热电换能器的阴极将开始释放电子，并且也将逐渐增加其发射，从而同时产生两种效应，根据前述的欧姆定律，可以使用这两种效应使电流通过任何类型的两种材料之间的联合体(联合体中的电阻减小或其端部之间的电压增加)。
[0155]
另一方面，由于热量沿着设备的固体结构的传导，通过辐射产生能量损失，所述损失由构成“放电电极或漏极”的金属的接触点之间的塞贝克效应产生的电动势而部分地补偿，因此类似于图5、图6和图7的示例中详述的，因为它们具有不同的热梯度“表1”、不同的绝对塞贝克系数“表2”、并且通过交替其各自的相对极性而联接。
[0156]
重要的是强调所要用的金属不一定必须与其自身的金属氧化物形成联合体，正如我们现在为了促进工作所做的；金属-金属氧化物的每种组合可以是随机的，其选择将取决于每种特定组合可以获得的操作特性；然而，为了在任何金属上放置氧化物层，需要使用比在这种情况下使用的简单热氧化更复杂的沉积方法。
[0157]
换能器的操作：
[0158]
图13详细显示了设备的设计及其部件的相对极性；在附表表3中，显示了当这些金属连结在一起时实际获得的极性(它们各自的系数“s
ab”为表2中的那些)。
[0159]
该设计包括：由金属“cu”(-2)(在此情况下，为阳极)覆盖以碱性或金属氧化物“cuo”(+3)(其为阴极)而形成的联合体构成的“固态核”(+1-)；它们各自依次连接到由金属导体“cr”(-6)、“cu”(+7)、“nicr”(+8)、“cr”(-9)、“cu”(+10)(根据其各自的绝对塞贝克系数，这些片段中的每一个的极性仅与其前一段和后一段的极性相关)的链形成的放电电极或漏极“+ed”(+4)和
“‑
ed”(-5)，并最终连结到换能器端子“+t ni”(-11)和
“‑
t ni”(-12)。
[0160]
设备的芯体(+1-)及其部件(-2)和(+3)由耐高温的深色保护树脂(14)覆盖，并且漏极或放电电极通常是暴露的，但是如果外部温度非常高，则可以将它们用散热器(15)覆盖，就像对任何其他电子部件所做的一样。
[0161]
当核(+1-)从热源(16)接收辐射时，从阴极(+3)产生电子流(-13)，如同在任何热
离子换能器中发生的那样；但在此，电子并没有从阴极(+3)分离出来穿过真空并到达阳极(-2)，而是停留在阴极表面附近，并且由于核的两个组成部分的功函数之间的相互作用产生的电势差，电子立即被阳极捕获，就像光伏电池中发生的那样；由于这些电子没有被赋予用于移动的能量(动能)，与普通的热离子设备相比，该设备需要更小的温度来操作，尽管由于其是热辐射，其操作温度无疑将高于光伏换能器。
[0162]
按章节详细说明其工作如下：
[0163]
核的各元件虽然通过离子势垒以电子方式分离，但在物理上是统一的，两者处于相同的温度，但只有功函数最低的一个元件会在另一个元件(立即成为阳极)之前开始发射电子(它成为阴极)；这种效应定义了核中的电势差，并引导了电子的运动。
[0164]
构成放电电极或引流电极(+4)和(-5)的金属是通过利用“+ed”(+4)插入它们的相对极性(-6/+7/-11)和利用
“‑
ed”(-5)插入它们的相对极性(+8/-9/+10/-12)而连结的，这在所有金属的片段之间，从核(+1-)直到端子“+t ni”(-11)和
“‑
t ni”(-12)，产生串级电势差(p.d.)；此外，它们不同的导热系数值以及将它们与设备的最热点(芯体)隔开的距离的逐渐增加，创建了到最小热点的热梯度的下降链(端子-11和-12)；总之，由于电势差，它将更多的能量提供给来自核的电子流，并且它产生了添加到核的电流中的电动势(通过塞贝克效应)，并有助于电子的路径，避免在结构中的某个点聚集，从而避免在设备的阳极上形成不希望的电子云。
[0165]
正如我们所看到的，所描述的整个过程在不存在额外电能量来源下发生，设备所使用的唯一能量是热能。
[0166]
如果它们以适当的串联和并联连接而方便地连结，该设备的多个单元(units)被视为是方便的，以这种方式，热电电池可以以所需的功率组成，以形成热电堆和发电机，就像对其他类似设备所做的一样，只是在这种情况下它不是热离子或光伏，因为尽管它的能量来源是热能，就像热离子换能器一样，但它像光伏电池一样处理能量。一个非常通用的限定词可以是“热电换能器”，或者更具体的“热伏换能器(thermovoltaic transducer)”。
[0167]
在图14中，以单元检查设备的性能：热电设备(1)的芯体与电压表(2)串联连接，同时与re＝1.3ω的电阻(3)和电流表(4)串联连接，芯体处于温度t1(5)，芯体的电极、端子和与之分离的仪表处于温度t2(6)。
[0168]
当整个电路的温度相同时，t1＝t2，开路时电压表测得的电压为v＝-5.00mvl。(负电压是由于上述具有相反极性的耗尽区或内部势垒的存在)。
[0169]
当电路用电阻器(3)和电流表(4)闭合时，电压表上的电压为v＝0.0vol。电流表测量的电流为i＝0.0a。
[0170]
当芯体中的温度t1(5)增加并且t2(6)保持在室温，t1＞t2时，电路中产生电势差和电流，该电势差与电流随两个温度之间的热梯度而增加。在这种情况下，它们达到v＝193mvl，i＝189μa，这表明该设备作为热电换能器有效工作；如前所述，它证实了一种可能性，即与任何其他类型的热电换能器的情况一样，通过适当地将这些元件的一定数量分组，可以构成热电堆。
[0171]
第二种工作形式：
[0172]
但是，该设备也可以独立使用，因为它具有在电气或电子电路中可能有用的某些操作特性，具体如下：
[0173]-它作为随外部温度变化的通-断开关(换向)。
[0174]-用作ntc热敏电阻。
[0175]-因此，随着温度的升高，它逐渐降低了其端子之间的电阻，因此，它也逐渐增加了电路中的功率(电压和电流)。
[0176]
也就是说，如果通过将设备插入电路中而将该设备用作隔离元件，则随着电功率的增加，该设备将用作通-断式热电开关和ntc热敏电阻(负温度系数)；或者以更通用的方式对其进行分类，它类似于具有增加的功率的固态热晶体管(固态电介质)。
[0177]
下图显示了该设备的单个元件，其连接在四个简单的电路中，也以四种不同的方式作为电子调节器，通过加热被切断：
[0178]
图15：显示了与欧姆表(2)串联连接的热电设备(1)。该设备的芯体的温度为t1(3)，其电极、端子和与其分离的仪表的温度为t2(4)。
[0179]
当整个电路的温度相同，t1＝t2时，欧姆表(2)标记构成芯体的材料的组合的某一内阻特性与环境温度，此时环境温度为(t1＝t2)。在这种情况下，ri大于1.723mω。
[0180]
将t2(4)保持在室温，并逐渐增加t1(3)至t1＞＞t2，电阻也逐渐减小，取到越来越低的值。
[0181]
虽然这在实践中没有发生，但理论上来说，它趋于零(ri
→
0)。该设备用作ntc热敏电阻。
[0182]
图16：显示了与直流电源并联连接的热电设备(1)，v＝1.380vol(2)；两者均与re＝998ω的外部电阻(3)和电流表(4)串联连接。电压表(5)与电路(2)、(3)、(4)并联连接。该设备的芯体的温度为t1(6)，其电极和端子、仪表(4)、(5)、直流电源(2)和与其分离的电阻(3)的温度为t2(7)。
[0183]
当整个电路的温度相同，t1＝t2时，流过电路的电压和电流独立测量，一个先测量，然后测量另一个，分别为：
[0184]v1
＝1.380vol且i1＝1.238ma。
[0185]
同时测量，得：v2＝1.357vol且i2＝1.236ma。
[0186]
就好像设备不存在一样。v1、i1和v2、i2之间的差异仅是由于re的存在。
[0187]
当芯体中的温度t1(6)增加，并且t2(7)保持在室温，t1＞t2时；随着t1和t2之间的热梯度增加，电路中存在的电势差和电流都会逐渐减小，低至：
[0188]v3
＝0.371vol且i3＝0.328ma；远低于单独的直流电源(2)。
[0189]
在这种情况下，如预期的，设备行为类似于直流电源，具有非常低的电压，并联连接到另一具有更高的电压的直流电源，(两个不同电压的电池并联连接)。
[0190]
图17：显示了热电设备(1)，与v0＝＝1.401vol的直流电源(2)、re＝1.3ω的外部电阻(3)以及电流计(4)串联连接。在芯体(1)的负极和电源(2)的正极之间连接有电压表(5)。该设备的芯体的温度为t1(6)，其电极、端子和与之分离的仪表的温度为t2(7)。
[0191]
当整个电路的温度相同，t1＝t2时，彼此独立地测量的流过电路的电压和电流分别为：
[0192]v1
＝1.115vol，i1＝0.013ma。
[0193]
当芯体中的温度t1(6)增加，且t2(7)保持在室温，t1＞t2时，电路中产生电势差和电流，电势差和电流随两个温度之间的热梯度而增加。在这种情况下：
[0194]v2
＝1.485vol且i2＝19.6ma。
[0195]
在开路时最初电压和电流的增加是显而易见的
[0196]v0
＝1.401vol。
[0197]v1
＝1.115vol且i1＝0.013ma。
[0198]v2
＝1.485vol且i2＝19.6ma。
[0199]
这意味着该设备正在向电路中的直流电源供电，并增加其功率。这与图14所示的设备的性能一致。
[0200]
图18：显示了与v＝1.78vol的直流电源(2)和led(3)串联连接的热电设备(1)。设备的芯体的温度为t1(4)，而与之分离的其余电路部件的温度为t2(5)。
[0201]
当整个电路的温度相同，t1＝t2时，流过电路的电压和电流分别为：(用20vol刻度的电压表)led端子处的电压v＝1.63vol(红色led在1.9vol时亮起)；芯体端子的电压v＝0.91vol；(用200ma刻度的电流表)电路中的电流为i＝0.00a。因此led，它保持关闭状态。
[0202]
当芯体中的温度t1(4)增加，并且t2(5)保持在室温，t1＞t2时，电路中的电流随着温度逐渐增加，直到i＝10.9ma。led端子上的电压达到v＝2.04vol，使其导通。
[0203]
在这种情况下，该设备用作通断电流开关。
[0204]
对本技术中提出的设备的特性进行概括总结，并将其与类似操作设备进行比较，甚至与它们的处于最终开发阶段的设计进行比较，我们可以得出以下结论：
[0205]
虽然它的功率不大，只有约40μw的单个芯体；设备的尺寸和单元的数量可以改变，以根据期望的容量组成热电电池或多个电池的发电机，热离子发电机总是如此这般，但利用了这种特定设计的典型操作特性。
[0206]
阴极和阳极之间的电势差是自发产生的，而不必使用额外的电流源使它们极化，也不必使设备受到外部磁场的作用以将电子引向阳极。
[0207]
在其他类似设备中的所有热量，在诱导了电子辐射后，会因传导或辐射而损失，该设备通过在放电电极的片段之间产生重复的热梯度，在很大程度上利用了这些热量，这产生了供同一设备使用的少量能量(电动势)。
[0208]
以相对简单的方式避免了倾向于在热离子设备的阳极上积聚的电子云的形成，而在其他设计中，这是一个通过更复杂的程序和设备来减少或消除的问题，其中不仅使用来自额外电源的电能量，而且还使用非常特殊的材料和结构，例如纳米组件。
[0209]
与其他类似设备不同，它不要求阴极和阳极之间存在温差(热梯度)。只要有足够的能量，阴极就会发射电子，因为在设备可以工作的温度范围内，阴极的功函数或提取能量会仍低于阳极。
[0210]
简而言之，这是一种制造简单、价格低廉的设备，它是用不需要高纯度(例如半导体)或预处理(如掺杂)的非常普通的材料，和任何普通实验室都可以使用的生产技术生产的。在其使用寿命结束后，它可以100％回收，如果不能回收，它在环境中分解，与任何其他金属的污染风险相同；它是一种固态设备，由于其本身的组成，它具有良好的机械和耐热性；除了能够一起用于制作电池或热电发电机外，它还可以单独用作电子电路中的“功率增加的调节器或热电晶体管”。