电场型半导体PN结电流转换结构

本实用新型涉及一种电流转换装置，特别是一种能够利用外部充电电场的电压，实现PN结强电场较大电流输出的电场型半导体PN结电流转换结构。包括掺杂质的P型半导体和N型半导体，二者的结合处为PN结，P型半导体和N型半导体的外侧平面上分别贴合有一绝缘层，绝缘层的外侧分别贴合有一电极板，电极板分别与源电压连接；P型半导体和N型半导体的外侧平面上分别以矩阵形式引出电流引线，各电流引线通过绝缘层和电极板后汇总为电池的正负输出导线。它结构简单，体积小，重量轻，制作方便，成本低，用途广，可根据实际用途的需要加工成各种规格的产品，转换效果好，适应目前节能减排的需求，适用面广。

技术领域
本实用新型涉及一种电流转换装置，特别是一种能够利用外部充电电场的电压，实现PN结强电场较大电流输出的电场型半导体PN结电流转换结构。
背景技术
人们常用的镍镉电池、锂离子电池等充电电池，对环境有污染，且只起存电作用。目前全球正在发展的半导体光电池，它虽然是一种非常好的节能设施，但半导体光电池需要光照的持续存在，当没有光照时，半导体光电池将没有电压和电流的输出。它的使用，会受到地点环境的限制。实用新型内容本实用新型是针对现在半导体光电池离不开光照、大功率输出时体积大的缺陷，提供一种能够用外部的充电电场，使半导体材料表面以内至PN结势垒边界的扩散区出现过剩载流子，并依此来实现半导体PN结势垒强电场对其势垒边界扩散区内过剩载流子的抽取作用，因而产生较大电流输出的外部充电电场型半导体PN结强电场电流转换结构。为实现上述目的采用以下技术方案：一种电场型半导体PN结电流转换结构，包括掺杂质的P型半导体和N型半导体，二者的结合处为PN结， P型半导体和N型半导体的外侧平面上分别贴合有一绝缘层，绝缘层的外侧分别贴合有一电极板，电极板分别与源电压连接；P型半导体和N型半导体的外侧平面上分别以矩阵形式引出电流引线，各电流引线通过绝缘层和电极板后汇总为电池的正负输出导线。P型半导体和N型半导体中，靠近负电位电极板的半导体的厚度是0.1-2微米，靠近零电位或正电位电极板的半导体的厚度是3-1000微米。N型半导体和P型半导体均为薄片型结构。P型半导体与N型半导体外侧平面上的电流引线以0.5-3mm间距的矩阵形式排布。电极板为金属薄板或覆铜板中的一种，其厚度为0.5-10mm；电极板板面上设置有分别与电流引线相对应的穿线孔，穿线孔的内壁固接有绝缘层。绝缘层的厚度为0.1-1.2微米，其耐压为10-100V。与P型半导体外侧绝缘层贴合的电极板与源电压的负极连接，与N型半导体外侧绝缘层贴合的电极板与源电压的正极或零电位连接。与N型半导体外侧绝缘层贴合的电极板与源电压的负极连接，与P型半导体外侧绝缘层贴合的电极板与源电压的正极或零电位连接。P型半导体和N型半导体的半导体材料为硅、砷化镓或磷化镓中的一种，其掺杂浓度均在2×10⁹-10¹⁰之间。本新型所公开的这种电流转换结构是利用PN结内电场中强场的抽取作用和外部电场能够使半导体表面至PN结势垒边界扩散区内产生过剩载流子作用，在外部电场和PN结势垒强电场的共同作用下，在P型和N型半导体的外引线两端形成较大电流并输出供用电设备使用的装置，它结构简单，体积小，重量轻，制作方便，成本低，用途广，可根据实际用途的需要加工成各种规格的产品，转换效果好，适应目前节能减排的需求，适用面广。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构剖视示意图。图2为本实用新型的正面结构示意图。图3为与图1的源电压正负极和P、N型位置相反的转换结构剖视示意图。图中：电流引线的接触触点1，外电极板2，绝缘层3，P型半导体4，PN结5，N型半导体6，电流引线7，电流引线的汇总导线8，外电极板引出导线9，穿线孔10，外接负载11，源电压12。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本新型做具体说明。这种电场充电型半导体电流转换结构包括掺杂质的P型半导体4和N型半导体6，二者的结合处为PN结5。P型半导体4和N型半导体6的外侧分别紧密贴合有绝缘层3，绝缘层3的外侧面是电极板2。电极板2分别通过外电极板引出导线9与源电压12的正电位和负电位连接。P型半导体和N型半导体的侧平面上均设置有以常规方法形成，且以0.5—3mm间距的矩阵形式排布的电流引线的接触触点1，各接触触点1上固接有电流引线7，见附图1—3。电极板上设置有与电流引线相对应的穿线孔10，穿线孔10金属部分的内壁上设置有与半导体平面外的绝缘层相同耐压的绝缘层。电流引线通过半导体平面外的绝缘层后，再绝缘地穿过电极板的穿线孔，在电极板的外侧面上汇总为电池的正负输出导线，即电流引线的汇总导线8，该电流引线的汇总导线8与外接负载11连接。N型半导体和P型半导体均为薄片型结构，根据制作的可能和实际需要，其面积不限，所形成的PN结的面积与其相同。电极板为金属薄板或履铜板，其厚度为0.5-10mm。当电极板为覆铜板时，其金属层靠近绝缘层。作为优选方案，负电极板一边的 P型半导体或N型半导体的厚度为0.1-2微米，或者更薄；由于半导体材料层很薄，由外部负电场移动的电子很容易到达PN结势垒边界扩散区约一个扩散长度范围，这样才能实现电子被势垒区强场所抽取，形成附加的反向电流；正电极板一边的N型半导体或P型半导体的最佳厚度为3-1000微米，由于较厚，正电场作用不到PN结势垒边界，相当于无电场。当正极板接地时，该电极板为零电位，与零电位连接的电极板和半导体之间无电场。优选方案：P型半导体和N型半导体的半导体材料为硅、砷化镓或磷化镓中的一种，其掺杂浓度在2×10⁹-10¹⁰之间，且不能超过2×10¹⁰，若超过2×10¹⁰，负电场一边的半导体需更薄。若半导体材料为砷化镓或磷化镓时，其工作环境为常温，若半导体材料为硅或其他材料时，其工作环境温度需降低，一般为零下0-30℃。绝缘层的耐压应在10-100V，其厚度越薄越好，约1微米左右。绝缘材料应容易感应出电荷。为使正电位极板的正电场，像零电位时对PN结势垒边界不起作用，正电位一侧连接的半导体较厚，其厚度大于3微米。本实施例中，如附图1：与P型半导体外侧绝缘层贴合的电极板通过外电极板引出导线9与源电压的负极连接；与N型半导体外侧绝缘层贴合的电极板通过外电极板引出导线9与源电压的正电位连接；如附图3：与P型半导体外侧绝缘层贴合的电极板通过外电极板引出导线9与源电压的正电位连接；与N型半导体外侧绝缘层贴合的电极板通过外电极板引出导线9与源电压的负电位连接。由于外电场在半导体表面所产生的电荷的电场线，对外电场的屏蔽作用，使得外电场对半导体表面以内的作用不会很深，且存在一个最大值。当磷化镓材料时，经计算，最大也只能作用1.6微米，因此，当半导体较厚时，外电场作用不到PN结。本结构只用负电场对半导体作用，正电场不起作用，正电场只作为与负电场对应的存在。该转换结构分为两种工作方式：第一种工作方式：如附图1，充电后，左侧的电极板为负极板，其与P型半导体之间为负电场；右侧的电极板接正电位，由于N型半导体较厚，其正电场也作用不到PN结的N型一侧，这样正电场对半导体PN结N型一侧不起作用；第二种工作方式：如附图3，充电后，右侧的电极板与源电压的负电位连接时，其与N型半导体之间为负电场；左侧的电极板与源电压的正电位连接时，由于P型半导体做的较厚，其正电场也作用不到PN结P型一侧。本新型的工作原理：如图1所示结构，左侧为负电位，P型半导体厚度较小。连接完成后，左侧的电极板连接源电压的负极，为负极板，其与P型半导体之间为负电场；右侧的电极板连接源电压的正电位，由于正极板一侧的N型半导体较厚，也相当于对PN结N型一侧无电场。负电场将P型半导体内的空穴吸引至P型半导体的表面层，产生正电荷的积累层，在正电荷的电场线对外电场发生屏蔽作用的同时，其表面层以内的少子、热电子及共价键中的部分电子向右移动，由于P型半导体的厚度较小，如1.5微米以下至毫微米，则此移动的电子可以到达PN结扩散区的约一个扩散长度范围内，因而会被PN结势垒区强场所抽取，形成附加的反向电流。然后经过与半导体材料连接的电流引线，将电流引出，再由外接汇总引线集中输出，供用电设备使用。在适宜的负电场的电场强度下，当开路时，形成P区为正、N区为负的较大的正向开路电压，当短路时，形成短路电流，外接负载时，将输出一定的功率。如图3，当右侧为负电位时，N型半导体厚度较小。N型半导体在负的电场极板一边，负电场使N型半导体的表面产生正电荷，在其表面以内还会产生正电性的耗尽层，在正电荷的电场线对外电场发生屏蔽的同时，由于此时N型半导体较薄（1.5微米以下至毫微米的范围），负电场使N型半导体中的多子电子移动到PN结势垒N型一侧。在适宜的负电场的电场强度下，将首先形成适宜的扩散电流，此适宜的扩散电流的电子扩散到了P型一侧后，也会被PN结势垒的强电场所抽取，形成附加的反向电流和正向的开路电压。然后经过与半导体材料连接的电流引线，将电流引出，再由电流引线汇总引线集中输出，供用电设备使用。被负电场作用的半导体的表面层虽然很薄，但P型半导体中的少子、热电子及共价键中的电子数量，或N型半导体中的多子电子的数量，足可以产生几毫安以上的附加电流。