关键词：电机工程、能源材料、机械工业、摩擦学
一、介绍
自从迈克尔·法拉第发现电磁感应以来，电能在数个世纪以来极大地改变了人类社会，他在1831年揭示了磁与电之间的联系。在电磁发电机中，当电导体通过磁场时会产生电。在此之前，根据静电感应和摩擦电效应的工作原理，发电机主要被称为静电发电机。近年来，压电和摩擦电纳米发电机备受关注，其能够将机械能和振动能转化为电能。摩擦电利用了麦克斯韦方程式中的位移电流，该位移电流无法自由地流过绝缘介电材料，从而限制了其电流输出密度。随着智能和可穿戴电子设备的飞速发展，对原地能量采集技术提出了新的要求，迫切需要寻找一种具有高电流密度和稳定性的便携式集成发电机，这仍然是当前发电机的瓶颈。因此，迫切需要一种与传统发电机不同的基本物理图景，以实现便携式能量采集设备的突破。
对电子行为的理解不仅促进了信息社会的发展，而且满足了人类社会对电能的需求。自从1940年发现PN结[1]以来，已经探索了许多相关应用，例如集成电路和光电器件。但是，大多数应用都集中在静态PN结构上，而在信息和能量领域中对动态PN结的探索都很少。最近，发现了高电流密度的直流发电机，引起了人们的高度关注。具体来说，我们提出了基于半导体物理原理而不是基于界面摩擦学理论的物理图像。为了建立系统的理论框架，应该彻底研究动态半导体结构，尤其是通过将一个N型半导体移动到一个P型半导体上而定义的“动态PN结”，该结构不涉及金属和绝缘聚合物材料。在本文中，已经实现了一种基于动态PN结的生成器，该生成器涉及两种具有不同费米能级的半导体。在动态PN结的前部，电子和空穴将分别扩散到p型和n型半导体，建立内置电场。在动态PN结的后部，扩散电子/空穴将失去其扩散路径，然后被内置电场反射，从而破坏了扩散电流和漂移电流之间的平衡。可以通过PN结的充电电容来了解动态PN结后部的载流子传输，而可以通过PN结的放电过程来了解电子/空穴的反弹过程。
二、结果
2.1 基于动态GaAs / Si结的直流发生器
动态GaAs / Si发生器[2]作为代表性的动态PN发生器。将N型GaAs晶片以6.0 N的力压紧在P型Si衬底上，显示出典型的整流效果。在-3 V的偏置电压下具有1.5μA/ cm2的低泄漏电流密度时，此处的N型GaAs和P型Si的功函数为4.10和5.12 eV。因此，由于N-GaAs的功函数小于P-Si的功函数，所以当N-GaAs和P-Si衬底彼此接触时，将在它们之间形成内建电场。首先，将N型GaAs沿着P型Si的表面拖动，观察到最大Voc高达0.7 V，这与工作区域无关。动态的p-Si / N-Si和P-的Si / N型GaN结还可以输出电压信号以及对p-Si / N-砷化镓结，其中在Voc对p-Si / N-GaAs构成结最高，是动态P-Si / N-Si发生器的七倍。N-Si和N-GaN的费米能级分别约为4.28和4.35 eV，因此P-Si / N-Si和P-Si / N-GaN发生器的产生电压方向与P-Si / N-GaAs发生器的产生方向相似，这表明电压输出与费米能级相关位置。值得注意的发现是，将一块P型硅移动到另一个具有相同费米能级的P型硅上时，只能产生有限的噪声电，这进一步证明了电压输出与费米能级位置有关。在小接触面积条件下电流输出与工作面积成正比，表明通过设计接口阵列结构可以提高电流输出。对于工作面积为1.0 mm2（2 cm×0.05 mm）的GaAs / Si动态PN发生器，最初观察到最大I sc高达1.8μA，这与极限范围内的运动速度呈正相关。可以相应地计算出高达1.8 A / m2的Jsc，这比报道的基于聚合物的摩擦电纳米发电机的Jsc高几个数量级（约为10 -1 A / m 2））和压电发电机（10 -2 A / m 2的量级）。此外， Voc / I sc随着施加力的增加而增大，然后减小，而力为6.0 N是最佳选择，其中N-GaAs和P-Si可以获得最佳的整流特性。通过动态PN结将机械能转换为电能，从而可以工作在线性往复模式或圆形旋转模式。线性往复模式输出脉冲电流，这是GaAs晶片运动不可避免的加速和减速的结果。相反，当GaAs晶片在圆形旋转模式下连续且均匀地运动时，其输出可持续的直流电。
2.2 基于动态PN结电容的工作机制
该PN结的电子电流密度和 是相反的。在静态PN结处，随着P型侧与N型侧稳定接触，漂移电流将迅速与扩散电流平衡，这等效于PN结电容充电过程。PN结电容分为两部分，势垒电容[3]和扩散电容。由于我们的动态PN结可以用作多数载流子器件，而不是像静态PN结那样的少数载流子器件，因此势垒电容是动态PN结的主要因素。实际上，对于P-Si / N-GaAs结，漂移和扩散电子电流可描述如下：
.png)
扩散电子电流，电子电流密度，电子迁移率和GaAs和Si的电子的扩散系数。E是内置电场，q是基本电荷，n是GaAs或Si中与位置有关的电子密度。当GaAs晶片沿着Si衬底移动时，存在动态过程，即在后端的耗尽层消失并且在前端的耗尽层重新建立。在宏观上，动态PN结的有效工作区域被假定为运动过程中GaAs晶片与Si衬底的接触面积，该面积保持不变。然而，动态GaAs / Si结中耗尽层的产生和消失的动态过程将破坏静态载流子分布平衡。PN结的破坏将缩小空间电荷区域并反射空间电子/空穴，这等效于电容放电过程。电子和空穴将分别反弹回N型GaAs和P型Si，在强内置电场的加速下产生高能热电子和空穴，并输出电流。电流响应随着电压的升高而振荡。PN结的破坏导致动态PN结与静态结的基极电流密度降低。动态JV的波动或振荡有两个原因，一个是施加力的变化，另一个是反射电荷载流子与漂移载流子之间通过外部场的相互作用。正向偏置电压感应的载流子将随机与反射载流子碰撞，这将叠加在动态N-GaAs / P-Si结的JV曲线上。因此，这种波动部分是由动态PN结的机械能感应载流子与电场产生载流子之间的强相互作用引起的，这为同时使用场能和机械能提供了平台。叠加在该直流输出上的周期性电流振荡可以归因于施加在动态PN结上力的变化，该变化在循环旋转模式下表现为稳定的周期性。
2.3 通过插入介电层来提高界面势垒高度
近年来，在金属与绝缘体之间的纳米级接触[4]带电中电子转移的研究越来越多，这表明光和温度在金属介电壳的电荷转移过程中起着重要的作用。为了消除由温度，照度和湿度变化引起的电输出，我们还对动态PN结发生器的Voc与湿度，照度和环境温度之间的关系进行了实验。我们发现，摩擦前后的半导体温差非常有限和动态PN发生器的电压/电流输出显示在25％或50％的湿度环境下以及在不同照明条件下的变化很小，表示在我们的半导体外壳中输出电信号时，照明，湿度和热效应是可忽略的。随着内置电场的增加和动态PN结的界面势垒高度的增加来提高电输出。因此，此处使用具有不同氧化硅厚度的P型硅晶片来证明这种独特的电流产生机理并揭示动态PN结中的热载流子动力学过程。我们发现这种动态的PiN结构发生器具有更高的电压输出，这得益于界面势垒高度的增加。用于束缚带电电子和空穴的势垒高度大大增加，产生更高界面的半导体-SiO2势垒。当我们沿着SiO2移动N-GaAs晶片时，电荷电子和空穴也可以被反射，分别移向N-GaAs和P-Si的欧姆接触。插入的SiO2层可以极大地抑制电子和空穴的转移，这是载流子充电的势垒电容。随着势垒高度的增加，势垒电容中会充放电更多具有较高能量的热电子和空穴，从而导致输出电压的提高与半导体价带和介电层导带之间的能级差一样高。
2.4 半导体-绝缘体-半导体结构的带隙对准与电压输出之间的定量关系
动态P-Si / SiO2 / N-GaAs发生器在循环旋转模式下的电压输出，在恒定的运动下，该发生器可以输出高达3.1 V的连续电压。此外，并联的两个系列和三个系列的动态P-Si / SiO2 / N-GaAs发生器的Voc输出为3.1 / 6.1 / 9.0 V，表明我们的线性叠加效应和积分潜力器件，可以有效提高其电压输出并扩展其应用。此外，我们使用分层半导体（例如MoS2）并通过超快载流子动力学过程实现了动态P-Si / MoS2结，以说明界面处的详细载流子传输[5]。动态P-Si / MoS2结中的电子和空穴在放电过程中还可以通过内置电场连续反弹，产生热载流子和稳定的电压输出。硅晶片的较高载流子浓度导致较高的电流输出但较低的电压输出，这归因于较大的内置电场。内置电场与电子和半导体两侧空穴的浓度相关。随着载流子浓度的增加，内置电场增强，在界面中产生更多的热载流子，从而增加了电流输出。同时，当载流子浓度增加时，MoS2 / Si结的势垒高度减小，这是由于载流子在MoS2之间转移和Si导致电压输出降低。
2.5 动态P-Si / AlN / MoS2结的潜在实际应用和未来展望
最后，可以实现高达5.1 V 的Voc和高达112.0 A / m2的平均Jsc，这比报道的摩擦电纳米发电机[6]高出约三个数量级。为了演示发电机的功率输出，已经研究了电压和电流输出作为电气负载R的函数。如动态PN结的等效电路图，其工作电路包括一个串联电阻（Rs），一个重组产生的并联电阻（Rp），和一个负载电阻（R大号）。随着负载电阻的增加，可以测量增加的电压和减小的电流密度。动态PN结发生器的功率转换效率可以表示为：
.png)
其中Voc是发电机的开路电压，Jsc是发电机的短路电流密度。FF是发生器的填充因子。Vmax是在最大功率输出下发电机的工作电压，而Jmax是在最大功率输出下的发电机的工作电流密度。F是两个半导体之间的摩擦力，v是半导体晶片的移动速度。我们应该强调，我们的输出功率是根据8.0 s和200点直流发电机的平均工作电压和电流密度计算得出的。根据公式，输出的功率密度是电负载RL的函数。在RL周围发现的峰值功率密度约为130.0 W / m2，等于360kΩ，接近PN结的内部电阻（R s + R p）。移动的Si / MoS2结发生器的能量转换效率可以计算为大约32.5％。
为了探索我们动态PN结发生器和它潜在的实际应用的优点，使用我们的设备产生的光向上蓝色LED的电力而不需要任何外部直接整流电路和能量存储单元。仅当驱动电压超过2.7 V时，此LED才能点亮。MoS2 / AlN / Si发生器中的每一个均可提供接近5.1 V的电压输出，该电压可用于提供足够的电压输出以点亮蓝色LED。因此，此动态MoS 2 / AlN / Si发生器可以点亮蓝色LED，如视频S1（与图4相关的“蓝色LED照明实验”）所示。C（LED照明实验的电路图如图4 C 所示）。蓝光LED随着PN结的移动而同时点亮，指示连续直流电的输出（右插图）。图4 C显示了由我们的动态PN发生器供电的LED的图片。与具有脉??冲交流输出特性的传统摩擦电纳米发电机相比，这种动态PN结发生器基于如上所述的物理机制实现了恒定电流输出，这被证明无需任何外部整流电路和能量存储单元即可直接为LED供电，从而提供了满足日益增长的现场能源获取技术需求的可行方法。
三、讨论
在本文中，我们开创了基于动态PN结的直流发电机，其中两个具有不同费米能级的半导体相互移动，例如N-GaAs / P-Si结。提出该机制是基于其他扩散的电子/空穴的回弹效应以及运动过程中PN结电容的电容充电/放电过程，这是由于耗尽层的建立和消失而引起的。通过在PN结的界面处插入介电层，可以根据P型半导体的价带与介电层的导带之间的能级差，对输出电压进行精细地改善和数字化设计。这里是一个动态PN发生器，它具有5.1 V的高电压，112.0 A / m的电流密度基于MoS2 / AlN / Si结构，实现了11.2 mA / cm2，130.0 W / m2的功率密度和32.5％的能量转换效率，该结构可以为LED供电而无需任何外部电路。通过设计串联或并联连接的半导体接口阵列结构并优化动态PN结的载流子势垒层，可以进一步提高动态PN发生器的电压，电流和输出功率。特别是这种动态P-Si / AlN / MoS2发电机可以连续工作60分钟，证明了动态PN发电机的建议机理和潜在应用。这种具有足够电流密度的动态PN发生器在可利用机械能的许多领域中具有许多有希望的应用。
四、研究的局限性
动态PN结通过在P型半导体上机械移动N型半导体来产生高电流密度直流电。在某些情况下，具有较高硬度的半导体会略微磨损具有较低硬度的半导体，从而导致具有较低硬度的半导体磨损，以致动态PN发生器略有退化，我们可以通过在其中使用MoS2等层状半导体材料来克服这一问题。但是，要使这种动态PN结直流发电机应用于特定的应用领域，尤其是低频无序机械运动，例如人体运动，风能和海洋能，还需要进行更多的后续研究。
参考文献：
[1]成立. PN结压变电容特性的应用研究[J]. 半导体杂志, 1999(1):8-13.
[2]高鸿楷, 朱作云. 优质GaAs／Si和AlGaAs／Si材料的MOCVD生长研究[J]. 光子学报, 1993, 022(002):189-192.
[3]江关辉. 正向势垒电容的异常变化及其在参放变容管中的应用[J]. 半导体学报：英文版, 1981(3):222-233.
[4]张仕钧. 天线电池用MIM隧道二极管的制备及表征[D]. 浙江大学, 2013.
[5]田牧. 异质结载流子传输新模型[J]. 固体电子学研究与进展, 1991, 000(004):266.
[6]张虎林. 摩擦电纳米发电机（TENG）的结构设计及其相关应用研究[D]. 重庆大学, 2014.
论文作者:杨浩
论文发表刊物:当代电力文化》2019年第19期
论文发表时间:2020/4/23
标签：载流子论文; 动态论文; 电流论文; 电压论文; 半导体论文; 发生器论文; 空穴论文; 当代电力文化》2019年第19期论文;