CN101375422B - 用于将热能转换成电能的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了电流源以及产生该电流源的方法。电流源包括金属源、缓冲器层、过滤器和收集器。给金属层和半导体层提供电连接，还可以提供磁场施加器。源金属在导带底部具有局域化能态并具有概率放大。各个层的相互作用产生了自发电流。电荷穿过电流源的移动产生了电压，该电压上升到出现了平衡反向电流为止。如果负载被连接到电流源，则电流流经负载并耗散功率。所用的能量来自电流源中的热能，并且装置受到冷却。

Description

用于将热能转换成电能的装置及方法
优先权
本申请要求2005年12月14日提交的美国临时专利申请60/750,575的优先权，该申请通过引用而全文结合于此。
技术领域
本发明涉及电流源。更具体地说，本发明涉及包含金属、半导体和绝缘体的电流源。
背景技术
在固体中存在多个能带。这些能带包括价带和导带。导带处于比价带更高的能量。每个能带包含电荷载流子(电子或空穴)可能处在的多个能态。在半导体和绝缘体中，由带隙将导带与价带分离开。带隙中实质上没有能态。
在处于零温度并且不处于激发条件下的半导体和绝缘体中，价带中的能态完全由电子占据，而导带中的能态完全由空穴占据，即没有电子。另一方面，在金属中，导带和价带是一样的。这样，由于电子实质上自由地从被占据的能态向未被占据的能态迁移，所以金属是高度导电的。另一方面，理想地，在绝缘体或未掺杂的半导体中，导电性较低，因为电子完全占据了价带，所以没有电子能够向其移动的能态。但是，由于热激发，绝缘体或未掺杂的半导体中也存在有限的导电性。价带中的一些电子接收足够的能量以越过带隙跃迁。一旦电子处在导带中，它们就能够传导电流，留在价带中的空隙也能。随着带隙增大，导电性以指数方式下降。因此，在金属中由于导带与价带重叠，所以带隙为零，而带隙在绝缘体中大于4eV(例如对于SiO2为8.0eV)，在半导体中介于零与4eV之间。
能带是以动量空间的方式表示的。即，以能量中的可能状态与动量中的可能状态之间的关系来表示固体的能带。其他结构也用来表征固体。例如，在固态物理学中，经常用费米面来描述固体的各个方面。费米面是用来对金属、半金属和半导体的热学、电学、磁性和光学特性进行表征和预计的抽象边界或界面。费米面与形成晶态固体的晶格的周期性(即形成晶格的各个元素之间的距离)有关，并与这些材料中电子能带的占据情况有关。费米面定义了动量空间中的恒定能量表面。在绝对零度下，费米面将未满态与满态分开。材料的电特性由费米面的形状确定，因为电流是由于费米面附近能态的占据情况改变而引起的。
许多电子装置和其他装置使用金属、绝缘体和半导体。这种装置的一个示例包括电流源。电流源是这样的装置：该装置供应基本恒定的电流量，而与其端子之间的电压无关。理想电流源产生用来维持指定电流的电压。许多电子装置使用包含电流源的电流配置。
附图说明
本发明以示例方式被图示而不限于附图，附图中相同的标号表示相似的要素。
图1图示了电流源的一种实施例。
图2a、图2b和图2c示出了图1中源的实施例中的电子跃迁的能带图。
图3a、图3b分别是图1中源的实施例中激发率随温度变化的曲线图和最小检测温度随Ni组分变化的曲线图。
图4a、图4b和图4c分别是图1中源的实施例中对于W、Pd和Ni的L随着温度变化的曲线图。
图5a和图5b图示了图1的实施例中源和不同缓冲器的能带图。
图6a、图6b和图6c示出了不同电流源的实施例的能带图。
图7a、图7b和图7c示出了不同电流源的实施例的能带图以及有关等效电路图和电流-电压曲线图。
图8示出了电流源的实施例的过滤器-收集器区域的能带图。
图9示出了电流源的实施例的源-缓冲器-过滤器区域的能带图。
本领域技术人员可以理解，附图中所示的要素是为了简要和清楚，不一定是按照比例绘制的。
具体实施方式
本发明提供了电流源和制备电流源的方法。电流源至少包括金属层和半导体层。给金属层和半导体层提供电连接，并可以提供磁场施加器。这些层之间的相互作用产生了自发电流。电荷穿越电流源的运动产生了电压，该电压上升到出现了平衡反向电流为止。如果负载被连接到电流源，则电流流经负载并耗散功率。所用的能量来自电流源中的热能，并且装置变冷。
参照图1，在一种实施例中，电流源100包括四个层102、104、106和108。这四个层包括源102、缓冲器104、过滤器106和收集器108。这四个层中的每个层接触至少一个其他层；即，源102接触缓冲器104，缓冲器104接触过滤器106，过滤器接触收集器108。引线110电连接到源102和收集器108，电流可以被从引线110引出。可以通过磁性源120(例如线圈)沿着与层102、104、106和108基本垂直的方向施加磁场B。
尽管层102、104、106和108各自被示为单一的层，但是这些层102、104、106和108中的一个或多个可以是多个层。源102、缓冲器104、过滤器106和收集器108的相互作用产生了自发电流。电荷穿越电流源100的运动产生了电压，该电压上升到出现了平衡反向电流为止。如果负载112通过引线110连接到电流源100，则电流流经负载112并耗散功率。所用的能量来自电流源中的热能100，并且电流源100变冷。
源102是在导带底部具有局域化能态的金属或金属混合物。图2a示意性示出了导带202底部的局域化能态204。费米面附近的电子与陷入局域化能态202上的局域化电子之间的相互作用偶尔使局域化的电子提高到费米面，如图2b以跃迁1所示的。用于这种跃迁的能量在大约1到6eV之间，并来自局域化的电子与多个自由电子发生碰撞的能量。正常的碰撞使电子返回局域化能态，并且在费米面上方产生过剩电子并在下方产生过剩空穴，如图2b中以跃迁2所示的以及在图2c中所示的。这些高能电子和空穴可以是电流的来源。局域化的电子与声子之间的相互作用也可能使局域化的电子提高到费米面。在此情况下，用于跃迁的能量来自多个声子。
合适的源金属具有至少两种特性。首先，源在其导带底部具有局域化能态。这些能态应当具有比导带底部处低的能量E，约0.01eV＜E＜约0.05eV。这些能态的数目应当足够少，从而使它们重叠较小。就是说，能态数目应当足够少，以使这些能级不简并(即，它们不延伸到与导带合并的杂质能带中)。在一种实施例中，浓度小于约1000ppm(百万分之一)。其次，源中发生图2b所示跃迁1的概率应当足够大以产生足够的高能电子。金属中局域化的能态可以以三种方式来产生：金属中的无序性(disorder)、少量杂质、或者被施加磁场(如图1所示)。
无序金属可以分为两类：纯金属以及混合物。过渡金属和稀土金属的原子具有部分填充的d壳层。过渡金属是以随着原子序数增大而填充内部d电子轨道(或壳层)为特征的元素。过渡金属包括原子序数为21至30、39至48、58至80以及89至112的元素，尤其是在国际纯化学与应用化学联盟(IUPAC)周期表中从钛到铜的元素以及处于它们下方的列中的那些元素。
由于d壳层的不完全填充，过渡金属具有随机定向的磁矩。这些壳层的磁矩的随机定向可以在这些金属中产生用于传导电子的无序电位。特别是，传导电子在原子上经历的电位可以取决于原子与最靠近其的相邻原子的磁矩的相对定向。大多数过渡金属具有每个原子有12个最接近的相邻原子的晶体结构。其余过渡金属大多数具有有8个最接近的相邻原子的结构。对于具有足够低的电位以在导带底部下方产生E＞约0.01eV的局部能态的原子，可以是其最接近的相邻原子中的9个具有与其磁矩对齐的磁矩，3个与其磁矩反向对齐。通过随机对齐的磁矩，具有局域化能态的原子比例可以足够低以满足以上所列条件。
正常条件更加复杂，因为大多数d壳层具有多于两个可能的定向(j＞1/2，其中j为角动量量子数)，但相同原理也适用。在铁磁性材料Fe、Co和Ni中，对于T＜Tc(居里温度)，相邻磁矩的相对定向不是随机的。在T＝0时，所有的磁矩都对齐，原子不存在具有比平均情况更低的电位的概率。随着温度升高，无序性增大。在某一温度To，一些原子可能具有局域化能态。随着温度进一步升高，局域化能态的数目增大。
在两种或更多种金属的混合物中，不同原子的随机位置可以产生无序的电位。混合物可以由常态下互溶的金属(例如Ni-Cu，Pd-Ag，Pt-Au)或者常态下不混合但能够以混合状态沉积的金属组成。常态下不混合的金属示例包括Fe-Co和Ti-V。
从无序金属转到包含杂质的金属，某些金属中的一些杂质可以产生局域化能态。对于非过渡金属(例如新的IUPAC记号中第2和第13-17列的那些)，杂质金属应当与母金属处于周期表中相同列，并通常在该列中处于更下方。例如，Ga或In可以用作Al中的杂质，或者，K或Rb可以用作Na中的杂质。但是，这些规则也存在例外；例如，Pb中的Bi杂质产生局域化能态。对于过渡金属，杂质金属可以与母金属处于相同的列，或者处于母金属所在列右侧的列。Ni中的Cu杂质是一种这样的示例。
杂质原子的浓度范围可以从小于1ppm直到上限，在所述上限情况下，隔离的局域化能态重叠并合并成无序的局域化能态。对于低浓度(＜1000ppm-百万分之1000)，所产生的高能电子的数目与杂质的浓度成比例。
除了提供杂质，还可以施加外部磁场来产生电流源。如果向金属施加磁场，则在导带底部产生了在两个维度局域化的能态(称为朗道能态)。为了产生朗道能态，金属基本上不存在无序性。例如，非过渡金属的纯度应当大于约99.9％(例如小于10ppm)。如图1所示，与源102的表面大体垂直地施加磁场B。
通常，电子从处于导带底部的局域化能态向费米面的激发发生得极少。可以通过下文中称为“概率放大”的处理来增大发生这种事件的频率。通过相邻原子的不完整d壳层与原子晶格的热振动(声子)之间的相互作用，概率放大可以发生在过渡金属中。在非过渡金属中，通过施加交变电场和非平行的磁场B，可以在金属的物理表面附近(例如约100埃之内)产生概率放大。
在给定的金属中，概率放大值可以赋予各个能带中的电子并赋予声子。例如，具有S能带和D能带的过渡金属具有概率放大值PAS(S能带)、PAD(D能带)和PAL(声子)。在许多金属中，电子的固有概率放大大于外部产生的概率放大，使得概率放大基本上与外部因素(例如所施加的磁场、所施加的电场、温度和压力)无关。对于具有一个导带的金属，对于电子的概率放大值与电子从原子向原子移动的容易性相反地变化。S电子移动最容易，所以PAS较小。P电子不太容易移动，所以PAP(P能带中的概率放大)较大。D电子移动的容易性小得多，所以PAD大得多。稀土金属中的F电子移动难度很高，以致它们根本不形成能带，因此这些规则不适用于它们。
同样的趋势也适用于金属之间。在Cr、Mo、W组中，d电子容易移动，所以PAD较小。在周期表中越向右侧，d电子越来越不活动，PAD增大，直到PAD最大的Ni、Pd、Pt组。各列中也有相同的变化。第5列原子的d壳层倾向于比第4列或第6列原子中更深。所以，例如Pd中的PAD比Ni或Pt中的PAD更大。对于具有多于一个导带的金属，原子中不同壳层中的电子之间的相互作用能够影响能带的概率放大。在过渡金属中，因为s壳层与d壳层之间的相互作用，PAS比非过渡金属中的PAS更大(但是仍然比PAD小得多)。在具有最大的PAD的那些过渡金属中PAS将最大。
电子和声子的概率放大PAL能够由外部因素影响。如上所述，能够靠近物理表面(例如在约100埃以内)获得PAL的一种方式是通过施加交变电场以及磁场。电场和磁场彼此不平行。
施加电场的一种方式是使相邻的一个或多个层(即缓冲层104或过滤器层106)是这样的材料：该材料具有高密度的光学活性局域化声子模式(phonon mode)。这样，材料具有大量振动的带电荷原子，产生交变电场。这种交变电场能够穿透到源102中较短距离。带电荷原子的典型振动频率延伸到约1012至1013Hz之间。对于约1013Hz的振动频率，例如铜具有200埃的趋肤深度。对于其他金属，该深度可以不同。
可以从外部施加磁场。在不同的实施例中，可以通过将电流源100置于螺线管120中(如图1所示)或者将永久磁体置于附近来施加磁场。然后可以通过改变所施加的磁场的强度来控制源102的输出。
另外，概率放大随着温度而增大。在低温下，每单位时间和单位体积内的激发数目dn/dt低于可检测极限，如图3a所示。在有限的开启温度(turn on temperature)To下，dn/dt变得可检测并随着温度迅速上升。对于给定金属的To值由局域化能态的性质以及概率放大的有效性来确定。可以通过使具体混合物的组分变化来在预定范围上连续变化混合物的To值。例如，在Cu-Ni合金中，在50％Cu-50％Ni的附近无序性最大。只有Ni原子具有不完整的d壳层，因此概率放大随着Ni含量的增大而增大。对于该系列合金，预计To随着组分变化的曲线图具有图3b所示的形状。
源102的厚度可以从几个原子厚度(约10埃)到对于整个电流源100期望的最大厚度内变化。对于约100埃以下的厚度，可以在源102的一侧或所有两侧使用缓冲器。
由于过渡金属具有无序性和概率放大，所以它们都可以被看作可选用的源金属。过渡金属中的许多具有过高而不实用的开启温度To。对于一些金属，开启温度的上边界可以用一系列温度下的热导率、电阻率和热电势(thermopower)数据来评估。洛仑兹数L由式(1)定义：
L＝(k*r)/T+S2               (1)
在式(1)中，k为热导率，r为电阻率，S为金属的热电势。L在高温下应当接近2.443x10-8watt-ohm/(℃)2的大小。与之具有显著偏差的七种金属是Mo、W、Ni、Pd、Pt、Fe和Co。表1、表2a和2b、表3以及图4a、图4b和图4c示出了对于Pd、W和Ni的数据。表中的ΔK为除了由于金属中存在的传导电子导致的热导率之外要达到测得的L的附加热导率的量。ΔK可以用测得的k、r和S由式(1)计算。如果该附加热导率来自晶格的热导率(唯一的常规可能性)，则对于比金属的德拜温度高的温度，其值应当与1/T成比例。ΔK中不可归因于晶格热导率的任何部分(特别是随着温度增大的ΔK)都可以是来自电子从局域化能态的激发的热导率的标志——意味着金属中存在局域化能态以及概率放大。但是，尽管这七种金属可以制造良好的源金属，但单独使用L随T变化的数据不能排除使用金属。局域化能态的激发并不总是影响热导率和电导率。可以以相同的方式来研究金属的混合物。Cu-Ni、Ag-Pd和Au-Pt合金可以是良好的源材料。
表1钯(Pd)
Figure G2006800528020D00081
表2a钨(W)
Figure G2006800528020D00082
表2b钨
  T1   T2   ΔK(T1)/ΔK(r2) ΔK(T1)/ΔK(T2)理论
  400   600   1.47 1.50
  600   800   1.29 1.33
  800   1000   1.13 1.25
  1000   1200   1.10 1.20
  1200   1400   1.02 1.17
表3镍(Ni)
  T(K) 导热率(watts/cm*deg) 电阻率(ohm-cm)*10<sup>6</sup> 热电势(microvolts/deg)   L+S<sup>2</sup>(x10<sup>3</sup>)   ΔK(watts/cm*deg C)
  100   1.64   .986 -8.50   1.62   0.21
  150   1.22   2.237 -10.98   1.83   0.11
  200   1.07   3.703 -13.45   2.00   0.07
  250   .975   5.384 -16.55   2.13   0.06
  300   .907   7.237 -19.52   2.23   0.05
  400   .802   11.814 -23.99   2..43   0.07
  500   .722   17.704 -25.75   2.62   0.10
  600   .656   25.554 -22.16   2.84   0.13
  1000   .718   41.496 -29.85   3.07   0.15
  1200   .762   46.728 -35.42   3.09   0.167
这些表格示出了三种情况。对于Pd，ΔK随着T从100K至1200K单调增大。难以对To进行估计，但是200K是可靠的上边界。对于Ni，在低温下ΔK随着T降低，在300K达到最小值，并且对于T＞300K的情况随着T增大。300K的上边界是安全的上边界。这与我们对于Ni的无序性的理解是一致的。镍在低于620K时是铁磁性的。在OK，所有的局部磁矩都对齐，因此不会因其而有无序性。随着温度升高，越来越多的磁矩不对齐，直到620K时它们都指向随机方向。在OK与620K之间的温度下，将存在恰当的无序性的量，这个量大到足以具有激发并且小到足以具有大的局域能态。Fe和Co示出了相同的行为，To(Fe)约为370K而To(Co)约为500K。这三种铁磁性金属中的少量杂质可以降低其居里温度，这也会降低To。对于W，ΔK从不随着温度增大，但是对于两个不同的温度(如表2b所示)，ΔK之比与对于纯的晶格传导性所预期的情况不同，而与不随温度变化的局域化能态的激发对于热导率的附加贡献一致。难以估计To，但是看起来在T＝800K存在激发。注意，对于金属的To的这些估计是对这些金属的内部进行的，由于靠近表面处的概率放大的程度不同，靠近表面处的To值可能不同。
过渡金属中可能是源金属最佳候选者的七种金属是Mo、W、Ni、Pd、Pt、Fe和Co。对于这些金属各自的L随T变化的数据表明存在着激发。与这些金属之一处于同一列、但其L随T变化的数据未表现出激发的证据的过渡金属也可能有希望。这些金属包括Cr、Ru、Rh、0s和Ir。其余的过渡金属与已经提及的这些金属相比，可能是较差的候选者。
已经讨论了带有隔离的杂质原子的源金属。如果宿主(host)金属是过渡金属，则概率放大可以对于该金属是固有的。如果宿主金属是不带有产生无序性的杂质的非过渡金属，则可以从金属外部提供概率放大。如果由磁场产生局域化能态，则在不施加磁场的情况下金属基本上没有无序性。在此情况下，可以使用任何纯的非过渡金属，例如Al或Sn。产生朗道能态的磁场可以用于概率放大。
转向缓冲器104，缓冲器104允许在与源102的表面足够接近处发生源102中的激发过程，使得远离费米能量的过剩电子和过剩空穴中显著的一部分到达源102的表面。为了发生这种情况，局域化能态所在的源102中导带的底部与缓冲器104的禁带对齐。合适的缓冲器104可以是金属、绝缘体或半导体。缓冲器104应当足够薄(约10-50埃)，使高能电荷(电子或空穴)大部分穿透到过滤器106。例如，如果缓冲器104是绝缘体，则来自源102的电荷可以隧穿缓冲器104到达过滤器106。
图5a和图5b图示了两种情况。图5a图示了对于特定的源不适于作为缓冲器的材料的能带图。如图5a所示，源102中的局域化能态和导带底部与缓冲器104的导带对齐，而源102和缓冲器104的导带顶部偏移了能量ΔE1。形成缓冲器104的材料的存在破坏了源102中在靠近界面处发生激发的条件。在此情况下，如所附曲线图所示，高能电子的数目随着离界面的距离而增大。如图5b所示，源102中的局域化能态和导带底部偏移了能量ΔE2，源102和缓冲器104的导带顶部对齐。如果过滤器106的能带与源102正确地对齐，则可以消除缓冲器104并因而可以由过滤器106作为缓冲器。在此情况下，如图所示，高能电子的数目不随着离界面的距离而变化。
转向过滤器106，过滤器106用来传导源于源102的高能电荷并阻挡与费米面接近的电子流。在一种实施例中，过滤器106包含半导体，例如元素半导体(例如Si或Ge)或者化合物半导体(例如III-V族半导体)。或者，过滤器106可以包含绝缘体，例如SiO2、CaO或AlN。在各种实施例中，过滤器106可以传导高能电子和/或空穴，同时阻挡其他的电荷载流子。例如在一种实施例中，过滤器106传导高能电子并阻挡所有的其他电荷。在另一种实施例中，过滤器106传导高能空穴并阻挡所有的其他电荷。在另一种实施例中，高能电子和高能空穴都穿过过滤器106传输。在上述最后一种情况中，电流源100的输出电流极性由占主要地位的电荷载流子来确定。下文中将参照图6详细说明这些实施例。
收集器108可以是金属或重度掺杂的半导体(例如1017cm-3或更高的掺杂剂)，并可以具有大于约10埃的任何厚度。如果对收集器108进行外部电连接，则其至少应为1微米以上的厚度。收集器108可以在某些情况下被选择为与半导体过滤器106构成欧姆接触，并在其他情况下构成整流接触。如图8所示，费米能级的表面能态箝位(pinning)很大地确定了金属与半导体之间的势垒大小。在此情况下可以通过对过滤器106的收集器那侧进行重度掺杂，来在过滤器106与收集器108之间构成欧姆接触。如图9所示，可以在缓冲器层那侧的半导体进行轻度掺杂来在缓冲器-过滤器界面处构成整流接触。在此情况下对收集器金属的选择可以基于与相邻层的相容性。例如Sn可以是一种良好的选择。
如果过滤器106是II-VI族半导体或者不具有表面能态箝位的其他半导体，则可以由金属的费米能级与半导体的导带和价带边缘的相对位置来确定半导体与金属之间的接触性质。例如，Pd和Pt与ZnO形成整流接触。Sn和Al与ZnO形成欧姆接触。
源金属中的激发过程使得与平衡统计力学预计的结果相比，有更多电子和空穴远离费米能量。缓冲器104允许这些高能电荷到达源102的表面，并且进入和穿过缓冲器104而进入过滤器106。过滤器106允许高能电荷中的一些穿透而进入收集器108。由于收集器108是普通金属，所以没有能够穿过过滤器106的多余高能电荷。因此，电荷在收集器108处堆积并且电场在过滤器106中发展。电场增大到发展出沿相反方向流动的平衡电流。如果电场增大得过大，则半导体中会出现击穿，破坏其过滤能力。
另外，过滤器106和收集器108还允许足够的反向电流流动以便不发生击穿。这可以以多种方式来实现。如果半导体足够薄(约50埃)，则可能发生从收集器108到缓冲器104或源102的隧穿。如果半导体具有足够的缺陷(例如无定形硅或锗)，则可能发生穿过禁带中部的缺陷能态的导通。如果收集器金属与过滤器层半导体形成欧姆接触，则形成了肖特基二极管。随着收集器中的电荷堆积，肖特基二极管沿收集器-源的方向受到正向偏置，并能够发展出平衡反向电流。
如果过滤器106中的半导体未掺杂，则具有固有的高阻，过滤器106的厚度被限制在约100至200埃以防止可能给输出电流产生不稳定性的空间电荷效应。如果半导体被掺杂或具有低阻，则厚度可以高于约100埃。
可能的半导体包括Si、Ge、GaAs、AlAs、AlSb、SnO2等。可以使用的绝缘体包括MgO和CaO。如果半导体还如前所述提供概率放大，则其具有大量的局域化声子模式。混合物半导体包括例如AlxGa1-xAs或AlAsxSb1-x或ZnOxS1-x，其中x可以从约0.25至0.75变化。这些混合物是良好的半导体，但是具有带有许多局域化模式的无序声子谱。这些模式提供了交变电场，所述交变电场在与外部施加的磁场组合时提供了源中的概率放大。也可以使用更加复杂的半导体，例如有机半导体。
如前所述，电流源100包括金属和半导体和/或绝缘体的一系列薄层102、104、106和108。这些层102、104、106和108可以由真空沉积来制造，使得它们彼此接触。不同的真空沉积技术可以适合于制造电流源100。这些真空沉积技术包括溅射、化学气相沉积以及电子束蒸发。
沉积发生于真空室中。室包括能够维持真空的容器。室还具有电馈通(feedthrough)，其使得电流能够被馈送到室内的导线；以及通过真空管线和阀门连接到真空泵的运动馈通，所述运动馈通能够使得靶材在容器内运动。真空室在沉积过程中维持小于约10-6torr的真空。要蒸发的材料被置于例如由钨丝制成的圆锥篮子中。如果要蒸发的材料是细线或箔片形式，则可以简单地将其围绕钨丝缠绕。钨丝的一端连接到电馈通，而钨丝的另一端连接容器的壁，所述壁用于电接地。如果从外部向电馈通施加电压，则电流流经钨丝，对钨丝以及与之接触的材料加热。通过足够的电流，该材料被加热到足以蒸发。由于其处于真空中，所以原子基本上沿所有方向均匀发射。靶材被置于与运动馈通相连的载具上，从而能够被移动到最佳位置以接收所蒸发的材料。在良好的近似下，由于材料沿所有方向基本均匀地蒸发，所以撞击到靶材的量以及所得的层的厚度可以由简单的几何关系以及对篮子中的材料量和从篮子到靶材的距离的了解来计算。在一个层的沉积完成时，靶材被移动到新的位置，电流流经保持了用于下一层的材料的另一个篮子并重复该过程。由此制造了各个层而不在界面处产生大量杂质。在选择用于将层相接的材料时应注意，因为所沉积的材料可能不是均匀地涂敷靶材，而是在靶材顶部形成岛状，特别是对于过于薄的层。
一种示例装置包括钢衬底，钢衬底上形成有一系列层。这些层可以包括1000埃的Sn、100埃的Ge、30埃的Pb和1000埃的Pd。30埃的Pb层形成缓冲器。这个系列可以根据需要而重复多次。在将这个系列重复了所需次数之后，沉积1微米的Sn的最终层。如果破坏真空来重新装载材料，则它可以在Pd沉积之后进行。这会在Pd与接着的Sn层之间引入PdO的薄层(约20埃)。1000埃的Sn层形成收集器层，Ge形成过滤器，30埃的Pb层形成缓冲器，Pd形成源。
钢衬底可以是具有约1cm直径的传统钢衬垫。钢衬底被清洁、用蒸馏水清洗、并例如用氮气干燥。钢衬底还可以被用软棉布擦亮到以合适的亮度闪光。可以沉积单一的层，例如Sn。如果这个层是能够用粘合剂(例如透明胶带)除去的，则衬底被再次清洁。
在合适的清洁之后，这个片被放在载具上，沉积材料被放在篮子中或细线上。为了沉积上述层，将Sn被放在篮子中，Ge放在篮子中，Pb放在篮子中，并将Pd线围绕钨丝缠绕。将系统排空并连续抽吸直到获得10- 6torr的真空。在真空系统的一种示例中，这需要约2小时。
在获得上述真空时，可以开始沉积。首先沉积1000埃的Sn，然后沉积100埃的Ge，随后是30埃的Pb。这个阶段的Ge是无定形的形式。衬底被加热到400k持续30分钟，以将无定形Ge改变为多晶Ge层。在形成多晶Ge层之后，沉积1000埃的Pb，其中Pd用Ag掺杂。为了重复这个系列，室被打开并重新装载Sn、Ge、Pb和Pd。室被排空并重复该系列。最后，沉积1微米的Sn层。然后通过导电环氧材料或焊接将金属导体安装到片的顶部和底部以构成电连接。
图6a、图6b和图6c示出了不同电流源的实施例的能带图。在这些实施例中的每一者中，源102的导带顶部与收集器108的导带顶部对齐。在图6a所示的实施例中，源102中已被激发的电子隧穿缓冲器104并穿过过滤器106迁移到收集器108的导带的空的部分中。如图所示，过滤器106的价带顶部处于源102的导带底部下方(即具有比其低的能量)。换言之，过滤器106(半导体或绝缘体)的带隙底部低于源102的导带底部。这样，由于过滤器106的带隙中没有能态，所以通过电子的激发在源102中产生的空穴保留在源102中。
但是，在图6b所示的实施例中，过滤器106的价带延伸到源102的导带底部上方，同时导带底部处于比受激发电子的能量更高的能量。这样，源102中的空穴隧穿缓冲器104并穿过过滤器106迁移到收集器18的导带的被占据部分中，同时源102中产生的受激发电子保留在源102中，因为过滤器106的带隙中没有能态。
在图6c所示的实施例中，源102中已被激发的电子以及局域化能态中留下的空穴都隧穿缓冲器104并穿过过滤器106迁移。电子迁移到收集器108的导带中空的部分中，空穴迁移到收集器108的导带中被占据的部分中。由图可见，过滤器106的带隙足够小，使得过滤器106的价带顶部高于源102的导带底部，并且过滤106的导带底部处于源102中受激发的电子的能级以下。
图7a、图7b和图7c示出了不同电流源的能带图以及有关的等效电路图和电流-电压曲线图。如图7a所示，电子从源102向收集器108的导带中空的部分迁移，形成了正向电流I0。另外，收集器108的导带中被占据的部分中的电子从收集器108隧穿过滤器106的带隙去往源102的收集器，从而形成了反向电流IT。反向电流IT的大小与电流源100两端的电压、收集器108的导带的被占据部分顶部的能量与过滤器106的导带底部之间的差成比例，并随着过滤器106的厚度增大而以指数方式减小。如图所示，由于电流源100的等效电路图看起来与并联了电阻器R(电流源100的电阻)的理想电流源一样，所以电流源100两端的电压与电阻R成比例。这样，尽管正向电流I0为常数，但反向电流IT随着电流源100两端的电压V0而线性增大。
如图7b所示，能够引起反向电流的另一种机制是由过滤器106的带隙中跳变的缺陷产生的电流。就是说，如果例如由于过滤器106的晶格中的瑕疵而在过滤器106中存在缺陷，并且这些缺陷在带隙中产生了缺陷能态，则可能产生缺陷电流ID。与图7a类似，图7b中电流源100的等效电路图看起来与并联了电阻器R(电流源100的电阻)的理想电流源一样。这样，尽管正向电流I0为常数，但反向电流ID随着电流源100两端的电压V0而线性增大。
如图7c所示，能够引起反向电流的另一种机制是因为源102和收集器108的存在而在过滤器106中建立的内部电场所产生的电流。就是说，在制造电流源100时，过滤器106的导带和价带边缘可能在收集器108与缓冲器104(如果存在的话)之间的界面处箝位。这接着可能在源102与收集器108的导带对齐时造成过滤器106中的导带和价带弯曲，从而建立内部电场。在此情况下，图7c中电流源100的等效电路图看起来与并联了二极管D(电流源100的电阻)的理想电流源一样。由于二极管中的电流随着电压以指数方式增大，所以同样，尽管正向电流I0为常数，但反向电流IDIODE随着电流源100两端的电压V0而线性增大。
注意，说明书以及附图应当以示例性而不是限制性的方式来看待，所有这些变更形式都应认为包括在本发明的范围内。这里所用的词语“包括”或其任何变化形式应当认为覆盖了开放式的包括关系，因此包括一系列要素的过程、方法、物品或设备并非仅仅包括这些要素，而是可以包括未显式列出的其他要素或者这些过程、方法、物品或设备固有的要素。
因此，上述详细说明应当以示例性而不是限制性的方式来看待，可以理解，应当认为所附权利要求(包括所有等同形式在内)限定了本发明的精神和范围。上文说明中的任何内容都不应认为缩小了要求保护的发明及其等同形式的范围。

Claims (40)

1.一种电流源，包括：
源，其包括金属，所述金属具有导带、所述导带的底部处局域化的能态、以及概率放大；
过滤器，其具有导带并与所述源连接，其中，
所述金属的导带的最低能级小于所述过滤器的导带的最低能级；和
收集器，其经过所述过滤器与所述源连接。
2.根据权利要求1所述的电流源，其中，所述金属包括无序的金属。
3.根据权利要求2所述的电流源，其中，所述金属包括多种不同金属，其中，所述不同金属的原子以随机方式布置。
4.根据权利要求1所述的电流源，其中，所述金属包括纯的过渡金属。
5.根据权利要求1所述的电流源，其中，所述金属包括杂质。
6.根据权利要求5所述的电流源，其中，如果所述金属包括非过渡金属，则所述杂质是与所述非过渡金属在周期表中处于相同列的杂质，并且如果所述金属包括过渡金属，则所述杂质是与所述过渡金属处于相同列的杂质或处于所述过渡金属所在列右侧的列的杂质。
7.根据权利要求5所述的电流源，其中，所述金属包括铅，所述杂质包括铋。
8.根据权利要求1所述的电流源，还包括磁场源，所述磁场源施加与所述源垂直的磁场，所述金属没有无序性。
9.根据权利要求8所述的电流源，还包括电场源，所述电场源向所述源施加交变电场，所述电场与所述磁场不平行。
10.根据权利要求9所述的电流源，其中，所述电场源包括所述源的相邻层，所述相邻层具有高密度的光学活性局域化的声子模式。
11.根据权利要求1所述的电流源，还包括所述源与所述过滤器之间的缓冲器，所述缓冲器包括金属、半导体或绝缘体中的至少一种，其中，所述缓冲器具有导带，使得所述源的金属的导带的最低能级小于所述缓冲器的导带的最低能级。
12.根据权利要求11所述的电流源，其中，所述缓冲器的厚度为10-50埃。
13.根据权利要求1所述的电流源，还包括衬底，多个结构形成于所述衬底上，每个结构包括所述源、所述过滤器和所述收集器。
14.根据权利要求1所述的电流源，其中，所述金属包括非过渡金属，所述概率放大可产生于所述金属的物理表面的100埃以内。
15.一种电流源，包括：
源，其包括金属，所述金属具有导带、所述导带的底部处局域化的能态、以及概率放大；
缓冲器，其接触所述源，所述缓冲器具有导带以及足以允许电荷载流子穿过其的厚度，
其中，所述金属的导带的最低能级小于所述缓冲器的导带的最低能级；
半导体过滤器，其接触所述缓冲器；和
收集器，其接触所述过滤器。
16.根据权利要求15所述的电流源，其中，所述金属包括无序的金属。
17.根据权利要求16所述的电流源，其中，所述金属包括多种不同金属，其中，所述不同金属的原子以随机方式布置。
18.根据权利要求15所述的电流源，其中，所述金属包括纯的过渡金属。
19.根据权利要求15所述的电流源，其中，所述金属包括杂质，使得如果所述金属包括非过渡金属，则所述杂质是与所述非过渡金属在周期表中处于相同列的杂质，如果所述金属包括过渡金属，则所述杂质是与所述过渡金属处于相同列的杂质或处于所述过渡金属所在列右侧的列的杂质。
20.根据权利要求15所述的电流源，还包括磁场源和电场源，所述磁场源施加与所述源垂直的磁场，所述电场源向所述源施加交变电场，所述电场与所述磁场不平行，所述金属没有无序性。
21.根据权利要求20所述的电流源，其中，所述缓冲器包括高密度的光学活性局域化的声子模式，所述电场源包括所述缓冲器。
22.根据权利要求21所述的电流源，还包括衬底，多个结构形成于所述衬底上，每个结构包括所述源、所述缓冲器、所述过滤器和所述收集器。
23.一种形成电流源的方法，所述方法包括：
在衬底上沉积源，所述源包括金属，所述金属具有导带、所述导带的底部处小于1000ppm的局域化能态、以及概率放大；
在所述源上沉积过滤器；和
在所述过滤器上沉积收集器。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括在沉积所述过滤器之前在所述源上沉积缓冲器，使得所述缓冲器布置于所述源与所述过滤器之间，所述缓冲器包括半导体或绝缘体中的至少一种。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述金属包括无序的金属。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述金属包括多种不同金属，其中，所述不同金属的原子以随机方式布置。
27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述金属包括纯的过渡金属。
28.根据权利要求23所述的方法，其中，所述金属包括杂质，并且如果所述金属为非过渡金属，则所述杂质是与所述非过渡金属在周期表中处于相同列的杂质，如果所述金属是过渡金属，则所述杂质是与所述过渡金属处于相同列的杂质或处于所述过渡金属所在列右侧的列的杂质。
29.根据权利要求23所述的方法，还包括提供磁场源，所述磁场源施加与所述源垂直的磁场，所述金属没有无序性。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，所述源的相邻层包括电场源，所述电场源向所述源施加交变电场，所述电场与所述磁场不平行，所述相邻层具有高密度的光学活性局域化的声子模式。
31.根据权利要求23所述的方法，其中，所述金属为非过渡金属，所述概率放大可产生于所述金属的物理表面的100埃以内。
32.根据权利要求23所述的方法，其中，所述源、所述过滤器和所述收集器的沉积是在真空室中的真空下进行的。
33.根据权利要求23所述的方法，还包括在所述衬底上沉积多个结构，每个结构包括所述源、所述过滤器和所述收集器。
34.一种装置，包括：
电流源，其包括多个层，所述多个层包含相邻的第一层和第二层，所述第一层和所述第二层中的每一个具有导带，其中，所述第一层具有所述导带的底部处的局域化的能态以及概率放大，所述第一层的所述导带的最低能级小于所述第二层的所述导带的最低能级；和
负载，其连接到所述层，
其中，所述层的相互作用产生由所述电流源中的热能产生的自发电流，使得所述电流流经所述负载并使功率被耗散。
35.根据权利要求34所述的装置，其中，由热能产生电荷的所述多个层的所述第一层包括无序的金属。
36.根据权利要求35所述的装置，其中，所述金属包括多种不同金属，其中，所述不同金属的原子以随机方式布置。
37.根据权利要求34所述的装置，其中，由热能产生电荷的所述多个层的所述第一层包括纯的过渡金属。
38.根据权利要求34所述的装置，其中，由热能产生电荷的所述多个层的所述第一层包括包含杂质的金属，如果所述金属为非过渡金属，则所述杂质是与所述非过渡金属在周期表中处于相同列的杂质，并且如果所述金属是过渡金属，则所述杂质是与所述过渡金属处于相同列的杂质或处于所述过渡金属所在列右侧的列的杂质。
39.根据权利要求34所述的装置，还包括磁场源和电场源，其中，由热能产生电荷的所述多个层的所述第一层包括没有无序性的金属，所述磁场源施加与所述第一层垂直的磁场，所述电场源向所述第一层施加交变电场，所述电场与所述磁场不平行。
40.根据权利要求39所述的装置，其中，所述多个层中与所述第一层接触的所述第二层包括高密度的光学活性局域化的声子模式，并且所述电场源包括所述第二层。
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