Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ Дата публикации и выдачи патента УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ Изобретение относится к источнику тока и способу его формирования. Источник тока включает металлический источник, буферный слой, фильтр и коллектор. Обеспечено подключение к металлическому слою и слою полупроводника, можно также обеспечить источник магнитного поля. Металл источника имеет локализованные энергетические уровни на нижней границе зоны проводимости и увеличение вероятности. Взаимодействие различных слоев производит спонтанный ток. Движение зарядов через источник создает напряжение, которое растет до возникновения выравнивающего обратного тока. Если к источнику тока подключить нагрузку, ток потечет через нагрузку, будет выделяться энергия. Энергия для этого поставляется от тепловой энергии в источнике тока, устройство при этом охлаждается. 015843 Область техники Настоящее изобретение относится к источнику тока. Более конкретно, настоящее изобретение относится к источнику тока, содержащему металлы, полупроводники и диэлектрики. Предпосылки создания изобретения В твердых телах существует несколько энергетических зон. Эти энергетические зоны включают валентную зону и зону проводимости. Зона проводимости находится в области более высокой энергии, чем валентная зона. Каждая энергетическая зона содержит множественные энергетические уровни, в которых может присутствовать заряженный носитель (электрон или дырка). В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости отделена от валентной зоны запрещенной зоной. В запрещенной зоне, по существу,нет энергетических уровней. В полупроводниках и диэлектриках при нулевой температуре и в невозбужденных состояниях энергетические уровни в валентной зоне полностью заняты электронами, в то время как энергетические уровни в зоне проводимости полностью заняты дырками, т.е. свободны от электронов. В металлах, с другой стороны, зона проводимости и валентная зона - одно и то же. Таким образом, металлы являются высокопроводящими, поскольку электроны, по существу, свободно перемещаются с занятых энергетических уровней на свободные энергетические уровни. В идеальном случае, в диэлектриках или беспримесных полупроводниках, с другой стороны, проводимость относительно низка, потому что электроны полностью занимают валентную зону, и таким образом нет доступных энергетических уровней, на которые электроны в состоянии переместиться. Однако в диэлектриках или беспримесных полупроводниках есть ограниченная проводимость, имеющая место благодаря тепловому возбуждению. Некоторые из электронов в валентной зоне получают достаточную энергию для перехода через ширину запрещенной зоны. Как только электроны попадают в зону проводимости, они могут проводить электричество, как это может дырка, оставленная позади в валентной зоне. По мере увеличения ширины запрещенной зоны, проводимость уменьшается по экспоненте. Таким образом, ширина запрещенной зоны равна нулю в металле, поскольку зона проводимости и валентная зона перекрываются, больше чем приблизительно 4 эВ в диэлектрике (например, 8.0 эВ для SiO2), и лежит между нулем и приблизительно 4 эВ в полупроводнике. Энергетические зоны показаны в импульсном интервале времени. Это означает, что энергетические зоны твердого тела показаны во взаимодействии между доступными энергетическими уровнями через энергию и количество движения. При характеристике твердых тел используются и другие концепции. Например, в физике твердого тела поверхность Ферми часто используется для описания различных аспектов твердого тела. Поверхность Ферми - абстрактная граница или интерфейс, используемый для характеристики и прогнозирования тепловых, электрических, магнитных и оптических свойств металлов,полуметаллов и полупроводников. Поверхность Ферми связана с периодичностью решетки, которая формирует кристаллическое твердое тело (т.е. с расстоянием между элементами, формирующими решетку) и с занятостью электронных энергетических зон в таких материалах. Поверхность Ферми определяет поверхность постоянной энергии в импульсном пространстве. Поверхность Ферми при абсолютном нуле отделяет незаполненные энергетические уровни от заполненных энергетических уровней. Электрические свойства материала определяются формой поверхности Ферми, потому что ток имеет место из-за изменений в занятости энергетических уровней около поверхности Ферми. Многие электронныеи другие устройства используют металлы, диэлектрики и полупроводники. Одним из примеров такого устройства является источник тока. Источник тока - устройство, которое поставляет, по существу, постоянное количество тока независимо от напряжения на его полюсах. Идеальный источник тока обеспечивает напряжение, используемое для поддержания заданного тока. Многие электронные устройства используют компоновки схем, которые содержат источники тока. Краткое описание фигур Настоящее изобретение иллюстрируется посредством примера и не ограничено сопровождающими фигурами, в которых подобные ссылки указывают на сходные элементы. Фиг. 1 иллюстрирует один вариант источника тока. Фиг. 2 а-2 с показывают диаграмму энергетических зон, иллюстрирующую электронные переходы в варианте источника на фиг. 1. Фиг. 3 а, 3b представляют графики скорости возбуждений от температуры и минимальной температуры обнаружения для соединений никеля соответственно в варианте источника на фиг. 1. Фиг. 4 а-4 с - графики L для W, Pd и Ni от температуры соответственно в варианте источника на фиг. 1. Фиг. 5 а и 5b иллюстрируют диаграммы энергетических зон источника и различных буферов в варианте фиг. 1. Фиг. 6 а-6 с показывают диаграммы энергетических зон вариантов различных источников тока. Фиг. 7 а-7 с показывают диаграммы энергетических зон и соответствующие эквивалентные цепи - и графики ток - напряжение для вариантов различных источников тока. Фиг. 8 показывает диаграмму энергетических зон области фильтр - коллектор варианта источника тока.-1 015843 Фиг. 9 показывает диаграмму энергетических зон области источник - буфер - фильтр варианта источника тока. Специалистам понятно, что элементы на фигурах изображены для простоты и ясности и не обязательно представлены в масштабе. Подробное описание Представлены источник тока и способ изготовления источника тока. Источник тока включает, по крайней мере, слой металла и слой полупроводника. К слою металла и слою полупроводника обеспечено электрическое соединение; также можно обеспечить приложение магнитного поля. Взаимодействие слоев производит спонтанный ток. Движение заряда через источник тока создает напряжение, которое повышается, до возникновения выравнивающего обратного тока. Если нагрузку соединить с источником тока, ток течет через нагрузку и выделяется энергия. Энергия для этого поставляется от тепловой энергии в источнике тока, и устройство охлаждается. Обратимся теперь к фиг. 1, в одном варианте источник тока 100 включает четыре слоя 102, 104, 106,и 108. Эти четыре слоя включают источник 102, буфер 104, фильтр 106 и коллектор 108. Каждый из этих четырех слоев связан по крайней мере с одним другим слоем; т.е. источник 102 контактирует с буфером 104, буфер 104 контактирует с фильтром 106, а фильтр контактирует с коллектором 108. Выводы 110, с которых может быть извлечен ток, электрически связаны с источником 102 и коллектором 108. Магнитное поле В может быть приложено в направлении, по существу перпендикулярном слоям 102, 104, 106,108, посредством источника магнитного поля 120, такого как катушка. Хотя слои 102, 104, 106 и 108 показаны как отдельные слои, один или более этих слоев 102, 104,106 и 108 могут представлять множественные слои. Взаимодействие источника 102, буфера 104, фильтра 106 и коллектора 108 создает спонтанный ток. Движение заряда через источник тока 100 создает напряжение, которое повышается, пока не появляется выравнивающий обратный ток. Если нагрузка 112 связана с источником тока 100 через выводы 110, ток течет через нагрузку 112 и выделяется энергия. Энергия для этого поставляется от тепловой энергии в источнике тока 100, а источник тока 100 охлаждается. Источник 102 представляет собой металл или смесь металлов, которые имеют локализованные энергетические уровни на нижней границе зоны проводимости. Ограниченные энергетические уровни 204 на нижней границе зоны проводимости 202 показаны схематично на фиг. 2 а. Взаимодействия между электронами около поверхности Ферми и локализованными электронами, захваченными локализованными энергетическими уровнями 202, иногда поднимают локализованные электроны к поверхности Ферми, как показано на фиг. 2b как переход 1. Энергия для этого перехода приблизительно составляет между 1 и 6 эВ и поставляется от энергии столкновений локализованного электрона с множественными свободными электронами. Нормальные столкновения возвращают электрон на локализованный энергетический уровень и создают дополнительные электроны выше поверхности Ферми, а дополнительные дырки ниже, как показано на фиг. 2b как переход 2 и на фиг. 2 с. Эти активные электроны и дырки могут быть источником тока. Взаимодействия между локализованными электронами и фононами могут также поднять локализованные электроны к поверхности Ферми. В этом случае энергия для перехода поставляется от многочисленных фононов. Подходящий в качестве источника металл имеет по крайней мере два свойства. Первое, источник имеет локализованные энергетические уровни у нижней границы его зоны проводимости. Эти энергетические уровни должны иметь энергию Е, приблизительно 0.01 эВЕприблизительно 0.05 эВ ниже нижней границы зоны проводимости. Количество этих энергетических уровней должно быть достаточно низким так, чтобы их перекрытие было маленьким. Следует отметить, что число энергетических уровней должно быть достаточно маленьким так, чтобы уровни не вырождались (т.е. они не распространяются в примесную зону, которая сливается с зоной проводимости). В одном варианте концентрации меньше чем приблизительно 1000 ppm (часть на миллион). Второе, вероятность перехода 1, показанного на фиг. 2b,происходящего в источнике, должна быть достаточно большой, чтобы создать достаточно активных электронов. Локализованные энергетические уровни в металле могут быть созданы тремя способами: неупорядоченной структурой в металле, небольшими количествами примесей или приложенным магнитным полем (показано на фиг. 1). Металлы с неупорядоченной структурой могут быть разделены на два класса: чистые металлы и смеси. Атомы переходных металлов и редкоземельных металлов имеют частично заполненныеd-оболочки. Переходные металлы - элементы, которые характеризуются заполнением внутренней d электронной орбиты (или оболочки), с возрастанием атомного числа. Переходные металлы включают элементы с атомным числом от 21 до 30, от 39 до 48, от 58 до 80 и от 89 до 112, т.е. от титана до меди и элементы, лежащие в колонках рядом в Периодической таблице Международного союза теоретической и прикладной Химии (IUPAC). Переходные металлы имеют беспорядочно ориентированные магнитные моменты из-за неполного заполнения d-оболочки. Случайная ориентация магнитных моментов этих оболочек может создавать беспорядочный потенциал для электронов проводимости в этих металлах. В частности, потенциал, который электрон проводимости приобретает, когда находится на атоме, может зависеть от относительных ориентации магнитных моментов атома и его ближайших соседей. Большинство переходных металлов-2 015843 имеют кристаллическую структуру, в которой каждый атом имеет 12 ближайших соседей. Большинство остальных переходных металлов имеет структуру с 8 ближайшими соседями. Может быть, что для атома,имеющего достаточно низкий потенциал, для создания локализованных энергетических уровней с Еприблизительно 0.01 эВ ниже нижней границы зоны проводимости, 9 из ближайших соседей имеют магнитные моменты, выровненные с его магнитным моментом, а 3 имеют магнитные моменты, противоположные его магнитному моменту. При беспорядочно ориентированных магнитных моментах доля атомов с локализованными энергетическими уровнями может быть достаточно низкой, чтобы удовлетворить упомянутым выше условиям. Обычная ситуация более сложна, потому что большинство d-оболочек имеет больше чем две возможные ориентации (j1/2, где j - квантовое число углового момента), но может применяться тот же самый принцип. В ферромагнитных металлах Fe, Co и Ni относительные ориентации соседних магнитных моментов не случайны для ТTC (температура Кюри). При Т=0 все магнитные моменты выровнены и отсутствует возможность атома, имеющего более низкий потенциал, чем среднее число. По мере увеличения температуры увеличивается структурная неупорядоченность. При некоторой температуре To становится возможным для некоторого количества атомов иметь локализованные энергетические уровни. По мере дальнейшего увеличения температуры число локализованных энергетических уровней возрастает. В смесях двух или более металлов случайные положения различных атомов могут создавать неупорядоченный потенциал. Смеси могут состоять из металлов, которые обычно "растворяются" друг в друге,таких как Ni-Cu, Pd-Ag,Pt-Au, или металлов, которые обычно не смешиваются, но могут быть осаждены в смешанном состоянии. Примеры металлов, которые обычно не смешиваются, включают Fe-Co и Ti-V. Обратимся от металлов с неупорядоченной структурой к металлам, содержащим примеси, некоторые примеси в определенных металлах могут создавать локализованные энергетические уровни. Для непереходных металлов (тех, что находятся в колонке 2 и 13-17 в новой редакции IUPAC) металл примеси должен иметь ту же самую колонку периодической таблицы, что и основной металл, и обычно находится в колонке ниже. Например, Ga или In может использоваться в качестве примеси в Al или K, или Rb может использоваться как примесь в Na. Однако есть также исключения для этих правил; например, примеси Bi в Pb создают локализованные энергетические уровни. Для переходных металлов металл примеси может быть в той же самой колонке, что и основной металл, или в колонке справа от колонки основного металла. Cu в Ni - один такой пример. Концентрация атомов примеси может составлять меньше чем от 1 ppm до верхнего предела, в котором изолированные локализованные энергетические уровни перекрываются и сливаются, и становятся неупорядоченными локализованными энергетическими уровнями. Для низких концентраций(1000 ppm) число активных электронов пропорционально концентрации примесей. В большей, чем примеси, степени внешнее магнитное поле может применяться для создания источника тока. Если магнитное поле прикладывается к металлу, энергетические уровни, которые ограничены в двух измерениях, названные энергетическими уровнями Ландау, создаются у нижней границы зоны проводимости. Для создания энергетических уровней Ландау металл, по существу, должен не иметь неупорядоченной структуры. Например, чистота непереходного металла должна быть больше чем приблизительно 99.9% (например, меньше чем 10 ppm). Как показано на фиг. 1, магнитное поле В создано, по существу, перпендикулярно поверхности источника 102. Обычно возбуждение электрона из локализованного энергетического уровня у нижней границы зоны проводимости к поверхности Ферми случается чрезвычайно редко. Возможно увеличить частоту этого события через процесс, который впоследствии упоминается как увеличение вероятности. Увеличение вероятности может иметь место в переходных металлах в результате взаимодействия неполных dоболочек соседних атомов и тепловых колебаний (фононов) атомной решетки. В непереходных металлах увеличение вероятности может быть получено близко к физической поверхности металла (например, в пределах приблизительно 100 ) путем приложения переменного электрического поля и непараллельного магнитного поля В. В данном металле величина увеличения вероятности может быть установлена для электронов в каждой зоне и для фононов. Например, переходной металл с S зоной и D зоной имеет величины увеличения вероятности PAS (S-зона), PAD (D-зона) и PAL (фонон). Во многих металлах внутреннее увеличение вероятности электронов больше по сравнению с внешне созданным; это делает увеличение вероятности,по существу, независимым от внешних факторов, таких как прикладываемое магнитное поле, прикладываемое электрическое поле, температура и давление. Для металлов с одной зоной проводимости величина увеличения вероятности для электронов изменяется обратно пропорционально легкости, с которой электроны перемещаются от атома к атому. S-электроны движутся наиболее легко, таким образом PAS является относительно малой. Р-электроны движутся менее легко, таким образом РАР (увеличение вероятности в Р-зоне) является большей. D-электроны движутся наименее легко, таким образом PAD намного больше. F-электроны в редкоземельных металлах перемещаются тяжело настолько, что они не формируют зону вообще, таким образом эти правила к ним не применимы. Тот же самый принцип выполняется от металла к металлу. В группе Cr, Mo, W d-электроны дви-3 015843 жутся легко, таким образом, PAD относительно малая. По мере перемещения направо в периодической таблице d-электроны становятся менее мобильными и PAD возрастает в группе Ni, Pd, Pt, где PAD является самой большой. В пределах колонок имеются те же самые изменения. D-оболочка в ряду 5 атомов имеет тенденцию быть более глубокой, чем в ряду 4 или 6 атомов. Так, например, PAD в Pd больше, чемPAD в Ni или Pt. Для металлов с большим количеством зон проводимости, чем одна, взаимодействия между электронами в различных оболочках в атоме могут влиять на увеличение вероятности зоны. В переходных металлах PAS является большой (но все еще намного меньшей чем PAD), чем PAS в непереходных металлах из-за взаимодействия между s- и d-оболочками. PAS будет наибольшей в переходных металлах с наибольшей PAD. Увеличение вероятности PAL фононов и электронов может находиться под влиянием внешних факторов. Одним способом PAL может быть достигнуто близко к физической поверхности (например, в пределах приблизительно 100 ), как обозначено выше, применением переменного Е-поля и В-поля. Электрическое и магнитное поля не параллельны друг другу. Один способ приложения электрического поля состоит в том, чтобы иметь соседний слой или слои(т.е. буферный слой 104 или слой фильтра 106) материала, который имеет высокую плотность оптически активных локализованных фононных мод. Материал, таким образом, имеет большое количество заряженных атомов, которые вибрируют, создавая переменное электрическое поле. Это переменное электрическое поле в состоянии проникать на короткое расстояние в источник 102. Типичные частоты вибрации заряженных атомов лежат между приблизительно от 1012 до 1013 Гц. Для частоты вибраций около 1013 Гц, например, Cu имеет глубину наружной оболочки 200 . Для других металлов глубина может быть различной. Магнитное поле может прикладываться внешне. В различных вариантах магнитное поле может прикладываться путем размещения источника тока 100 в соленоиде 120 (как показано на фиг. 1) или размещения поблизости постоянных магнитов. Производительностью источника 102 можно в этом случае управлять, изменяя силу прикладываемого магнитного поля. Кроме того, увеличение вероятности растет с возрастанием температуры. При низких температурах число возбуждений в единицу времени и объем единицы, dn/dt, ниже детектируемого уровня, как показано на фиг. 3 а. При конечном обращении к температуре, To, dn/dt становится обнаруживаемым и быстро повышается с ростом температуры. Значение To для данного металла определено по характеру локализованных энергетических состояний и эффективности увеличения вероятности. Значение To для смесей может меняться непрерывно по заданному диапазону, за счет изменения состава конкретной смеси. ВCu-Ni сплавах, например, неупорядоченность является наибольшей при приближении к 50% Cu-50% Ni. Только атомы Ni имеют неполные d-оболочки, так что увеличение вероятности растет с увеличением содержания Ni. График To от состава для этого ряда сплавов, как прогнозируется, имеет форму, показанную на фиг. 3b. Толщина источника 102 может изменяться от толщины в несколько атомов (около 10 ) до максимальной толщины, требуемой в целом для всего источника тока 100. Для толщин ниже около 100 буфер может использоваться на одной или обеих сторонах источника 102. Поскольку переходные металлы имеют неупорядоченную структуру и увеличение вероятности, их можно рассматривать в качестве кандидатов для металлов источника. Многие из переходных металлов имеют уклон к температуре To, которая слишком высока, чтобы использоваться на практике. Уклон к температуре To может быть определен с использованием теплопроводности, электрической проводимости и термоэлектродвижущей силы переходных металлов при серии температур. Более конкретно уклон к температуре To может быть определен, используя уравнениеL=kr/T+S2 (1). В уравнении (1) k - теплопроводность, r - электрическое удельное сопротивление иS - термоэлектродвижущая сила металла. L должен приближаться к величине 2.443108 при высоких температурах. Семь металлов, которые имеют существенные отклонения от этого, - это Mo, W, Ni, Pd, Pt, Fe и Co. Данные для Pd, W и Ni показаны в табл. 1, 2 а, 2b и 3 и иллюстрируются фиг. 4 а-4 с. K в таблицах величина теплопроводности в дополнение к теплопроводности из-за электронов проводимости, которые существуют в металле для достижения измеренного L. Если эта дополнительная теплопроводность прибывает от теплопроводности решетки (единственная обычная возможность), ее величина должна быть пропорциональной 1/Т, для температур, больших, чем температура Дебая металла. Однако в то время как эти семь металлов могут быть хорошими металлами для источника, использование только данных для L от Т может не исключить металлы из использования. Возбуждение локализованных энергетических уровней не всегда затрагивает тепловую и электрическую проводимость. Смеси металлов могут быть исследованы таким же образом. Сплавы Cu-Ni, Ag-Pd и Au-Pt могут быть хорошими металлами источника. Табл. 2b показывает отношение изменения в температуре (K) для ряда пар температур, так же как теоретическое отношение K, выведенное исключительно благодаря теплопроводности решетки. Для W существенные отклонения начинаются между Т=600 K и Т=800 K. Это может быть принято как приблизительное значение To для W, 600To800 K. Эта To могла понизиться из-за способа увеличения вероятности, обсужденного ранее. Для Pd K увеличивается при увеличении Т для всей Т 100 K. Оценка То для Pd составляет To200 K. Для Ni K уменьшается с Т для Т 300 K и увеличивается с Т для Т 300 K.To может быть принята как приблизительно 250To350 K для Ni. Так как Ni - ферромагнетик ниже Т=620 K, это значение To определяется растущим числом локализованных энергетических уровней, как обсуждалось выше. Fe и Со проявляют то же самое поведение, с To (Fe) приблизительно 370 K и To (Со) приблизительно 500 K. Маленькие количества примесей в этих трех ферромагнитных металлах могут уменьшить их температуры Кюри, которые также уменьшили бы To. Отмечается, что оценки To для этих металлов внутренние. Значение To около поверхности могут быть отличными, обычно выше, благодаря возможно более низкому увеличению вероятности для атомов около поверхности. Семь металлов, которые могут являться лучшими кандидатами для металлов источника среди переходных металлов, - это Mo, W, Ni, Pd, Pt, Fe и Co. Каждые из данных для L от Т для этих металлов указывают на присутствие возбуждений. Переходные металлы - это те, которые находятся в той же самой колонке, что и один из этих металлов, но чьи данные L от Т не приводят никакого доказательства возбуждения, могут также быть обещающими. Эти металлы включают Cr, Ru, Rh, Os и Ir. Остальная часть переходных металлов может быть менее удовлетворительными кандидатами, чем уже упомянутые металлы. Металлы источника с изолированными атомами примеси уже обсуждались. Если металл-хозяин переходной металл, металлу может быть свойственно увеличение вероятности. Если металл-хозяин непереходной металл без примесей, создающих неупорядоченность, увеличение вероятности можно обеспечить извне металла. Если локализованные энергетические уровни созданы магнитным полем, металл, по существу, свободен от неупорядоченности без приложения магнитного поля. В этом случае, любой чистый непереходной металл может использоваться, например Al или Sn. Магнитное поле, создающее энергетические уровни Ландау, может использоваться при увеличении вероятности. Обратимся теперь к буферу 104, буфер 104 разрешает процессы возбуждения в источнике 102, которые возникают достаточно близко к поверхности источника 102 так, чтобы заметная доля дополнительных электронов и дополнительных дырок, далеких от энергии Ферми, достигали поверхность источника 102. Для того чтобы это случилось, нижняя граница зоны проводимости в источнике 102, где расположены локализованные энергетически уровни, должна быть выровнена с запрещенной зоной буфера 104. Подходящие буферы 104 могут являться металлом, диэлектриком или полупроводником. Буферы 104 должны быть достаточно тонкими (около 10-50 ) так, чтобы существенная доля активных зарядов(электронов или дырок) прошла на фильтр 106. Например, если буфер 104 - диэлектрик, заряды из источника 102 могут проходить через буфер 104 на фильтр 106. На фиг. 5 а и 5b показаны два случая. Фиг. 5 а иллюстрирует диаграмму энергетических зон материала, который не является подходящим в качестве буфера для конкретного источника. Как показано на фиг. 5 а, локализованные энергетические уровни и нижняя граница зоны проводимости в источнике 102 выровнены с зоной проводимости буфера 104, и верхние границы зон проводимости источника 102 и буфера 104 смещены энергией E1. Присутствие материала, формирующего буфер 104, разрушает условия в источнике 102, в котором возбуждения происходят близко к поверхности раздела. В этом случае-6 015843 число активных электронов возрастает с расстоянием от поверхности раздела, как показано на сопровождающем графике. Как показано на фиг. 5b, в источнике 102 локализованные энергетические уровни и верхняя граница зоны проводимости источника 102 отклоняется энергией Е 2, а верхние границы зоны проводимости источника 102 и буфера 104 выровнены. Если зоны фильтра 106 выстроены в соответствии с источником 102, буфер 104 может быть исключен, а фильтр 106 может тогда служить буфером. В этом случае, число активных электронов постоянно при изменении расстояния от поверхности раздела,как показано. Обратимся теперь к фильтру 106; фильтр 106 функционирует, чтобы провести заряды, имеющие высокую энергию, выходящие из источника 102, и блокировать поток электронов близко к поверхности Ферми. В одном варианте фильтр 106 включает полупроводник, например простейшей полупроводник,типа Si или Ge или составной полупроводник, такой как III-V полупроводник. Как вариант, фильтр 106 может включать диэлектрик, такой как SiO2, CaO, или AlN. В различных вариантах фильтр 106 может проводить электроны высокой энергии и/или дырки, блокируя другие носители заряда. Например, в одном варианте фильтр 106 проводит электроны высокой энергии и блокирует все другие заряды. В другом варианте фильтр 106 проводит дырки высокой энергии и блокирует все другие заряды. В другом варианте и электроны высокой энергии, и дырки высокой энергии транспортируются через фильтр 106. В этом последнем случае полярность выходного тока источника тока 100 определяется посредством преобладания носителя заряда. Эти варианты описаны ниже со ссылкой на фиг. 6 более подробно. Коллектор 108 может являться металлом или сильно легированным полупроводником (например,около 1017 см-3 или больше легирующей примеси) и может быть любой толщины выше примерно 10 . Если внешнее электрическое соединение выполняется к коллектору 108, оно должно быть, по крайней мере, приблизительно толщиной 1 мкм. В некоторых случаях коллектор 108 может быть выбран, чтобы установить омический контакт с полупроводниковым фильтром 106, а в других случаях - чтобы установить выпрямляющий контакт. Как показано на фиг. 8, поверхностный энергетический уровень, скрепляющий уровни Ферми, в значительной степени определяет размер барьера между металлом и полупроводником. Омический контакт между фильтром 106 и коллектором 108 может быть установлен в этом случае сильным легированием коллекторной стороны фильтра 106. Выпрямляющий контакт может быть выполнен на поверхности раздела буфер-фильтр легким легированием полупроводника на стороне буферного слоя, как показано на фиг. 9. Выбор металла коллектора в этом случае может быть основан на совместимости с соседними слоями. Например, может хорошо подойти Sn. Если фильтр 106 - II-VI полупроводник или другой полупроводник, который не имеет поверхностного скрепления энергических уровней, природа контакта между полупроводником и металлом может быть определена относительными положениями уровня Ферми металла и проводника и границами валентной зоны полупроводника. Например, Pd и Pt формируют выпрямляющий контакт с ZnO. Sn и Al формируют омический контакт с ZnO. Процессы возбуждения в металле источника создают в нем большее количество электронов и дырок, далеких от энергии Ферми, чем то, которое прогнозировалось равновесной статистической механикой. Буфер 104 позволяет этим активным зарядам достигать поверхности источника 102 и проходить внутрь и через буфер 104 в фильтр 106. Фильтр 106 позволяет некоторым из зарядов с высокой энергией проходить через него в коллектор 108. Поскольку коллектор 108 - обычный металл, он не имеет излишка зарядов с высокой энергией, которые в состоянии пройти через фильтр 106. Соответственно заряд накапливается в коллекторе 108, и электрическое поле в фильтре 106 растет. Поле растет, пока балансирующий ток, текущий в противоположном направлении, увеличивается. Если поле станет слишком большим,произойдет пробой в полупроводнике, разрушая его способность к фильтрации. Кроме того, фильтр 106 и коллектор 108 пропускают достаточный обратный ток так, чтобы не произошел пробой. Это может осуществляться множеством способов. Если полупроводник достаточно тонок (приблизительно 50 ), проход может произойти от коллектора 108 к буферу 104 или источнику 102. Если полупроводник имеет достаточно много дефектов, типа аморфного кремния или германия, проводимость через дефектные энергетические уровни в середине запрещенной зоны может иметь место. Если металл коллектора формирует омический контакт с полупроводником слоя фильтра, формируется диод Шотки. По мере роста заряда в коллекторе диод Шотки смещается в направлении коллектор-источник и может развиться выравнивающий обратный ток. Если полупроводник в фильтре 106 нелегирован, имея, таким образом, свойственное ему высокое сопротивление, толщина фильтра 106 ограничивается приблизительно от 100 до 200 , чтобы предотвратить эффекты пространственного заряда, которые создают нестабильность в выходном токе. Если полупроводник легирован или имеет низкое сопротивление, толщина может быть выше приблизительно 100 . Допустимые полупроводники включают Si, Ge, GaAs, AlAs, AlSb, SnO2 среди многих других. Диэлектрики, которые могут использоваться, включают MgO и СаО. Если полупроводник также обеспечивает увеличение вероятности, как обсуждалось ранее, он имеет большое количество локализованных фононных мод. Смешанные полупроводники включают такие, как AlxGa1-xAs, или AlAsxSb1-x, или ZnOxS1-x,где x может изменяться от приблизительно 0.25 до 0.75. Эти смеси - хорошие полупроводники, но имеют-7 015843 неупорядоченный фононный спектр со многими локализованными модами. Эти типы обеспечивают переменное электрическое поле, которое при объединении с внешне приложенным магнитным полем обеспечивает увеличение вероятности в источнике. Более сложные полупроводники, такие как органические полупроводники, также могут использоваться. Как было описано, источник тока 100 включает ряд тонких слоев 102, 104, 106 и 108 металлов и полупроводников и/или диэлектриков. Слои 102, 104, 106 и 108 возможно получить вакуумным осаждением так, что они связываются друг с другом. Различные вакуумные технологии осаждения могут подходить для изготовления источника тока 100. Эти вакуумные технологии осаждения включают прерывание, осаждение химического пара и напыление электронным лучом. Осаждение имеет место в вакуумной камере. Камера включает сосуд, способный поддерживать вакуум. Камера также имеет электрические перемычки, которые позволяют подавать ток на провода внутри камеры, и перемещаемую перемычку, которая позволяет перемещать цель внутри сосуда, связанного через вакуумную трубку и клапаны с вакуумными насосами. Вакуумная камера поддерживает вакуум,меньше чем приблизительно 10-6 торр во время осаждения. Материал, который испаряется, помещают в конические корзинки, изготовленные, например, из вольфрамовой нити. Если материал, который будет испарен, имеет форму провода или фольги, он может просто быть обернут вокруг вольфрамовой нити. Один конец вольфрамовой нити связан с электрической перемычкой, в то время как другой конец вольфрамовой нити связан со стенкой сосуда, которая служит электрическим заземлением. Если напряжение прикладывается к электрической перемычке с внешней стороны, ток течет через нить, нагревая ее и материал, находящийся в контакте с ней. При прохождении достаточного количества тока материал становится достаточно горячим, чтобы испариться. Так как это происходит в вакууме, атомы испускаются по существу однородно во всех направлениях. Цель помещена на носитель, связанный с движущейся перемычкой так, чтобы она могла перемещаться в оптимальное положение для получения испаренного материала. Так как материал, в соответствии со сделанным допущением, испускается по существу однородно во всех направлениях, количество, которое достигает цель, и таким образом толщина слоя могут быть вычислены из простой геометрии и знания количества материала в секции и расстояния от секции до цели. Когда осаждение одного слоя закончено, цель перемещается в новое положение, ток пропускают через другую секцию, содержащую материал для следующего слоя, и процесс повторяется. Таким образом, слои получают без большого количества примесей, имеющих место на поверхности раздела. Необходимо внимание при выборе материала для граничащих слоев, поскольку осажденный материал, возможно, не покрывает цель однородно, а вместо этого формирует острова на вершине цели, особенно для предельно тонких слоев. Устройство в примере содержит стальную подложку, на которой сформирована последовательность слоев. Эти слои могут включать 1000Sn, 100Ge, 30Pb и 1000Pd. 30 Pb формирует буфер. Последовательность может повторяться столько раз, сколько требуется. После требуемого числа повторений этой последовательности осаждается заключительный слой Sn в 1 мкм. Если необходимо прервать вакуум, чтобы перезарядить материал, это может быть сделано после осаждения Pd. При этом вводится тонкий слой (приблизительно 20 ) PdO между Pd и следующим слоем Sn. Слой 1000Sn формирует коллекторный слой, Ge формирует фильтр, 30 слой Pb формирует буфер, Pd формирует источник. Стальная подложка может быть обычным стальным диском, имеющим диаметр приблизительно 1 см. Стальную подложку очищают, промывают дистиллированной водой и высушивают, используя например газообразный азот. Стальную подложку можно также полировать до сияния с допустимой яркостью, используя мягкую хлопковую ткань. Может быть осажден единственный слой, такой как Sn. Если этот слой может быть удален адгезивным материалом, таким как лента Скотча, подложка снова очищается. После соответствующей очистки диск помещают на носитель и осаждаемый материал помещают в корзинку или на провода. Чтобы осадить вышеупомянутые слои, Sn помещают в корзинку, Ge находится в корзинке, Pb находится в корзинке, a Pd проволока намотана вокруг вольфрамовой нити. Систему вакуумируют непрерывно насосом до достижения вакуума величиной в 10-6 торр. Это занимает приблизительно 2 ч в одном примере вакуумной системы. Когда вышеупомянутый вакуум достигнут, можно начать осаждение. Сначала 1000Sn осаждают,затем осаждают 100Ge, вслед за ним 30Pb. Ge на этой стадии находится в аморфной форме. Подложку нагревают до 400 K в течение 30 мин, чтобы изменить аморфный Ge на поликристаллический слой Ge. После формирования поликристаллического слоя Ge осаждают 1000 слой Pd (в котором Pd легирован Ag). Чтобы повторить эту последовательность, камеру открывают и перезаряжают Sn, Ge, Pb иPd. Камеру вакуумируют, и последовательность повторяется. В конце осаждают слой Sn в 1 мкм. Металлические проводники затем присоединяют к вершине и основанию диска проводящей эпоксидной смолой или припаивают для получения электрических связей. Фиг. 6 а-6 с показывают диаграммы энергетических зон для вариантов различных источников тока. В каждом из этих вариантов верхняя граница зоны проводимости в источнике 102 выровнена с вершиной зоны проводимости коллектора 108. В варианте, показанном на фиг. 6 а, электроны, которые были возбуждены в источнике 102, проходят через буфер 104 и проходят поперек фильтра 106 в пустую часть зоны-8 015843 проводимости коллектора 108. Как показано, верхняя граница валентной зоны фильтра 106 находится ниже (т.е. имеет более низкую энергию), чем нижняя граница зоны проводимости источника 102. Другими словами, нижняя граница запрещенной зоны фильтра 106, который является или полупроводником,или диэлектриком, находится ниже нижней границы зоны проводимости источника 102. Таким образом,поскольку нет энергетических уровней в запрещенной зоне фильтра 106, дырки, созданные в источнике 102 возбуждением электронов, остаются в источнике 102. В варианте, показанном на фиг. 6b, однако, валентная зона фильтра 106 простирается выше нижней границы зоны проводимости источника 102, в то время как нижняя граница зоны проводимости лежит в области более высокой энергии, чем энергия возбужденных электронов. Таким образом, дырки в источнике 102 проходят через буфер 104 и проходят поперек фильтра 106 в занятую часть зоны проводимости коллектора 108, в то время как возбужденные электроны, созданные в источнике 102, остаются в источнике 102, поскольку нет энергетических уровней в запрещенной зоне фильтра 106. В варианте, показанном на фиг. 6 с, как электроны, которые были возбуждены в источнике 102, так и дырки, остающиеся на локализованных энергетических уровнях, проходят через буфер 104 и проходят поперек фильтра 106. Электроны переносятся в пустую часть зоны проводимости коллектора 108, и дырки переносятся в занятую часть зоны проводимости коллектора 108. Как можно заметить, запрещенная зона фильтра 106 является достаточно маленькой так, что верхняя граница валентной зоны фильтра 106 лежит выше нижней границы зоны проводимости источника 102, и нижняя граница зоны проводимости фильтра 106 лежит ниже энергетического уровня возбужденных электронов в источнике 102. Фиг. 7 а-7 с показывают диаграммы энергетических зон и соответствующие эквивалентные цепи и графики ток-напряжение различных источников тока. Как показано на фиг. 7 а, электроны переходят из источника 102 в пустую часть зоны проводимости коллектора 108, формируя прямой ток Io. Кроме того,электроны в занятой части зоны проводимости коллектора 108 проходят из коллектора 108 в коллектор источника 102 через запрещенную зону фильтра 106, таким образом формируя обратный ток IT. Величина обратного тока IT пропорциональна напряжению на источнике тока 100, различие между энергией наверху занятой части зоны проводимости в коллекторе 108 и на нижней границе зоны проводимости в фильтре 106 уменьшается экспоненциально по мере увеличения толщины фильтра 106. Поскольку эквивалентная диаграмма цепи источника тока 100 похожа на идеальный источник тока с резистором R, подключенным параллельно (сопротивление источника тока 100), как показано, напряжение на источнике тока 100 линейно связано с сопротивлением R. Таким образом, в то время как прямой ток Io постоянен,обратный ток IT увеличивается линейно с напряжением Vo на источнике тока 100. Как показано на фиг. 7b, другой механизм, который может дать начало обратному току, представляет собой ток, произведенный дефектом, скачкообразно переходящим в запрещенную зону фильтра 106. Следует отметить, что это имеет место, если дефекты существуют в фильтре 106, например, из-за неполноты решетки фильтра 106, и эти дефекты создают дефекты энергетических уровней в запрещенной зоне,при этом может возникать дефектный ток. Подобно фиг. 7 а, эквивалентная диаграмма цепи источника тока 100 на фиг. 7b похожа на идеальный источник тока с резистором R, подключенным параллельно(сопротивление источника тока 100). Таким образом, в то время как прямой ток Io постоянен, обратный ток источника тока ID возрастает линейно с напряжением Vo на источнике тока 100. Как показано на фиг. 7 с, другой механизм, который может дать начало обратному току, - это ток,создаваемый внутренним электрическим полем, установленным в фильтре 106 присутствием источника 102 и коллектора 108. Следует отметить, что, при изготовлении источника тока 100, края зоны проводимости и валентной зоны фильтра 106 могут быть прикреплены к поверхности раздела между коллектором 108 и буфером 108 (если они присутствуют). Это, в свою очередь, может заставить зону проводимости и валентную зону в фильтре 106 искривляться, когда зоны проводимости источника 102 и коллектора 108 выравниваются, и таким образом устанавливается внутреннее электрическое поле. В этом случае,диаграмма эквивалентной цепи источника тока 100 на фиг. 7 с похожа на идеальный источник тока с диодом D, подключенным параллельно (сопротивление источника тока 100). Поскольку ток через диод увеличивается по экспоненте с ростом напряжения, в то время как прямой ток Io постоянен, обратный токIDIODE увеличивается линейно с напряжением Vo на источнике тока 100. Следует отметить, что описание и фигуры чертежей должны рассматриваться в иллюстративном, а не ограничительном смысле, и все их модификации предназначены для включения в рамки настоящего изобретения. Используемые термины "включают", "включающие" или любые другие их изменения предназначены, чтобы охватить неисключительное включение так, чтобы процесс, способ, изделие, или аппарат, который включает перечень элементов, не включал бы только эти элементы, но мог содержать и другие, явно не перечисленные или не свойственные такому процессу, способу, изделию или аппарату. Это замечание сделано с целью, чтобы предшествующее детальное описание расценивалось как иллюстративное, а не ограничивающее, и следует понимать, что приведенная далее формула изобретения включает все эквиваленты, которые предназначены для определения сущности и объема этого изобретения. Ничто в предшествующем описании не направлено на отрицание объема изобретения, как оно заявлено, или любых его эквивалентов.-9 015843 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Источник тока, включающий подложку, имеющую последовательные слои, включающие слой металла с локализованными энергетическими уровнями на нижней границе зоны проводимости и высокой вероятностью возбуждения электронов из локализованного энергетического уровня у нижней границы зоны проводимости к поверхности Ферми; полупроводниковый слой, находящийся в выпрямляющем контакте со слоем металла и выполняющий функцию фильтра, при этом указанный слой имеет запрещенную энергетическую зону и высокую плотность оптически активных фононных мод, производящих переменное электрическое поле, причем запрещенная энергетическая зона совмещена с локализованными энергетическими уровнями слоя металла; и коллекторный слой, соединенный с полупроводниковым слоем, в котором слой металла и коллекторный слой конфигурированы таким образом, что внутреннее электрическое поле постоянного тока существует поперек полупроводникового слоя, производящего обратный электрический ток. 2. Источник тока по п.1, в котором слой металла содержит металл с неупорядоченной структурой. 3. Источник тока по п.2, в котором слой металла содержит множество расположенных беспорядочно атомов различных металлов. 4. Источник тока по п.1, в котором слой металла содержит чистый переходный металл. 5. Источник тока по п.1, в котором слой металла содержит примеси. 6. Источник тока по п.5, в котором если слой металла содержит непереходный металл, то примеси представляют собой вещества, находящиеся в той же самой колонке периодической таблицы, что и непереходный металл, и если слой металла содержит переходный металл, то примеси представляют собой вещества, находящиеся в той же самой колонке периодической таблицы, что и переходный металл, или в колонке, расположенной справа от колонки переходного металла. 7. Источник тока по п.5, в котором слой металла содержит свинец, а примесью является висмут. 8. Источник тока по п.1, включающий источник магнитного поля для приложения магнитного поля, по существу, перпендикулярного слою металла, который, по существу, не имеет неупорядоченной структуры. 9. Источник тока по п.1, включающий источник магнитного поля, в котором электрическое поле включает переменное электрическое поле и в котором электрическое поле не параллельно магнитному полю. 10. Источник тока по п.1, включающий множественные структуры на подложке, при этом каждая структура включает слой металла, полупроводниковый слой и коллекторный слой. 11. Источник тока по п.1, в котором слой металла содержит непереходный металл, а высокая вероятность возбуждения имеет место в пределах приблизительно 100 физической поверхности металла. 12. Источник тока, включающий подложку, имеющую последовательные слои, включающие слой металла с локализованными энергетическими уровнями на нижней границе зоны проводимости и высокой вероятностью возбуждения электронов из локализованного энергетического уровня у нижней границы зоны проводимости к поверхности Ферми; буферный слой, выполненный из металла, полупроводника или диэлектрика и связанный со слоем металла, при этом буферный слой имеет запрещенную энергетическую зону и толщину, достаточную для обеспечения передачи через него заряженных носителей, буферный слой имеет высокую плотность оптически активных локализованных фононных мод, производящих переменное электрическое поле, а запрещенная энергетическая зона совмещена с локализованными энергетическими уровнями слоя металла; полупроводниковый слой, находящийся в выпрямляющем контакте с буферным слоем и выполняющий функцию фильтра; и коллекторный слой, связанный с полупроводниковым слоем, причем коллекторный слой и слой металла сконфигурированы таким образом, что внутреннее электрическое поле постоянного тока существует поперек полупроводникового слоя, производящего обратный электрический ток. 13. Источник тока по п.12, в котором толщина буфера составляет около 10-50 . 14. Источник тока по п.12, в котором слой металла содержит металл с неупорядоченной структурой. 15. Источник тока по п.14, в котором слой металла содержит множество расположенных беспорядочно атомов различных металлов. 16. Источник тока по п.12, в котором слой металла содержит чистый переходный металл. 17. Источник тока по п.12, в котором если слой металла содержит непереходный металл, то примеси представляют собой вещества, находящиеся в той же самой колонке периодической таблицы, что и непереходный металл, и если слой металла содержит переходный металл, то примеси представляют собой вещества, находящиеся в той же самой колонке периодической таблицы, что и переходный металл,или в колонке, расположенной справа от колонки переходного металла. 18. Источник тока по п.12, включающий источник магнитного поля для приложения магнитного поля, по существу, перпендикулярного слою металла, в котором электрическое поле не параллельно магнитному полю, при этом слой металла, по существу, не имеет неупорядоченной структуры. 19. Источник тока по п.12, включающий множественные структуры на подложке, при этом каждая структура включает слой металла, буферный слой, полупроводниковый слой и коллектор.- 10015843 20. Способ формирования источника тока, включающий осаждение слоя металла на подложке, при этом слой металла содержит металл, имеющий меньше чем приблизительно 1000 ppm локализованных энергетических уровней на нижней границе зоны проводимости и высокую вероятность возбуждения электронов из локализованного энергетического уровня у нижней границы зоны проводимости к поверхности Ферми; осаждение полупроводникового слоя на слое металла и формирование выпрямляющего контакта со слоем металла, при этом полупроводниковый слой имеет зону проводимости и высокую плотность оптически активных фононных мод, производящих переменное электрическое поле, в котором запрещенная энергетическая зона полупроводникового слоя совмещена с локализованными энергетическими уровнями слоя металла; и осаждение коллекторного слоя на полупроводниковом слое, причем коллекторный слой и слой металла сконфигурированы таким образом, что внутреннее электрическое поле постоянного тока существует поперек полупроводникового слоя, производящего обратный электрический ток. 21. Способ по п.20, в котором слой металла содержит металл с неупорядоченной структурой. 22. Способ по п.21, в котором слой металла содержит множество расположенных беспорядочно атомов различных металлов. 23. Способ по п.20, в котором слой металла содержит чистый переходный металл. 24. Способ по п.20, в котором если слой металла содержит непереходный металл, то примеси представляют собой вещества, находящиеся в той же самой колонке периодической таблицы, что и непереходный металл, и если слой металла содержит переходный металл, то примеси представляют собой вещества, находящиеся в той же самой колонке периодической таблицы, что и переходный металл, или в колонке, расположенной справа от колонки переходного металла. 25. Способ по п.20, включающий размещение источника магнитного поля для приложения магнитного поля, по существу, перпендикулярного слою металла, в котором электрическое поле не параллельно магнитному полю, при этом слой металла, по существу, не имеет неупорядоченной структуры. 26. Способ по п.25, в котором электрическое поле является переменным. 27. Способ по п.20, в котором слой металла является непереходным металлом, а высокая вероятность возбуждения электронов из локализованного энергетического уровня у нижней границы зоны проводимости к поверхности Ферми имеет место в пределах приблизительно 100 физической поверхности слоя металла. 28. Способ по п.20, в котором осаждение слоя металла, полупроводникового слоя и коллекторного слоя выполняется под вакуумом в вакуумной камере. 29. Способ по п.20, далее включающий осаждение множественных структур на подложке, при этом каждая структура включает слой металла, полупроводниковый слой и коллекторный слой. 30. Источник тока, включающий множество слоев, содержащих первый слой, второй слой и третий слой,в котором первый слой включает локализованные энергетические уровни на нижней границе зоны проводимости,в котором второй слой находится в выпрямляющем контакте с первым слоем, при этом второй слой включает высокую плотность оптически активных локализованных фононных мод, производящих переменное электрическое поле и запрещенную энергетическую зону,в котором запрещенная энергетическая зона совмещена с локализованными энергетическими уровнями слоя металла,в котором первый слой и третий слой сконфигурированы таким образом, что внутреннее электрическое поле постоянного тока существует поперек второго слоя, производящего обратный электрический ток,и выполненных с возможностью подсоединения их к нагрузке. 31. Источник тока по п.30, в котором первый слой из множества слоев, в которых заряды создаются тепловой энергией, содержит металл с неупорядоченной структурой. 32. Источник тока по п.30, в котором слой металла содержит множество расположенных беспорядочно атомов различных металлов. 33. Источник тока по п.30, в котором первый слой из множества слоев, в которых заряды создаются тепловой энергией, содержит чистый переходный металл. 34. Источник тока по п.30, в котором первый слой из множества слоев, в которых заряды создаются тепловой энергией, включает металл, который содержит примеси, при этом, если металл - непереходный металл, примеси находятся в той же самой колонке периодической таблицы, что и непереходный металл,и если металл - переходный металл, примеси находятся в той же самой колонке, что и переходный металл, или в колонке, расположенной справа от колонки переходного металла. 35. Источник тока по п.30, далее включающий источник магнитного поля, в котором первый слой из множества слоев, в которых заряды создаются тепловой энергией, включает металл, который, по существу, имеет упорядоченную структуру, при этом источник магнитного поля прикладывает магнитное поле, по существу, перпендикулярное первому слою, и электрическое поле прикладывает переменное электрическое поле к первому слою, при этом электрическое поле не параллельно магнитному полю.