CN102569489A - 一种半导体直流变压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体直流变压器，包括：多个串联的半导体电光转换结构，用于将输入电能转换为光能；和多个串联的半导体光电转换结构，用于将光能转换为输出电能，其中，半导体光电转换结构的数目与半导体电光转换结构的数目不同以实现直流变压，且半导体电光转换结构与半导体光电转换结构的工作光线匹配。根据本发明实施例的半导体直流变压器具有耐高压，无电磁辐射，无线圈结构，安全可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电流电压变压领域，特别涉及一种半导体直流变压器。
背景技术
传统的电力系统采用的绝大多数是交流电的传输形式，主要原因是因为交流变压的方便性，采用电磁场作为能量传输介质，利用电磁感应原理通过不同匝数的主次级线圈之间的耦合实现变压，尤其是低压升到高压。而直流电在传输损耗，电网稳定度，线路造价方面相对于交流电都有着极其巨大的优势，只是在直流变压，尤其是直流升压方面一直没有简便高效的升压技术和器件，并且随着技术的发展，太阳能电池，燃料电池等直接产生直流电的发电技术所占比例越来越大，另一方面，需要采用直流电的用电设备也越来越多，如LED灯泡，OLED，LED电视和显示屏以及诸多其他的家用电子产品大多使用的也是直流电。现有的技术主要的是采用“直流发电-直流交流转换-交流变压-交流高压输送-交流变压-交流直流转换-直流应用”的做法，该方法具有如下缺点：
1、所需的装置复杂，元件众多，体积较大，成本较高；
2、在各环节均有不同程度的能量损失，例如变电损失、变流损失、传输损失、用户端再转化为直流的驱动损失等等，能量传输总效率不高；
3、交流高压输送的过程中，不同发电系统之间的交流相位难以完全同步，整个电网的稳定性较差。
相比之下，“直流发电-直流变压-直流高压输送-直流变压-直流应用”的方案更为简单稳定可靠、能量损耗耗更少。为使直流发电输电得到普遍应用，发展直流变压技术和研制直流变压器件是亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是提出一种半导体直流变压器。
本发明提供一种半导体直流变压器，包括：多个串联的半导体电光转换结构，用于将输入电能转换为光能；和多个串联的半导体光电转换结构，用于将所述光能转换为输出电能，其中，所述半导体光电转换结构的数目与所述半导体电光转换结构的数目不同以实现直流变压，且所述半导体电光转换结构与所述半导体光电转换结构的工作光线匹配。
本发明提供的半导体直流变压器，通过在半导体直流变压器的输入端设置电光转换层，利用半导体电子能级间跃迁产生的光辐射，将直流电转换为光进行传输，在输出端设置光电转换层以将光转化为直流电输出，输入端与输出端单位单元的电压分别取决于其电光转换结构中的电光转换层和光电转换结构中的光电转换层材料的特性参数，在输入端和输出端分别采用不同数量的电光转换结构和光电转换结构串联，利用电光转换结构和光电转换结构的数目比实现直流电压的变压。该半导体直流变压器还具有耐高压，无电磁辐射，无线圈结构，安全可靠，体积小，寿命长，重量轻，安装维护方便等优点。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述半导体电光转换结构包括发光二极管、谐振发光二极管或激光二极管。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述半导体光电转换结构为具有背接触或埋接触的单面引出电极结构的光电池。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述半导体电光转换结构或所述半导体光电转换结构包括多个并联的半导体电光转换子单元或多个并联的半导体光电转换子单元。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：隔离层，其中，所述多个半导体电光转换结构形成在所述隔离层一侧，且每个半导体电光转换结构包括电光转换层，以及所述多个半导体光电转换结构形成在所述隔离层另一侧，且每个光电转换结构包括光电转换层，其中，所述隔离层对所述电光转换层发出的工作光线透明。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述半导体电光转换结构、所述隔离层和所述半导体光电转换结构具有相近似的折射系数。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述半导体电光转换结构、所述隔离层和所述半导体光电转换结构的材料折射系数呈梯度逐级递增。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述半导体电光转换结构、所述隔离层和所述半导体光电转换结构中的至少一个具有粗糙化表面、图形化表面或光子晶体结构。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：位于所述电光转换层顶部的第一接触层，位于所述电光转换层底部的第二接触层，位于所述光电转换层顶部的第三接触层，位于所述光电转换层底部的第四接触层，其中，所述第二接触层和所述第四接触层对所述电光转换层发出的工作光线透明。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述第二接触层和第四接触层为重掺半导体材料、透明导电氧化物、石墨烯中的一种及其组合。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：位于所述电光转换层顶部的反射层；位于所述光电转换层顶部的反射层。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：位于所述电光转换层两侧的第五接触层；和位于所述光电转换层两侧的第六接触层。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：位于所述电光转换层顶部的反射层；位于所述电光转换层顶部的反射层。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：衬底层，其中，所述多个半导体光电转换结构和多个半导体电光转换结构形成在所述衬底层之上，且所述多个半导体光电转换结构具有光电转换层，所述多个半导体电光转换结构具有电光转换层，其中，所述多个半导体光电转换结构和多个半导体电光转换结构之间填充有绝缘透明介质。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述衬底层底部具有三角形的反射结构。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：位于所述电光转换层顶部的第七接触层、位于所述电光转换层底部的第八接触层、位于所述光电转换层顶部的第九接触层，以及位于所述光电转换层底部的第十接触层，其中，所述第八接触层与第十接触层对所述电光转换层发出的工作光线透明。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述第八接触层与第十接触层为重掺半导体材料、透明导电氧化物、石墨烯中的一种及其组合。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：位于所述电光转换层和所述光电转换层的顶部的反射层；位于所述电光转换层和所述光电转换层的底部的反射层。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：分别形成在所述电光转换层两侧的第十一接触层和形成在所述光电转换层两侧的第十二接触层。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：位于所述电光转换层和所述光电转换层的顶部的反射层；位于所述电光转换层和所述光电转换层的底部的反射层。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述电光转换层的材料包括红黄光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、蓝紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO，红光或红外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、InGaAsP，AlGaAs，InGaAsNSb以及其它III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半导体材料及其组合。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，所述光电转换层的材料包括Si，Ge，SiGe，AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其它III-V族直接禁带半导体材料及其组合。
根据本发明一个实施例的半导体直流变压器，还包括：壳体，其中，所述多个串联的半导体电光转换结构和所述多个串联的半导体光电转换结构分别形成在所述壳体的两个相对表面之上，且所述壳体中填充有液态透明绝缘介质或气态透明绝缘介质。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的半导体直流变压器的工作原理图；
图2为本发明的具有多个子单元并联结构的半导体直流变压器的工作原理图；
图3为本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图；
图4为本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图；
图5为本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图；
图6为本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图；
图7为本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图；
图8为图7中光电转换层上表面的倒三角形反射镜结构的示意图；
图9为本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图；
图10为本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图；
图11为本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图；以及
图12为本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
本发明提供一种半导体直流变压器，其工作原理如图1所示：在输入端的每个半导体电光转换结构上输入直流电压V1，以在半导体电光转换结构中注入载流子复合产生光子，光子传输至半导体光电转换结构，以在半导体光电转换结构中激发产生不同的载流子，并通过内建电场分离，每个半导体光电转换结构上输出直流电压V2，从而利用光波实现能量传输。需要指出的是，半导体电光转换结构与半导体光电转换结构的工作光线应当匹配。在该能量传输过程中，一方面，V1和V2的数值取决于半导体电光转换结构和半导体光电转换结构的材料特性参数，如材料种类、应变特性、禁带宽度、掺杂浓度等，故通过调节相应的特性参数以实现能量转换效率最优化；另一方面，通过在输入端和输出端分别串联不同数目的半导体电光转换结构和半导体光电转换结构，利用电光转换结构和光电转换结构的数目比实现直流变压。例如，假设半导体电光转换结构为m个，半导体光电转换结构为n个，则输出总电压/输入总电压＝(n*V2)/(m*V1)。
其中，半导体电光转换结构与半导体光电转换结构的工作光线匹配是指：半导体电光转换结构发出的光线要与半导体光电转换结构光电转换效率最优化的光线特性匹配，以使器件的电光-光电能量转换效率较高，变压过程中的能损较少。具体地说，半导体电光转换单元发出的光线波长主要由其有源区半导体材料的禁带宽度(bandgap)决定，其发射出的单个光子的能量hv等于其禁带宽度Eg1。半导体光电转换单元所能够吸收的光线波长也是由其激活层半导体材料的能带宽度决定的，只有单个光子的能量hv大于等于激活层半导体材料的禁带宽度Eg2时才能产生光电效应，激发出载流子对。但是由于一般来说一个光子只能激发出一个电子空穴对，如果光子能量hv＞Eg2，多余的那部分能量则转化为热损失掉，造成光子能量的浪费。因此从光能的传输与转换效率角度考虑，半导体电光转换单元发出的光线的光子能量要恰好既能够被光电转换单元吸收而又不会高出很多造成能量的浪费，也就是说电光单元有源区的禁带宽度Eg1要等于或略大于光电转换单元的禁带宽度Eg2。
在本发明的一个实施例中，半导体电光转换结构包括发光二极管(LED)、谐振发光二极管(RS_LED)或激光二极管(LD)。这几种LED均能够有效地将电能转换为光能，工作性能稳定可靠，并且热效应少，并且RS_LED进一步具有方向性好、调变速度较高的优点，LD进一步具有单色性好、亮度较高的优点。
在本发明的一个实施例中，半导体光电转换结构可为具有背接触(back contact)或埋接触(buried contact)的单面引出电极结构的光电池。具有背接触或埋接触的单面引出电极结构的光电池，其受光面可以避免受到电极遮光影响，故能量转换效率更高，并且受光面更加均一美观，可以降低组装难度，提高组装密度。
在本发明的一个实施例中，可以将单个面积较大的半导体电光转换结构或半导体光电转换结构分割成多个面积较小的子单元，再利用技术平面互联工艺把多个面积较小的单元并联连接，以降低寄生电阻，有利于减少能量传输过程中在半导体直流变压器上的能量损耗。如图2所示，输入端包括m组半导体电光转换结构，每组半导体电光转换结构包括x个半导体电光转换子单元；输出端包括n组半导体光电转换结构，每组半导体光电转换结构包括y个半导体电光转换子单元。
现以“直流220V-直流10kV”为例来说明直流变压器的工作过程。在该变压过程中，可以在输入端选用串联100个阈值电压为2.2V的AlGaInP基发光二极管，在输出端选用串联5000个光电压为2V的AlGaInP基光电池。其中AlGaInP基发光二极管通电后发出波长560nm左右的黄光，AlGaInP基光电池则吸收该工作光线并转换为电能输出。此外，为了方便生产及组装，通常将产品做成标准化组件，即把多个半导体电光转换结构和多个半导体光电转换结构分别做成标准尺寸大小。为了减少漏光带来能耗损失，安装时通常使多个半导体电光转换结构的电光转换发光总面积和多个半导体光电转换结构的光电转换吸光总面积相等。该例子中，半导体电光转换结构与半导光电转换结构的数目比例为100∶5000，故需要发光二极管与光电池的数目比例为1∶50，单个发光二极管的发光面积与单个光电池的吸光面积比例为50∶1。这种情况下需要的单个发光二极管的面积较大，优选地，也可以将单个面积较大的发光二极管用多个阈值电压相同但发光面积较小的发光二极管来替换，一方面小面积器件更容易制造，另一方面也有利于减小寄生电阻。
下面参考附图描述根据本发明实施例的半导体直流变压器。
图3所示为根据本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图。
如图3所示，半导体直流变压器1包括多个串联的半导体电光转换结构10、多个串联的半导体光电转换结构20和隔离层300。在本实施例中半导体直流变压器1包括3个串联的半导体电光转换结构10和6个串联的半导体光电转换结构20，需要说明的是，“3个”和“6个”的取值仅为示例说明的方便，而不作为本发明的限定。其中，半导体电光转换结构10和半导体光电转换结构20的工作光线匹配，隔离层300对工作光线透明。
其中，隔离层300位于多个串联的半导体电光转换结构10与多个串联的半导体光电转换结构20之间，为了便于描述，定义半导体电光转换结构10和半导体光电转换结构20中，接近隔离层300的部分称为底部，反之称为顶部。
其中，多个串联的半导体电光转换结构10通过引线I1和引线I2输入电能，发出工作光线。每个半导体电光转换结构10在垂直方向上包括用于实现能量转换的电光转换层100、位于电光转换层100顶部的第一接触层101、位于电光转换层100底部的第二接触层102，其中第二接触层102对电光转换层100发出的工作光线透明，并且，通过顺次连接第一接触层101和第二接触层102以实现各个半导体电光转换结构10之间的串联连接。其中，电光转换层100用以将输入的直流电转换为光，发出所需要的波长范围的工作光线。工作光线包括从100nm的紫外光到10um的红外光的整个光谱范围中的一个或多个波段的组合，优选为单频率的光线，例如620nm的红光、460nm的蓝光、380nm的紫光，以有利于运用成熟的现有技术制造电光转换层。例如电光转换层100可以采用具有高量子效率、高电光转换效率的结构和材料。具体地，可以为LED结构或激光器结构，一般包括有源层，限制层，电流分散层，PN结等结构，其中有源层可以为多量子阱结构，激光器结构的电光转换层还包括谐振腔，LED结构包括谐振LED结构。电光转换层102的材料选择基于材料自身特性(如缺陷密度、能带结构等)和所需要的光波特性(如波长范围)，例如可以采用红黄光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、蓝紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO，红光或红外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、InGaAsP，AlGaAs，InGaAsNSb以及其它III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半导体材料及其组合。其中缺陷密度低、光转换效率高的材料(如AlGaInP、InGaN，GaN)为优选材料。其中，第一接触层101不需要对工作光线透明，故可采用金属、合金、导电氧化物、重掺半导体等材料形成单层和/或多层复合结构，优选为低电阻金属例如Cu，更优选地，可以通过增加金属电极层的厚度以降低电阻，同时起到散热作用。其中，第二接触层102对电光转换层100发出的工作光线透明，故第二接触层102材料的禁带宽度应大于电光转换层100发出的工作光线的光子能量，以防止第二接触层102对工作光线的吸收，提高光波转换效率。一般说来，可以采用对工作光线透明的重掺宽禁带半导体材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者导电透明金属氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一种及其组合来实现。
其中，多个串联的半导体光电转换结构20接收工作光线，并通过引线O1和引线O2输出电能。每个半导体光电转换结构20在垂直方向上包括用于实现能量转换的光电转换层200、位于电光转换层200顶部的第三接触层201、位于光电转换层200底部的第四接触层202，其中第四接触层202对电光转换层100发出的工作光线透明，并且，通过顺次连接第三接触层201和第四接触层202以实现各个半导体光电转换结构20之间的串联连接。其中，光电转换层200用以将光转换为电以实现变压。光电转换层200的材料包括Si，Ge，SiGe，AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其它III-V族直接禁带半导体材料及其组合。需要指出的是，电光转换层100与光电转换层200的能带结构需匹配，从而使电光转换层100发出的工作光线的波段与光电转换层200吸收效率最高的波段相匹配，以达到最高的光波能量转换效率。其中，第三接触层201不需要对工作光线透明，故可采用金属、合金、导电氧化物、重掺半导体等材料形成单层和/或多层复合结构，优选为低电阻金属例如Cu，更优选地，可以通过增加金属电极层的厚度以降低电阻，同时起到散热作用。其中，第四接触层202对电光转换层100发出的工作光线透明，故第四接触层202材料的禁带宽度应大于电光转换层100发出的工作光线的光子能量，以防止第四接触层202对工作光线的吸收，提高光波转换效率。一般说来，可以采用对工作光线透明的重掺宽禁带半导体材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者导电透明金属氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一种及其组合来实现。
其中，隔离层300用于实现半导体电光转换结构10和半导体光电转换结构20的电气隔离，使输入电压和输出电压不相互影响，同时对工作光线透明，使携带能量的光线能够从半导体电光转换结构10传输到半导体光电转换结构20，实现能量的传输，最终实现电压变换。隔离层300的厚度取决于输入输出的电压的大小以及绝缘要求，隔离层越厚，绝缘效果越好，能承受的击穿电压越高，但同时对光的衰减可能越大，因此绝缘层厚度的确定原则为：在满足绝缘要求下越薄越好。基于上述要求，在本发明实施例中，隔离层300的材料可以为固态透明绝缘介质的Al2O3、AlN、SiO2、MgO、Si3N4、BN、金刚石、LiAlO2、LiGaO2、GaAs、SiC、TiO2、ZrO2、SrTiO3、Ga2O3、ZnS、SiC、MgAl2O4、LiNbO3、LiTaO3、钇铝石榴石(YAG)晶体、KNbO3、LiF、MgF2、BaF2、GaF2、LaF3、BeO、GaP、GaN以及稀土氧化物REO中的一种及其组合，也可以为填充在壳体中的液态透明绝缘介质的纯水、CCl4、CS2、或者SF6等气态透明绝缘介质。
此外，为了获得良好的光电能量转换效率，应当避免光传播从电光转换层100进入光电转换层200的过程中在各层界面处发生全反射现象。由于当且仅当光线从折射系数较大的材料进入折射系数较小的材料时发生全反射，故只须沿着光的传播方向上各层折射系数适当匹配即可避免全反射的发生。在本发明的实施例中，可以使第二接触层102、隔离层300、第四接触层202和光电转换层200的材料折射系数与电光转换层100材料折射系数匹配，以避免光传播过程中在界面处发生全反射。此处所谓匹配是指满足条件λ电光转换层≤λ第二接触层≤λ隔离层≤λ第四接触层≤λ光电转换层(λ为折射系数)。故在本发明一个优选的实施例中，电光转换层100、第二接触层102、隔离层300、第四接触层202和光电转换层200的材料折射系数相近似。在本发明一个更优选的实施例中，电光转换层100、第二接触层102、隔离层300、第四接触层202和光电转换层200的材料折射系数梯次增加，即λ电光转换层＜λ第二接触层＜λ隔离层＜λ第四接触层＜λ光电转换层(λ为材料折射系数)。
另外，本发明还可以通过使不同材料层具有粗糙化表面、图形化表面或光子晶体结构等来减低全反射。故在本发明优选的实施例中，电光转换层100、第二接触层102、隔离层300、第三接触层102和光电转换层200中的至少一个具有粗糙化表面、图形化表面或光子晶体结构，以增大光透射率，降低光的全反射。
在本发明的一个实施例中，半导体电光转换结构10为多结结构，发射出多组工作光线；半导体光电转换结构20也为多结结构，吸收多组工作光线并转化为电能。具体地，半导体电光转换结构10将电能转换为光能时通常是发出特定波段的光，例如：(AlxGa1-x)yIn1-yP(其中0＜x＜1，0＜y＜1)材料发光二极管主要发出红光及黄光的工作光线，InxGa1-xN(其中0＜x＜1)材料LED则发出绿光或蓝光波段的工作光线，AlxGa1-xN和AlxGayIn1-x-yN材料LED则发出紫外波段的工作光线。同样的，半导体光电转换结构20通常也是特定材料吸收特定波段的工作光线，例如硅基光电池对可见光及红外光均有明显吸收，III-V族光电池则吸收特定波段的可见光。为了提高转换效率，可以将半导体电光转换结构10和半导体光电转换结构20均设计为多结结构，即半导体直流变压器1由发出多个组工作光线的多结半导体电光转换结构10和吸收多组工作光线的多结半导体光电转换结构20组合而成，只需要保证二者之间工作光线匹配即可。在适当匹配工作光线的情况下，多结结构有更高的能量转换效率。
在本发明的一个实施例中，还包括：多个二极管，多个二极管分别与半导体电光转换结构10及半导体光电转换结构20相连。当电路中电流太大时，多个二极管会首先被击穿，从而保护了半导体电光转换结构10及半导体光电转换结构20。
需要说明的是，上述实施例中，可以使半导体电光转换结构10位于隔离层300之上、半导体光电转换结构20位于隔离层300之下，也可以使半导体电光转换结构10位于隔离层300之下、半导体光电转换结构20位于隔离层300之上，这一相对位置的改变并不对半导体直流变压器的工作造成实质影响。
本发明提供的半导体直流变压器，通过在半导体直流变压器的输入端设置电光转换层，利用半导体电子能级间跃迁产生的光辐射，将直流电转换为光进行传输，在输出端设置光电转换层以将光转化为直流电输出，输入端与输出端单位单元的电压分别取决于其电光转换结构中的电光转换层和光电转换结构中的光电转换层材料的特性参数，在输入端和输出端分别采用不同数量的半导体电光转换结构和半导体光电转换结构串联，利用半导体电光转换结构和半导体光电转换结构的数目比实现直流电压的变压。该半导体直流变压器还具有耐高压，无电磁辐射，无线圈结构，安全可靠，体积小，寿命长，重量轻，安装维护方便等优点。
在图3所示的实施例的基础上，为了减少漏光损失，提高光电转换效率，本发明的半导体直流变压器还进一步包括：位于电光转换层顶部的反射层和位于光电转换层顶部的反射层，以使光线被限定在器件之中不被泄漏。根据反射层具体位置的不同，其结构可以有如图4和图5所示的两种情况。
图4所示为根据本发明的包括反射层的半导体直流变压器的结构示意图，该反射层位于电光转换层和其底部接触层之间，以及光电转换层和其底部接触层之间。
如图4所示，与图3所示的实施例相比，半导体直流变压器2还进一步包括：位于第一接触层101和电光转换层100之间的第一反射层401，和位于第三接触层201和光电转换层200之间的第二反射层402。第一反射层401和第二反射层402可以将光限制在二者之间而不漏出，有利于提高光电转换层200的转换效率。其中，由于第一反射层401和第二反射层402位于接触层内部，故需要具备导电和能带匹配的特征，可采用与电光转换层100或光电转换层200相近似的半导体材料做成布拉格反射镜来实现反光。并且，此时第一接触层101和第三接触层201无需对工作光线透明，可采用金属、合金、导电氧化物、重掺半导体等材料形成单层和/或多层复合结构以减小电阻。
图5所示为根据本发明的包括反射层的半导体直流变压器的结构示意图，该反射层位于多个半导体电光转换结构10的顶部，以及多个半导体光电转换结构20的顶部。
如图5所示，与图3所示的实施例相比，半导体直流变压器3还进一步包括：位于多个半导体电光转换结构10的顶部的第三反射层403，以及多个半导体光电转换结构20的顶部的第四反射层404。第三反射层403和第四反射层404可以将光限制在二者之间而不漏出，有利于提高光电转换层200的转换效率。其中，当第三反射层403和第四反射层404为整体的反光层时需要具备绝缘性，可采用稀土氧化物REO等绝缘材料的布拉格反射镜结构；当第三反射层403和第四反射层404为分布在多个结构单元的顶部的多个反光层时，其还可采用金属、合金等导电材料的全向反射镜结构。并且，此时第一接触层101和第三接触层201需要对工作光线透明，可采用重掺宽禁带半导体材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者导电透明金属氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一种及其组合来实现。
在本发明一个实施例中，半导体电光转换结构10和半导体光电转换结构20的电极的接触层还可以位于两侧的位置。图6所示为根据本发明的接触层位于两侧位置的半导体直流变压器的结构示意图。
如图6所示，半导体直流变压器4包括多个串联的半导体电光转换结构10、多个串联的半导体光电转换结构20和隔离层300。其中，每个半导体电光转换结构10包括电光转换层100，和位于电光转换层100两侧的第五接触层103；每个半导体光电转换结构20包括光电转换层200，和位于光电转换层200两侧的第六接触层203；半导体电光转换结构10与半导体光电转换结构20的工作光线匹配；隔离层300对工作光线透明。为获得较高的能量转换效率，优选的，还可以进一步包括：位于电光转换层100顶部的第五反射层405，和位于光电转换层200顶部的第六反射层406。第五反射层405和第六反射层406需要具备绝缘性，其材料可采用稀土氧化物REO等绝缘材料的布拉格反射镜结构。
在本发明另一个实施例中，半导体电光转换结构10和半导体光电转换结构20还可以位于隔离或支撑结构同一侧位置。图7所示为根据本发明的同侧位置的半导体直流变压器的结构示意图。
如图7所示，该半导体直流变压器5包括：多个串联的半导体电光转换结构10、多个串联的半导体光电转换结构20、衬底30。其中，多个串联的半导体电光转换结构10与多个串联的半导体光电转换结构20的工作光线匹配，交替地排列在衬底30的同侧表面上(例如：顶部表面)，多个半导体电光转换结构10与多个半导体光电转换结构20之间填充有用于电气隔绝的透明绝缘介质。每个半导体电光转换结构10包括：电光转换层100，位于电光转换层100顶部的第七接触层104、位于电光转换层100底部的第八接触层105，其中第八接触层105对工作光线透明。每个半导体光电转换结构20包括：光电转换层200，位于光电转换层200顶部的第九接触层204、位于光电转换层200底部的第十接触层205，其中第十接触层205对工作光线透明。衬底30包括透明绝缘介质层300和反射层301，其中，透明绝缘介质层300可为固态透明绝缘材料或者封装在壳体中液体或气态透明绝缘材料，用于提供光传播的空间，反射层301为三角形的反射结构，如图8所示，反射层301用于使电光转换层100发出的纵向传输光线经反射层斜面反射转向传输到光电转换层200上。在本发明的一个优选实施例中，还包括：位于半导体直流变压器的顶部的顶反射层302，顶反射层302与反射层301类似，具有倒三角形的反射结构，用于使纵向传输光线转向传输。
在本发明的另一些实施例中，电光转换层100除了纵向发光之外，还可做横向发光。在电光转换层100横向发光的情况下，将多个半导体电光转换结构10与多个半导体光电转换结构20交替排列在同一侧表面上是一种较为简便的设计。此外，利用两个相对面放置的反射层，可以将光线封闭在一定区域内，避免漏光带来能量损耗。而反射层的位置，又可将该类实施例分成图9与图10两种情况。
图9所示为根据本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图。
如图9所示，该半导体直流变压器6包括：多个串联的半导体电光转换结构10、多个串联的半导体光电转换结构20、用于支撑的衬底300。其中，多个串联的半导体电光转换结构10与多个串联的半导体光电转换结构20的工作光线匹配，交替地排列在衬底300的顶部表面。多个半导体电光转换结构10与多个半导体光电转换结构20之间填充有用于电气隔绝的透明绝缘介质。每个半导体电光转换结构10包括：电光转换层100，位于电光转换层100顶部的第七接触层104、位于电光转换层100底部的第八接触层105。每个半导体光电转换结构20包括：光电转换层200，位于光电转换层200顶部的第九接触层204、位于光电转换层200底部的第十接触层205。该半导体直流变压器6还包括：位于第七接触层104与电光转换层100之间以及第九接触层204与光电转换层200之间的第七反射层407，和位于第八接触层105与电光转换层100之间以及第十接触层205与光电转换层200之间的第八反射层408。第七反射层407和第八反射层408可以将光限制在二者之间而不漏出，有利于提高光电转换层200的转换效率。其中，由于第七反射层407和第八反射层408位于接触层内部，故需要具备导电和能带匹配的特征，可采用与电光转换层100或光电转换层200相近似的半导体材料做成布拉格反射镜来实现反光。并且，此时第七接触层104、第八接触层105、第九接触层204、第十接触层205无需对工作光线透明，可采用金属、合金、导电氧化物、重掺半导体等材料形成单层和/或多层复合结构以减小电阻。
图10所示为根据本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图。
如图10所示，该半导体直流变压器7包括：多个串联的半导体电光转换结构10、多个串联的半导体光电转换结构20、用于支撑的衬底300。其中，多个串联的半导体电光转换结构10与多个串联的半导体光电转换结构20的工作光线匹配，交替地排列在衬底300的顶部表面。多个半导体电光转换结构10与多个半导体光电转换结构20之间填充有用于电气隔绝的透明绝缘介质。每个半导体电光转换结构10包括：电光转换层100，位于电光转换层100顶部的第七接触层104、位于电光转换层100底部的第八接触层105。每个半导体光电转换结构20包括：光电转换层200，位于光电转换层200顶部的第九接触层204、位于光电转换层200底部的第十接触层205。该半导体直流变压器7还包括：位于第七接触层104与第九接触层204顶部的第九反射层409，和位于第八接触层105与第十接触层205底部的第十反射层410。第九反射层409和第十反射层410可以将光限制在二者之间而不漏出，有利于提高光电转换层200的转换效率。其中，当第九反射层409和第十反射层410为整体的反光层时需要具备绝缘性，可采用稀土氧化物REO等绝缘材料的布拉格反射镜结构；当第九反射层409和第十反射层410为分布在多个结构单元的顶部的多个反光层时，其还可采用金属、合金等导电材料的全向反射镜结构。并且，此时第七接触层104、第八接触层105、第九接触层204、第十接触层205需要对工作光线透明，可采用重掺宽禁带半导体材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者导电透明金属氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一种及其组合来实现。
图11所示为根据本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图。
如图11所示，该半导体直流变压器8包括：多个串联的半导体电光转换结构10、多个串联的半导体光电转换结构20、衬底300。其中，多个串联的半导体电光转换结构10与多个串联的半导体光电转换结构20的工作光线匹配，交替地排列在衬底300的顶部表面。多个半导体电光转换结构10与多个半导体光电转换结构20之间填充有用于电气隔绝的透明绝缘介质。每个半导体电光转换结构10包括：电光转换层100，位于电光转换层100两侧的第十一接触层106。每个半导体光电转换结构20包括：光电转换层200，位于光电转换层200两侧的第十二接触层206。该半导体直流变压器8还包括：位于电光转换层100和光电转换层200顶部的第十一反射层411，和位于电光转换层100和光电转换层200底部的第十二反射层412。第十一反射层411和第十二反射层412可以将光限制在二者之间而不漏出，有利于提高光电转换层200的转换效率。其中，第十一反射层411和第十二反射层412需要具备绝缘性，其材料可为采用稀土氧化物REO等绝缘材料的布拉格反射镜结构。并且，此时第十一接触层106和第十二接触层206需要对工作光线透明，可采用重掺宽禁带半导体材料GaAs、GaN、AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者导电透明金属氧化物材料ITO、SnO2、ZnO，或者石墨烯中的一种及其组合来实现。
图12所示为根据本发明一个实施例的半导体直流变压器的结构示意图。
如图12所示，该半导体直流变压器9包括：多个串联的半导体电光转换结构10、多个串联的半导体光电转换结构20、壳体30。其中，多个串联的半导体电光转换结构10与多个串联的半导体光电转换结构20的工作光线匹配，分别形成在壳体30的两个相对表面上。并且壳体30中填充有液态透明绝缘介质或气态透明绝缘介质。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
Claims (23)
1.一种半导体直流变压器，其特征在于，包括：
多个串联的半导体电光转换结构，用于将输入电能转换为光能；和
多个串联的半导体光电转换结构，用于将所述光能转换为输出电能，其中，所述半导体光电转换结构的数目与所述半导体电光转换结构的数目不同以实现直流变压，且所述半导体电光转换结构与所述半导体光电转换结构的工作光线匹配。
2.如权利要求1所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述半导体电光转换结构包括发光二极管、谐振发光二极管或激光二极管。
3.如权利要求1所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述半导体光电转换结构为具有背接触或埋接触的单面引出电极结构的光电池。
4.如权利要求1所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述半导体电光转换结构或所述半导体光电转换结构包括多个并联的半导体电光转换子单元或多个并联的半导体光电转换子单元。
5.如权利要求1-4中任一项所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
隔离层，
其中，所述多个半导体电光转换结构形成在所述隔离层一侧，且每个半导体电光转换结构包括电光转换层，以及所述多个半导体光电转换结构形成在所述隔离层另一侧，且每个光电转换结构包括光电转换层，其中，所述隔离层对所述电光转换层发出的工作光线透明。
6.如权利要求5所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述半导体电光转换结构、所述隔离层和所述半导体光电转换结构具有相近似的折射系数。
7.如权利要求5所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述半导体电光转换结构、所述隔离层和所述半导体光电转换结构的材料折射系数呈梯度逐级递增。
8.如权利要求5所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述半导体电光转换结构、所述隔离层和所述半导体光电转换结构中的至少一个具有粗糙化表面、图形化表面或光子晶体结构。
9.如权利要求5所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
位于所述电光转换层顶部的第一接触层，位于所述电光转换层底部的第二接触层，位于所述光电转换层顶部的第三接触层，位于所述光电转换层底部的第四接触层，其中，所述第二接触层和所述第四接触层对所述电光转换层发出的工作光线透明。
10.如权利要求9所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述第二接触层和第四接触层为重掺半导体材料、透明导电氧化物、石墨烯中的一种及其组合。
11.如权利要求10所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
位于所述电光转换层顶部的反射层；
位于所述光电转换层顶部的反射层。
12.如权利要求5所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
位于所述电光转换层两侧的第五接触层；和
位于所述光电转换层两侧的第六接触层。
13.如权利要求12所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
位于所述电光转换层顶部的反射层；
位于所述电光转换层顶部的反射层。
14.如权利要求1-4中任一项所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
衬底层，
其中，所述多个半导体光电转换结构和多个半导体电光转换结构形成在所述衬底层之上，且所述多个半导体光电转换结构具有光电转换层，所述多个半导体电光转换结构具有电光转换层，其中，所述多个半导体光电转换结构和多个半导体电光转换结构之间填充有绝缘透明介质。
15.如权利要求14所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述衬底层底部具有三角形反射结构。
16.如权利要求14所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
位于所述电光转换层顶部的第七接触层、位于所述电光转换层底部的第八接触层、位于所述光电转换层顶部的第九接触层，以及位于所述光电转换层底部的第十接触层，其中，所述第八接触层与第十接触层对所述电光转换层发出的工作光线透明。
17.如权利要求16所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述第八接触层与第十接触层为重掺半导体材料、透明导电氧化物、石墨烯中的一种及其组合。
18.如权利要求17所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
位于所述电光转换层和所述光电转换层的顶部的反射层；
位于所述电光转换层和所述光电转换层的底部的反射层。
19.如权利要求14所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
分别形成在所述电光转换层两侧的第十一接触层和形成在所述光电转换层两侧的第十二接触层。
20.如权利要求19所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
位于所述电光转换层和所述光电转换层的顶部的反射层；
位于所述电光转换层和所述光电转换层的底部的反射层。
21.如权利要求5-20任一项所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述电光转换层的材料包括红黄光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、蓝紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO，红光或红外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、InGaAsP，AlGaAs，InGaAsNSb以及其它III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半导体材料及其组合。
22.如权利要求21所述的半导体直流变压器，其特征在于，所述光电转换层的材料包括Si，Ge，SiGe，AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其它III-V族直接禁带半导体材料及其组合。
23.如权利要求1所述的半导体直流变压器，其特征在于，还包括：
壳体，其中，所述多个串联的半导体电光转换结构和所述多个串联的半导体光电转换结构分别形成在所述壳体的两个相对表面之上，且
所述壳体中填充有液态透明绝缘介质或气态透明绝缘介质。
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