[논문 리뷰] High Performance Direct-Current Generator Based on Dynamic PN Junctions

Yanghua Lu, Sirui Feng외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 03.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 4인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 기계적 에너지를 전기로 변환하기 위해 서로 다른 페르미 수준을 가진 반도체 두 개를 슬라이딩하는 방식으로 작동하는 동적 PN 접합을 기반으로 한 고성능 직류 발전기를 제안한다. MoS2/AlN/Si 구조에서 개방회로 전압 5.1 V와 단락회로 전류 밀도 112 A/m² (11.2 mA/cm²)를 달성하여 지속적인 작동과 청색 LED에 직접 전원 공급이 가능함을 보여준다.

ABSTRACT

After the electromagnetic generator, searching for novel electric generators without strong magnetic field is highly demanded. The generator without strong magnetic field calls for a physical picture distinct from the traditional generators. As the counterpart of the static PN junction has been widely used in the integrated circuits, we develop an electric generator named dynamic PN generator with a high current density and voltage output, which converts mechanical energy into electricity by sliding two semiconductors with different Fermi level. A dynamic N-GaAs/SiO2/P-Si generator with the open-circuit voltage of 3.1 V and short-circuit density of 1.0 A/m2 have been achieved. The physical mechanism of the dynamic PN generator is proposed based on the built-in electric field bounding back diffusing carriers in dynamic PN junctions, which breaks the equilibrium between drift and diffusion current in the PN junction. Moreover, the dynamic MoS2/AlN/Si generator with the open-circuit voltage of 5.1 V and short-circuit density of 112 A/m2 (11.2 mA/cm2) have also been achieved, which can effectively output a direct-current and light up a blue light-emitting diode directly. This dynamic MoS2/AlN/Si generator can continuously work for hours without obvious degradation, demonstrating its unique mechanism and potential applications in many fields where the mechanical energy is available.

연구 동기 및 목표

• 강한 자장이 필요로 하지 않는 새로운 전기 발전기를 개발하여 기존의 유도 발전기와 근본적으로 다름.
• 기존의 정전기 및 압전 발전기의 한계를 극복하여 고전류 밀도와 안정적인 직류 출력을 가능하게 함.
• 이동하는 전하 운반자의 확산과 이동 전류 간의 평형을 깨뜨리는 동적 PN 접합을 기반으로 한 새로운 물리적 메커니즘 수립.
• 반복적인 기계적 슬라이딩 조건에서도 최소한의 열화로 장기간 안정적으로 작동하는 발전기의 실용적 작동을 입증함.
• 외부 전원 관리 장치 없이도 LED와 같은 전자 기기로 직접 전원 공급이 가능하도록 함.

제안 방법

• 다른 페르미 수준을 가진 반도체 두 층인 N-GaAs와 P-Si를 슬라이딩시켜 동적 PN 접합을 형성함.
• 물리적 메커니즘은 실내 전기장을 통해 운반자의 역방향 확산을 억제하고, 이동 전류와 확산 전류 간의 평형을 깨뜨림.
• 외삽된 MoS2를 Si 기판 위에 배치하고 AlN을 터널링 장벽으로 사용하여 동적 MoS2/AlN/Si 이종 구조를 제작함.
• 접합의 전위를 조절하기 위해 기계적 슬라이딩을 통해 장치를 구동하여 한 방향으로의 전류를 생성함.
• 성능 평가를 위해 개방회로 및 단락회로 조건에서 전압-전류 특성을 측정함.
• 지속적인 작동 동안 수시간 동안 주기적으로 전기적 측정을 수행하여 장기 안정성을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장이나 압전 물질 없이도 동적 PN 접합이 안정적인 직류를 생성할 수 있는가?
• RQ2 다른 페르미 수준을 가진 슬라이딩 반도체 인터페이스에서 한 방향 전류 생성을 가능하게 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 동적 PN 접합의 내재 전기장이 운반자의 역방향 확산을 어떻게 억제하고 순전류 흐름을 유지하는가?
• RQ4 MoS2와 같은 2차원 물질을 사용한 동적 PN 발전기에서 도달 가능한 전압 및 전류 밀도 수준은 무엇인가?
• RQ5 반복적인 기계적 작동 조건에서도 최소한의 열화로 장기간 안정적으로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 동적 N-GaAs/SiO2/P-Si 발전기는 개방회로 전압 3.1 V와 단락회로 전류 밀도 1.0 A/m²를 달성함.
• MoS2/AlN/Si 발전기는 훨씬 높은 성능을 보이며 개방회로 전압 5.1 V와 단락회로 전류 밀도 112 A/m² (11.2 mA/cm²)를 기록함.
• 장치는 직접 청색 발광 다이오드(LED)를 점등시켜 유용한 직류 출력을 공급할 수 있음을 확인함.
• 장치는 명백한 열화 없이 1시간 이상 안정적인 출력을 유지하여 견고한 장기 작동 능력을 보임.
• 물리적 메커니즘은 운반자를 구속하고 이동 전류와 확산 전류 간의 평형을 깨뜨리는 내재 전기장 덕분으로 기인됨.
• 결과적으로 동적 PN 접합이 저전력 에너지 수확 애플리케이션에서 기존의 유도 및 압전 발전기와의 타당한 대안이 될 수 있음이 확인됨.