ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области твердотельных термоэлектрических устройств, предназначенных для организации охлаждения или нагрева, в частности, к термоэлектрическому элементу с применением варизонных структур. Изобретение может быть использовано для создания модуля или схемы термоэлектрического нагревателя/охладителя, для охлаждения электронных устройств, например, таких как центральных процессор или блок питания персонального компьютера, а также может быть использовано как охлаждающих элемент в холодильниках, в том числе портативных, и других устройствах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известен охлаждающий термоэлектрических элемент, раскрытый в WO2019/240719, опубл. 19.12.2019, который включает два варизонных полупроводника n-типа и p-типа, соединенных таким образом, что широкозонная сторона варизонного полупроводника п -типа соединена с узкозонной стороной варизонного полупроводника р- типа. К другим сторонам варизонных полупроводников подсоединены выводы с помощью металлических контактов для включения термоэлектрического элемента в электрическую цепь. Каждый варизонный полупроводник выращивается на подложке. Такая структура является сложной и, как следствие, дорогостоящей.

Данный термоэлектрический элемента имеет в структуре р / п переход, работающий в режиме обратного подключения, что увеличивает сопротивление термоэлектрического элемента и, как следствие, увеличивается выделение тепла. Омические контакты и проводники, примыкающие к омическим контактам, а также область полупроводника, примыкающая к омическим контактам выполнены без учёта соответствия средней энергии электрона и работы выхода, что также может приводить, в случае существенного различия в энергии электрона и уровня Ферми в материале, к термализации. Всё перечисленное снижает КПД известного из WO2019/240719 термоэлектрического элемента.

Таким образом, существует потребность в выполнении дополнительной работы, направленной на оптимизацию слоёв структуры термоэлектрического элемента для увеличения производительности термоэлектрического элемента.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка полупроводниковой структуры термоэлектрического элемента.

Техническим результатом изобретения является

• Увеличение производительности • Увеличение КПД.

• Возможность применения одиночного изделия без необходимости объединения в батарею.

• Возможность встраивания в электронные компоненты.

Указанный технический результат достигается за счет того, что термоэлектрический элемент содержит варизонный полупроводник с изменяющейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной варизонной структуры во всем интервале составов, выращенный на основании, при этом основание содержит полупроводниковый материал с работой выхода, равной или близкой работе выхода слоя полупроводникового материала варизонной структуры, примыкающего к ней, а с двух противоположных сторон термоэлектрического элемента выполнены омические контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов для включения в электрическую цепь.

В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является подложкой, выполненной из полупроводникового материала.

В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является металлической структурой с нанесенным полупроводниковым материалом на нее. В этом случае металлическая структура является омическим контактом.

В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала. В этом случае металлическая структура является омическим контактом.

В некоторых вариантах осуществления изобретения варизонная структура имеет проводимость п-типа.

В некоторых вариантах осуществления изобретения варизонная структура имеет проводимость р-типа.

В некоторых вариантах осуществления изобретения варизонная структура является варизонной р-п-структурой с плавным изменением типа легирования от р типа до п типа.

В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводниковый материал подложки имеет такую же или близкую кристаллическую структуру и такой же тип проводимости, что и примыкающий к нему слой полупроводникового материала варизонной структуры.

В некоторых вариантах осуществления изобретения работа выхода омических контактов совпадает или максимально приближена к работе выхода примыкающего к омическому контакту полупроводникового материала, с одной стороны, и совпадает или максимально приближена к работе выхода контактирующего с омическим контактом материалом соединительного провода, с другой стороны. Увеличение производительности, а также увеличение КПД, обеспечивается за счет статически большего числа электронов, способных поглотить энергию фононов, и, как следствие, более эффективного преобразования энергии фононов в энергию электронов.

Возможность применения одиночного изделия обеспечивается тем, что что принцип работы термоэлектрического элемента построен на том, что в термоэлектрический элемент из электрической цепи поступают электроны с энергией меньше, чем у электронов, поступающих в электрическую цепь от термоэлектрического элемента. Возможность встраивания термоэлектрического элемента в электронный компонент обуславливается тем, что технологии изготовления термоэлектрического элемента и электронного компонента совпадают. В связи с этим появляется возможность изготовить термоэлектрический элемент и электронный компонент в одном корпусе.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к термоэлектрическому элементу, конструкция которого схематично изображена на фиг. 1. В изображенном варианте осуществления изобретения основным элементном термоэлектрического элемента является варизонный полупроводник. Для его получения на основании (1), содержащем полупроводниковый материал, выращивается полупроводниковая эпитаксиальная варизонная структура (2).

Рост варизонной структуры (2) начинается, например, со слоя полупроводникового материала, имеющего большую работу выхода (максимально совпадает с работой выхода полупроводникового материала основания), и заканчивается слоем полупроводникового материала, имеющего меньшую работу выхода по сравнению с первым слоем. Варизонные полупроводники могут быть произведены методом жидкофазной эпитаксии, диффузии или путем напыления, например, германия и кремния на подложку из алюминия или никеля для варизонных п - и р-полупроводников соответственно.

Рост варизонной структуры может происходить и в обратном направлении с соблюдением условия максимального совпадения работы выхода полупроводника, примыкающего к основанию с работой выхода полупроводникового материала основания. В этом случае меняется полярность протекающих процессов.

Варизонная структура (2) может состоять из двух и более полупроводниковых материалов.

В качестве основания в одном из вариантов осуществления изобретения используется подложка (1), выполненная из полупроводникового материала, который имеют такую же или близкую кристаллическую структуру и такой же тип проводимости, что и примыкающий к нему слой полупроводникового материала варизонной структуры.

В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводниковая эпитаксиальная варизонная структура может быть выращена с обеих сторон подложки (на каждой плоскости) из полупроводникового материала таким образом, что имеют общее направление изменения работы выхода. Например, на подложке из GaAs п-типа проводимости выращивается варизонная структура GaAs-AIAs n-типа. А на противоположной стороне подложки выращивается варизонная структура GaAs-lnAs п- типа. Общий вид полученной структуры InAs-GaAs (подложка GaAs) GaAs-AIAs.

В качестве основания в другом варианте осуществления изобретения также может быть использовано металлическое основание с нанесенным на него слоем полупроводникового материала. Нанесение полупроводникового материала может быть осуществлено с помощью известных технологических методов напылением, диффузией, осаждением и другими.

В другом варианте осуществления изобретения основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала.

Обе стороны термоэлектрического элемента выполнены с омическими контактами (3) с возможностью подключения к ним соединительных проводов для включения термоэлектрического элемента в электрическую цепь. Два омических контакта являются внешними поверхностями варизонной полупроводниковой структуры.

В изображенных вариантах выполнения омические контакты (3), в случае использования в качестве основания подложки из полупроводникового материала, представляют собой неразъёмное соединенные с внешними поверхностями варизонного полупроводника горизонтально ориентированные пластины, которые в предпочтительном варианте выполнения заявленного изобретения выполнены из алюминия. Омические контакты (3) могут быть выполнены из любого другого материала, который обладает высокой теплопроводностью, химической стойкостью и устойчивостью к действию высокой температуры. Омические контакты могут быть закреплены на соответствующих сторонах варизонного полупроводника с помощью спаивания, склеивания, механических средств или другими подобными способами.

В случае использования в качестве основания металлического слоя с нанесенным на него полупроводниковым слоем или структуры, содержащей металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала, металлический слой выступает в качестве омического контакта. Второй омический контакт выполнен, как описано выше.

Для выполнения электрического соединения термоэлектрического полупроводника к внешней электрической цепи к каждому омическому контакту присоединен соединительный проводник. К первому омическому контакту термоэлектрического элемента, расположенного на торце со стороны основания, подключен первый соединительный проводник, ко второму омическому контакту, расположенному на другом торце термоэлектрического элемента, подключен второй соединительный проводник. При этом первый проводник подбирается таким образом, чтобы работа выхода первого проводника максимально совпадала с работой выхода материала первого омического контакта и с работой выхода полупроводникового материала подложки или работой выхода материала основания. А второй проводник подбирается таким образом, чтобы работа выхода второго проводника максимально совпадала с работой выхода материала второго омического контакта и с работой выхода полупроводникового материала варизонной структуры, примыкающей к проводнику через омический контакт.

В том случае, если варизонная структура выращена по обе стороны от подложки, то омические контакты располагаются на внешних плоскостях полученной структуры. В данном варианте осуществления первый и второй проводники выполнены таким образом, что работа выхода первого и второго проводника максимально совпадает с работой выхода материала соответственно первого и второго омического контакта и с работой выхода материала варизонной структуры, примыкающей к проводнику через соответствующий омический контакт.

Варизонная структура может иметь проводимость п-типа, p-типа или являться р-п- структурой с плавным легированием от p-типа к п-типу.

В исполнении варизонной структуры с плавным изменением типа легирования от р- типа до n-типа акцепторной примесью для варизонного полупроводника p-типа является трехвалентен бор, а донорной примесью для варизонного полупроводника п -типа является пятивалентный фосфор, которые являются предпочтительными примесями для варизонных полупроводников, состоящих из кремния и германия. Однако в качестве акцепторной и донорной примесей могут быть использованы другие подобные материалы в соответствии с полупроводниковыми материалами, из которых состоят варизонные полупроводники.

Термоэлектрический элемент работает следующим образом. Контакты соединительных проводников А и Б подсоединяют, например, к преобразователю ток- напряжение, образуя электрическую цепь. На термоэлектрический элемент подаётся постоянный ток.

Проводник А подобран таким образом, чтобы работа выхода проводника максимально совпадала с работой выхода материала омического контакта и работой выхода полупроводникового материала основания. Под воздействием приложенного поля электрон из проводника А через омический контакт и основание попадает в варизонный полупроводник и движется в сторону области с преобладанием полупроводника имеющего меньшую работу выхода.

Поскольку работа выхода монотонно уменьшается, электрону для занятия места с меньшей работой выхода необходимо получить энергию извне. Часть этой энергии он черпает из приложенного внешнего электрического поля, а часть - поглощается из энергии фононных колебаний кристаллической решетки варизонной структуры. Пройдя варизонную структуру и омический контакт, электрон попадает в проводник Б. Проводник Б подобран таким образом, что работа выхода материала проводника совпадает с работой выхода омического контакта и работой выхода полупроводникового материала варизонного полупроводника, который к нему примыкает через омический контакт.

В зависимости от направления тока тепло поглощается (термоэлектрический элемент охлаждается) или выделяется (нагрев термоэлектрического элемента). Контакт А- , Б+ охлаждение А+, Б- нагрев.

Охлаждающее устройство, подключение А-, Б+: в результате один конец нагревается, а другой охлаждается. Этот эффект может быть использован для активного охлаждения (для получения низких температур или для отвода тепла).

С целью измерения эффекта охлаждения использовался метод лазерной термометрии. Этот метод обладает высокой точностью и позволяет регистрировать изменения температуры до 0,1 градуса. Исследовались следующие структуры:

Структура 1 представляет собой один слой твёрдого раствора ln _x Gai- _x As переменного состава, сформированный на подложке GaAs p-типа проводимости (с концентрацией примеси в подложке вблизи 10 ¹⁸ см ^-3 ).

Толщина слоя: 10±0,5 мкм. Состав х непрерывно изменяется от значения х=0 на границе слоя 1 с подложкой р-GaAs до значения х=0,8 на поверхности.

Структура 2 представляет собой один слой твёрдого раствора ln _x Gai. _x As переменного состава, сформированный на подложке GaAs p-типа проводимости (с концентрацией примеси в подложке вблизи 10 ¹⁸ см ^-3 ). Структура включает также систему буферных слоёв для согласования легирования.

Общая толщина слоя составила 4,6 мкм. Схема структуры, включающая уровни легирования, представлена в Таблице 1.

Таблица 1. Схема структуры 2 для исследования эффекта охлаждения

В таблице приведены технологически заданные толщины слоёв и уровни легирования. Стрелка означает линейное изменение значения от величины, указанной слева, в начале слоя, до величины, указанной справа. При пропускании через каждую исследуемую структуру электрического тока определенной полярности происходит изменение температуры образца, приводящее к изменению коэффициента отражения, следовательно, меняется интенсивность лазерного излучения, попадающего в фоторезистор, что меняет номинал сопротивления, в результате чего происходит разбалансировка моста. Показания напряжения с мостовой схемы регистрируется. Исследованы зависимости температуры каждого образца от пропускаемого через нее тока.

Показано, что сформированные структуры с изменяющейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов усиливают эффект охлаждения при пропускании через них тока определенной полярности.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.