Термоэлектрический холодильник

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский национальный технический университет Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Сычик Андрей Васильевич Шамкалович Владимир Иванович Шумило Виктор Степанович(73) Патентообладатель Белорусский национальный технический университет Сычик Василий Андреевич(57) Термоэлектрический холодильник, включающий полупроводниковый термопреобразователь, содержащий - и -полупроводниковые области с омическими контактами, -переход, внешние электрические выводы, отличающийся тем, что переход сформирован в виде гетероперехода, толщина контактирующей с гетеропереходом области составляет (0,50,8) диффузионной длины пробега электронов, толщина контактирующей с гетеропереходом -области составляет (25) диффузионной длины пробега электронов, причем -полупроводник является узкозонным, а -полупроводник широкозонным. 6828 1 Изобретение относится к полупроводниковым термопреобразователям, функционирующим на эффекте Пельтье, и может быть использовано в холодильных агрегатах бытовых и специальных холодильных аппаратов. Известен термоэлектрический холодильник 1, который содержит термоэлектрические преобразователи термопарного типа с радиаторными пластинами, вентиляционный блок и источник питания. Такой преобразователь электрической энергии в тепловую обладает небольшой температурой охлаждения и сложной конструкцией. Также известен термоэлектрический холодильник 2, который содержит несколько термоэлектрических модулей, каждый из которых составлен из множества объединенных попарно термоэлектрических элементов. На одной стороне каждого модуля имеется рабочий канал, на другой стороне модуля размещен теплообменник. Такой термопреобразователь также обладает сложной конструкцией и невысокими техническими параметрами. Прототипом предлагаемого изобретения является термоэлектрический холодильник 3, который содержит ленту с проводящей полоской, из которой формируют матрицу контактов для первой стороны термоэлектрического холодильника. Матрица контактов прикреплена к изолирующей пластине, представляющей плату термопреобразователя. Термоэлектрические элементы типа проводимости, расположенные между контактами платы и выводами, включают переход с примыкающими р- и - полупроводниковыми областями и омическими контактами. Недостатками прототипа являются а) сложная конструкция термоэлектрического холодильника, содержащая множество элементов, кроме полупроводникового р- преобразователя б) невысокая стабильность работы термоэлектрического холодильника из-за большого числа коммутирующих соединений в) поскольку используется узкозонный р- переход, например из германия, и высота его потенциального барьера незначительна (десятые доли эВ), термоэлектрический холодильник обладает небольшой температурой охлаждения, не выше -10 . Техническим результатом изобретения является повышение температуры охлаждения и стабильности работы. Поставленная задача достигается тем, что в термоэлектрическом холодильнике, включающем полупроводниковый термопреобразователь, содержащий р- и -полупроводниковые области с омическими контактами, р- переход, внешние электрические выводы,р- переход сформирован в виде р- гетероперехода, толщина контактирующей с -р гетеропереходом -области составляет (0,50,8) диффузионной длины пробега электронов,толщина контактирующей с -р гетеропереходом р-области составляет (25) диффузионной длины пробега электронов, причем -полупроводник является узкозонным, а р-полупроводник - широкозонным. Температура охлаждения термоэлектрического холодильника-прототипа не превышает -10 , а температура охлаждения предлагаемого устройства на гетеропереходе типа- достигает -20 , причем благодаря существенному упрощению конструкции более чем в три раза повышается стабильность его работы. Изложенная сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 1 изображена конструкция ТЭХ, на фиг. 2 - его зонная диаграмма. Конструктивно термоэлектрический холодильник состоит из гетероперехода, включающего обедненную 0-область 1 из узкозонного полупроводника и обедненную р 0 область 2 - из широкозонного полупроводника. Обедненная 0-область 1 контактирует с узкозонной 1 - полупроводниковой областью 3 и сильнолегированным 1 слоем 4, а обедненная р 0 область 2 контактирует с широкозонной 1 полупроводниковой областью 5 и сильнолегированным р 1 слоем 6. На сильнолегированных 1 и р 1 слоях 4 и 6 размещены омические контакты 7 и 8, которые жестко связаны с внешними выводами 9 и 10. 1 область 3 ТЭХ изготавливается из узкозонного полупроводника, обладающего высокой 2 6828 1 подвижностью носителей, большим временем их жизни и возможностью методом легирования создавать в его объеме сильнолегированные слои, например из германия. Ширина 1-области 3 ТЭХ определяется минимумом потерь электронов, инжектируемых источником питания , подключаемым коммутатором 11, и, как показали результаты эксперимента, составляет (0,50,8), где- диффузионная длина пробега электронов в 1- или р 1-области. 1 область 5 ТЭХ формируется из широкозонного полупроводника с большим временем жизни носителей и также возможностью создавать методом легирования в его объеме сильнолегированные слои, например из арсенида галлия. Ширина 1 области определяется полным поглощением в ней тепловой энергии электронов, экстрагируемых из 1- в 1-область и, как показали результаты эксперимента, составляет (25). Сильнолегированный 1 слой 4 представляет часть 1-области 3, который сформирован путем введения высокой концентрации донорной примеси 1020 см-3, обладает малым сопротивлением и обеспечивает омический контакт с металлическим слоем 7. Сильнолегированный 1-слой 6 представляет часть 1-области 5 и также сформирован методом диффузии или ионной имплантации при введении высокой концентрации акцепторной примеси 1020 см-3. Он обладает высокой проводимостью и обеспечивает омический контакт с металлическим слоем 8. Для контакта невырожденных полупроводников количество поглощаемого тепла в р 1-области 5 от инжекции в нее электронов из 1 области 3 зависит от соотношения концентрации электронов в этих областях (/), поэтому узкозонная 1 область 3 легирована примесью с концентрацией примеси 110181019 см-3, а широкозонная 1 область 5 легирована акцепторной примесью 110161017 см-3. Поскольку в рабочем режиме примесь узкозонного полупроводника, то есть 1 области 3 полностью ионизирована, то концентрация электронов в 1-области 110181019 см-3, а концентрация электронов в широкозонной полупроводниковой 1 области 5 будет меньше концентрации носителей для собственного полупроводника, то есть 1108 см-3, то соотношение 1/110. Количество поглощаемого тепла также зависит от разности энергий инжектированных из 1-области 3 электронов и энергии элек 2, где А - коэффициент, учитывающий соот 11 ношение энергий электронов в узкозонном 1 и широкозонном 2 полупроводниках 1,2 - ширина запрещенной зоны узкозонного и широкозонного полупроводников. Для 00 гетероперехода коэффициент А 2/11,43/0,662,2. Для обеспечения максимальной инжекции электронов из 1-области 3 узкозонного полупроводника в 1-область 5 широкозонного полупроводника, то есть исключения потерь на границе контакта 0-р 0 обедненных областей 1 и 2 узкозонный материали широкозонный материалвыбираются с одинаковыми структурой и постоянными решеток 2( 21 ))1002 . Для гетероперехода 1 и а 2, а относительное их изменение(21 0-01 . Для повышения эффективности отбора тепла из охлаждаемого объема термоэлектрический холодильник устанавливается на радиатор. Термоэлектрический холодильник работает следующим образом. При подаче питающего напряжения прямой полярностичерез коммутатор 11 на внешние выводы термоэлектрического холодильника 1-области 3 начинает инжектировать через 0-р 0 гетеропереход электроны в 1-область 5. Плотность тока через 0-р 0 гетеропереход определяется из выражения 6828 1 и экспоненциально возрастает с повышением питающего напряжения. В (1)- ток насыщения е, к,- соответственно заряд электрона, постоянная Больцмана, температура. Инжектирующие в 1-область 5 электроны на расстоянии диффузионной длиныпоглощают из кристаллической решетки этой области энергию и повышают ее до величины энергии электронов 1-области 5. В результате отбора энергии инжектированными электронами от кристаллической решетки 1-области 5 ее температура и соответственно температура термоэлектрического холодильника понижается. Величина поглощаемой тепловой энергии определяется зависимостью пП,(2) где П - коэффициент Пельтье- ток, протекающий через 0-р 0 гетеропереход сечением- время протекания тока. Коэффициент Пельтье для -р гетероперехода из невырожденных полупроводников определяется из зависимости 2 где А - коэффициент, учитывающий соотношение энергии электронов в р иобластях 1 и 2 - концентрация собственных электронов в - и р-областях. Повышение диапазона рабочих отрицательных температур в предложенном термоэлектрическом холодильнике по сравнению с аналогами, где используется р- гомопереход, обусловлено существенным повышением коэффициента Пельтье. Для предлагаемого 0-0 гетероперехода с 1- и 1-областями коэффициент А 2,2, а соотношение 2/16. Поэтому с учетом (2) поглощаемая тепловая энергия предлагаемым термоэлек 10 трическим холодильником по сравнению с прототипом возрастает в 2,23,7 раз. 6 Повышение стабильности работы предложенного устройства в сравнении с аналогами заключается в существенном упрощении ее конструкции и использовании в качестве теплопоглощающей области широкозонного полупроводника. Создано экспериментальное устройство - термоэлектрический холодильник сгетеропереходом. 1-слой толщиной 0,3 мкм выполнен на основе , легированного фосфором до концентрации 31020 см-3, 1 - область представляет слой германия толщиной 0,6 мкм, легированный фосфором с концентрацией 61018 см-3. Суммарная толщина 0-р 0 гетероперехода составляет 0,65 мкм, примыкающая 1-область выполнена на основе , легированного акцепторной примесью - кадмием с концентрацией 21017 см-3, 1-слой сформирован впутем введенияионной имплантацией с последующей разгонкой, причем 21020 см-3, а его толщина составляет 0,3 мкм. Внешние выводы сформированы к 1 слою структурой общей толщиной 1,2 мкм, а к р 1 слою - структурой толщиной 1,3 мкм. Экспериментальный термоэлектрический холодильник при плотности прямого тока 1 А/см 2 позволяет получать предельную температуру охлаждения -25 , расчетная надежность безотказной работы устройства составляет 105 часов. Для прототипа эти параметры соответственно составляют -10 и 2104 часов. На базе предлагаемого устройства при использовании матрицы элементов может быть создан термохолодильник требуемых объемов охлаждения и температур. Технико-экономические преимущества предлагаемого термоэлектрического холодильника в сравнении с базовым устройством-прототипом и другими аналогами 1. Более чем в два раза возрастает предельная температура охлаждения. 2. Более чем в 5 раз повышается стабильность работы термоэлектрического холодильника. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.