Водоохлаждающий элемент

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Уласюк Николай Николаевич Шумило Виктор Степанович(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Водоохлаждающий элемент, содержащий чувствительный элемент с -, -, полупроводниковыми слоями, омические контакты, отличающийся тем, что термоэлектрический элемент выполнен структурой из однородного широкозонного полупроводника, размещенной на металлическом основании, на верхнем р-слое размещен омический контакт из электропроводящего светочувствительного материала и просветляющий слой, на торцевых сторонах структуры по периметру сформирован диэлектрический слой, на который нанесен металлический слой, при этом толщина просветляющего слоя составляет 0,050,1 мкм, толщина электропроводящего светопрозрачного слоя составляет 0,31 мкм, -слоя широкозонного полупроводника составляет(0,10,3), а нижнего -слоя составляет (1,53), где- диффузионная длина носителей заряда. 86262012.10.30 Полезная модель относится к устройствам охлаждения, функционирующим на эффекте Пельтье, и может быть использована в холодильных агрегатах для охлаждения жидкостей от солнечного источника энергии. Известен термоохлаждающий элемент 1, включающий термоэлектрические преобразователи с радиаторными пластинами, вентиляционный блок и источник питания. Такой термоохлаждающий элемент обладает сложной конструкцией и небольшой температурой охлаждения. Прототипом предлагаемой полезной модели является охлаждающий элемент, функционирующий на эффекте Пельтье 2, который содержит металлическое основание, плавный гетеропереход типа - широкозонный полупроводник - -узкозонный полупроводник, на -области широкозонного полупроводника сформирован -слой широкозонного полупроводника и решетчатый омический контакт с просветляющим слоем, а на -слое указанного полупроводника последовательно сформирован резкий - гетеропереход и сильнолегированный -слой, контактирующий с металлическим основанием,причем основание и решетчатый омический контакт соединены внешним электрическим выводом. Недостатками прототипа являются а) сложная структура и конструкция устройства, включающая гомо- и гетеропереходы, решетчатый омический контакт б) устройство сложно в изготовлении и включает дорогостоящие компоненты в) конструкция устройства не может использоваться с матрицей охлаждающей панели,содержащей параллельно и последовательно соединенные ее охлаждаемые элементы. Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции водоохлаждающего элемента, снижение его стоимости и возможность его использования в системе охлаждающих панелей. Поставленная задача достигается тем, что в водоохлаждающем элементе, содержащем чувствительный элемент с -, -, -полупроводниковыми слоями, омические контакты,термоэлектрический элемент выполнен структурой из однородного широкозонного полупроводника, размещенной на металлическом основании, на верхнем -слое размещен омический контакт из электропроводящего светочувствительного материала и просветляющий слой, на торцевых сторонах структуры по периметру сформирован диэлектрический слой, при этом толщина просветляющего слоя составляет 0,050,1 мкм,толщина электропроводящего светопрозрачного слоя составляет 0,31 мкм, -слой широкозонного полупроводника составляет (0,50,9), -слой выполнен толщиной(0,70,9), толщина верхнего -слоя составляет (0,10,3), а нижнего -слоя составляет (1,53), где- диффузионная длина носителей заряда. Сущность полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 изображена конструкция водоохлаждающего элемента, а на фиг. 2 конструкция водоохлаждающей панели, в которой базовыми структурами охлаждения жидкости являются водоохлаждающие элементы. Конструктивно водоохлаждающий элемент состоит из полупроводниковой структуры, включающей нижний сильнолегированный -слой 1 широкозонного полупроводника с омическим контактом в виде металлического слоя 2, -слоя 3 из того же широкозонного полупроводника, который с -слоем 1 создает - переход 4 и с -слоем 5 из того же материала - переход 6. На сильнолегированном верхнем -слое 7 сформирован электропроводящий слой 8 из светопрозрачного материала, являющийся омическим контактом к сильно легированному -слою 7. На торцевых сторонах структуры по периметру методом термического окисления в атмосфере кислорода при высоком давлении сформирован диэлектрический(окисный) слой 9. На рабочую часть электропроводящего слоя 8 нанесен просветляющий слой 10. Металлический слой 2 структуры с помощью электропроводящего клея неподвижно установлен на металлическом основании 11. Методом электронно-лучевого 2 86262012.10.30 или магнетронного распылителя на торцевые стороны структуры с диэлектрическим слоем 9, размещенной на основании 11, по периметру через маску сформирован металлический слой 12, накоротко замыкающий структуру, то есть ее верхний и нижний омические контакты 8 и 2. Толщины слоев структуры определены экспериментально и равны просветляющего слоя 100,050,1 мкм, электропроводящего слоя 80,31,0 мкм, металлического слоя 213 мкм, диэлектрического слоя 915 мкм, нижнего -слоя 1(1,55), верхнего -слоя 7(0,10,3), -слоя 50,50,9 , -слоя 40,70,9 , где- диффузионная длина носителей заряда.-слой 3 ВОЭ легирован донорной примесью с концентрацией (10161017) см-3, с слоем 1 он создает резкий переход 4.-слой 5 формируется из широкозонного полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, большим временем жизни, низкой концентрацией собственных носителей заряда и возможностью создать в его объеме сильнолегированные слои, например, из кремния. В нем под действием солнечного излучения генерируются носители заряда электрон-дырка. Ширина -слоя 5 определяется максимумом генерации носителей заряда и минимумом потерь электронов, достигающих - перехода 6, который обеспечивает дрейф электронов в -область и диффузию дырок к -слою 7 широкозонного полупроводника, причем его толщина составляет 0,50,9 . Нижний и верхний -слои 1 и 7 сильно легированы акцепторной примесью до концентрации(10201021) см-3, причем на нижнем -слое 1 сформирован омический металлический слой 2 толщиной 13 мкм, который с помощью электропроводящего клея жестко установлен на металлическом основании 11, выполненом с гладкой рабочей поверхностью, причем толщина основания составляет 13 мкм. Габаритные размеры металлического основания 11 составляют 4848 мм, а размеры расположенной на нем структуры 4444 мм. Просветляющий слой 10 исключает потери на отражение излучения от -слоя, то есть повышает коэффициент поглощения фотонов -слоем 5. Поскольку концентрация электронов в -слое 3 при инжекции фотогенерированных электронов из слоя 5 достигает 1019 см-3 и выше, а концентрация собственных электронов в р-слое 1 широкозонного полупроводникасоставит 107108 см-3, то соотношение /1010. Толщина нижнего -слоя 1 выбирается из условия полной рекомбинации носителей в нижнем -слое 1 и максимального поглощения тепловой энергии. Количество поглощаемого инжектированными электронами тепла в -слое 1 зависит от параметра 2/1, где- коэффициент, учитывающий соотношение энергии электронов в слое 3 1 и -слое 1 широкозонного полупроводника - 2, то есть высоту потенциального барьера перехода 4- ширина запрещенной зоны широкозонного полупроводника. Для структуры на основе кремния коэффициент 2,2. Для обеспечения максимальной инжекции электронов из -слоя 3 в-слой 1 широкозонного полупроводника в их обедненных областях суммарная толщина обедненных - и -областей резкого перехода составляет (0,30,7). На основе водоохлаждающего элемента 12 размером 4848 мм формируется водоохлаждающая панель, изображенная на фиг. 2, которая конструктивно включает выполненное из легкого поплавкового материала водоохлаждающее основание 13 с ячейками 4848 мм, в которых неподвижно размещены водоохлаждающие элементы 14. Каждый водоохлаждающий элемент 14 в водоохлаждающей панели работает следующим образом. При воздействии квантов солнечного света на рабочую поверхность водоохлаждающего элемента 12 (-слой 7) фоточувствительной структуры со стороны светопрозрачного омического контакта 8 фотоны с энергиейпоглощаются в -слое 5 широкозонного полупроводника, создавая в нем избыточную концентрацию электронов и дырок в соответствии с зависимостями. 3(1),,где- квантовый выход- коэффициент поглощения света в -слое 5- интенсивность солнечного излучения ,- время жизни избыточных электронов и дырок. Избыточные носители заряда устремляются к - переходу 6, разделяются его полем,причем электроны дрейфуют в -слой 3, а дырки дрейфуют -слою 8 широкозонного полупроводника, захватываются полем - перехода и переносятся в верхний омический контакт (электропроводящий слой 8). Прошедшие через -слой 3 электроны и достигшие перехода 4, уносятся полем этого перехода в -слой 1, отдают свою избыточную энергию -слою 1 и рекомбинируют с дырками, поступающими через металлический слой 12 короткого замыкания. Вследствие разделения зарядов на - переходе 6 возникает фото ЭДС, максимальное значение которойф,(2)и течет ток через - переход, обусловленный оптически генерированными электронами и дырками где ф - максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенноститок насыщения через - переход.(4) Фототок фе . Нагрузкой фото ЭДС является резкий переход 4, внешний электрический вывод которого 2 закорочен на металлическое основание 11, причем напряжениеявляется прямым напряжением, прикладываемым переходу 4. Напряжениеи градиент концентрации носителей заряда в -слое 3 широкозонного полупроводника обеспечивают инжекцию электронов из -слоя 3 через резкий переход 4 в -слой 1, причем плотность тока через него описывается зависимостью(5)/-1,где- ток насыщения , ,- соответственно заряд электрона, постоянная Больцмана,температура 11,5 - поправочный коэффициент. При последовательном соединениии - переходов их ток является общим, то есть аф. Инжектирующие в -слой 1 через резкий переход 4 электроны на расстоянии диффузионной длиныпоглощают из кристаллической решетки этого слоя энергию. В результате отбора электрической энергии инжектированными электронами от кристаллической решетки -слоя 1 его температура и соответственно температура ВОЭ понижается. Величина поглощаемой тепловой энергии определяются зависимостью(6)П,где П - коэффициент Пельтье- ток, протекающий через резкий - переход широкозонного полупроводника- время протекания тока. Коэффициент Пельтье для - перехода из невырожденных полупроводников определяется из зависимости(7) П//,где- коэффициент, учитывающий соотношение энергий электронов в - и -областяхи- концентрация электронов в - и - областях перехода 4. Для предлагаемой структуры коэффициент 2,0, а отношение (/)6. Поэтому с учетом (7) поглощаемая тепловая энергия ВОЭ по сравнению с устройствами - аналогами при одинаковых значениях величинивозрастает в 2,010/63 раза. Также существенно упрощается конструкция водоохлаждающего элемента и его стоимость. Количество ячеек в водоохлаждающей панели 13 и ее геометрия зависят от формы и размеров охлаждаемого водоема. 4 86262012.10.30 Создан экспериментальный образец водоохлаждающего элемента, термоэлектрический холодильный преобразователь которого выполнен структурой резкий переход с омическими контактами, электрически соединенный с металлическим основанием 11. -слой 7 и -слой 1 выполнены на кремнии, легированном бором до концентрации 51020 см-3, толщина -слоя 7 составляет 0,2 мкм. -слой 5 предоставляет собственный кремний (1,12 ЭВ) толщиной 1,2 мкм, - переход 6 выполнен шириной 1 мкм, на нем и на -слое 3 снижается энергия фотоэлектронов до уровня энергии электронов в -слое 3 кремния. Этот -слой 3 легирован донорной примесью-фосфором до 1017 см-3 и сформирован толщиной 0,8 мкм. Суммарная толщина резкого -перехода составляет 0,5 мкм. -слой 1 кремния сформирован путем легирования бором с концентрацией 51020 см-3. Его толщина выбрана с учетом полного поглощения инжектированными из -слоя 3 электронами энергии ее решетки и составляет 5 мкм. Металлическое основание 11 выполнено из алюминия толщиной 2 мм. Верхний светопрозрачный слой 8 (омический контакт) сформирован из окиси олова толщиной 0,5 мкм, на рабочую поверхность которого нанесен просветляющий слой 10 толщиной 2 0,1 мкм. Сформированный по периметру термическим окислением диэлектрический слой 9 представляет слой диоксида кремния (2) толщиной 2 мкм. Металлический слой 12 выполнен из алюминия толщиной 1,5 мкм. Экспериментальный водоохлаждающий элемент при интенсивности солнечного излучения 70 мВт/см 2 позволяет получать предельную температуру охлаждающей поверхности 6 С. Расчетная надежность безотказной работы устройства не менее 105 часов. Использование водоохлаждающей панели с ячейками, содержащими водоохлаждающие элементы, позволяет эффективно снижать температуру водоемов до требуемых значений. Промышленное освоение водоохлаждающего элемента возможно на предприятиях электронного приборостроения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5