Полупроводниковый холодильник

Изобретение относится К полупроводниковым термопреобразователям, функционирующим на эффекте Пельтье, и может быть использовано в холодильных агрегатах бь 1 товь 1 х и специальных холодильных аппаратов.Известен полупроводниковый термоэлектрический холодильник 1, 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 преобразователь электрической энергии в тепловую обладает небольшой температурой охлаждения и сложной конструкцией.Также известен термоэлектрический холодильник 2, который содержит термоэлектрические преобразователи термопарного типа с радиаторными пластинами, вентиляционный блок и источник питания. Этот преобразователь электрической энергии в тепловую также обладает сложной конструкцией и небольшой температурой охлаждения.Прототипом предлагаемого изобретения является полупроводниковый холодильник 3, который содержит ленту с проводящей полоской, на которой формируют матрицу контактов для первой стороны термоэлектрического холодильника. Матрица контактов прикреплена к изолирующей пластине, представляющей плату термопреобразователя. Термоэлектрические элементы р-п типа проводимости, расположенные между контактами платы и выводами, включают р-п переход с примыкающими р- и п-полупроводниковь 1 ми областями и омическими контактами.а) в структуре устройства используется узкозонный р-п переход, например из германия, и высота его потенциального барьера незначительна (десятые доли эВ), поэтому такой полупроводниковый холодильник обладает небольщой температурой охлаждения, не выще 10 Сб) сложная конструкция полупроводникового холодильника, содержащая множество элементов, кроме полупроводникового р-п преобразователяв) невысокая стабильность работы полупроводникового холодильника из-за больщого числа коммутирующих соединений.Техническим результатом изобретения является повыщение температуры охлаждения холодильного агрегата и стабильности работы.Поставленная задача достигается тем, что в полупроводниковом холодильнике, включающем термопреобразователь, содержащий р- и п-полупроводниковь 1 е области, омические контакты, р-п-переход, внещние электрические выводы, р-п переход сформирован в виде анизотипного гетероперехода, включающего п-область из узкозонного полупроводника, варизонный рт-слой и р-область из щирокозонного полупроводника, причем побласть контактирует с сильнолегированной п-областью, а р-область контактирует с варизоннь 1 м рыаг-слоем, соединенным с р 1-областью щирокозонного полупроводника, запрещенная зона которого больще запрещенной зоны р-области, контактирующей с сильнолегированной р-областью, при этом структура р-р 1 удг-р 1 выполнена в виде изотипного р-р-гетероперехода, а омические контакты размещены на сильнолегированных п- и р)областях, толщина п- и р-областей составляет (О,7 О,9) диффузионной длины пробега электронов, толщина р 1-области составляет (25) диффузионной длины пробега электронов, толщина анизотипного гетероперехода и изотипного гетероперехода составляет (О,8 О,9)77 о, где м - суммарная толщина р- и п-областей, оба варизонных слоя, толщина которых составляет (О,3 О,8) диффузионной длины пробега электронов, выполнены так, что пи р-области анизотипного гетероперехода и р- и р 1-области изотипного гетероперехода проникают внутрь соответствующего варизонного слоя на глубину (О,1 О,2) суммарной толщины соответствующего гетероперехода.Температура охлаждения полупроводникового холодильника-прототипа не превыщает-1 О С, а температура охлаждения предлагаемого устройства на анизотипном и изотипномгетеропереходах с Использованием варизоннь 1 х слоев типа 111 пА 5-р 6 аА 5-рА 1 А 5 достигает 30 С, причем благодаря существенному упрощению конструкции холодильника более чем в два раза повышается стабильность его работы.На фиг. 1 изображена конструкция полупроводникового холодильника, а на фиг. 2 его зонная диаграмма.Конструктивно полупроводниковый холодильник состоит из анизотипного гетероперехода, включающего п-область 1 из узкозонного полупроводника, варизонный рт-слой 2 и р-область 3 из широкозонного полупроводника. п-Область 1 контактирует с сильнолегированнь 1 м п-слоем 4. Р-область 3 из широкозонного полупроводника контактирует с варизоннь 1 м рыаг-слоем 5, который соединен с р 1-областью 6 широкозонного полупроводника, запрещенная зона которой Ез больше запрещенной зоны Е р-области 3. Структура р-область 3 рыаг-слой 3 - р 1-область 6 представляет изотипный гетеропереход. Р 1-область 6 широкозонного полупроводника контактирует с сильнолегированнь 1 м р-слоем 7. На сильнолегированных п- и р-слоях 4 и 7 размещены Металлические слои - омические контакты 8 и 9, которые жестко связаны с внешними выводами 10 и 11 и с помощью электронного коммутатора 12 подключаются к внешнему источнику питания Пп.п-Область 1 полупроводникового холодильника изготавливается из узкозонного полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, большим временем их жизни и возможностью методом легирования создавать в его объеме сильнолегированные слои, например из арсенида индия. Ширина п-области 1 определяется минимумом потерь электронов, инжектируемых источником питания Пп, подключаемым к полупроводниковому холодильнику коммутатором 12, и, как показали результаты эксперимента, составляет (0,70,9)Ь 1, где Ьб - диффузионная длина пробега электронов в п- и р-областях. Сильнолегированнь 1 й п-слой 4 представляет часть п-области 1 и сформирован методом диффузии или ионной имплантации при введении высокой концентрации донорной примеси На 5 1020 см-З. Он обладает высокой проводимостью и обеспечивает омический контакт с металлическим слоем 8. На п-области 1 сформирован методом жидкофазной либо газофазной эпитаксии варизонный рт-слой 2, представляющий твердый раствор интерметал лического соединений АЗА В . Параметр степени концентрации компонента в раствореХ изменяется от нуля до единицы, причем со стороны п-области 1 он представляет материал этой области, например А В, а со стороны р-области 3 - это материал, идентичныйматериалу р-области 3, то есть соединения АЗ Вп р-области. Если материалом п-области 1является узкозонный полупроводник 1 пА 5, ширина запрещенной зоны которого Ед 0,36 эВ,а материал р-области 3 является широкозонный полупроводник баАз с Ед 1,43 эВ, то варизонный рш-слой 2 реализуется из материала 1 пх 6 а 1 хА 5, причем структура нижней границы варизонного слоя с параметром Х 1 представляет 1 пА 5, а структура верхней границы этого слоя представляет баАз с параметром Х 0. Толщина варизонного ртслоя 2 определяется скоростью изменения его ширины запрещенной зоны (от Ед до Ед) при изменении Х от 1 до 0 и диффузионной длиной электронов Ьб. С учетом проникновения обедненных п- и р-областей анизотипного гетероперехода внутрь варизонного ртслоя 2 его толщина составляет (0,30,8)Ь 1.На варизонном рт-слое 4 сформирована методом жидкофазной или газофазной эпи таксии р-область 3 широкозонного полупроводника типа А Вп, например баАз. Ширинаее соответствует ширине п-области 1 узкозонного полупроводника и составляет(0,70,9)Ь 1. Для получения изотипного гетероперехода с высоким коэффициентом передачи электронов на р-область 3 нанесен варизонный рМг-слой 5 также методом жидкофазной или газофазной эпитаксии, который согласовывает р-область 3 и р 1-область 6 по постоянным кристаллических решеток. Варизонный ртг-слой 5 представляет твердыйраствор интерметаллического соединения АХА В. Параметр степени концентрациикомпонента в ртг-слое 5 Изменяется от нуля до единицы, причем со стороны р-области 3 он представляет материал этой области А Вп, а со стороны р 1-области 6 - это материалэтой области, то есть соединение АШВ. Если мате иалом -области 3 является щи око 3зонный полупроводник баАз с Ед 1,43 эВ, а материалом р 1-области 6 является более щирокозоннь 1 й полупроводник А 1 А 5 с Ед 2,15 эВ, то варизоннь 1 й рмг-слой 5 реализуется из материала 6 аХА 1 хА 5, причем структура нижней границы варизонного слоя с параметром Х 1 представляет 6 аА 5, а структура верхней границы этого слоя представляет А 1 А 5 с параметром Х О. Толщина варизонного ртг-слоя 5 определяется также скоростью изменения его Ширины запрещенной зоны (от Ед до Ед.) при изменении Х от 1 до О и диффузионной длиной электронов Ьб в варизонном слое. С учетом проникновения обедненных р- и р 1-областей изотипного гетероперехода внутрь варизонного РШГ-слоя 5 его толщина составляет (О,3 О,8)Ь 1.На варизонном рШГ-слое 5 сформирована методом жидкофазной или газофазной эпи таксии р 1-область 6 Широкозонного полупроводника типа Аз Вп, например А 1 А 5. Ширинар 1-области 6 определяется полным поглощением в ней тепловой энергии рещетки электронами, экстрагируемыми из п-области 1 в р 1-область 6 Через анизотипный гетеропереход п-рт-р типа и изотипный гетеропереход р-р 1 уаг-р 1 типа в р 1-область 6 и, как показали результаты эксперимента, составляет (25)11. Сильнолегированный р-слой 7 представляет часть р 1-области 6, который сформирован путем введения высокой концентрации акцепторной примеси На 5 1020 см-З, обладает малым сопротивлением и обеспечивает омический контакт с металлическим слоем 9.Для контакта невырожденных полупроводников количество поглощаемого тепла в р 1 области 6 от инжекции в нее электронов из п-области 1 зависит от соотнощения концентрации электронов в этих областях (пп/пр 1) с учетом того, что через анизотипный и изотипный гетеропереходы инжектированные из п-области 1 электроны практически проходят без потерь. Поэтому узкозонная п-область 1 легирована донорной примесью с концентрацией примеси На 5 1 О 181 О 19 см , а щирокозонная р-область 3 и р 1-область 6 легированы акцепторной примесью На 1015.10 см-З. Поскольку в рабочем режиме примесь узкозонного полупроводника, то есть п-области 1 полностью ионизирована, то концентрация электронов в п-области 1 пп 5 1 О 181 О 19 см 3, а концентрация электронов в щирокозонной полупроводниковой р 1-области 6 будет меньще концентрации носителей для собственного полупроводника, причем 111,15 1 О 71 О 8 см 3, то соотношение пп/пр 1 2 1010. Количество поглощаемого инжектированными электронами тепла в р 1-области 6 также зависит от разности энергий инжектированных из п-области 1 электронов и энергии элек тронов в р 1-области 6, то есть А Ш 2 ЕЗЗ С Енощение энергий электронов в узкозонном И и щирокозонном Ш полупроводниках Ед,Едз - щирина запрещенной зоны узкозонного (п-области 1) и Широкозонного (р 1-области 6) полупроводников. Для структуры полупроводникового холодильника, включающей последовательно соединенные анизотипный п 1 пА 5-р 6 аА 5 и изотипный р 6 аА 5-рА 1 А 5 гетеропереходы коэффициент А 2,15/0,36 6.Для обеспечения максимальной инжекции электронов из п-области 1 в р 1-область полупроводникового холодильника, то есть исключения потерь электронов при их инжекции через анизотипный и изотипный гетеропереходы, щирина п-р анизотипного гетероперехода и р-р 1 изотипного гетероперехода (1 (О,8-О,9)770, где м - суммарная толщина его р- и п-обедненнь 1 х областей, выбрана из условия, чтобы обедненные области гетеропереходов проникали внутрь варизонного рт-слоя 2 и варизонного ртг-слоя 5, исключая появление локального потенциального барьера в валентной зоне и зоне проводимости в области п-р анизотипного и р-р 1 изотипного гетеропереходов. Используя структуру р-р 1 удг-р 1 изотипного гетероперехода существенно возрастает разность величин энергий электронов в областях п И р 1, то есть возрастает коэффициент А И предельная величина температуры охлаждения. Для повышения эффективного отбора тепла из охлаждаемого объема полупроводниковый холодильник устанавливается на радиатор.При подаче питающего напряжения прямой полярности Пп через электронный коммутатор 12 на внешние выводы 10 и 11 полупроводникового холодильника п-область 1 начинает инжектировать через структуру п-р анизотипный гетеропереход и р-р 1 изотипный гетеропереход электроны в р 1 -область 6. Плотность тока через гетеропереходную структуру определяется из выраженияи экспоненциально возрастает с повышением питающего напряжения. В (1) 15 - ток нась 1 щения е, 1, Т - соответственно заряда электрона, постоянная Больцмана, температура п О,51 - поправочный коэффициент. Инжектирующие в р 1-область 6 электроны на расстоянии диффузионной длины Ьб поглощают из кристаллической решетки этой области энергию и повышают ее до величины энергии электронов р 1-области 6. В результате отбора энергии инжектированными электронами от кристаллической решетки р 1-области 6 ее температура и соответственно температура полупроводникового холодильника понижается. Величина поглощаемой тепловой энергии определяется зависимостью ОП ПИ, (2)где П - коэффициент Пельтье 1-5 - ток, протекающий через гетеропереходную структуру сечением 5 г - время протекания тока. Коэффициент Пельтье для п-р гетероперехода из невырожденных полупроводников определяется из зависимостигде А - коэффициент, учитывающий соотношение энергии электронов в р- и п-областях пп, пр - концентрация собственных электронов в п- и р-областях.Повышение диапазона рабочих отрицательных температур в предложенном полупроводниковом холодильнике по сравнению с аналогами, где используется р-п гомопереход обусловлено существенным увеличением коэффициента Пельтье. Для предлагаемой структуры п-р анизотипный гетеропереход - р-р 1 изотипный гетеропереход коэффициент А 6, а соотношение 1 п(п/пр) 2 6. Поэтому с учетом (2) поглощаемая тепловая энергия предлагаемым полупроводниковым холодильником по сравнению с прототипом при оди 10 наковых значениях 1 и г возрастает в п - 10 раз.Повышение стабильности работы предложенного устройства в сравнении с аналогами заключается в существенном упрощении его конструкции и использовании в качестве теплопоглощающей области широкозонного полупроводника.Создано экспериментальное устройство - полупроводниковый холодильник, вь 1 полненное структурой П 1 ПА 5 р/а 11 Пх 6 а 1 хА 5 Хр 6 аА 5 анизотипный гетеропереход - рбаАзр 1 д 6 аХА 11 хА 5-рА 1 А 5 изотипный гетеропереход с омическими контактами и внешнимивыводами. п-Слой толщиной 0,3 мкм выполнен на основе 1 пА 5, легированного селеном до концентрации на 5 3-1020 см-З, п-область представляет слой арсенида индия толщиной 0,6 мкм, легированный селеном с концентрацией на 5 5-1018 см 3. Варизонный рт-слой представляет соединение 1 пх 6 а 1 ХА 5 толщиной 0,35 мкм, а р-область выполнена на основе баАз, легированного акцепторной примесью - кадмием с концентрацией На 5 5-1016 см 3. Варизонный рыаг-слой представляет соединение 6 аХА 1 хА 5 толщиной 0,4 мкм, р 1-область сформирована на базе А 1 А 5, легированного кадмием с концентрацией На 5 5-1016 см-З, ее толщина выбрана с учетом полного поглощения инжектированными из п-области элек тронами энергии ее решетки и составляет 3,5 мкм. Р-слой сформирован в А 1 А 5 путем ле 1515 ехр(