DE19716343C2 - Halbleiter-Thermoelementanordnung - Google Patents

Halbleiter-Thermoelementanordnung

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement als Thermoelement oder Peltierelement, das unter Ausnutzung des thermoelektrischen Effektes (Seebeck-Peltier-Effekt) Tem­ peraturdifferenzen in elektrische Potentialdifferenzen umwandelt und umgekehrt.
Telemetrisch abfragbare Sensoren sind in einer Vielzahl von Anwendungen herkömmlichen Systemen überlegen. In Systemen mit einer großen Zahl von Sensoren, schwer zugänglichen oder sehr kleinen Meßstellen kann der Kostenanteil der Signalübertragung mit telemetrischen Sensoren entscheidend verringert werden. Passive telemetrische Sensoren benötigen keinen Energiespeicher auf dem eigentlichen Sensor, sie sind aber in Funktionalität und Reichweite beschränkt. Aktive telemetrische Sensoren auf Basis von CMOS-Technologie erlauben den Aufbau intelligenter Systeme mit niedrigen Kosten pro Meßstelle. Ein Nachteil ist bislang die Notwendigkeit einer Batterie als Energiequelle in jedem Sensor. Die Batterie verursacht Kosten, beschränkt die Nutzungsdauer und muß danach getrennt entsorgt werden. Die benötigte Leistung für den Betrieb des Sensors ist in modernen Low-Power-Schaltungen sehr gering, lediglich für die Signalübertragung ist kurzzeitig etwas höhere Leistung notwendig.
Peltier-Elemente ermöglichen die direkte Wandlung von thermischer in elektrische Energie. Die Entnahme elektrischer Energie ist immer dann möglich, wenn Wärmereservoirs auf verschiedener Temperatur verfügbar sind. Beispielsweise reicht ein Körper mit erhöhter Temperatur und dessen Temperaturgradient zur Umgebung hin aus, um elektrische Energie zu gewinnen und um damit Halbleiterschaltungen zu versorgen (DE-PS 10 82 311).
Der Leistungsfluß in einem Thermoelement hängt von Material- und Geometrieparametern sowie vom elektrischen Strom im Übergang ab.
Der Seebeck-Koeffizient S (gemessen in V/K) beschreibt die Kontaktspannung pro Kelvin eines Materials bezüglich eines Referenzmaterials.
Der Peltier-Koeffizient πpn (gemessen in W/A) beschreibt den durch elektrischen Strom hervorgerufenen Wärmetransport. Werden zwei verschiedene Materialien unterschiedlicher Dotierung (p, n) zusammengefügt, so errechnet sich die Kontaktspannung pro Kelvin aus der Differenz der beiden Seebeck-Koeffizienten. Der Wärmetransport entspricht dieser Differenz multipliziert mit der Temperatur T (gemessen in K) des jeweiligen Übergangs.
πpn = T(Sp - Sn) (Gl. 1.1)
Ein Peltier-Element besteht üblicherweise aus einer Anzahl m von Übergängen, die thermisch parallel aber elektrisch in Serie geschaltet sind. Die warmen (H) und kalten (L) Übergänge sind thermisch nicht ideal voneinander isoliert, es existiert ein Wärmeleitwert KthHL, der einen Verlust bewirkt, da die betreffende Wärmemenge für die Wandlung verloren ist. Weitere Verluste entstehen, da der elektrische Strom in den Übergängen und den dazwischen liegenden Bereichen ohmsche Verlustleistung erzeugt. Diese Verlustleistung I2 elRi kann symmetrisch auf (H) und (L) aufgeteilt werden.
Der Wärmefluß in den beiden Wärmestromquellen ergibt sich folgendermaßen:
Die Leerlaufspannung an den Klemmen (Iel = 0) hängt linear vom Temperaturunterschied zwischen (H) und (L) ab.
U0 = mSpn(TH - TL) (Gl. 1.4)
Der elektrische Innenwiderstand ergibt sich aus den spezifischen Widerständen ρp, ρn der Materialien, der Geometrie sowie der Elementzahl m.
Darin: Ap, An = Querschnittsfläche des Einzelelements in m2, lp, ln, = Länge zwischen (H) und (L) in m.
Der Wärmeleitwert KthHL folgt entsprechend aus den spezifischen Wärmeleitfähigkeiten λp, λn, und der Geometrie.
Die Ausgangsspannung des Peltier-Elements ist:
Uout = mSpn(TH - TL) - RiIel = U0 - RiIel (Gl. 1.7)
Die Ausgangsleistung des Peltier-Elements ist:
Pout = mSpn(TH - TL)Iel - RiI  (Gl. 1.8)
Die maximale Ausgangsleistung eines Peltier-Elements (mit idealen Wärmesenken Kth1, Kth2 → ∞) ergibt sich zu:
Als "figure of merit" wird folgender Ausdruck herangezogen
Durch Substitution von (1.5) und (1.6) und Optimierung der Geometrie erhält man:
Sind die Wärmeleitfähigkeiten und spezifischen Widerstände der Materialien gleich, ist Z unabhängig von der Geometrie. Technisch interessante Peltier-Element haben Z < 10-3 K-1.
Bei der aus der DE-PS 10 82 311 bekannten Verwendung von Thermoelementen zur Energieversorgung von Halbleiter­ schaltungen sind die erwarteten Temperaturdiffenzen an den Thermoübergängen klein. Trotz Fortschritten in der Schaltungstechnik ("Low-Voltage") brauchen Schaltungen eine Versorgungsspannung von zumindest 1 . . 1,5 V. Optimal sind 3 . . 5 V, diese können dann mit hohem Wirkungsgrad nach Bedarf gleichspannungs­ gewandelt werden. Durch Serienschaltung einer hohen Anzahl von Thermoübergängen kann selbst bei geringen Temperaturdifferenzen eine ausreichende Spannung erzeugt werden, allerdings erhöht dies den Innenwiderstand des Thermogenerators erheblich und beschränkt letztlich die Ausgangsleistung. Das Zieldesign muß aus möglichst kleinen Elementarzellen zusammengesetzt werden, um ausreichende Freiheitsgrade zur Anpassung der Ausgangsspannung zu gewährleisten.
Der Preis des Thermogenerators ist proportional zur Chipfläche. Die erzielbare Leistung hängt von der Chipfläche, den thermischen Verhältnissen und Materialparametern ab. Um einen Richtwert für die gewünschte Leistung zu bestimmen, soll folgende Betrachtung angestellt werden:
Eine kleine Knopfzelle (1,5 V) hat eine Kapazität von etwa 50 mAh und einen Energieinhalt von weniger als 0,1 J. Nimmt man eine Betriebsdauer von nur einem Jahr an, so ist eine mittlere Leistungsentnahme von nur 3 nW zulässig. Eine Lithium-Foto-Batterie mit 3 V hat eine Kapazität von 1,3 Ah und einen Energieinhalt von 4 J. Bei einer Betriebsdauer von einem Jahr ergibt sich eine zulässige mittlere Leistungsentnahme von 0,13 µW. Der mittlere Leistungsbedarf von Schaltungen, in denen Batterien durch Thermogeneratoren ersetzt werden sollen, ist also sehr gering. Während Batterien problemlos kurzzeitig höhere Leistung abgeben können, muß ein Thermogenerator (je nach Auslegung) für diese Fälle um einen Energiespeicher ergänzt werden. Neben der mittleren Leistung ist also auch die kurzzeitig notwendige Leistung ein Dimensionierungskriterium.
In der JP 08-204242 A ist ein thermoelektrischer Wandler beschrieben, bei dem zwischen zwei näherungsweise ebenen Wärmetauschern ein thermoelektrisches Element angeordnet ist. Dieses Element besitzt mindestens ein Paar p-Typ- und n-Typ- Halbleiter, die zwischen den Wärmetauschern angeordnet sind und pn-Übergänge bilden. Das Halbleitermaterial ist als gewellte Schicht zwischen den Wärmetauschern derart angeordnet, daß die vorhandenen pn-Übergänge abwechselnd an je einen der Wärmetauscher anstoßen. Das Halbleitermaterial ist aus granulatartigen Elementen zusammengesetzt und in ein elastisches Harz eingebettet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermoelek­ trische Spannungsquelle anzugeben, die an den Betrieb von Halbleiterbauelementen besser angepaßt ist und einen netz­ unabhängigen Betrieb insbesondere von telemetrischen Sensor­ systemen erlaubt.
Diese Aufgabe wird mit der Halbleiter-Thermoelementanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Thermoelementanordnung weist eine Schicht aus Polysilizium auf, die bereichsweise abwech­ selnd für elektrische Leitfähigkeit unterschiedlichen Vorzei­ chens dotiert ist. Diese Schicht ist senkrecht zur Schicht­ fläche zwischen thermisch leitenden Schichten so angeordnet, daß die Übergänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Berei­ chen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeiten nach au­ ßen elektrisch isoliert sind und abwechselnd mit einer der thermisch leitenden Schichten in thermischem Kontakt und ge­ gen die jeweils andere thermisch leitende Schicht thermisch isoliert sind. Ladungsträgertransport findet also nur innerhalb der dotierten Schicht statt. Die Übergänge der elektrischen Leitfähigkeit in einer Richtung jeweils von plus nach minus sind z. B. mit einem Substrat aus Halbleitermaterial in thermischem Kontakt; die Übergänge in dieser Richtung von minus nach plus sind gegen das Substrat thermisch und elektrisch isoliert und stehen mit einer auf der von dem Substrat abgewandten Seite aufgebrachten thermisch leitenden Schicht (z. B. aus Metall oder Halbleitermaterial) in thermischem Kontakt. Eine Temperaturdifferenz zwischen den thermisch leitenden Schichten bewirkt daher, daß die (in einer bestimmten Richtung gesehen) pn-Übergänge jeweils eine höhere oder niedrigere Temperatur besitzen als die np-Übergänge. Die aneinandergrenzenden dotierten Bereiche besitzen thermoelektrische Eigenschaften, die dem Zusammenfügen unterschiedlicher Materialien einer thermoelektrischen Spannungsreihe entsprechen. Es werden daher durch die Temperaturdifferenzen zwischen den pn-Übergängen und den np- Übergängen elektrische Potentialdifferenzen in der dotierten Schicht hervorgerufen. Wenn mehrere entgegengesetzt zueinander dotierte Bereiche aufeinanderfolgen, addieren sich die thermoelektrisch erzeugten Potentialdifferenzen in der dotierten Schicht, da die pn-Übergänge und np-Übergänge in der Schicht in Reihe aufeinanderfolgen. An den äußeren Seiten der dotierten Schicht kann daher eine größere Potentialdifferenz abgegriffen werden, als wenn nur ein pn- oder np-Übergang vorhanden ist, der mit den auf der dotierten Schicht aufgebrachten Anschlußkontakten als Thermoelement fungiert. Das erfindungsgemäß ausgebildete Bauelement kann auch als Peltierelement verwendet werden, um durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Seiten der dotierten Schicht eine Temperaturdifferenz zwischen den thermisch leitenden Schichten zu erzeugen.
Es folgt eine genauere Erläuterung des erfindungsgemäß ausgebildeten Bauelementes anhand der beigefügten Figuren. Es wird mit "Peltier-Element" ein Bauelement bezeichnet, das eine Mehrzahl einzelner Thermoelemente aufweist. In den Ansprüchen wurde als gemeinsamer Oberbegriff für ein erfindungsgemäßes Bauelement, das einen oder mehrere als Thermoelement fungierende Teile aufweist, die Bezeichnung "Halbleiter- Thermoelementanordnung" verwendet. Das erfindungsgemäße Bauelement ist bevorzugt im Rahmen eines CMOS-Prozesses herstellbar; die Herstellung ist aber nicht auf diesen Prozeß beschränkt.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Bauelement.
Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des eingangs erläuterten Peltier-Elementes.
Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für das Gesamtsystem.
Der in Fig. 1 dargestellte Querschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten Bauelementes ist als eine typische und derzeit bevorzugte Ausführungsform aufzufassen. Die gezeigte Struktur ist in jedem koplanaren Querschnitt des Bauelementes vor oder hinter der Zeichenebene gleich. Die räumliche Struktur des Bauelementes ergibt sich daher im wesentlichen durch eine Verschiebung des dargestellten Querschnittes senkrecht zur Zeichenebene. Die Ausdehnung der Elementarzelle senkrecht zur Bildebene kann je nach notwendiger Elementzahl variiert werden. In der Draufsicht bilden die thermoelektrisch aktiven Bereiche Bahnen, um elektrische Isolation zu gewährleisten. Der Spalt zwischen den Bahnen ist mindestens 1 µm breit. Bei einer Bahnbreite von z. B. 3 µm ist die Fläche einer Elementarzelle 4 µm × 4 µm, pro Quadratmillimeter Chipfläche können in diesem Fall 62500 Elementarzellen integriert werden.
Die dotierte Schicht ist Polysilizium und in der Figur durch Plus- und Minuszeichen, die die unterschiedlich dotierten Bereiche markieren, gekennzeichnet. Die thermisch leitenden Schichten sind bei der gezeigten Ausführungsform durch ein Substrat, das hier Silizium ist, und eine Doppelschicht aus einer der dotierten Schicht zugewandten weiteren Polysiliziumschicht und einer darauf aufgebrachten Aluminiumschicht. Statt dieser Doppelschicht kann nur eine aus einem Halbleitermaterial oder aus einem Me­ tall bestehende Schicht vorhanden sein.
Zum Zweck einer elektrischen Isolation der pn- und np-Über­ gänge, d. h. um ein Kurzschließen der pn- und np-Übergänge durch die angrenzenden thermisch leitenden Schichten zu ver­ hindern, sind die dünnen Schichten aus Siliziumoxid (LOCOS, locally oxidized silicon) und aus Siliziumnitrid (Si3N4) zwi­ schen der dotierten Schicht und je einer der thermisch lei­ tenden Schichten vorhanden. Das Material und die Dicke dieser elektrischen Isolationen werden so gewählt, daß eine ausrei­ chende thermische Leitfähigkeit durch diese Schichten hin­ durch gegeben ist. Wenn die thermisch leitenden Schichten in ausreichendem Maß elektrisch isolieren, können die zusätzli­ chen, elektrisch isolierenden Schichten (LOCOS, Si-Nitrid in Fig. 1) weggelassen sein.
Die Stellen der dotierten Schicht, an denen in der Fig. 1 von links nach rechts gelesen die p-Dotierung (+) in die n- Dotierung (-) übergeht, im folgenden als pn-Übergänge be­ zeichnet, stehen mit dem Substrat in thermischem Kontakt und sind von der oberen thermisch leitenden Doppelschicht durch thermisch isolierende Zwischenbereiche getrennt, die als Hohlräume ausgebildet sind. Die Stellen der dotierten Schicht, an denen in der Figur von links nach rechts gelesen die n-Dotierung (-) in die p-Dotierung (+) übergeht, im folgenden als np-Übergänge bezeichnet, stehen mit der oberen thermisch leitenden Doppelschicht in thermi­ schem Kontakt und sind von dem Substrat durch thermisch iso­ lierende Zwischenbereiche getrennt, die ebenfalls als Hohlräume ausgebildet sind. In den Hohlräumen befindet sich Teilvakuum mit entsprechend geringer Wärmeleitfähigkeit; verglichen mit der Festkörperwärmeleitung der thermoaktiven Poly-Bereiche ist die Leitfähigkeit des Hohlraums vernachlässigbar.
Diese Hohlräume werden im Ausführungsbeispiel in der Weise hergestellt, daß jeweils eine Opferschicht (sacrificial layer) aus einem be­ züglich des Materials der vorgesehenen Schichten selektiv ätzbaren Material aufgebracht und entsprechend der Form der herzustellenden Hohlräume strukturiert wird. Eine Schicht wird auf die Opferschicht aufgebracht und die Opfer­ schicht dann selektiv zu der Schicht durch seitliche Öffnun­ gen oder durch in der vorgesehenen Schicht hergestellte Ätzöffnungen weggeätzt. Entsprechend wird bei jeder Ebene herzustellender Hohlräume verfahren. Die gewellte Struktur der dotierten Schicht setzt sich nach links und rechts ent­ sprechend fort. An den linken und rechten Seiten der dotier­ ten Schicht sind Kontakte vorgesehen, an denen eine elektri­ sche Spannung abgegriffen werden kann. Die dotierte Schicht kann im Prinzip auch eben oder weniger stark gewellt sein, wenn die thermisch leitenden Schichten ausreichend stark strukturiert sind. Die obere (Doppel-)Schicht kann stärker gewellt sein, während die der dotierten Schicht zuge­ wandte Oberseite des Substrates nicht, wie in der Fig. 1 ge­ zeigt, eben, sondern ebenfalls gewellt ist. Die eingetragenen Abmessungen sind nur als typische Beispiele zu verstehen.
Das erfindungsgemäße Bauelement kann als Spannungsquelle für ein aktives Halbleiterbauelement, d. h. ein mit einer ange­ legten elektrischen Spannung oder einem injizierten Strom zu betreibendes Bauelement, verwendet werden. Es kann zusammen mit Halbleiterbauelementen integriert werden.
Fig. 3 zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild des Gesamtsystems. Die thermischen Verhältnisse im Gesamtsystem sind entscheidend dafür, wie hoch die Temperaturdifferenz am Peltier-Element und damit die maximale Ausgangsleistung ist. In Fig. 3 werden folgende Abkürzungen verwendet:
Kthcontact = thermischer Kontaktleitwert zur Wärmequelle
Kthsub = thermischer Leitwert durch Substratdicke
KthHLcond = thermischer Leitwert (Festkörper) zwischen (H) und (L),
KthLair = thermischer Leitwert (Gas) zwischen (H) und (L),
Kth ∞ = thermischer Leitwert von (L) zur Umgebung hin,
Kth|| = thermischer Parallelleitwert zwischen Quelle und (L),
alle gemessen in W/K.
Aus Materialwerten können diese Leitwerte grob abgeschätzt werden. Beispielsweise erhält man für eine Chipfläche von 4 mm × 4 mm und eine Poly-Dicke von 0,8 µm:
Kthcontact = 1 W/K (Annahme: Wärmeleitpaste oder -kleber)
Kthsub = 4 W/K (λSi,mono = 150 W/(m.K))
KthHLcond = 80 W/K (λSi,poly = 40 W/(m.K), Flächenanteil der Thermoschenkel = 25% der Zelle)
KthHLair = 5 W/K (λLuft = 0,026 W/(m.K), vernachlässigbar)
Kth∞ = 0,08 W/K (z. B. IC-Kühlkörper für DIL24)
Kth|| = 0,1 W/K (Annahme: gleiche Größenordnung wie Kth ∞)
Der Seebeck-Koeffizient kann aus den Elektronenkonzentra­ tionen in den Kontaktwerkstoffen bestimmt werden. Bei dem verwendeten Halbleiter sind die Elektronenkonzentrationen np, nn von den Dotierungen ND und NA abhängig.
k = Boltzmann-Konstante = 1,38.10-23 J/K,
e = Elementarladung = 1,6.10-19 As,
ni = Eigenladungsträgerdichte von Si = 1,5.1010 cm-3.
Mit ND = NA = 1019 cm-3 ergibt sich:
Spn = 3,5.10-3 V/K.
Mit hoch dotiertem Poly-Si (Dotierungshöhe < 1019 cm-3) ergibt sich ein Rsquare von 10 . . . 20 Ω. Der Innenwiderstand der Elementarzelle ist umgekehrt proportional zu der Breite (die Länge ist durch die Technologie festgelegt). Bei minimaler Breite ist der Innenwiderstand etwa 30 Ω. Die Breite ist umgekehrt proportional zur Elementzahl auf einem Chip. Der gesamte Innenwiderstand eines Thermogenerators mit der Chipgröße 4 mm × 4 mm ergibt sich zu:
Ri(4 mm × 4 mm) ≅ m2.30 Ω/106 (Gl. 2.2)
Für die minimale Zellengröße (m = 106) ergibt sich Ri = 30 MΩ. Die "figure of merit" aus (Gl. 1.10) erhält man als
Die erzielbare Leistung ist extrem von den Kühlbedingungen abhängig. Bei sehr vorsichtiger Schätzung mit kleinen Kühlkörpern (20 mm × 10 mm × 10 mm) und einem Chip mit 4 mm × 4 mm ergeben sich mit den abgeschätzten thermischen und elektrischen Eigenschaften Ausgangsleistungen im Bereich von 60 µW und Ausgangsspannungen einstellbar von 1 V bis 10 V.

Claims (3)

1. Halbleiter-Thermoelementanordnung,
bei dem eine dotierte Schicht aus Polysilizium vorhanden ist, die bereichsweise abwechselnd für elektrische Leitfähigkeiten unterschiedlicher Vorzeichen dotiert ist,
bei dem auf der ersten und zweiten Seite dieser dotierten Schicht in Bezug auf die Richtung senkrecht zur flächigen Ausdehnung der Schicht thermisch leitende Schichten angeordnet sind,
bei dem Stellen der dotierten Schicht, an denen in einer vorgegebenen Richtung Übergänge von p-dotierten Bereichen zu n-dotierten Bereichen vorhanden sind, mit der thermisch leitenden Schicht auf der ersten Seite in einem thermischen Kontakt, der elektrisch isolierend bewirkt ist, sind und gegen die thermisch leitende Schicht auf der zweiten Seite durch je einen Hohlraum zwischen den Schichten thermisch isoliert sind,
bei dem Stellen der dotierten Schicht, an denen in dieser Richtung Übergänge von n-dotierten Bereichen zu p- dotierten Bereichen vorhanden sind, mit der thermisch leitenden Schicht auf der zweiten Seite in einem thermischen Kontakt, der elektrisch isolierend bewirkt ist, sind und gegen die thermisch leitende Schicht auf der ersten Seite durch je einen Hohlraum zwischen den Schichten thermisch isoliert sind und
bei dem Kontakte für elektrischen Anschluß auf der dotierten Schicht aufgebracht sind.
2. Halbleiter-Thermoelementanordnung nach Anspruch 1, bei dem eine der thermisch leitenden Schichten durch ein Substrat aus Halbleitermaterial gebildet ist.
3. Halbleiter-Thermoelementanordnung nach Anspruch 2, bei der ein aktives Halbleiterbauelement auf dem Substrat integriert und elektrisch leitend mit dem Halbleiter- Thermoelement verbunden ist derart, daß das aktive Halbleiterbauelement betrieben werden kann, indem eine Temperaturdifferenz an das Halbleiter-Thermoelement angelegt wird.
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