KR20010006523A - 반도체 소자용 전압원 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따라 반도체 소자가 영역별로 교대로 반대 부호의 전기 전도성으로 도핑된 반도체 재료로 이루어진 층을 포함한다. 상기 층은 열전도층 사이의 표면에 대해 수직으로 배치됨으로써, 상이한 전기 전도성의 2개의 연속하는 영역 사이의 접합이 외부로 전기 절연되고, 교대로 열전도층 중 하나와 열접촉되고 다른 열전도층에 대해 열 절연된다.

Description

반도체 소자용 전압원 {ELECTRIC SUPPLY SOURCE FOR SEMICONDUCTOR COMPONENTS}
원격 측정 문의 가능한 센서는 많은 용도에서 종래의 시스템에 사용된다. 많은 수의 센서, 접근하기 어려운 또는 매우 작은 측정 장소를 가진 시스템에서는 원격 측정 센서에 의해 신호 전송 비용이 현저히 감소될 수 있다. 패시브 원격 측정 센서는 고유의 센서에 대한 에너지 어큐뮬레이터를 필요로 하지 않지만, 기능성 및 검출 범위가 제한된다. CMOS 기술을 기초로 하는 액티브 원격 측정 센서는 측정 장소 당 낮은 비용을 가진 지능 시스템의 구성을 가능하게 한다. 단점은 지금까지는 각각의 센서에 에너지 소오스로서 배터리가 필요하다는 것이다. 배터리는 비용을 야기시키며, 사용 시간을 제한하고, 분리되어 폐기되어야 한다. 센서의 작동을 위해 필요한 파워는 최근의 로우-파워-회로에서는 매우 작으며, 신호 전송을 위해서만 단시간 동안 약간 더 높은 파워가 필요하다.
펠티어 소자는 열 에너지로부터 전기 에너지로의 직접 변환을 가능하게 한다. 열 에너지의 인출은 열 저장체가 상이한 온도로 이용될 수 있으면 항상 가능하다. 전기 에너지를 얻기 위해서는 예컨대, 높은 온도 및 주변에 대한 높은 온도 기울기를 가진 바디로 충분하다.
열전 소자내에서 파워 흐름은 재료 및 구조 파라미터 및 접합에서의 전류에 의존한다.
제벡 계수(Seebeck-coefficient)(S)(V/K로 측정)는 기준 재료에 대한 재료의 켈빈 당 콘택 전압을 나타낸다.
펠티어 계수(Peltier-coefficient)(πpn)(M/A로 측정)는 전류에 의해 야기되는 열전달을 나타낸다. 상이한 도핑(p, n)의 2개의 상이한 재료가 결합되면, 켈빈 당 콘택 전압이 2개의 제벡 계수의 차로부터 산출된다. 열전달은 상기 차에 각각의 접합의 온도(T)(K로 측정)를 곱한 값에 상응한다.
(식 1.1)
펠티어 소자는 통상적으로 열적으로 병렬로 그리고 전기적으로 직렬로 접속된 소수(m)의 접합으로 이루어진다. 따뜻한 접합(H)과 차가운 접합(L)은 서로 이상적으로 열 절연되지 않으며, 변환을 위한 관련 열량이 없어지기 때문에 손실을 야기시키는 열전도값(KthHL)이 존재한다. 접합에서 그리고 그 사이에 놓인 영역에서 전류가 오믹 전력 손실을 발생시키기 때문에 부가의 손실이 생긴다. 상기 전력 손실(I2 elRi)은 대칭으로 (H) 및 (L)로 분할될 수 있다.
2개의 열원에서 열 흐름은 하기와 같이 주어진다:
(식 1.2)
(식 1.3)
단자에서 무부하 전압(Iel= 0)은 (H)와 (L)사이의 온도차에 선형으로 의존한다.
(식 1.4)
전기 내부 저항이 재료의 비저항(ρp), (ρn), 구조 및 소자의 수(m)로부터 얻어진다.
(식 1.5)
상기 식에서, Ap, An= 개별 소자의 횡단면적(㎡)
lp, ln= (H)와 (L) 사이의 길이(m)이다.
열전도값(KthHL)은 상응하게 고유 열전도성(λp), (λn) 및 구조에 따른다.
(식 1.6)
펠티어 소자의 출력 전압은 하기와 같다:
(식 1.7)
펠티어 소자의 출력 파워는 하기와 같다:
(식 1.8)
펠티어 소자의 최대 출력 파워는 (이상적 히트싱크 Kth1, Kth2→ ∞로) 하기와 같다:
(식 1.9)
"바람직한 지수(figure of merit)"로는 하기 식이 사용된다.
(식 1.10)
(1.5) 및 (1.6)의 치환 및 구조의 최적화에 의해 하기 식이 얻어진다:
(식 1.11)
재료의 열전도성 및 비저항이 동일하면, Z이 구조와 무관하다. 기술적으로 중요한 펠티어 소자는 Z ＞ 10-3K-1를 갖는다.
열 접합에서 예상되는 온도차는 작다. 회로 기술의 진보("저-전압")에도 불구하고, 회로는 적어도 1.. 1.5V의 공급 전압을 필요로 한다. 3 .. 5V가 최상이며, 이것은 필요에 따라 높은 효율로 직류 전압 변환될 수 있다. 많은 수의 열 접합을 직렬 접속함으로써, 작은 온도 차에서도 충분한 전압이 발생될 수 있으나, 이것은 열 제너레이터의 내부 전압을 현저히 증가시키고 결국 출력 파워를 제한한다. 출력 전압을 매칭하기 위한 충분한 자유도를 보장하기 위해, 목표 디자인은 가급적 작은 기본 셀로 이루어져야 한다.
열 제너레이터의 가격은 칩 표면에 비례한다. 얻어질 수 있는 파워는 칩 면적, 열 특성 및 재료 파라미터에 의존한다. 소정 파워에 대한 근사값을 결정하기 위해, 하기 사실이 고려되어야 한다:
작은 라운드 셀(1.5V)은 약 50mAh의 용량 및 0.1J 보다 작은 에너지 함량을 갖는다. 1년의 작동 시간을 얻으려면, 단 3nW의 평균 파워 인출이 허용된다. 3V의 리튬-포토-배터리는 1.3Ah의 용량 및 4J의 에너지 함량을 갖는다. 1년의 작동 시간에서는 0.13μW의 허용 평균 파워 인출이 이루어진다. 배터리가 열 제너레이터로 대체되어야 하는 회로의 평균 파워 필요는 매우 작다. 이 경우에는 배터리가 문제 없이 단시간 동안 높은 파워를 출력할 수 있는 한편, 열 제너레이터(설계에 따라)에 하나의 에너지 어큐뮬레이터가 제공되어야 한다. 평균 파워와 더불어, 단시간 동안 필요한 파워도 치수 설계의 기준이다.
본 발명은 열전 효과(Seebeck-Peltier-Effect)를 이용해서 온도차를 전기 전위차로 또는 그 역으로 변환시키는 열전 소자 또는 펠티어 소자로서 반도체 소자에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 소자의 횡단면도이고,
도 2는 펠티어 소자의 회로도이며,
도 3은 전체 시스템의 회로도이다.
본 발명의 목적은 반도체 소자의 작동에 매칭되며 회로망과 무관한, 원격 측정 센서 시스템의 작동을 허용하는 전압원을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 제 1항의 특징을 가진 반도체 열전 소자 장치 및 청구항 제 6항의 특징을 가진 장치에 의해 달성된다. 바람직한 실시예는 종속항에 제시된다.
본 발명에 따른 열전 소자 장치는 반도체 재료로 이루어진 하나의 층을 포함한다. 상기 층은 영역별로 교대로 반대 부호의 전기 전도성으로 도핑된다. 상기 층은 열전도층 사이의 표면에 대해 수직으로 배치됨으로써, 상이한 전기 전도성을 가진 2개의 연속하는 영역 사이의 접합이 외부로 전기 절연되고, 교대로 열전도층 중 하나와 열접촉되며 다른 열전도층에 대해 열절연된다. 전하 캐리어 이송은 도핑된 층 내부에서만 이루어진다. 플러스로부터 마이너스 방향으로 전기 전도성의 접합은 예컨대 반도체 재료로 이루어진 기판과 열 접촉된다; 마이너스로부터 플러스 방향으로의 접합은 기판에 대해 열 및 전기 절연되고 기판의 반대편에 놓인 측면상에 제공된 열전도층(예컨대, 금속 또는 반도체 재료로 이루어진)과 열 접촉된다. 따라서, 열전도층 사이의 온도차는 (일정한 방향으로 볼 때) pn 접합이 np 접합 보다 높은 또는 낮은 온도를 갖게 한다. 인접한 도핑 영역은 열전 전압열의 상이한 재료의 결합에 상응하는 열전 특성을 갖는다. 따라서, pn 접합과 np 접합 사이의 온도차에 의해 도핑층에서 전기 전위차가 발생된다. 서로 반대로 도핑된 다수의 영역이 연속되면, 도핑층에서 열전기적으로 발생된 전위차가 가산되는데, 그 이유는 상기 층에서 pn 접합 및 np 접합이 일렬로 연속되기 때문이다. 따라서, 도핑된 층상에 제공된 단자 콘택과 함께 열전 소자로서 작용하는 단 하나의 pn 또는 np 접합만이 존재하는 것 처럼, 도핑층의 외부 측면에서 보다 큰 전위차가 인출될 수 있다. 본 발명에 따른 소자는 도핑된 층의 측면에 전압의 인가에 의해 열전도층 사이의 온도차를 발생시키기 위한 펠티어 소자로도 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명에 따른 소자를 구체적으로 설명한다. "펠티어 소자"는 다수의 개별 열전 소자를 포함하는 소자를 의미한다. 청구범위에서는, 열전 소자로 작용하는 하나 이상의 부품을 포함하는 본 발명에 따른 소자에 대한 전문으로서 "반도체 열전 소자 장치"가 사용되었다. 본 발명에 따른 소자는 바람직하게는 CMOS-공정의 범주로 제조될 수 있다; 물론, 제조가 상기 공정에 국한되는 것은 아니다. 바람직한 실시예는 본 발명을 국한하려는 것이 아니며, 다양한 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 소자의 바람직한 실시예의 횡단면도이다. 도시된 구조물은 소자의 동일한 평면상의 횡단면로 볼 때 투시면 앞 또는 뒤로 동일하다. 따라서, 상기 소자의 공간적 구조는 도시된 횡단면을 투시면에 대해 수직으로 이동시킴으로써 얻어진다. 기본 셀(elementary cell)을 초평면(focal plane)에 대해 수직으로 연장하는 것은 필요한 소자의 수에 따라 변경될 수 있다. 평면도에서 열전 활성 영역은 전기 절연을 보장하기 위한 트랙을 형성한다. 트랙 사이의 갭은 적어도 1 ㎛의 폭을 갖는다. 트랙폭이 약 3 ㎛일 경우 기본 셀의 면적은 4 ㎛ × 4 ㎛이며, 이 경우 1 제곱 밀리미터의 칩 표면 당 62500개의 기본 셀이 집적될 수 있다.
본 실시예에서 도핑층은 폴리 실리콘이며 도면에서는 상이하게 도핑된 영역을 표시하는 플러스 및 마이너스 부호로 표시된다. 열전도층은 도시된 실시예에서 바람직하게는 실리콘인 기판, 및 도핑층을 향한 제 2 폴리 실리콘층 및 그 위에 제공된 알루미늄층으로 이루어진 2중층으로 나타난다. 상기 2중층 대신 반도체 재료 또는 금속으로 이루어진 하나의 층이 존재할 수 있다.
pn- 및 np-접합의 전기 절연을 위해, 즉 pn- 및 np-접합의 단락을 인접한 열전도층에 의해 막기 위해, 도핑층과 각각의 열전도층 사이에 실리콘 산화물(LOCOS, locally oxidized silicon) 및 실리콘 질화물(Si3N4)로 이루어진 얇은 층이 존재한다. 상기 전기 절연층의 재료 및 두께는, 상기 층을 통해 충분한 열 전도성이 주어지도록 선택된다. 상기 열전도층이 전기적으로 충분히 절연되면, 부가의 전기 절연층(LOCOS, 도 1의 Si-질화물)이 생략될 수 있다.
도 1에서 좌측으로부터 우측으로 볼 때 p-도핑(+)이 n-도핑(-)으로 전이되는, 도핑층의 부분(이하, pn-접합이라 함)은 기판과 열접촉되며, 열절연 중간 영역에 의해 상부 2중 열전도층으로부터 분리되고, 상기 열절연 중간 영역은 바람직하게는 공동부로 형성된다. 도면에서 좌측으로부터 우측으로 볼 때 n-도핑(-)이 p-도핑(+)으로 전이되는, 도핑층의 부분(이하, np-접합이라 함)은 상부 2중 열전도층과 열접촉되고 열절연 중간 영역에 의해 기판으로부터 분리되며, 상기 열절연 중간 영역도 바람직하게는 공동부로 형성된다. 상기 공동부에는 상응하는 낮은 열전도성을 갖는 부분 진공이 존재한다; 열활성 폴리-영역의 고체 열전도와 비교할 때 상기 공동부의 전도성은 무시될 수 있다.
상기 공동부는 예컨대, 제공되는 층의 재료에 대해 선택적으로 에칭될 수 있는 재료로 이루어진 희생층(sacrificial layer)이 제공되어 제조될 공동부의 형태에 상응하게 구조화되는 방식으로 형성될 수 있다. 제공되는 층이 희생층상에 제공된 다음, 상기 희생층이 제공된 층에 대해 선택적으로 측면 개구를 통해 또는 제공된 층에 형성된 에칭 개구를 통해 에칭된다. 제조될 공동부의 각각의 평면에서 이와 동일한 공정이 이루어진다. 도핑층의 파형 구조는 좌측 및 우측으로 동일하게 계속된다. 도핑층의 좌측면 및 우측면에는 콘택이 제공되며, 상기 콘택에서 전압이 인출될 수 있다. 열전도층이 충분이 강하게 구조화되면, 도핑층은 원칙적으로 평평하거나 약간 파형일 수 있다. 상부 (2중)층은 예컨대 더 심한 파형일 수 있는 한편, 도핑층을 향한 기판의 상부면은 도 1에 도시된 바와 같이 평평하지 않고, 파형이다. 기입된 치수는 전형적인 실시예의 치수이다.
본 발명에 따른 소자는 활성 반도체 소자, 즉 인가된 전압 또는 제공된 전류에 의해 작동하는 소자용 전압원으로 사용될 수 있다. 상기 소자는 반도체 소자와 함께 집적될 수 있다.
도 3은 전체 장치의 회로도를 도시한다. 전체 장치의 열 특성은 펠티어 소자에서의 온도차 및 이에 따른 최대 파워의 크기를 결정한다. 도 3에서는 하기의 약어가 사용된다:
Kthcontact= 열원에 대한 열 콘택 전도값
Kthsub= 기판 두께에 따른 열 전도값
KthHLcond= (H)와 (L) 사이의 열 전도값(고체)
KthHLair= (H)와 (L) 사이의 열 전도값(기체)
Kthoo= (L)로부터 주변으로의 열 전도값
Kthll= 소오스와 (L) 사이의 열 팽행 전도값
단위는 모두 W/K.
재료값으로부터 상기 전도값이 대략적으로 추정될 수 있다. 예컨대, 4 mm × 4 mm의 칩면적과 0.8 ㎛의 폴리-두께에 대해 하기의 값이 산출된다:
Kthcontact= 1 W/K (가정: 열전도 페이스트 또는 접착체)
Kthsub= 4 W/K (λSi,mono= 150 W/(m·K))
KthHLcond= 80 W/K (λSi,poly= 40 W/(m·K), 열변의 면적 비율 = 셀의 25%)
KthHLair= 5 W/K (λair= 0.026 W/(m·K), 무시할 수 있음)
Kthoo= 0.08 W/K (예를 들어 DIL24용 IC-냉각체)
Kthll= 0.1 W/K (가정: Kthoo와 동일한 치수)
제벡 계수(Seebeck-coefficient)가 콘택 재료의 전자 농도로부터 결정될 수 있다. 사용된 반도체에서 전자 농도(np, nn)는 도핑(ND, NA)에 따라 달라진다.
(식 2.1)
k = 볼츠만-상수 = 1.38·10-23J/K,
e = 기본 전하 = 1.6·10-19As,
ni= Si의 고유 전하 캐리어 밀도 = 1.5·1010cm-3.
ND= NA= 1019cm-3으로 하기의 식이 주어진다:
Spn= 3.5·10-3V/K.
고도핑된 폴리-Si(도핑 높이 ＞ 1019cm-3)으로는 10 ... 20 Ω의 Rsquare가 얻어진다. 기본 셀의 내부 저항은 폭(길이는 기술에 따라 결정됨)에 반비례한다. 최소 폭에서 내부 저항은 약 30 Ω이다. 상기 폭은 칩상의 소자 수에 반비례한다. 4 mm × 4 mm의 칩 크기를 갖는 열제너레이터의 전체 내부 저항은 하기와 같다:
(식 2.2)
최소 셀크기(m = 106)에 대해 Ri= 30 MΩ이 산출된다. (식 1.10)의 "바람직한 지수(figure of merit)"는 하기의 식으로서 얻어진다:
얻어질 수 있는 파워는 냉각 조건에 절대적으로 의존한다. 작은 냉각체(20 mm × 10 mm × 10 mm) 및 4 mm × 4 mm의 칩으로 추정할 때, 추정된 열 및 전기적 특성으로 60 μW 범위의 출력 파워 및 1 V 내지 10 V의 조절 가능한 출력 전압이 얻어진다.

Claims (8)

  1. - 반도체 재료로 이루어진 도핑층이 존재하며,
    - 도핑층의 제 1 및 제 2 측면상에 층의 표면에 대해 수직 방향으로 열전도층이 배치되고,
    - 도핑층이 영역별로 교대로 반대 부호의 전기 전도성으로 도핑되고,
    - n-도핑 영역에 대한 p-도핑 영역의 접합이 미리 주어진 방향으로 존재하는 도핑층의 장소가 제 1 측면상에서는 열전도층과 열접촉되며, 제 2 측면상에서는 열전도층에 대해 열절연되고, 상기 열접촉은 전기 절연을 일으키며,
    - p-도핑 영역에 대한 n-도핑 영역의 접합이 상기 방향으로 존재하는 도핑층의 장소가 제 2 측면상에서는 열전도층과 열접촉되며, 제 1 측면상에서는 열전도층에 대해 열절연되고, 상기 열접촉은 전기 절연을 일으키며,
    - 전기 단자에 대한 콘택이 도핑층상에 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 열전 소자 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 도핑층이 폴리실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 열전 소자 장치.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 열전도층이 반도체 재료로 이루어진 기판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 열전 소자 장치.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 도핑층의 상기 장소가 층 사이의 공동부에 의해 열전도층에 대해 절연되는 것을 특징으로 하는 반도체 열전 소자 장치.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 도핑층이 파형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 열전 소자 장치.
  6. 적어도 하나의 액티브 반도체 소자 및 상기 반도체 소자의 작동을 위해 제공된 전압원을 포함하는 장치에 있어서, 전압원이 하나 이상의 반도체 열전 소자로 이루어진 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 액티브 반도체 소자 및 하나 이상의 반도체 열전 소자로 이루어진 장치가 하나의 기판내에 집적되고 서로 도전 접속됨으로써, 미리 주어진 값의 온도차가 하나 이상의 반도체 열전 소자에 인가되면 액티브 반도체 소자가 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6항 또는 7항에 있어서, 반도체 열전 소자 장치가 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 따른 특징을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
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