RU2181516C2

RU2181516C2 - Long-measuring semiconductor piece for thermoelectric devices

Info

Publication number: RU2181516C2
Application number: RU99100058A
Authority: RU
Inventors: Ю.М. Белов; М.П. Волков; С.М. Манякин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью НПО "Кристалл"
Priority date: 1999-01-13
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2002-04-20

Abstract

FIELD: semiconductor devices for refrigerators, heating units, power supplies, and the like. SUBSTANCE: semiconductor pieces are composite structures built up of at least two parts having contacting and connecting surfaces interconnected through intermediate electricity conducting layers including multilayer structures of antidiffusion, switching, and connecting layers. Contacting surfaces are covered with coats including multilayer ones. At least one of these parts is made of material whose cleavage planes are primarily oriented perpendicular to contacting surfaces. Parts of semiconductor piece may be oriented differently. One of contacting surfaces bears identification marking to facilitate assembly of parts. EFFECT: enhanced efficiency and facilitated manufacture due to enhanced thermoelectric characteristics of semiconductor devices. 10 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности, к полупроводниковым изделиям, используемым для изготовления термоэлектрических устройств: охлаждающих и нагревательных приборов, термоэлектрических генераторов и т.д. The invention relates to semiconductor technology, in particular, to semiconductor products used for the manufacture of thermoelectric devices: cooling and heating devices, thermoelectric generators, etc.

При создании этих устройств, основанных на использовании термоэлектрических эффектов Пельтье и Зеебека, существует проблема обеспечения высоких термоэлектрических параметров устройств, с одной стороны, и простоты, надежности и технологичности их изготовления, с другой. Основой термоэлектрических устройств являются полупроводниковые изделия в виде небольших по размерам (порядка 1 мм) ветвей р- или n-типа проводимости, выполненных из термоэлектрических материалов, например, на основе теллурида висмута, теллурида свинца, твердых растворов германий-кремний и т.д. Термоэлектрические устройства обычной конструкции - однокаскадные охлаждающие, нагревательные или генераторные модули - представляют собой множество (как правило, несколько десятков или сотен) последовательно соединенных между собой ветвей. Эффективность этих устройств имеет предел, который определяется величиной термоэлектрической добротности Z полупроводниковых ветвей
Z = α²σ/к,
где α- коэффициент Зеебека; σ и к - соответственно коэффициенты электропроводности и теплопроводности ветвей.When creating these devices based on the use of Peltier and Seebeck thermoelectric effects, there is the problem of ensuring high thermoelectric parameters of the devices, on the one hand, and the simplicity, reliability, and manufacturability of their manufacture, on the other. The basis of thermoelectric devices are semiconductor products in the form of small p (or 1 mm) branches of p- or n-type conductivity made of thermoelectric materials, for example, based on bismuth telluride, lead telluride, germanium-silicon solid solutions, etc. Thermoelectric devices of a conventional design — single-stage cooling, heating, or generator modules — are many (usually several tens or hundreds) of branches connected in series with each other. The efficiency of these devices has a limit, which is determined by the value of thermoelectric figure of merit Z of semiconductor branches
Z = α ² σ / k,
where α is the Seebeck coefficient; σ and k are, respectively, the coefficient of electrical conductivity and thermal conductivity of the branches.

В частности, важнейший показатель эффективности охлаждающих термоэлектрических устройств - максимальный перепад температуры ΔT_max- связан с Z следующим соотношением:

где Т - средняя температура устройства.In particular, the most important indicator of the efficiency of cooling thermoelectric devices - the maximum temperature difference ΔT _max - is associated with Z by the following relation:

where T is the average temperature of the device.

В настоящее время максимально достигнутое значение ΔT_max в обычных однокаскадных охлаждающих модулях составляет около 73^oС (при температуре горячей поверхности модуля 25^oС).Currently, the maximum achieved ΔT _max value in conventional single-stage cooling modules is about 73 ^o С (at a module hot surface temperature of 25 ^o С).

Известно выполнение ветвей термоэлектрических устройств составными, т.е. состоящими из двух или более частей с отличающимися термоэлектрическими характеристиками (см. Л. И.Анатычук. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник. Киев, Наукова думка, 1979, с. 155-156). Эффективность устройств, выполненных из составных ветвей (которые при сборке в устройства должны быть определенным образом ориентированы), значительно возрастают по сравнению с обычными (т.е. однородными по свойствам) ветвями, в частности, ΔT_max может возрасти до 80-85^oС.It is known that the branches of thermoelectric devices are composite, i.e. consisting of two or more parts with different thermoelectric characteristics (see L. I. Anatychuk. Thermoelements and thermoelectric devices. Reference. Kiev, Naukova Dumka, 1979, p. 155-156). The efficiency of devices made of composite branches (which should be oriented in a certain way when assembled into devices) increases significantly compared to conventional (i.e., uniform in properties) branches, in particular, ΔT _max can increase to 80-85 ^o С .

Однако на практике при изготовлении устройств с составными ветвями возникает ряд проблем, связанных с технологией соединения частей, составляющих ветви, с сохранением при этом термоэлектрических параметров и механической прочности составных ветвей, а также с последующей сборкой из этих ветвей термоэлектрических модулей. Например, при соединении частей пайкой, в частности олово- и свинцовосодержащими припоями, компоненты припоя могут проникать внутрь термоэлектрических материалов и ухудшать их параметры, что особенно характерно для теллуридов висмута и свинца. При нагревании в процессе сборки части ветвей могут распадаться вследствие повышенных механических напряжений, а также в результате расплавления соединяющего их припоя. Но самой сложной проблемой является то, что при сборке устройств необходимо строго определенным образом ориентировать составные ветви, например, части ветвей с наибольшим коэффициентом Зеебека должны контактировать с горячей стороной охлаждающего модуля, а части с наименьшим коэффициентом Зеебека - с его холодной стороной. Учитывая малые размеры и большое количество ветвей, которые необходимо собрать в единое устройство (модуль), выполнение этой операции приводит к значительному усложнению процесса сборки модуля, резкому снижению его производительности и, как следствие, - к увеличению себестоимости термоэлектрических устройств. Поэтому авторам не известны примеры промышленного использования составных ветвей в термоэлектрических устройствах. However, in practice, in the manufacture of devices with composite branches, a number of problems arise associated with the technology of connecting the parts making up the branches, while maintaining the thermoelectric parameters and mechanical strength of the composite branches, as well as with the subsequent assembly of thermoelectric modules from these branches. For example, when parts are connected by soldering, in particular tin and lead-containing solders, the components of the solder can penetrate inside thermoelectric materials and degrade their parameters, which is especially typical for bismuth and lead tellurides. When heated during assembly, parts of the branches can decay due to increased mechanical stresses, as well as as a result of the melting of the solder connecting them. But the most difficult problem is that when assembling the devices, it is necessary to orient the composite branches in a strictly defined way, for example, the parts of the branches with the highest Seebeck coefficient should contact the hot side of the cooling module, and the parts with the lowest Seebeck coefficient should contact its cold side. Given the small size and the large number of branches that need to be assembled into a single device (module), this operation leads to a significant complication of the assembly process of the module, a sharp decrease in its performance and, as a result, to an increase in the cost of thermoelectric devices. Therefore, the authors are not aware of examples of industrial use of composite branches in thermoelectric devices.

Известно длинномерное полупроводниковое изделие р- или n-типа проводимости, используемое для изготовления термоэлектрических устройств (см. Патент Японии N58-64075, кл. Н 01 L 35/32, 1983 г.). Применение данного изделия позволяет значительно упростить сборку термоэлектрических устройств. Это достигается за счет того, что при сборке приходиться иметь дело не с множеством элементарных ветвей, каждая из которых имеет достаточно малые размеры, а с гораздо меньшим количеством более крупных длинномерных изделий, которые в процессе сборки соединяются друг с другом коммутационными шинами, разрезаются на ветви и объединяются в термоэлектрический модуль. Однако данное изделие выполнено из однородного по термоэлектрическим параметрам полупроводникового материала, что ограничивает получение высоких характеристик термоэлектрических устройств, собранных из этих изделий, в частности, ΔT_max; вообще в литературе отсутствуют сведения о применении неоднородных (например, составных) длинномерных изделий для изготовления термоэлектрических устройств. Кроме того, данное изделие в силу особенностей кристаллической структуры некоторых термоэлектрических материалов, в частности, самого распространенного из них - теллурида висмута, имеет низкую механическую прочность и может разрушаться в процессе сборки. Дело в том, что теллурид висмута и твердые растворы на его основе имеют слоистую структуру, т.е. в кристаллической решетке этих материалов одно из направлений (так называемая кристаллографическая ось С) является выделенным по отношению к остальным. Свойства этих материалов как механические, так и термоэлектрические, существенно зависят от того, в каком направлении они измеряются: перпендикулярно или параллельно оси С. В частности, механическая прочность материалов на растяжение в направлении, параллельном оси С, весьма низка, а в направлении, перпендикулярном оси С, они легко скалываются послойно, по так называемым плоскостям спайности. Поэтому при изготовлении и использовании полупроводниковых изделий, в особенности длинномерных, необходимо учитывать кристаллографический фактор для обеспечения приемлемой механической прочности изделий.A long p-type or n-type semiconductor product is known to be used for the manufacture of thermoelectric devices (see Japan Patent N58-64075, class H 01 L 35/32, 1983). The use of this product can significantly simplify the assembly of thermoelectric devices. This is achieved due to the fact that during assembly it is necessary to deal not with many elementary branches, each of which is quite small, but with a much smaller number of larger lengthy products that are connected to each other by switching buses during the assembly process, cut into branches and are combined into a thermoelectric module. However, this product is made of a semiconductor material that is uniform in thermoelectric parameters, which limits the obtaining of high characteristics of thermoelectric devices assembled from these products, in particular, ΔT _max ; generally in the literature there is no information on the use of heterogeneous (for example, composite) lengthy products for the manufacture of thermoelectric devices. In addition, this product, due to the crystal structure of some thermoelectric materials, in particular, the most common of them - bismuth telluride, has low mechanical strength and can be destroyed during assembly. The fact is that bismuth telluride and solid solutions based on it have a layered structure, i.e. in the crystal lattice of these materials, one of the directions (the so-called crystallographic axis C) is distinguished in relation to the others. The properties of these materials, both mechanical and thermoelectric, substantially depend on the direction in which they are measured: perpendicular or parallel to the C axis. In particular, the mechanical tensile strength of the materials in the direction parallel to the C axis is very low, and in the direction perpendicular axis C, they easily chip in layers, on the so-called cleavage planes. Therefore, in the manufacture and use of semiconductor products, especially long ones, it is necessary to take into account the crystallographic factor to ensure acceptable mechanical strength of the products.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение термоэлектрических параметров полупроводниковых изделий для термоэлектрических устройств, в частности, максимального перепада температуры ΔT_max, увеличение механической прочности изделий, а также обеспечение высокой технологичности изготовления (сборки) из этих изделий термоэлектрических устройств.The technical result of the present invention is to increase the thermoelectric parameters of semiconductor products for thermoelectric devices, in particular, the maximum temperature difference ΔT _max , increase the mechanical strength of the products, as well as to ensure high manufacturability (assembly) of these products of thermoelectric devices.

Данный технический результат достигается за счет того, что полупроводниковое длинномерное изделие для термоэлектрических устройств, выполненное с плоскими параллельными контактными поверхностями, состоит, по меньшей мере, из двух частей, поверхности соединения которых параллельны контактным поверхностям, а коэффициент Зеебека α материала частей изменяется в направлении от одной контактной поверхности к другой таким образом, что α₁ < α₂...< α_n, где α₁, α₂ и α_n- коэффициенты Зеебека соответственно 1-й, 2-й и n-й частей, причем, по меньшей мере, одна из частей изделия выполнена из материала, имеющего параллельные между собой плоскости спайности, которые преимущественно ориентированы перпендикулярно контактным поверхностям и параллельно длинномерной боковой грани этой части, при этом изделие снабжено, по меньшей мере, одним промежуточным электропроводящим слоем, расположенным между его частями, а каждая контактная поверхность - контактным электропроводящим слоем, причем части полупроводникового длинномерного изделия могут быть соединены по длине, либо каждая из соединяемых частей изделия может быть выполнена из длинномерных элементов, которые соединены в виде решетки, при этом плоскости спайности материала соединяемых частей взаимно перпендикулярны, либо по меньшей мере, одна из частей полупроводникового изделия может иметь ширину, сравнимую с ее длиной, а соединяемая с ней часть выполнена из длинномерных элементов, при этом плоскости спайности материала соединяемых частей взаимно перпендикулярны, а части изделия могут быть выполнены различной ширины и/или высоты, при этом промежуточный электропроводящий слой изделия может состоять, в частности, из антидиффузионных слоев, прилегающих непосредственно к поверхностям соединения частей, коммутационных слоев, прилегающих к антидиффузионным слоям, и соединительного слоя, расположенного между коммутационными слоями, а контактный электропроводящий слой изделия может состоять, в частности, из антидиффузионного слоя, прилегающего к контактной поверхности изделия, коммутационного слоя, прилегающего к антидиффузионному, и поверхностного слоя, например, слоя припоя; температура плавления материала соединительного слоя должна превышать температуру плавления материала поверхностного слоя, при этом полупроводниковое изделие может быть снабжено, по меньшей мере, одной шиной, выполненной из материала с высокой электропроводностью и расположенной между поверхностями соединения, а одна из контактных поверхностей полупроводникового изделия имеет маркировку, например, выполненную в виде дополнительного электропроводящего слоя, отличающегося по цвету от цвета другой контактной поверхности.This technical result is achieved due to the fact that the semiconductor long product for thermoelectric devices made with flat parallel contact surfaces consists of at least two parts, the connection surfaces of which are parallel to the contact surfaces, and the Seebeck coefficient α of the material of the parts changes in the direction from one contact surface to another in such a way that α ₁ <α ₂ ... <α _n , where α ₁ , α ₂ and α _n are the Seebeck coefficients of the 1st, 2nd and nth parts, respectively, and, by lesser measures e, one of the parts of the product is made of a material having parallel cleavage planes that are mainly oriented perpendicular to the contact surfaces and parallel to the long side face of this part, while the product is provided with at least one intermediate conductive layer located between its parts, and each contact surface is a contact electrically conductive layer, and parts of a semiconductor long product can be connected along the length, or each of them is connected ith parts of the product can be made of long elements that are connected in the form of a lattice, while the cleavage planes of the material of the parts to be connected are mutually perpendicular, or at least one of the parts of the semiconductor product can have a width comparable to its length, and made of long elements, while the cleavage planes of the material of the connected parts are mutually perpendicular, and parts of the product can be made of different widths and / or heights, while the intermediate electrical wire The backing layer of the product may consist, in particular, of anti-diffusion layers adjacent directly to the surfaces of the connection of the parts, the switching layers adjacent to the anti-diffusion layers, and the connecting layer located between the switching layers, and the contact electrically conductive layer of the product can consist, in particular, of anti-diffusion a layer adjacent to the contact surface of the product, a patch layer adjacent to the anti-diffusion, and a surface layer, for example, a solder layer; the melting temperature of the material of the connecting layer must exceed the melting temperature of the material of the surface layer, while the semiconductor product can be equipped with at least one bus made of a material with high electrical conductivity and located between the connection surfaces, and one of the contact surfaces of the semiconductor product is marked, for example, made in the form of an additional electrically conductive layer that differs in color from the color of another contact surface.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено составное полупроводниковое длинномерное изделие; на фиг.2 - полупроводниковое длинномерное изделие в варианте соединения частей параллельно по длине; на фиг.3 - полупроводниковое длинномерное изделие, части которого соединены в виде решетки; на фиг.4 - полупроводниковое длинномерное изделие, части которого соединены с одной частью, имеющей ширину, сравнимую с ее длиной; на фиг.5 - полупроводниковое длинномерное изделие, имеющее части разной ширины и снабженное вставной шиной из электропроводящего материала; на фиг.6 - полупроводниковое длинномерное изделие, имеющее части разной высоты и снабженное вставной шиной. The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a composite semiconductor lengthy product; figure 2 - semiconductor lengthy product in the form of connecting parts in parallel along the length; figure 3 - semiconductor lengthy product, parts of which are connected in the form of a lattice; figure 4 - semiconductor lengthy product, parts of which are connected to one part having a width comparable to its length; figure 5 - semiconductor long product having parts of different widths and equipped with an insertion bus made of electrically conductive material; figure 6 - semiconductor lengthy product having parts of different heights and equipped with a plug-in bus.

Полупроводниковое изделие состоит из нескольких (n) длинномерных частей, расположенных по высоте изделия, по меньшей мере, из двух частей 1 и 2, которые имеют поверхности соединения 3 и плоские параллельные контактные поверхности 4 (фиг.1). Между частями изделия расположены промежуточные электропроводящие слои 5, которые могут быть выполнены многослойными, а именно состоять из антидиффузионных слоев 6, коммутационных слоев 7 и соединительного слоя 8; на контактных поверхностях расположены контактные электропроводящие слои 9, каждый из которых также может быть выполнен многослойным и иметь антидиффузионный слой 10, коммутационный слой 11 и поверхностный слой 12 (фиг. 2). Антидиффузионные слои 6 и 10 служат в качестве барьера, препятствующего попаданию в полупроводниковое изделие примесей, которые ухудшают характеристики термоэлектрических устройств. Материалами антидиффузионных слоев 6 и 10 могут быть молибден, вольфрам, титан, хром и их сплавы, а толщина этих слоев составляет 0,03-0,3 мкм. Коммутационные слои 7 предназначены для соединения частей изделия между собой, а коммутационные слои 11 - для коммутации изделий с внешними металлическими шинами (на чертеже не показаны) при сборке из них термоэлектрического устройства. Для коммутационных слоев 7, 11 могут быть использованы материалы, хорошо смачивающиеся легкоплавкими припоями: никель, сплавы никель - бор, а также железо. Толщина коммутационных слоев составляет 1-100 мкм. В качестве материалов для промежуточного соединительного слоя 8 и контактного поверхностного слоя 12 применяют мягкие припои олово - свинец и олово - висмут толщиной тоже в пределах 1-100 мкм. При этом температура плавления материала контактного поверхностного слоя 12 должна быть ниже температуры плавления промежуточного соединительного слоя 8, что исключает разъединение частей изделия 1 и 2 в процессе последующей сборки из них термоэлектрических устройств. С этой целью в качестве материала слоя 12 может быть использован, например, легкоплавкий припой олово - висмут (температура плавления 139^oС, содержание олова 57 мас.%), а в качестве материала слоя 8 - припой олово - свинец (температура плавления 183^oС, содержание олова 61 мас.%). Кроме того, для правильной ориентации изделий в процессе сборки одна из контактных поверхностей может иметь маркировку, выполненную, например, в виде дополнительного электропроводящего слоя 13 (фиг.2), отличающегося по цвету от цвета другой контактной поверхности. В качестве материала для такого слоя могут быть выбраны золото, медь, никель, а также их сплавы; толщина этого слоя должна составлять 0,001-0,1 мкм. Промежуточные и контактные слои (включая слой для маркировки контактной поверхности) на практике выполняются преимущественно гальваническим осаждением металлов и их сплавов либо осаждением их в вакууме (электронно-лучевое испарение и конденсация, магнетронное распыление и др.). Выбор конкретного метода зависит от требуемых толщин слоев многослойных композиций.The semiconductor product consists of several (n) long parts located along the height of the product, at least two parts 1 and 2, which have connection surfaces 3 and flat parallel contact surfaces 4 (FIG. 1). Between the parts of the product are intermediate conductive layers 5, which can be multilayer, namely, consist of anti-diffusion layers 6, switching layers 7 and the connecting layer 8; on the contact surfaces are contact electrically conductive layers 9, each of which can also be multilayer and have an anti-diffusion layer 10, a switching layer 11 and a surface layer 12 (Fig. 2). The anti-diffusion layers 6 and 10 serve as a barrier preventing the entry of impurities into the semiconductor product, which impair the performance of thermoelectric devices. The materials of the anti-diffusion layers 6 and 10 can be molybdenum, tungsten, titanium, chromium and their alloys, and the thickness of these layers is 0.03-0.3 microns. The switching layers 7 are intended for connecting parts of the product to each other, and the switching layers 11 are used for switching products with external metal buses (not shown in the drawing) when assembling a thermoelectric device from them. For switching layers 7, 11, materials that are well wetted by low-melting solders can be used: nickel, nickel-boron alloys, and also iron. The thickness of the switching layers is 1-100 microns. As materials for the intermediate connecting layer 8 and the contact surface layer 12, soft tin - lead and tin - bismuth solders are also used with a thickness in the range of 1-100 μm. In this case, the melting temperature of the material of the contact surface layer 12 should be lower than the melting temperature of the intermediate connecting layer 8, which eliminates the separation of parts of the product 1 and 2 during the subsequent assembly of thermoelectric devices from them. For this purpose, for example, low-melting tin-bismuth solder (melting point 139 ^° C, tin content 57 wt.%) Can be used as the material of layer 12, and tin-lead solder (melting point 183 ^o) C, tin content of 61 wt.%). In addition, for the correct orientation of the products during the assembly process, one of the contact surfaces may have a marking made, for example, in the form of an additional electrically conductive layer 13 (Fig. 2), which differs in color from the color of the other contact surface. As a material for such a layer, gold, copper, nickel, and also their alloys can be selected; the thickness of this layer should be 0.001-0.1 microns. Intermediate and contact layers (including a layer for marking the contact surface) in practice are mainly performed by galvanic deposition of metals and their alloys or by deposition in vacuum (electron beam evaporation and condensation, magnetron sputtering, etc.). The choice of a particular method depends on the required thicknesses of the layers of the multilayer compositions.

Увеличение термоэлектрических характеристик устройств, изготовленных из длинномерных изделий, достигается путем оптимального подбора материалов частей изделий. При этом должно выполняться условие: α₁ < α₂...< α_n, где α₁, α₂ и α_n- коэффициенты Зеебека соответственно 1-й, 2-й и n-й частей, причем нумерация частей должна идти строго в направлении от одной контактной поверхности к другой. Именно в этом случае достигается наиболее высокое значение, например, такого параметра, как величины ΔT_max однокаскадных охлаждающих модулей; при этом части, выполненные из материала с наибольшим значением коэффициента Зеебека, контактируют с горячей стороной охлаждающего модуля, а части с наименьшим коэффициентом Зеебека - с холодной стороной модуля.An increase in the thermoelectric characteristics of devices made of long products is achieved by the optimal selection of materials for parts of products. In this case, the condition must be satisfied: α ₁ <α ₂ ... <α _n , where α ₁ , α ₂ and α _n are the Seebeck coefficients of the 1st, 2nd, and nth parts, respectively, and the numbering of the parts must be strictly in the direction from one contact surface to another. It is in this case that the highest value is achieved, for example, of a parameter such as ΔT _max values of single-stage cooling modules; while the parts made of the material with the highest Seebeck coefficient are in contact with the hot side of the cooling module, and the parts with the lowest Seebeck coefficient are in contact with the cold side of the module.

Части изделия могут быть выполнены не только на основе одного материала с отличающимися термоэлектрическими параметрами, но и из различных полупроводниковых материалов. Например, при выполнении одной части изделия из твердых растворов на основе теллурида висмута, а другой - из теллурида свинца оказывается возможным расширение рабочего перепада температуры термоэлектрического устройства: первая часть этого устройства может оптимально работать при комнатной температуре, а вторая - при повышенной температуре (как известно, теллурид висмута является низкотемпературным термоэлектрическим материалом, в то время как теллурид свинца эффективен при более высоких температурах). Из материалов, работающих при низких температурах, наиболее распространенными являются теллурид висмута и твердые растворы на его основе. Эти материалы имеют слоистую кристаллическую структуру, и для достижения высоких термоэлектрических параметров устройств, а также для обеспечения необходимой механической прочности изделий необходимо строго определенным образом ориентировать плоскости спайности 14 этих материалов в изделии. Для получения наиболее высокого значения термоэлектрической добротности Z необходимо, чтобы плоскости спайности 14 были преимущественно ориентированы перпендикулярно контактным поверхностям 4 (фиг.2). Это связано с тем, что электрический ток в изделии протекает в направлении от одной контактной поверхности к другой, и ориентация плоскостей спайности 14 параллельно или под углом меньше прямого к контактным поверхностям 4 приводит к увеличению электрического сопротивления материала и, соответственно, к снижению Z. С другой стороны, плоскости спайности 14 частей должны быть преимущественно ориентированы параллельно длинномерной боковой грани каждой части, поскольку это обеспечивает наибольшую механическую прочность части и, как следствие, всего изделия в целом. При ориентации плоскостей спайности 14 перпендикулярно боковым граням или под углом к ним резко возрастает вероятность скалывания изделия, что значительно снижает выход годных термоэлектрических устройств при их промышленном изготовлении. Parts of the product can be made not only on the basis of one material with different thermoelectric parameters, but also from various semiconductor materials. For example, when one part of the product is made of solid solutions based on bismuth telluride, and the other part is made of lead telluride, it becomes possible to expand the working temperature drop of the thermoelectric device: the first part of this device can work optimally at room temperature, and the second at elevated temperature (as is known bismuth telluride is a low-temperature thermoelectric material, while lead telluride is effective at higher temperatures). Of the materials operating at low temperatures, the most common are bismuth telluride and solid solutions based on it. These materials have a layered crystalline structure, and to achieve high thermoelectric parameters of the devices, as well as to provide the necessary mechanical strength of the products, it is necessary to orient the cleavage planes 14 of these materials in the product in a strictly defined way. To obtain the highest value of thermoelectric figure of merit Z, it is necessary that the cleavage planes 14 are preferably oriented perpendicular to the contact surfaces 4 (FIG. 2). This is due to the fact that the electric current in the product flows in the direction from one contact surface to another, and the orientation of the cleavage planes 14 parallel or at an angle less than straight to the contact surfaces 4 leads to an increase in the electrical resistance of the material and, accordingly, to a decrease in Z. C on the other hand, the cleavage planes of the 14 parts should preferably be oriented parallel to the long side edge of each part, since this provides the greatest mechanical strength of the part and, as a result e, the whole product as a whole. When the cleavage planes 14 are oriented perpendicular to the side faces or at an angle to them, the likelihood of chipping of the product sharply increases, which significantly reduces the yield of thermoelectric devices suitable for their industrial production.

Полупроводниковое изделие, части которого имеют описанную выше ориентацию плоскостей спайности 14 относительно контактных поверхностей 4 и длинномерных боковых граней, может быть изготовлено следующим образом. Сначала методом нормально направленной кристаллизации выращиваются кристаллы полупроводниковых материалов на основе теллурида висмута. В случае n-типа это могут быть твердые растворы, имеющие, например, состав Bi₂(Te_1-xSe_x)₃, где х=0,02-0,15, легированные галогенами: хлором, бромом или йодом. В случае материала р-типа это могут быть, в частности, твердые растворы состава (Bi_1-ySb_y)₂(Te_1-zSe_z)₃, где у= 0,7-0,8; z= 0,01-0,1. Выращенные кристаллы имеют форму плоских прямоугольных пластин, причем плоскости спайности материала ориентированы параллельно плоским поверхностям пластин. Пластины разрезаются на части в направлении, перпендикулярном плоскостям спайности; полученные таким образом образцы и представляют собой длинномерные части составного полупроводникового изделия. Следует отметить, что грани, по которым эти части в дальнейшем соединяются между собой (т.е. поверхности соединения 3), образованы резаными поверхностями, а длинномерные боковые грани частей - кристаллизованными поверхностями, полученными при выращивании пластин. Затем на резаные поверхности частей тем или иным методом наносятся электропроводящие слои, после чего отобранные по термоэлектрическим параметрам части соединяются между собой, например, пайкой.A semiconductor product, parts of which have the above-described orientation of cleavage planes 14 with respect to contact surfaces 4 and long side faces, can be made as follows. First, crystals of semiconductor materials based on bismuth telluride are grown by the method of normally directed crystallization. In the case of the n-type, these can be solid solutions having, for example, the composition Bi ₂ (Te _1-x Se _x ) ₃ , where x = 0.02-0.15, doped with halogens: chlorine, bromine or iodine. In the case of p-type material, this can be, in particular, solid solutions of the composition (Bi _1-y Sb _y ) ₂ (Te _1-z Se _z ) ₃ , where y = 0.7-0.8; z = 0.01-0.1. The grown crystals have the form of flat rectangular plates, and the cleavage planes of the material are oriented parallel to the flat surfaces of the plates. The plates are cut into pieces in a direction perpendicular to the cleavage planes; The samples thus obtained constitute lengthy parts of a composite semiconductor product. It should be noted that the faces along which these parts are subsequently connected to each other (i.e., the surfaces of compound 3) are formed by cut surfaces, and the long side faces of the parts are formed by crystallized surfaces obtained by growing the plates. Then, electrically conductive layers are applied by one method or another to the cut surfaces of the parts, after which the parts selected by thermoelectric parameters are connected, for example, by soldering.

По существу, предлагаемое изделие является полуфабрикатом для последующего изготовления (сборки) из него термоэлектрических устройств. Сборка устройств из изделий происходит, например, следующим образом. Изделия, определенным образом ориентированные, например, маркированной контактной поверхностью вверх, располагают в определенном порядке (например, поочередно изделия р- и n-типа) на керамической пластине, снабженной коммутационными шинами. Затем контактные поверхности изделий соединяют с коммутационными шинами, например, пайкой. Далее изделия режут с помощью, например, дисковой фрезы с тем, чтобы из относительно небольшого количества изделий получить множество отдельных ветвей термоэлементов, скоммутированных между собой с одной стороны и расположенных на керамической пластине в строго определенном порядке. Затем ветви коммутируют с другой стороны, например, путем пайки с коммутационными шинами второй керамической пластины. По существу на этом сборка устройства - термоэлектрического модуля - заканчивается. Essentially, the proposed product is a semi-finished product for the subsequent manufacture (assembly) of thermoelectric devices from it. The assembly of devices from products occurs, for example, as follows. Products that are oriented in a certain way, for example, with the contact surface marked up, are placed in a certain order (for example, p- and n-type products in turn) on a ceramic plate equipped with switching buses. Then the contact surfaces of the products are connected to the switching buses, for example, by soldering. Further, the products are cut using, for example, a disk cutter so that from a relatively small number of products to obtain many individual branches of thermocouples, connected to each other on one side and located on a ceramic plate in a strictly defined order. Then the branches commute on the other hand, for example, by soldering with the switching buses of the second ceramic plate. Essentially, the assembly of the device, the thermoelectric module, ends here.

Из приведенного выше примера следует, что для обеспечения высокой технологичности процесса сборки исключительно важным является выбор оптимального соединения частей 1, 2 изделия между собой. Варианты соединения этих частей должны обеспечивать создание оптимального порядка расположения ветвей термоэлементов в устройстве. В основном варианте (фиг.2) части 1 и 2 соединяются по всей площади. При этом последующая резка изделий на ветви в процессе сборки устройства ведется преимущественно в направлении, перпендикулярном длинномерным граням изделия. Существуют также варианты, в которых части соединяются не по всей площади (фиг.3 и 4). Хотя данные варианты по сравнению с основным характеризуются более высоким расходом полупроводникового материала в процессе резки, они обладают тем преимуществом, что требуют меньшего количества изделий для сборки из них термоэлектрического устройства. Это ведет к упрощению процесса сборки, делая его более технологичным. Для данных вариантов важно, чтобы плоскости спайности материала соединяемых частей 1 и 2, выполненных в виде длинномерных элементов 1' и 2', были взаимно перпендикулярны, так как это обеспечивает наиболее высокую механическую прочность изделия в целом. Плоскости резания изделий в процессе сборки показаны на фиг.2-4 пунктирными линиями. From the above example it follows that to ensure high adaptability of the assembly process, it is extremely important to choose the optimal connection of parts 1, 2 of the product to each other. The connection options for these parts should ensure the creation of an optimal arrangement of the branches of thermocouples in the device. In the main embodiment (figure 2), parts 1 and 2 are connected over the entire area. In this case, the subsequent cutting of products into branches during the assembly process of the device is carried out mainly in the direction perpendicular to the long edges of the product. There are also options in which parts are not connected over the entire area (FIGS. 3 and 4). Although these options, compared to the main one, are characterized by a higher consumption of semiconductor material during the cutting process, they have the advantage of requiring fewer products to assemble a thermoelectric device from them. This leads to a simplification of the assembly process, making it more technological. For these options, it is important that the cleavage planes of the material of the connected parts 1 and 2, made in the form of long elements 1 'and 2', are mutually perpendicular, since this provides the highest mechanical strength of the product as a whole. The cutting plane of the products during the assembly process is shown in figure 2-4 by dashed lines.

Характеристики термоэлектрических устройств зависят не только от параметров используемых материалов, но и от выбора геометрических размеров частей. На фиг. 5 и 6 изображены полупроводниковые изделия, части 1, 2 которых имеют различную ширину (фиг.5) или высоту (фиг.6). Такое выполнение частей изделия открывает возможность для дополнительного повышения параметров устройств. Это объясняется тем, что помимо термоэлектрических характеристик частей изделия, таких как α, σ и к, появляются еще два параметра - ширина и высота, позволяющие более полно оптимизировать выбор частей изделия. Кроме того, в некоторых случаях целесообразно между частями 1 и 2 изделия располагать шину 16, выполненную из материала с высокой электропроводностью, например, из меди, никеля или алюминия. Использование шины, в частности, обеспечивает более равномерное протекание тока через поверхность соединения в случае различной ширины частей (фиг.5), а также позволяет уменьшить расход полупроводникового материала в случае необходимости увеличения высоты изделия (фиг.6). The characteristics of thermoelectric devices depend not only on the parameters of the materials used, but also on the choice of the geometric dimensions of the parts. In FIG. 5 and 6 depict semiconductor products, parts 1, 2 of which have different widths (FIG. 5) or height (FIG. 6). This embodiment of the parts of the product offers the opportunity to further increase the parameters of the devices. This is due to the fact that in addition to the thermoelectric characteristics of the parts of the product, such as α, σ, and k, two more parameters appear - width and height, which allow us to more fully optimize the choice of parts of the product. In addition, in some cases it is advisable to place a tire 16 between parts 1 and 2 of the product made of a material with high electrical conductivity, for example, copper, nickel or aluminum. The use of the bus, in particular, provides a more uniform current flow through the connection surface in the case of different widths of the parts (Fig. 5), and also allows to reduce the consumption of semiconductor material if it is necessary to increase the height of the product (Fig. 6).

В таблице приведены характеристики термоэлектрических охлаждающих модулей, изготовленных с помощью длинномерных составных изделий, предлагаемых в настоящем изобретении, в сравнении с характеристиками однотипных устройств, изготовленных из однородных по свойствам изделий. The table shows the characteristics of thermoelectric cooling modules made using the lengthy composite products proposed in the present invention, in comparison with the characteristics of similar devices made from products that are uniform in properties.

В приведенной таблице h - высота частей изделия; α_n и α_p- коэффициенты Зеебека частей n- и р-типа; σ_n и σ_p- коэффициенты электропроводности частей; ΔT_max- максимальный перепад температуры охлаждающих модулей, изготовленных из изделий с указанными параметрами. Модули 1-3 собраны из составных изделий; модуль 4 - из изделия с однородными термоэлектрическими характеристиками. Видно, что ΔT_max модулей, изготовленных из предлагаемых в настоящем изобретении изделий, на 5-8^oС выше, чем ΔT_max модулей, изготовленных из известных изделий.In the table h is the height of the parts of the product; α _n and α _p are the Seebeck coefficients of the n- and p-type parts; σ _n and σ _p are the conductivity coefficients of the parts; ΔT _max - the maximum temperature difference of the cooling modules made of products with the specified parameters. Modules 1-3 are assembled from composite products; module 4 - from a product with uniform thermoelectric characteristics. It can be seen that ΔT _{max of} modules made from the products proposed in the present invention is 5-8 ^{° C.} higher than ΔT _{max of} modules made from known products.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать полупроводниковые изделия для термоэлектрических устройств, обладающие более высокими по сравнению с существующими устройствами термоэлектрическими характеристиками. При этом обеспечивается высокая механическая прочность изделий в сочетании с высокой технологичностью сборки устройств. Это является шагом к реальному промышленному производству высокоэффективных термоэлектрических устройств нового поколения. Thus, the present invention allows to create semiconductor products for thermoelectric devices having higher thermoelectric characteristics compared to existing devices. This ensures high mechanical strength of the products in combination with high manufacturability of device assembly. This is a step towards the real industrial production of highly efficient thermoelectric devices of a new generation.

Claims

1. A semiconductor long product for thermoelectric devices made with flat parallel contact surfaces, characterized in that the product consists of at least two parts, the connection surfaces of which are parallel to the contact surfaces, and the Seebeck coefficient α of the material of the parts changes in the direction from one contact surfaces to another in such a way that α ₁ <α ₂ ... <α _n , where α ₁ , α ₂ and α _n are the Seebeck coefficients of the 1st, 2nd and nth parts, respectively, and at least one of the parts non-material from a material having cleavage planes parallel to each other, which are mainly oriented perpendicular to the contact surfaces and parallel to the long side face of the part, the product is provided with at least one intermediate conductive layer located between its parts, and each contact surface is contact electrically conductive layer.

2. A semiconductor lengthy product according to claim 1, characterized in that the parts are connected along the length.

3. The semiconductor long product according to claim 1, characterized in that each of the connected parts of the product is made of long elements that are connected in the form of a lattice, while the cleavage planes of the material of the connected parts are mutually perpendicular.

4. A semiconductor long product according to claim 1, characterized in that at least one of the parts has a width comparable to its length, and the part connected to it is made of long elements, while the cleavage planes of the material of the connected parts are mutually perpendicular.

5. Semiconductor lengthy product according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the parts of the product are made of different widths and / or heights.

6. Semiconductor lengthy product according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that the intermediate electrically conductive layer consists of anti-diffusion layers adjacent directly to the surfaces of the connection parts, the switching layers adjacent to the anti-diffusion layers, and the connecting layer located between the switching layers.

7. The semiconductor lengthy product according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that the contact electrically conductive layer consists of an anti-diffusion layer adjacent to the contact surface of the product, a switching layer adjacent to the anti-diffusion, and a surface layer, for example a solder layer.

8. The semiconductor lengthy product according to claim 7, characterized in that the melting temperature of the material of the connecting layer exceeds the melting temperature of the material of the surface layer.

9. The semiconductor lengthy product according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that it is equipped with at least one bus made of a material with high electrical conductivity and located between the surfaces of the connection.

10. The semiconductor lengthy product according to any one of paragraphs. 1-9, characterized in that one of the contact surfaces has a marking made in the form of an additional electrically conductive layer that differs in color from the color of the other contact surface.