WO2019240719A1 - Thermoelectric cooling element - Google Patents

Thermoelectric cooling element Download PDF

Info

Publication number
WO2019240719A1
WO2019240719A1 PCT/UA2018/000083 UA2018000083W WO2019240719A1 WO 2019240719 A1 WO2019240719 A1 WO 2019240719A1 UA 2018000083 W UA2018000083 W UA 2018000083W WO 2019240719 A1 WO2019240719 A1 WO 2019240719A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gap
graded
cooling
type
semiconductor
Prior art date
Application number
PCT/UA2018/000083
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ
Виталий ГЕНЗЕЛЬ
Александр Валерьевич МЯГКИЙ
Original Assignee
Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ filed Critical Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ
Publication of WO2019240719A1 publication Critical patent/WO2019240719A1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B21/02Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effect; using Nernst-Ettinghausen effect
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25DREFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D31/00Other cooling or freezing apparatus
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials

Definitions

  • thermoelectric cooling elements can be used to cool electronic devices, such as a central processor or personal computer power supply, and can also be used as a cooling element in refrigerators, including portable ones, and other devices.
  • thermoelectric element containing branches of p- and n-types of conductivity which are located between the electrically conductive switching plate and the collectors for connection with the outer circle, which is characterized in that it contains at least one of the free surfaces of each of the branches of at least two jumper wires between them (patent UA 34670 U, ⁇ H01L 35/02, published August 20, 2008, bull. 16).
  • the disadvantages of the known analogue are unreliability, low manufacturability, danger of use, limited functionality due to the implementation of at least two electrical jumpers on the free surfaces of the branches.
  • a temperature difference naturally occurs between the part of the branches of the semiconductor elements, which is cooled, and the part of the branches of the semiconductor elements, which is heated .
  • the heating that occurs as a result of the Peltier effect is also enhanced, which makes the known analogue unreliable, especially when used for cooling microelectronic equipment and computer equipment, and dangerous to use without complex construction, large in size and costly means for cooling part of the branches of semiconductor elements, which is heated.
  • the large overall dimensions of the known analogue with the above-mentioned means for cooling which must be used to reduce the negative effect of heating the corresponding part of the branches of semiconductor elements on the cooled object, the complexity of its design and the danger of use, determine its limited functionality and narrow its scope.
  • thermoelectric element with at least one thermocouple and one pn junction
  • the thermocouple containing a first material with a positive Seebeck coefficient and a second material with a negative Seebeck coefficient, while the first material selectively contacts the p- region through the conductor n of the junction, and the second material through the conductor selectively contacts the p-region of the pn junction
  • the disadvantages of the known analogue are its unreliability, low manufacturability, danger of use, limited functionality, due to the implementation of the structural elements of the known analogue, in particular, the actual presence of a diode in its design.
  • a similar structural element has several disadvantages, primarily the fact that the pn junction in the diode has an electric capacitance, which has a stray character, slowing down the passage of current through the diode and slowing down the cooling and heating processes in the known analogue as a whole.
  • diodes are generally designed for certain characteristics of current and voltage in the circuit, beyond which they function incorrectly, leading to damage and incorrect operation of the devices of which they are structural elements. All this limits the scope of application of the known analogue, makes it unreliable, and its use is dangerous.
  • the known analogue has a complex structure, which requires the cost of complex operations for the manufacture of structurally complex structural elements of a known analogue, in particular, an element acting as a diode, and their connection with each other and with cooling means, which indicates the low manufacturability of the known analogue.
  • An electronic cooling element including two separated electrodes, an n-type semiconductor and a p-type semiconductor, each of which is placed on one of two divided electrodes, a bridge electrode for connecting an n-type semiconductor and a p-type semiconductor, in which an n-type semiconductor causes a cooling process inside the bridge electrode when current flows from it in the direction of the p-type semiconductor, while the n-type semiconductor contains a complex oxide containing strontium and titanium as the main ovine components, and a high-temperature oxidizing agent (patent JPH 05198847 A, IPC H01L 35/14, H01L 35/32, published on 08/06/1993).
  • the disadvantages of this analogue are low efficiency, unreliability, low manufacturability, danger of use, limited functionality, due to the design of the components of the known analogue.
  • the construction of components classic for the prior art is used, which provides, in particular, the connection of one side of semiconductors that are cooled due to the action of the Peltier effect, a bridge electrode and the connection of parts of semiconductors that are heated due to the action of the Peltier effect, with separated electrodes.
  • the materials used in the known analog as semiconductors cannot, as such, provide a high efficiency, since strontium titanate and similar posistors are close in their properties to dielectrics and acquire signs semiconductors only on condition that they are alloyed with extraneous chemical elements, for example, rare earth metals.
  • the production of such materials is excessively costly, which also indicates the low manufacturability of the known analogue.
  • thermoelectric element formed by installing a conductor element between an n-type semiconductor and a p-type semiconductor and configured to provide a temperature gradient between an n-type semiconductor and a p-type semiconductor and generating electromotive force (patent JP 2002280620 A, IPC H01L 23/38, H01L 35/14, H01L 35/32, published September 27, 2002).
  • the disadvantages of the closest analogue are low efficiency, unreliability, low manufacturability, danger of use, limited functionality due to the design and interconnection of the components of the closest analogue and due to the design need to cool parts of semiconductors that are heated due to the action of the Peltier effect.
  • the closest analogue does not solve the problem of cooling the heated parts of semiconductors that overheat due to the amplification of the current passing through the thermoelectric element, in this case, due to the creation of a temperature gradient and electromotive force between dissimilar materials at the ends of the thermoelectric element.
  • the contact point of two semiconductors intensifies heat generation by the opposite ends of the semiconductor elements, as a result of which they are excessively heated or overheated, there is the possibility of damage to the thermoelectric element and the device that is cooled by it, which makes the closest analogue unreliable, and its use is dangerous for the device, which is cooled by it.
  • the need for cooling the heated parts of the thermoelectric element causes the use of complex in construction and large-sized means for cooling, limits the functionality of the closest analogue, narrows its scope and creates obstacles in its installation, for example, in the limited space between the components of the computer system unit.
  • the term of use of the closest analogue is limited, and the likelihood of damage to the terminals connected to the thermoelectric element increases.
  • the homogeneity of the semiconductors which includes the closest analogue, does not provide the high efficiency required for efficient cooling of devices that heat up to high temperatures during their operation, and leads to excessive energy costs for the functioning of the closest analogue.
  • the need to use metal conductors, one of which is installed between the semiconductors, and the other at their opposite ends, to ensure their connection with the semiconductors, and the need to use means to provide a temperature gradient between the n-type semiconductor and the p-type semiconductor by maintaining temperature differences at opposite ends of the thermoelectric element unnecessarily complicates the design, the use of the closest analogue and indicates its low technology personalities.
  • the technical task of the claimed invention is the creation of an effective cooling thermoelectric element, which is characterized by an increased efficiency, high manufacturability, safety with safety for the refrigerated device, expanded functionality, self-cooling of the parts of the cooling element, except for overheating and excluding the need for their cooling by an external source of low temperature, while simplifying the design and reducing the cost of production.
  • the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are graded-gap, while the wide-gap side N of the n-type semiconductor connected to the narrow-gap side p of the p-type semiconductor, and attached to the output to the wide-gap side P and the narrow-gap side p of the variable-gap semiconductors of p-type and n-type, respectively.
  • each of the graded-gap semiconductors is a film.
  • graded-gap semiconductors contain silicon and germanium.
  • pentavalent phosphorus is the donor impurity in the n-type graded-gap semiconductor
  • trivalent boron is the acceptor impurity in the p-type graded-gap semiconductor.
  • graded-gap semiconductors are coated with a film of dielectric material.
  • a plate of dielectric material is attached to the side surfaces of the connected parts of the graded-gap semiconductors.
  • the cooling thermoelectric element is made with the possibility of connection with other identical cooling thermoelectric elements with the creation of the battery.
  • the cooling thermoelectric element is configured to connect to the surface of the object that is being cooled.
  • the concentration of the donor impurity in the n-type graded-gap semiconductor gradually decreases from the narrow-gap side n to the wide-gap side N, and the concentration of the acceptor impurity in the p-type graded-gap semiconductor gradually increases from the narrow-gap side p to the wide-gap side P.
  • the technical result of the claimed invention is to increase the efficiency, manufacturability, providing self-cooling of the heating parts of the cooling thermoelectric element, eliminating overheating of these parts, ensuring safety for the device to be cooled, eliminating the need for its cooling by an external source of low temperature, expanding functionality, simplifying the design and reducing the cost of production.
  • the implementation of the claimed cooling thermoelectric element with n-type and p-type semiconductors in such a way that the wide-gap side N of the n-type semiconductor is connected to the narrow-gap side p of the p-type semiconductor increases the efficiency, since the claimed connection of the graded-gap semiconductors allows significant cooling variable gap semiconductors with minimal energy consumption from an external source due to effects arising from the transmission of electric current through graded-gap semiconductors.
  • thermoelectric element with graded-gap semiconductors of n-type and p-type increases its manufacturability, provides self-cooling of the heating parts, eliminates overheating of these parts, safety for the device that is being cooled, eliminates the need for cooling of the claimed thermoelectric element by an external source of low temperature, expansion of functionality also due to thermoelectric effects arising in inhomogeneously heated graded-gap semiconductors.
  • the p-type semiconductor Due to the implementation of the p-type semiconductor with a graded-gap semiconductor, that is, from chemical elements or their compounds having an unequal band gap, the p-type semiconductor has a wide-gap side P that contains a chemical element or compound having a large forbidden band, and a narrow-gap side p , which contains a chemical element or compound having a band gap less than the width of the corresponding material of the wide-gap side P. Moreover, due to the graded-gap nature of the p-type semiconductor Irina bandgap gradually decreases with a gradual change in the chemical composition of the semiconductor in the same direction from the wide side to the narrow-band side P p.
  • the electron energy in the valence band of the wide-band side P is less than the electron energy in the valence band of the narrow-band side p.
  • This embodiment of the p-type semiconductor allows, when passing an electric current through it from an external source and the action of the corresponding electric field arising from such a transmission, to transfer electrons from the wide-band side P to the narrow-band side p with the absorption of phonon vibrational energy of the p-semiconductor crystal lattice.
  • the graded-gap p-semiconductor is cooled.
  • the electrons of the graded-gap p-semiconductor absorb the energy of phonon vibrations of the crystal lattice and use the energy of an electric current from an external source.
  • the Peltier effect occurs at the contact point of the graded-gap semiconductors, which transfers heat from the contact point of the graded-gap semiconductors, which cools and absorbs heat, to their opposite ends, which are heated.
  • the contact point of the graded-gap semiconductors absorbs the energy of phonon vibrations of the crystal lattice, which enhances the cooling effect.
  • the contact point of the graded-gap semiconductors absorbs heat and cools, and the opposite ends of the graded-gap semiconductors are heated accordingly, which creates a temperature gradient in both graded-gap semiconductors and creates a concentration gradient of charge carriers between wide and narrow bands in graded-gap semiconductors.
  • the concentration gradient of charge carriers leads to the disappearance of the electroneutrality of graded-gap semiconductors, separation of charges, the appearance of a diffusion flux of charge carriers from the less heated part of the graded-gap semiconductor to the warmer one and creates a volume electric field that prevents separation of charges.
  • thermoelectric element when an electric current is passed from an external source through graded-gap semiconductors, the indicated volume electric field moves charges to form and maintain current.
  • the volumetric electric field of charge transfer is carried out due to the absorption of thermal energy of graded-gap semiconductors, namely, the energy of phonon vibrations of the crystal lattice, which, in turn, cools the heated parts of graded-gap semiconductors and prevents their overheating.
  • thermoelectric effects arising in both graded-gap semiconductors when an electric current is passed through them from an external source eliminate the need for cooling their heated parts using any means intended for this and provides self-cooling of these parts. Accordingly, the lack of need to connect the claimed cooling thermoelectric element with complex in design and large in size cooling means allows to increase its manufacturability, simplify the design and reduce the cost of its production. However, the lack of need to connect the claimed cooling thermoelectric element with complex in design and large-sized cooling means allows to reduce its size and expand its functionality, because due to the small size and lack of heating the claimed cooling thermoelectric element can be placed in many devices, the cooling of which using well-known analogues is impossible. In addition, the claimed cooling element due to the lack of need for its cooling allows to avoid energy costs for the operation of cooling means, which makes it more effective than known analogues.
  • Attaching the terminals to the wide-gap side P and the narrow-gap side of the p-type and n-type graded-gap semiconductors is necessary to connect the claimed cooling thermoelectric element to an external current source, without which the functioning of the claimed cooling thermoelectric element is impossible.
  • An external current source generates an electric current, which, passing from the n-type graded-gap semiconductor to the p-type graded-gap semiconductor, causes the Peltier effect and the Thomson effect in the claimed cooling element.
  • each of the graded-gap semiconductors in the form of films allows you to minimize the size of the claimed cooling thermoelectric element, expanding its functionality, as well as increasing the efficiency of the declared cooling element when performing films with a thickness less than the average mean free path of electrons in graded-gap semiconductors, which reduces the probability of recombination of charge carriers and, accordingly, reduces heat generation as a result of this recombination, which contributes to the cooling of the claimed cooling thermoelectric element.
  • graded-gap semiconductors made of silicon and germanium simplifies and reduces the cost of production of graded-gap semiconductors for the claimed cooling element, since these chemical elements are not rare, have a low cost and can be combined into a graded-gap semiconductor without the use of sophisticated equipment, high energy, labor and time costs with using well-known methods.
  • silicon and germanium have the difference in the band gap necessary for the effective operation of the claimed cooling element, and are also easily doped with acceptor and donor impurities.
  • silicon and germanium are not highly toxic chemical elements, which makes the graded-gap semiconductors made from them safe for the user of the claimed cooling element and the environment.
  • n-type pentavalent phosphorus in a graded-gap semiconductor as a donor impurity, and the use of p-type trivalent boron in a graded-gap semiconductor as an acceptor impurity simplifies and cheapens the production of the claimed cooling element in graded-gap semiconductors, since these chemical elements are not rare, have little cost and can be alloyed into the crystal lattice of graded-gap semiconductors without the use of sophisticated equipment, large expenditures of energy, labor and time with Strongly well-known methods.
  • pentavalent phosphorus and trivalent boron as the corresponding impurities in the composition of graded-gap semiconductors can create the necessary for efficient operation the claimed cooling thermoelectric element the concentration of the main and minority charge carriers.
  • the implementation of the claimed cooling element with graded-gap semiconductors coated with a film of dielectric material allows to isolate the cooled object from the undesirable effects of electric current and electric fields of the claimed cooling element, as well as to eliminate the negative environmental impact on the claimed cooling thermoelectric element, for example, due to atmospheric moisture, increase or lowering air temperature, and the like.
  • the implementation of the claimed cooling element with the ability to connect with the surface of the cooled object expands the functionality of the specified element and increases the convenience of its use, since it allows not to use additional means or operations for installing the claimed cooling thermoelectric element in any way on the internal or external surface of the object and for fixing it in installed position.
  • a plate of dielectric material attached to the side surfaces of the connected parts of the graded-gap semiconductors also allows you to isolate the cooled object from the unwanted effects of electric current and electric fields of the claimed cooling element.
  • the implementation of the claimed cooling thermoelectric element with the possibility of connection with other identical cooling thermoelectric elements makes it possible to form a combination of cooling thermoelectric elements that cool the object more than one specified element, while such a set of cooling elements uses one external current source.
  • the connection of the claimed cooling thermoelectric element with other identical cooling thermoelectric elements expands its functionality, allowing you to cool objects that are characterized by a very intense heat or large overall dimensions.
  • the implementation of the graded-gap semiconductors of the claimed cooling thermoelectric element so that the concentration of donor impurities in the graded-gap semiconductor of n-type is gradually reduced from the narrow-band side p to the wide-gap side N, and the concentration of the acceptor impurity in the graded-gap semiconductor p-type is gradually increased from the narrow-band side p to the wide-band side P allows you to increase the volume charges arising in semiconductors when the Fermi level is aligned, which, in turn, allows you to enhance cooling ayuschee effect thermoelectric effects arising as a result of the inventive device.
  • thermoelectric element The design of the claimed cooling thermoelectric element is explained using the following images:
  • FIG. 1 Schematic illustration of a cooling thermoelectric element.
  • N is the wide-gap side of the n-type graded-gap semiconductor, consisting of silicon with a donor impurity in the form of pentavalent phosphorus in the embodiment;
  • n is the narrow-gap side of the n-type graded-gap semiconductor, consisting of germanium with a donor impurity in the form of pentavalent phosphorus in the embodiment.
  • P is the wide-gap side of the graded-gap p-type semiconductor, consisting of silicon with an acceptor impurity in the form of a trivalent boron in the embodiment;
  • p is the narrow-gap side of the graded-gap p-type semiconductor, consisting of germanium with an acceptor impurity in the form of a trivalent boron in the embodiment;
  • FIG. 1 shows one of the possible, but not exclusive, embodiment of the claimed cooling thermoelectric element, which includes graded-gap semiconductors 1 and terminals 2.
  • the terminals 2 are connected to the ends of the graded-gap semiconductors 1 using metal contacts 3, and the other ends of the terminals 2 are connected to an external power source 4.
  • the graded-gap semiconductors 1, i.e., the graded-gap p-type semiconductor and the graded-gap p-type semiconductor, are connected in such a way that the wide-gap side N of the n-type semiconductor is connected to the narrow-gap side p of the p-type semiconductor.
  • the graded-gap semiconductors 1 may abut against each other and be connected by soldering, by mechanical means, or in another way, or may be spaced apart from each other and be connected by contact.
  • the contact point 5 of the graded-gap semiconductors 1 is an anisotypic n-p heterojunction.
  • each of the graded-gap semiconductors 1 consists of a wide-band side consisting of silicon, a narrow-band side consisting of germanium, and an intermediate zone between them with a mixed chemical composition, in which the germanium content gradually decreases and the silicon content increases towards the wide-band side .
  • graded-gap semiconductors 1 can be made of any semiconductor materials that have different band gap and can be combined in a graded-gap semiconductor, taking into account the above conditions.
  • the acceptor impurity for the p-type graded-gap semiconductor is trivalent boron
  • pentavalent phosphorus is the donor impurity for the p-type semiconductor, which are the preferred impurities for graded-gap semiconductors 1 consisting of silicon and germanium.
  • acceptor and donor impurities can be used as acceptor and donor impurities in accordance with the semiconductor materials of which the graded-gap semiconductors 1 consist.
  • the graded-gap semiconductors 1 are parallelepipeds with connected ends.
  • graded-gap semiconductors 1 can be made in the form of films (Fig. 2) and, accordingly, connected in the horizontal plane.
  • the thickness of such films is less than the mean free path of electrons in graded-gap semiconductors.
  • the graded-gap semiconductors 1 can be produced by liquid phase epitaxy, ion-beam epitaxy or diffusion.
  • the graded-gap semiconductors 1 can be made with means that provide the ability to connect the claimed cooling thermoelectric element with the external or internal surface of the cooled object.
  • Two terminals 2 are attached to the wide-gap side P and the narrow-gap side n of the graded-gap semiconductors 1 of p-type and n-type, respectively, using metal contacts 3.
  • the metal contacts 3 in the depicted embodiment of the claimed invention are plates made of a material that has pronounced properties of conductors, for example, from copper.
  • the external current source 4 can be any DC generator that produces a constant current sufficient to provide maintaining the cooling effect at the contact point of 5 graded-gap semiconductors 1.
  • a plate of dielectric material 6 can be attached to the lateral surfaces of the connected parts of the graded-gap semiconductors 1.
  • the claimed cooling thermoelectric element is used as follows.
  • the claimed cooling thermoelectric element is connected to the outer surface of the device requiring cooling, or connected to the inner surface of the specified device to cool its internal space, for example, if the claimed cooling thermoelectric element is an integral element of a refrigerator or other similar device.
  • An external current source 4 is turned on. An electric current passes through both graded-gap semiconductors 1 from the wide-gap side P of the graded-gap p-semiconductor to the narrow-gap side p of the graded-gap p-semiconductor.
  • the Thomson effect arises in unevenly heated graded-gap semiconductors 1, due to which the temperature gradient formed in graded-gap semiconductors 1 bulk electric fields carry out work on the transfer of charges arising in graded-gap semiconductors 1 due to the violation of their electroneutrality due to the absorption of thermal energy of graded-gap semiconductors 1, namely, due to the energy of phonon vibrations of the crystal lattice.
  • the claimed cooling thermoelectric element cools the device on which or in which it is installed, and does not require cooling by any means.
  • the design of the claimed cooling thermoelectric element, the cooling of the heated parts of the claimed cooling thermoelectric element enhance the Peltier effect at the contact point of 5 graded-gap semiconductors 1, allowing to obtain a significant decrease in temperature and without spending an excessive amount of energy, materials to create and space for placement of cooling means which are not necessary for the claimed cooling element.
  • the claimed cooling thermoelectric element is simple to manufacture and use, does not require excessive energy consumption for operation, well cools any devices that require cooling, and has high efficiency and small size, which allows it to be used in many areas where the reduction in size has essential, for example, in modern small-sized computing devices.
  • a simple design, manufacturability, the ability to combine and increase power make the claimed cooling thermoelectric element a good alternative to existing analogues.
  • the existing sources of patent and scientific and technical information have not identified a cooling thermoelectric element that has the claimed combination of essential features, therefore, the presented technical solution meets the criterion of "novelty.”
  • the proposed technical solution is industrially applicable, since it does not contain any structural elements or materials that cannot be reproduced at the present stage of development of technology in industrial production.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)

Abstract

The invention relates to thermoelectric cooling elements and can be used for cooling electronic devices such as, for example, a central processor or a power supply unit of a personal computer, and can also be used as a cooling element in refrigerators, including portable refrigerators, and other devices. The present thermoelectric cooling element includes an n-type semiconductor and a p-type semiconductor, wherein the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are graded band-gap semiconductors, wherein a wide band-gap side N of the n-type semiconductor is connected to a narrow band-gap side p of the p-type semiconductor, and terminals are fastened to a wide band-gap side P and a narrow band-gap side n of the p-type and n-type graded band-gap semiconductors, respectively. The technical result consists in increasing efficiency and ease of manufacture, providing self-cooling of thermoelectric cooling element parts that heat up, preventing said parts from overheating, maintaining safety for a device being cooled, eliminating the need to cool said device using an external source, expanding functionality, simplifying structural design, and reducing production costs.

Description

ОХЛАЖДАЮЩИЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ  COOLING THERMOELECTRIC ELEMENT
Изобретение относится к охлаждающим термоэлектрическим элементам, и может быть использовано для охлаждения электронных устройств, например, таких как центральный процессор или блок питания персонального компьютера, а также может быть использовано как охлаждающий элемент в холодильниках, в том числе портативных, и других устройствах. The invention relates to thermoelectric cooling elements, and can be used to cool electronic devices, such as a central processor or personal computer power supply, and can also be used as a cooling element in refrigerators, including portable ones, and other devices.
Известен охлаждающий термоэлектрический элемент, содержащий ветви р- и n-типов проводимости, которые расположены между электропроводящей коммутационной пластиной и токоотводами для соединения с внешним кругом, который отличается тем, что содержит по меньшей мере на одной из свободных поверхностей каждой из ветвей не менее двух электроперемычек между ними (патент UA 34670 U, МГЖ H01L 35/02, опубликован 20.08.2008 г., бюл. 16).  Known cooling thermoelectric element containing branches of p- and n-types of conductivity, which are located between the electrically conductive switching plate and the collectors for connection with the outer circle, which is characterized in that it contains at least one of the free surfaces of each of the branches of at least two jumper wires between them (patent UA 34670 U, МГЖ H01L 35/02, published August 20, 2008, bull. 16).
Недостатками известного аналога является ненадёжность, низкая технологичность, опасность использования, ограниченная функциональность, обусловленные выполнением, по меньшей мере, двух электроперемычек на свободных поверхностях ветвей. Несмотря на усиление эффекта охлаждения, которое достигается указанным выполнением конструктивных элементов известного аналога из-за увеличения силы тока, который проходит через ветви полупроводниковых элементов, закономерно происходит увеличение перепада температур между частью ветвей полупроводниковых элементов, которая охлаждается, и частью ветвей полупроводниковых элементов, которая нагревается. Таким образом, нагревание, которое происходит в результате действия эффекта Пельтье, также усиливается, что делает известный аналог ненадежным, особенно при его использовании для охлаждения микроэлектронной аппаратуры и вычислительной техники, и опасным в использовании без применения сложных по конструкции, больших по размерам и затратных средств для охлаждения части ветвей полупроводниковых элементов, которая нагревается. В свою очередь большие габаритные размеры известного аналога с указанными выше средствами для охлаждения, которые необходимо использовать для уменьшения негативного влияния нагревания соответствующей части ветвей полупроводниковых элементов на охлаждаемый объект, сложность его конструкции и опасность использования обусловливают его ограниченную функциональность и сужают сферу его применения. The disadvantages of the known analogue are unreliability, low manufacturability, danger of use, limited functionality due to the implementation of at least two electrical jumpers on the free surfaces of the branches. Despite the enhancement of the cooling effect, which is achieved by the indicated structural elements of the known analogue due to an increase in the current flowing through the branches of the semiconductor elements, a temperature difference naturally occurs between the part of the branches of the semiconductor elements, which is cooled, and the part of the branches of the semiconductor elements, which is heated . Thus, the heating that occurs as a result of the Peltier effect is also enhanced, which makes the known analogue unreliable, especially when used for cooling microelectronic equipment and computer equipment, and dangerous to use without complex construction, large in size and costly means for cooling part of the branches of semiconductor elements, which is heated. In turn, the large overall dimensions of the known analogue with the above-mentioned means for cooling, which must be used to reduce the negative effect of heating the corresponding part of the branches of semiconductor elements on the cooled object, the complexity of its design and the danger of use, determine its limited functionality and narrow its scope.
Кроме того, выполнение множества электроперемычек из медной фольги с антидиффузионным слоем никеля на её поверхности, прикрепление электроперемычек к свободным поверхностям ветвей полупроводниковых элементов являются сложными и затратными процедурами, снижающими технологичность известного аналога, усложняющими его конструкцию и производство. Кроме того электроперемычки известного аналога легко разрушаются вследствие механических повреждений или действия перепада температур, что также делает известный аналог ненадёжным.  In addition, the implementation of many electrical jumpers made of copper foil with an anti-diffusion layer of nickel on its surface, attaching electrical jumpers to the free surfaces of the branches of semiconductor elements are complex and costly procedures that reduce the manufacturability of the known analogue and complicate its design and production. In addition, the electrical jumpers of the known analogue are easily destroyed due to mechanical damage or the action of a temperature difference, which also makes the known analogue unreliable.
Известен также термоэлектрический элемент, по меньшей мере, с одной термопарой и одним р-n переходом, причем термопара содержит первый материал с положительным коэффициентом Зеебека и второй материал с отрицательным коэффициентом Зеебека, при этом первый материал через проводник селективно контактирует с р-областью р-n перехода, а второй материал через проводник селективно контактирует с п-областью р-n перехода (патент RU 2419919 С2, МПК H01L 35/02, опубликовано 10.01.2010 г., бюл. Ne 1).  Also known is a thermoelectric element with at least one thermocouple and one pn junction, the thermocouple containing a first material with a positive Seebeck coefficient and a second material with a negative Seebeck coefficient, while the first material selectively contacts the p- region through the conductor n of the junction, and the second material through the conductor selectively contacts the p-region of the pn junction (patent RU 2419919 C2, IPC H01L 35/02, published January 10, 2010, bull. Ne 1).
Недостатками известного аналога являются его ненадёжность, низкая технологичность, опасность использования, ограниченная функциональность, обусловленные выполнением конструктивных элементов известного аналога, в частности, фактическим наличием в его конструкции диода. Несмотря на преимущества, которые дает конструкции известного аналога диод, в частности, повышение коэффициента полезного действия, подобный элемент конструкции имеет ряд недостатков, прежде всего то, что р-n переход в диоде имеет электрическую ёмкость, которая имеет паразитный характер, замедляющую прохождение тока через диод и замедляющую процессы охлаждения и нагрева в известном аналоге в целом. Кроме того, диоды вообще рассчитаны на определенные характеристики тока и напряжения в цепи, за пределами которых они функционируют некорректно, приводя к повреждению и некорректной работе устройств, конструктивными элементами которых они являются. Всё это ограничивает сферу применения известного аналога, делает его ненадёжным, а его использование - опасным. The disadvantages of the known analogue are its unreliability, low manufacturability, danger of use, limited functionality, due to the implementation of the structural elements of the known analogue, in particular, the actual presence of a diode in its design. Despite the advantages that the design of the known analogue of the diode gives, in particular, an increase in the efficiency, a similar structural element has several disadvantages, primarily the fact that the pn junction in the diode has an electric capacitance, which has a stray character, slowing down the passage of current through the diode and slowing down the cooling and heating processes in the known analogue as a whole. In addition, diodes are generally designed for certain characteristics of current and voltage in the circuit, beyond which they function incorrectly, leading to damage and incorrect operation of the devices of which they are structural elements. All this limits the scope of application of the known analogue, makes it unreliable, and its use is dangerous.
Кроме того, в конструкции известного аналога отсутствуют какие-либо устройства, которые бы обеспечивали достаточно эффективное охлаждение нагретой части известного аналога. Как и в предыдущем аналоге, усиление тока и усиление охлаждения и нагревания материалов в составе термопары обуславливает их чрезмерный нагрев или перегрев, что обуславливает необходимость использования сложных по конструкции, больших по размерам и затратных средств для охлаждения нагретой части известного аналога.  In addition, in the design of the known analogue there are no devices that would provide sufficiently effective cooling of the heated part of the known analogue. As in the previous analogue, the amplification of the current and the enhancement of cooling and heating of materials in the thermocouple make them overheat or overheat, which necessitates the use of complex in construction, large in size and costly means for cooling the heated part of the known analogue.
Вместе с тем известный аналог имеет сложную конструкцию, которая требует затрат на сложные операции по изготовлению сложных по строению конструктивных элементов известного аналога, в частности элемента, выполняющего роль диода, и их соединения между собой и со средствами для охлаждения, что свидетельствует о низкой технологичности известного аналога.  However, the known analogue has a complex structure, which requires the cost of complex operations for the manufacture of structurally complex structural elements of a known analogue, in particular, an element acting as a diode, and their connection with each other and with cooling means, which indicates the low manufacturability of the known analogue.
Также известен электронный охлаждающий элемент, включающий два разделенных электрода, полупроводник n-типа и полупроводник р-типа, каждый из которых размещен на одном из двух разделенных электродов, мостовой электрод, предназначенный для соединения полупроводника n-типа и полупроводника p-типа, в котором полупроводник n-типа вызывает процесс охлаждения внутри мостового электрода, когда ток из него протекает в направлении полупроводника p-типа, при этом полупроводник n-типа содержит сложный оксид, содержащий стронций и титан в качестве основных компонентов, и высокотемпературный окислитель (патент JPH 05198847 А, МПК H01L 35/14, H01L 35/32, опубликовано 06.08.1993 г.). Недостатками указанного аналога являются низкий коэффициент полезного действия, ненадежность, низкая технологичность, опасность использования, ограниченная функциональность, обусловленные конструкцией составляющих известного аналога. В известном аналоге использована классическая для уровня техники конструкция составных частей, которая предусматривает, в частности, соединение одной стороны полупроводников, которые охлаждаются вследствие действия эффекта Пельтье, мостовым электродом и соединение частей полупроводников, которые нагреваются вследствие действия эффекта Пельтье, с разделенными электродами. Вместе с тем, как и в предыдущих аналогах, такое исполнение конструктивных элементов известного аналога обуславливает необходимость использования сложных по конструкции, больших по размерам средств, например, радиаторов, для охлаждения частей полупроводников, которые постоянно нагреваются и перегреваются, для предотвращения повреждения охлаждающего элемента и устройства, в котором он установлен. Существующая потребность в соединении таких средств с известным аналогом и установке вместе с ним в устройствах, требующих охлаждения, свидетельствует о низкой технологичности и ограниченной функциональности известного аналога, учитывая потребность в уменьшении размеров охлаждающих элементов без потери ими эффективности. An electronic cooling element is also known, including two separated electrodes, an n-type semiconductor and a p-type semiconductor, each of which is placed on one of two divided electrodes, a bridge electrode for connecting an n-type semiconductor and a p-type semiconductor, in which an n-type semiconductor causes a cooling process inside the bridge electrode when current flows from it in the direction of the p-type semiconductor, while the n-type semiconductor contains a complex oxide containing strontium and titanium as the main ovine components, and a high-temperature oxidizing agent (patent JPH 05198847 A, IPC H01L 35/14, H01L 35/32, published on 08/06/1993). The disadvantages of this analogue are low efficiency, unreliability, low manufacturability, danger of use, limited functionality, due to the design of the components of the known analogue. In the known analogue, the construction of components classic for the prior art is used, which provides, in particular, the connection of one side of semiconductors that are cooled due to the action of the Peltier effect, a bridge electrode and the connection of parts of semiconductors that are heated due to the action of the Peltier effect, with separated electrodes. At the same time, as in previous analogues, such a design of structural elements of the known analogue necessitates the use of complex, large-sized means, for example, radiators, for cooling parts of semiconductors that are constantly heated and overheated, to prevent damage to the cooling element and device in which it is installed. The existing need to connect such means with a known analogue and to install together with it in devices requiring cooling indicates a low technological effectiveness and limited functionality of the known analogue, given the need to reduce the size of cooling elements without losing their effectiveness.
Отсутствие дополнительных охлаждающих средств может привести к перегреву охлаждающего элемента и указанного выше повреждения охлаждающего элемента с устройством, в котором он установлен, что делает известный аналог ненадёжным, а его использование - опасным без дополнительных затрат на средства охлаждения частей полупроводников, которые нагреваются вследствие действия эффекта Пельтье.  The absence of additional cooling means can lead to overheating of the cooling element and the damage to the cooling element indicated above with the device in which it is installed, which makes the known analogue unreliable, and its use is dangerous without additional costs for cooling means for parts of semiconductors that are heated due to the Peltier effect .
Кроме того материалы, использованные в известном аналоге как полупроводники, не могут, как таковые, обеспечить высокий коэффициент полезного действия, поскольку титанат стронция и подобные ему позисторы по своим свойствам приближены к диэлектрикам и приобретают признаки полупроводников лишь при условии их легирования посторонними химическими элементами, например, редкоземельными металлами. Производство таких материалов является чрезмерно затратным, что также свидетельствует о низкой технологичности известного аналога. In addition, the materials used in the known analog as semiconductors cannot, as such, provide a high efficiency, since strontium titanate and similar posistors are close in their properties to dielectrics and acquire signs semiconductors only on condition that they are alloyed with extraneous chemical elements, for example, rare earth metals. The production of such materials is excessively costly, which also indicates the low manufacturability of the known analogue.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является термоэлектрический элемент, образованный установкой проводникового элемента между полупроводником n-типа и полупроводником p-типа и выполненный с возможностью обеспечения градиента температуры между полупроводником n-типа и полупроводником p-типа и генерации электродвижущей силы (патент JP 2002280620 А, МПК H01L 23/38, H01L 35/14, H01L 35/32, опубликовано 27.09.2002 г.).  The closest analogue of the claimed invention is a thermoelectric element formed by installing a conductor element between an n-type semiconductor and a p-type semiconductor and configured to provide a temperature gradient between an n-type semiconductor and a p-type semiconductor and generating electromotive force (patent JP 2002280620 A, IPC H01L 23/38, H01L 35/14, H01L 35/32, published September 27, 2002).
Недостатками ближайшего аналога является низкий коэффициент полезного действия, ненадёжность, низкая технологичность, опасность использования, ограниченная функциональность, обусловленные конструкцией и взаимосвязью составляющих ближайшего аналога и обусловленной конструкцией потребностью в охлаждении частей полупроводников, которые нагреваются вследствие действия эффекта Пельтье.  The disadvantages of the closest analogue are low efficiency, unreliability, low manufacturability, danger of use, limited functionality due to the design and interconnection of the components of the closest analogue and due to the design need to cool parts of semiconductors that are heated due to the action of the Peltier effect.
Как и в предыдущих аналогах, в ближайшем аналоге не решена проблема охлаждения нагретых частей полупроводников, которые перегреваются вследствие усиления силы тока, проходящего через термоэлектрический элемент, в данном случае, за счет создания температурного градиента и электродвижущей силы между разнородными материалами на концах термоэлектрического элемента. При усилении поглощения тепла местом контакта двух полупроводников происходит усиление выделения тепла противоположными концами полупроводниковых элементов, вследствие чего они чрезмерно нагреваются или перегреваются, возникает возможность повреждения термоэлектрического элемента и устройства, которое охлаждается им, что делает ближайший аналог ненадёжным, а его использование опасным для устройства, которое охлаждается им. Вместе с тем потребность в охлаждении нагреваемых частей термоэлектрического элемента обуславливает применение сложных по конструкции и больших по размерам средств для охлаждения, ограничивает функциональность ближайшего аналога, сужает сферу его применения и создает препятствия в его установке, например, в ограниченное пространство между составляющими системного блока компьютера. Без специальных средств для охлаждения нагреваемых частей термоэлектрического элемента, срок использования ближайшего аналога является ограниченным, а также повышается вероятность повреждения выводов, соединенных с термоэлектрическим элементом. As in previous analogues, the closest analogue does not solve the problem of cooling the heated parts of semiconductors that overheat due to the amplification of the current passing through the thermoelectric element, in this case, due to the creation of a temperature gradient and electromotive force between dissimilar materials at the ends of the thermoelectric element. When heat absorption is enhanced, the contact point of two semiconductors intensifies heat generation by the opposite ends of the semiconductor elements, as a result of which they are excessively heated or overheated, there is the possibility of damage to the thermoelectric element and the device that is cooled by it, which makes the closest analogue unreliable, and its use is dangerous for the device, which is cooled by it. At the same time, the need for cooling the heated parts of the thermoelectric element causes the use of complex in construction and large-sized means for cooling, limits the functionality of the closest analogue, narrows its scope and creates obstacles in its installation, for example, in the limited space between the components of the computer system unit. Without special means for cooling the heated parts of the thermoelectric element, the term of use of the closest analogue is limited, and the likelihood of damage to the terminals connected to the thermoelectric element increases.
Кроме того однородность полупроводников, которые включает ближайший аналог, не обеспечивает высокий коэффициент полезного действия, необходимый для эффективного охлаждения устройств, которые разогреваются до высоких температур во время своей работы, и приводит к чрезмерным затратам энергии на функционирование ближайшего аналога. Вместе с тем потребность в использовании металлических проводников, один из которых установлен между полупроводниками, а другие - на их противоположных концах, обеспечения их соединения с полупроводниками и потребность в использовании средств для обеспечения температурного градиента между полупроводником n-типа и полупроводником p-типа путем поддержания разницы температур на противоположных концах термоэлектрического элемента чрезмерно усложняет конструкцию, использование ближайшего аналога и свидетельствует о его низкой технологичности.  In addition, the homogeneity of the semiconductors, which includes the closest analogue, does not provide the high efficiency required for efficient cooling of devices that heat up to high temperatures during their operation, and leads to excessive energy costs for the functioning of the closest analogue. At the same time, the need to use metal conductors, one of which is installed between the semiconductors, and the other at their opposite ends, to ensure their connection with the semiconductors, and the need to use means to provide a temperature gradient between the n-type semiconductor and the p-type semiconductor by maintaining temperature differences at opposite ends of the thermoelectric element unnecessarily complicates the design, the use of the closest analogue and indicates its low technology personalities.
Технической задачей заявленного изобретения является создание эффективного охлаждающего термоэлектрического элемента, который характеризуется повышенным коэффициентом полезного действия, повышенной технологичностью, безопасностью с обеспечением безопасности для охлаждаемого устройства, расширенной функциональностью, самоохлаждением частей охлаждающего элемента, исключением их перегрева и исключением потребности в их охлаждении внешним источником низкой температуры, при упрощении конструкции и удешевлении производства. The technical task of the claimed invention is the creation of an effective cooling thermoelectric element, which is characterized by an increased efficiency, high manufacturability, safety with safety for the refrigerated device, expanded functionality, self-cooling of the parts of the cooling element, except for overheating and excluding the need for their cooling by an external source of low temperature, while simplifying the design and reducing the cost of production.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в заявленном охлаждающем термоэлектрическом элементе, который включает полупроводник n-типа, полупроводник p-типа, согласно предложению, полупроводник n-типа и полупроводник p-типа являются варизонными, при этом широкозонная сторона N полупроводника n-типа соединена с узкозонной стороной р полупроводника p-типа, а к широкозонной стороне Р и узкозонной стороне п варизонних полупроводников p-типа и n-типа соответственно, прикреплено по выводу.  The solution of the technical problem is achieved by the fact that in the claimed cooling thermoelectric element, which includes an n-type semiconductor, a p-type semiconductor, according to the proposal, the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are graded-gap, while the wide-gap side N of the n-type semiconductor connected to the narrow-gap side p of the p-type semiconductor, and attached to the output to the wide-gap side P and the narrow-gap side p of the variable-gap semiconductors of p-type and n-type, respectively.
Также, согласно предложению , каждый из варизонних полупроводников является пленкой.  Also, according to the proposal, each of the graded-gap semiconductors is a film.
Кроме того, согласно предложению, варизонные полупроводники содержат кремний и германий.  In addition, according to the proposal, graded-gap semiconductors contain silicon and germanium.
Вместе с тем, согласно предложению, донорной примесью в варизонном полупроводнике n-типа является пятивалентный фосфор, а акцепторной примесью в варизонном полупроводнике p-типа является трехвалентный бор.  However, according to the proposal, pentavalent phosphorus is the donor impurity in the n-type graded-gap semiconductor, and trivalent boron is the acceptor impurity in the p-type graded-gap semiconductor.
Кроме того, согласно предложению, варизонные полупроводники покрыты пленкой из диэлектрического материала.  In addition, according to the proposal, graded-gap semiconductors are coated with a film of dielectric material.
Также, согласно предложению, к боковым поверхностям соединенных частей варизонних полупроводников прикреплена пластина из диэлектрического материала.  Also, according to the proposal, a plate of dielectric material is attached to the side surfaces of the connected parts of the graded-gap semiconductors.
Кроме того, согласно предложению, охлаждающий термоэлектрический элемент выполнен с возможностью соединения с другими идентичными охлаждающими термоэлектрическими элементами с созданием батареи.  In addition, according to the proposal, the cooling thermoelectric element is made with the possibility of connection with other identical cooling thermoelectric elements with the creation of the battery.
Кроме того, согласно предложению, охлаждающий термоэлектрический элемент выполнен с возможностью соединения с поверхностью объекта, который охлаждается.  In addition, according to the proposal, the cooling thermoelectric element is configured to connect to the surface of the object that is being cooled.
Вместе с тем, согласно предложению, концентрация донорной примеси в варизонном полупроводнике n-типа постепенно уменьшается от узкозонной стороны n к широкозонной стороне N, а концентрация акцепторной примеси в варизонном полупроводнике p-типа постепенно увеличивается от узкозонной стороны р к широкозонной стороне Р. At the same time, according to the proposal, the concentration of the donor impurity in the n-type graded-gap semiconductor gradually decreases from the narrow-gap side n to the wide-gap side N, and the concentration of the acceptor impurity in the p-type graded-gap semiconductor gradually increases from the narrow-gap side p to the wide-gap side P.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение коэффициента полезного действия, технологичности, обеспечение самоохлаждения нагревающихся частей охлаждающего термоэлектрического элемента, исключение перегрева этих частей, обеспечение безопасности для охлаждаемого устройства, исключение потребности в его охлаждении внешним источником низкой температуры, расширение функциональности, упрощение конструкции и удешевление производства.  The technical result of the claimed invention is to increase the efficiency, manufacturability, providing self-cooling of the heating parts of the cooling thermoelectric element, eliminating overheating of these parts, ensuring safety for the device to be cooled, eliminating the need for its cooling by an external source of low temperature, expanding functionality, simplifying the design and reducing the cost of production.
Причинно-следственная связь между существенными признаками изобретения и ожидаемым техническим результатом заключается в следующем.  A causal relationship between the essential features of the invention and the expected technical result is as follows.
В совокупности существенных признаков заявленного изобретения обеспечивается повышение коэффициента полезного действия, технологичности, самоохлаждение нагревающихся частей охлаждающего термоэлектрического элемента, исключение перегрева этих частей, безопасность для охлаждаемого устройства, исключение потребности в его охлаждении внешним источником низкой температуры, расширение функциональности, упрощение конструкции и удешевление производства за счёт использования в конструкции заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента варизонных полупроводников и возникновении при их заявленном соединении эффектов, усиливающих охлаждающий эффект в варизонних полупроводниках и устраняющих потребность в охлаждении частей элемента, которые нагреваются вследствие действия эффекта Пельтье.  Together with the essential features of the claimed invention, it is possible to increase the efficiency, manufacturability, self-cooling of the heating parts of the cooling thermoelectric element, eliminating overheating of these parts, safety for the device to be cooled, eliminating the need for its cooling by an external source of low temperature, expanding functionality, simplifying the design and reducing the cost of production due to the use in the design of the claimed cooling thermoelectric about an element of graded-gap semiconductors and the occurrence of effects when they are claimed to combine, enhancing the cooling effect in graded-gap semiconductors and eliminating the need for cooling of the parts of the element that are heated due to the action of the Peltier effect.
Выполнение заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента с варизонными полупроводниками n-типа и p-типа таким образом, что широкозонная сторона N полупроводника n-типа соединена с узкозонной стороной р полупроводника p-типа, повышает коэффициент полезного действия, поскольку заявленное соединение варизонних полупроводников позволяет достичь значительного охлаждения варизонних полупроводников при минимальных затратах энергии из внешнего источника благодаря эффектам, возникающим вследствие пропускания электрического тока через варизонные полупроводники. Выполнение заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента с варизонными полупроводниками n-типа и р- типа повышает его технологичность, обеспечивает самоохлаждение нагревающихся частей, исключение перегрева этих частей, безопасность для устройства, которое охлаждается, исключение потребности в охлаждении заявленного термоэлектрического элемента внешним источником низкой температуры, расширение функциональности также благодаря термоэлектрическим эффектам, возникающим в неоднородно нагретых варизонних полупроводниках. The implementation of the claimed cooling thermoelectric element with n-type and p-type semiconductors in such a way that the wide-gap side N of the n-type semiconductor is connected to the narrow-gap side p of the p-type semiconductor increases the efficiency, since the claimed connection of the graded-gap semiconductors allows significant cooling variable gap semiconductors with minimal energy consumption from an external source due to effects arising from the transmission of electric current through graded-gap semiconductors. The implementation of the claimed cooling thermoelectric element with graded-gap semiconductors of n-type and p-type increases its manufacturability, provides self-cooling of the heating parts, eliminates overheating of these parts, safety for the device that is being cooled, eliminates the need for cooling of the claimed thermoelectric element by an external source of low temperature, expansion of functionality also due to thermoelectric effects arising in inhomogeneously heated graded-gap semiconductors.
Вследствие выполнения полупроводника p-типа варизонным, то есть из химических элементов или их соединений, имеющих неодинаковую ширину запрещенной зоны, в полупроводнике p-типа имеется широкозонная сторона Р, которая содержит химический элемент или соединение, имеющее большую ширину запрещенной зоны, и узкозонная сторона р, которая содержит химический элемент или соединение, имеющее ширину запрещенной зоны меньше ширины соответствующего материала широкозонной стороны Р. При этом вследствие варизонного характера полупроводника p-типа ширина запрещенной зоны постепенно уменьшается вместе с постепенным изменением в химическом составе полупроводника в одном направлении, от широкозонной стороны Р к узкозонной стороне р. Соответственно энергия электронов в валентной зоне широкозонной стороны Р меньше энергии электронов в валентной зоне узкозонной стороны р. Такое выполнение полупроводника р- типа позволяет при пропускании через него электрического тока из внешнего источника и действия соответствующего электрического поля, возникающего при таком пропускании, переносить электроны из широкозонной стороны Р к узкозонной стороне р с поглощением энергии фононных колебаний кристаллической решетки р-полупроводника. Таким образом варизонный р- полупроводник охлаждается. Для перехода через р-n переход в месте контакта варизонных полупроводников электроны варизонного р-полупроводника поглощают энергию фононных колебаний кристаллической решетки и используют энергию электрического тока из внешнего источника. При этом в месте контакта варизонных полупроводников возникает эффект Пельтье, переносящий тепло от места контакта варизонных полупроводников, которое охлаждается и поглощает тепло, к их противоположным концам, которые нагреваются. В этом случае место контакта варизонных полупроводников поглощает энергию фононных колебаний кристаллической решетки, что усиливает эффект охлаждения. Due to the implementation of the p-type semiconductor with a graded-gap semiconductor, that is, from chemical elements or their compounds having an unequal band gap, the p-type semiconductor has a wide-gap side P that contains a chemical element or compound having a large forbidden band, and a narrow-gap side p , which contains a chemical element or compound having a band gap less than the width of the corresponding material of the wide-gap side P. Moreover, due to the graded-gap nature of the p-type semiconductor Irina bandgap gradually decreases with a gradual change in the chemical composition of the semiconductor in the same direction from the wide side to the narrow-band side P p. Accordingly, the electron energy in the valence band of the wide-band side P is less than the electron energy in the valence band of the narrow-band side p. This embodiment of the p-type semiconductor allows, when passing an electric current through it from an external source and the action of the corresponding electric field arising from such a transmission, to transfer electrons from the wide-band side P to the narrow-band side p with the absorption of phonon vibrational energy of the p-semiconductor crystal lattice. Thus, the graded-gap p-semiconductor is cooled. To pass through the pn junction at the point of contact of the graded-gap semiconductors, the electrons of the graded-gap p-semiconductor absorb the energy of phonon vibrations of the crystal lattice and use the energy of an electric current from an external source. In this case, the Peltier effect occurs at the contact point of the graded-gap semiconductors, which transfers heat from the contact point of the graded-gap semiconductors, which cools and absorbs heat, to their opposite ends, which are heated. In this case, the contact point of the graded-gap semiconductors absorbs the energy of phonon vibrations of the crystal lattice, which enhances the cooling effect.
В результате действия эффекта Пельтье место контакта варизонных полупроводников поглощает тепло и охлаждается, а противоположные концы варизонных полупроводников соответственно нагреваются, что создает температурный градиент в обоих варизонных полупроводниках и создает градиент концентрации носителей заряда между широкими и узкими зонами в варизонных полупроводниках. Градиент концентрации носителей заряда, в свою очередь, приводит к исчезновению электронейтральности варизонных полупроводников, разделению зарядов, возникновению диффузионного потока носителей заряда от менее нагретой части варизонного полупроводника к более нагретой и создаёт объёмное электрическое поле, препятствующее разделению зарядов. В заявленном охлаждающем термоэлектрическом элементе при пропускании электрического тока из внешнего источника через варизонные полупроводники, указанное объёмное электрическое поле перемещает заряды для образования и поддержания тока. Работа объёмного электрического поля по переносу зарядов осуществляется за счёт поглощения им тепловой энергии варизонных полупроводников, а именно энергии фононных колебаний кристаллической решетки, что, в свою очередь, охлаждает нагретые части варизонных полупроводников и предотвращает их перегревание.  As a result of the Peltier effect, the contact point of the graded-gap semiconductors absorbs heat and cools, and the opposite ends of the graded-gap semiconductors are heated accordingly, which creates a temperature gradient in both graded-gap semiconductors and creates a concentration gradient of charge carriers between wide and narrow bands in graded-gap semiconductors. The concentration gradient of charge carriers, in turn, leads to the disappearance of the electroneutrality of graded-gap semiconductors, separation of charges, the appearance of a diffusion flux of charge carriers from the less heated part of the graded-gap semiconductor to the warmer one and creates a volume electric field that prevents separation of charges. In the claimed cooling thermoelectric element, when an electric current is passed from an external source through graded-gap semiconductors, the indicated volume electric field moves charges to form and maintain current. The volumetric electric field of charge transfer is carried out due to the absorption of thermal energy of graded-gap semiconductors, namely, the energy of phonon vibrations of the crystal lattice, which, in turn, cools the heated parts of graded-gap semiconductors and prevents their overheating.
Таким образом, термоэлектрические эффекты, возникающие в обоих варизонных полупроводниках при пропускании через них электрического тока из внешнего источника устраняют потребность в охлаждении их нагретых частей с помощью каких-либо предназначенных для этого средств и обеспечивает самоохлаждение указанных частей. Соответственно отсутствие потребности в соединении заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента со сложными по конструкции и большими по размерам охлаждающими средствами позволяет повысить его технологичность, упростить конструкцию и удешевить его производство. Вместе с тем, отсутствие потребности в соединении заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента со сложными по конструкции и большими по размерам охлаждающими средствами позволяет уменьшить его размеры и расширить его функциональность, поскольку вследствие небольших размеров и отсутствия нагрева заявленный охлаждающий термоэлектрический элемент возможно разместить во многих устройствах, охлаждение которых с помощью известных аналогов невозможно. Кроме того заявленный охлаждающий элемент из-за отсутствия потребности в его охлаждении позволяет избежать затрат энергии на работу охлаждающих средств, что делает его эффективнее известных аналогов. Thus, the thermoelectric effects arising in both graded-gap semiconductors when an electric current is passed through them from an external source eliminate the need for cooling their heated parts using any means intended for this and provides self-cooling of these parts. Accordingly, the lack of need to connect the claimed cooling thermoelectric element with complex in design and large in size cooling means allows to increase its manufacturability, simplify the design and reduce the cost of its production. However, the lack of need to connect the claimed cooling thermoelectric element with complex in design and large-sized cooling means allows to reduce its size and expand its functionality, because due to the small size and lack of heating the claimed cooling thermoelectric element can be placed in many devices, the cooling of which using well-known analogues is impossible. In addition, the claimed cooling element due to the lack of need for its cooling allows to avoid energy costs for the operation of cooling means, which makes it more effective than known analogues.
Прикрепление выводов к широкозонной стороне Р и узкозонной стороне п варизонных полупроводников p-типа и n-типа необходимо для подключения заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента к внешнему источнику тока, без которого функционирование заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента невозможно. Внешний источник тока генерирует электрический ток, который, проходя от варизонного полупроводника n-типа к варизонному полупроводнику p-типа, является причиной возникновения эффекта Пельтье и эффекта Томсона в заявленном охлаждающем элементе.  Attaching the terminals to the wide-gap side P and the narrow-gap side of the p-type and n-type graded-gap semiconductors is necessary to connect the claimed cooling thermoelectric element to an external current source, without which the functioning of the claimed cooling thermoelectric element is impossible. An external current source generates an electric current, which, passing from the n-type graded-gap semiconductor to the p-type graded-gap semiconductor, causes the Peltier effect and the Thomson effect in the claimed cooling element.
Выполнение каждого из варизонных полупроводников в виде плёнок позволяет максимально уменьшить размеры заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента, расширяя его функциональность, а также увеличить коэффициент полезного действия заявленного охлаждающего элемента при выполнении плёнок толщиной меньше средней длины свободного пробега электронов в варизонных полупроводниках, что уменьшает вероятность рекомбинации носителей заряда и, соответственно, уменьшает выделение тепла в результате указанной рекомбинации, что способствует охлаждению заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента. The implementation of each of the graded-gap semiconductors in the form of films allows you to minimize the size of the claimed cooling thermoelectric element, expanding its functionality, as well as increasing the efficiency of the declared cooling element when performing films with a thickness less than the average mean free path of electrons in graded-gap semiconductors, which reduces the probability of recombination of charge carriers and, accordingly, reduces heat generation as a result of this recombination, which contributes to the cooling of the claimed cooling thermoelectric element.
Выполнение варизонных полупроводников из кремния и германия упрощает и удешевляет производство варизонных полупроводников для заявленного охлаждающего элемента, поскольку данные химические элементы не являются редкими, имеют небольшую стоимость и могут быть объединены в составе варизонного полупроводника без использования сложного оборудования, больших затрат энергии, труда и времени с помощью хорошо известных способов. Вместе с тем кремний и германий имеют необходимую для эффективной работы заявленного охлаждающего элемента разницу в ширине запрещенной зоны, а также легко легируются акцепторными и донорными примесями. При этом кремний и германий не являются высокотоксичными химическими элементами, что делает изготовленные из них варизонные полупроводники безопасными для пользователя заявленного охлаждающего элемента и окружающей среды.  The implementation of graded-gap semiconductors made of silicon and germanium simplifies and reduces the cost of production of graded-gap semiconductors for the claimed cooling element, since these chemical elements are not rare, have a low cost and can be combined into a graded-gap semiconductor without the use of sophisticated equipment, high energy, labor and time costs with using well-known methods. At the same time, silicon and germanium have the difference in the band gap necessary for the effective operation of the claimed cooling element, and are also easily doped with acceptor and donor impurities. In this case, silicon and germanium are not highly toxic chemical elements, which makes the graded-gap semiconductors made from them safe for the user of the claimed cooling element and the environment.
Использование в варизонном полупроводнике n-типа пятивалентного фосфора как донорной примеси, и использование в варизонном полупроводнике p-типа трёхвалентного бора как акцепторной примеси упрощает и удешевляет производство варизонных полупроводников заявленного охлаждающего элемента, поскольку данные химические элементы не являются редкими, имеют небольшую стоимость и могут быть легированы в кристаллическую решетку варизонных полупроводников без использования сложного оборудования, больших затрат энергии, труда и времени с помощью хорошо известных способов. Вместе с тем пятивалентный фосфор и трёхвалентный бор как соответствующие примеси в составе варизонных полупроводников могут создавать необходимую для эффективной работы заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента концентрацию основных и неосновных носителей заряда. The use of n-type pentavalent phosphorus in a graded-gap semiconductor as a donor impurity, and the use of p-type trivalent boron in a graded-gap semiconductor as an acceptor impurity simplifies and cheapens the production of the claimed cooling element in graded-gap semiconductors, since these chemical elements are not rare, have little cost and can be alloyed into the crystal lattice of graded-gap semiconductors without the use of sophisticated equipment, large expenditures of energy, labor and time with Strongly well-known methods. At the same time, pentavalent phosphorus and trivalent boron as the corresponding impurities in the composition of graded-gap semiconductors can create the necessary for efficient operation the claimed cooling thermoelectric element the concentration of the main and minority charge carriers.
Выполнение заявленного охлаждающего элемента с варизонными полупроводниками покрытыми пленкой из диэлектрического материала позволяет изолировать охлаждаемый объект от нежелательного воздействия электрического тока и электрических полей заявленного охлаждающего элемента, а также исключить негативное влияние окружающей среды на заявленный охлаждающий термоэлектрический элемент, например, вследствие действия атмосферной влаги, повышения или понижения температуры воздуха, и тому подобного.  The implementation of the claimed cooling element with graded-gap semiconductors coated with a film of dielectric material allows to isolate the cooled object from the undesirable effects of electric current and electric fields of the claimed cooling element, as well as to eliminate the negative environmental impact on the claimed cooling thermoelectric element, for example, due to atmospheric moisture, increase or lowering air temperature, and the like.
Выполнение заявленного охлаждающего элемента с возможностью соединения с поверхностью охлаждаемого объекта расширяет функциональность указанного элемента и повышает удобство его использования, поскольку позволяет не использовать дополнительные средства или операции для установки каким-либо способом заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента на внутренней или внешней поверхности объекта и для его закрепления в установленном положении. Пластина из диэлектрического материала, прикрепленная к боковым поверхностям соединенных частей варизонных полупроводников позволяет также изолировать охлаждаемый объект от нежелательного воздействия электрического тока и электрических полей заявленного охлаждающего элемента.  The implementation of the claimed cooling element with the ability to connect with the surface of the cooled object expands the functionality of the specified element and increases the convenience of its use, since it allows not to use additional means or operations for installing the claimed cooling thermoelectric element in any way on the internal or external surface of the object and for fixing it in installed position. A plate of dielectric material attached to the side surfaces of the connected parts of the graded-gap semiconductors also allows you to isolate the cooled object from the unwanted effects of electric current and electric fields of the claimed cooling element.
Выполнение заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента с возможностью соединения с другими идентичными охлаждающими термоэлектрическими элементами делает возможным образование совокупности охлаждающих термоэлектрических элементов, которые охлаждают объект сильнее, чем один указанный элемент, при этом такая совокупность охлаждающих элементов использует один внешний источник тока. Соединение заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента с другими идентичными охлаждающими термоэлектрическими элементами расширяет его функциональность, позволяя охлаждать объекты, для которых характерно очень интенсивное выделение тепла или большие габаритные размеры. The implementation of the claimed cooling thermoelectric element with the possibility of connection with other identical cooling thermoelectric elements makes it possible to form a combination of cooling thermoelectric elements that cool the object more than one specified element, while such a set of cooling elements uses one external current source. The connection of the claimed cooling thermoelectric element with other identical cooling thermoelectric elements expands its functionality, allowing you to cool objects that are characterized by a very intense heat or large overall dimensions.
Выполнение варизонных полупроводников заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента таким образом, что концентрация донорной примеси в варизонном полупроводнике n-типа постепенно уменьшается от узкозонной стороны п к широкозонной стороне N, а концентрация акцепторной примеси в варизонному полупроводнике p-типа постепенно увеличивается от узкозонной стороны р к широкозонной стороне Р позволяет увеличить объёмные заряды, возникающие в полупроводниках при выравнивании уровня Ферми, что, в свою очередь, позволяет усилить охлаждающее действие термоэлектрических эффектов, возникающих в результате работы заявленного устройства.  The implementation of the graded-gap semiconductors of the claimed cooling thermoelectric element so that the concentration of donor impurities in the graded-gap semiconductor of n-type is gradually reduced from the narrow-band side p to the wide-gap side N, and the concentration of the acceptor impurity in the graded-gap semiconductor p-type is gradually increased from the narrow-band side p to the wide-band side P allows you to increase the volume charges arising in semiconductors when the Fermi level is aligned, which, in turn, allows you to enhance cooling ayuschee effect thermoelectric effects arising as a result of the inventive device.
Конструкция заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента объясняется с помощью следующих изображений:  The design of the claimed cooling thermoelectric element is explained using the following images:
Фиг. 1 - Схематическое изображение охлаждающего термоэлектрического элемента.  FIG. 1 - Schematic illustration of a cooling thermoelectric element.
Фиг. 2 - Изображение заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента в варианте исполнения с плёнками, которые являются варизонными полупроводниками .  FIG. 2 - Image of the claimed cooling thermoelectric element in the embodiment with films that are graded-gap semiconductors.
Фиг. 3 - Изображение заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента в варианте исполнения с пластиной из диэлектрического материала, прикрепленной к боковой поверхности соединенных частей варизонных полупроводников .  FIG. 3 - Image of the claimed cooling thermoelectric element in the embodiment with a plate of dielectric material attached to the side surface of the connected parts of the graded-gap semiconductors.
В изображениях использованы следующие условные обозначения: The following conventions are used in the images:
Figure imgf000015_0001
- направление тока из внешнего источника тока
Figure imgf000015_0001
- direction of current from an external current source
N - широкозонная сторона варизонного полупроводника п-типа, состоящая из кремния с донорной примесью в виде пятивалентного фосфора в варианте исполнения; n - узкозонная сторона варизонного полупроводника n-типа, состоящая из германия с донорной примесью в виде пятивалентного фосфора в варианте исполнения. N is the wide-gap side of the n-type graded-gap semiconductor, consisting of silicon with a donor impurity in the form of pentavalent phosphorus in the embodiment; n is the narrow-gap side of the n-type graded-gap semiconductor, consisting of germanium with a donor impurity in the form of pentavalent phosphorus in the embodiment.
Р - широкозонная сторона варизонного полупроводника р-типа, состоящая из кремния с акцепторной примесью в виде трёхвалентного бора в варианте исполнения;  P is the wide-gap side of the graded-gap p-type semiconductor, consisting of silicon with an acceptor impurity in the form of a trivalent boron in the embodiment;
р - узкозонная сторона варизонного полупроводника p-типа, состоящая из германия с акцепторной примесью в виде трёхвалентного бора в варианте исполнения;  p is the narrow-gap side of the graded-gap p-type semiconductor, consisting of germanium with an acceptor impurity in the form of a trivalent boron in the embodiment;
На Фиг. 1 изображен один из возможных, но не исключительный, вариант исполнения заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента, который включает варизонные полупроводники 1 и выводы 2. В изображенном варианте выполнения выводы 2 соединены с концами варизонных полупроводников 1 с помощью металлических контактов 3, а другие концы выводов 2 подсоединены к внешнему источнику тока 4.  In FIG. 1 shows one of the possible, but not exclusive, embodiment of the claimed cooling thermoelectric element, which includes graded-gap semiconductors 1 and terminals 2. In the illustrated embodiment, the terminals 2 are connected to the ends of the graded-gap semiconductors 1 using metal contacts 3, and the other ends of the terminals 2 are connected to an external power source 4.
Варизонные полупроводники 1, то есть варизонний полупроводник п- типа и варизонний полупроводник p-типа соединены таким образом, что широкозонная сторона N полупроводника n-типа соединена с узкозонной стороной р полупроводника p-типа. Варизонные полупроводники 1 могут прилегать друг к другу и быть соединенными спаиванием, механическими средствами или по другому, или могут находиться на расстоянии друг от друга и быть соединенными с помощью контакта. Место контакта 5 варизонних полупроводников 1 представляет собой анизотипний n-р гетеропереход.  The graded-gap semiconductors 1, i.e., the graded-gap p-type semiconductor and the graded-gap p-type semiconductor, are connected in such a way that the wide-gap side N of the n-type semiconductor is connected to the narrow-gap side p of the p-type semiconductor. The graded-gap semiconductors 1 may abut against each other and be connected by soldering, by mechanical means, or in another way, or may be spaced apart from each other and be connected by contact. The contact point 5 of the graded-gap semiconductors 1 is an anisotypic n-p heterojunction.
В предпочтительном варианте выполнения каждый из варизонных полупроводников 1 состоит из широкозонной стороны, состоящей из кремния, узкозонной стороны, состоящей из германия, и промежуточной зоны между ними со смешанным химическим составом, в которой постепенно уменьшается содержание германия и увеличивается содержание кремния по направлению к широкозонной стороне. Вместе с тем варизонные полупроводники 1 могут быть выполнены из любых полупроводниковых материалов, которые имеют разную ширину запрещённой зоны и могут быть объединены в варизонном полупроводнике с учетом изложенных выше условий. Также в преимущественном исполнении акцепторной примесью для варизонного полупроводника р- типа является трёхвалентный бор, а донорной примесью для варизонного полупроводника п- типа является пятивалентный фосфор, которые являются предпочтительными примесями для варизонних полупроводников 1, состоящих из кремния и германия. Однако в качестве акцепторной и донорной примеси могут быть использованы другие подобные материалы в соответствии с полупроводниковыми материалами, из которых состоят варизонные полупроводники 1. In a preferred embodiment, each of the graded-gap semiconductors 1 consists of a wide-band side consisting of silicon, a narrow-band side consisting of germanium, and an intermediate zone between them with a mixed chemical composition, in which the germanium content gradually decreases and the silicon content increases towards the wide-band side . However, graded-gap semiconductors 1 can be made of any semiconductor materials that have different band gap and can be combined in a graded-gap semiconductor, taking into account the above conditions. Also, in the preferred embodiment, the acceptor impurity for the p-type graded-gap semiconductor is trivalent boron, and pentavalent phosphorus is the donor impurity for the p-type semiconductor, which are the preferred impurities for graded-gap semiconductors 1 consisting of silicon and germanium. However, other similar materials can be used as acceptor and donor impurities in accordance with the semiconductor materials of which the graded-gap semiconductors 1 consist.
В изображенном варианте исполнения (фиг. 1, 3) заявленного изобретения варизонные полупроводники 1 имеют форму параллелепипедов с соединенными торцами. Вместе с тем варизонные полупроводники 1 могут быть выполнены в виде плёнок (рис. 2) и соответственно соединёнными в горизонтальной плоскости. Толщина таких плёнок, в предпочтительном варианте их выполнения, меньше средней длины свободного пробега электронов в варизонных полупроводниках. Варизонные полупроводники 1 могут быть произведены методом жидкофазной эпитаксии, ионно-пучковой эпитаксии или диффузии. Кроме того варизонные полупроводники 1 могут быть выполнены со средствами, которые обеспечивают возможность соединения заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента с внешней или внутренней поверхностью охлаждаемого объекта.  In the depicted embodiment (Fig. 1, 3) of the claimed invention, the graded-gap semiconductors 1 are parallelepipeds with connected ends. At the same time, graded-gap semiconductors 1 can be made in the form of films (Fig. 2) and, accordingly, connected in the horizontal plane. The thickness of such films, in their preferred embodiment, is less than the mean free path of electrons in graded-gap semiconductors. The graded-gap semiconductors 1 can be produced by liquid phase epitaxy, ion-beam epitaxy or diffusion. In addition, the graded-gap semiconductors 1 can be made with means that provide the ability to connect the claimed cooling thermoelectric element with the external or internal surface of the cooled object.
Два вывода 2 прикреплены к широкозонной стороне Р и узкозонной стороне п варизонных полупроводников 1 p-типа и n-типа соответственно с помощью металлических контактов 3. Металлические контакты 3 в изображенном варианте выполнения заявленного изобретения представляют собой пластины из материала, который обладает выраженными свойствами проводников, например, из меди.  Two terminals 2 are attached to the wide-gap side P and the narrow-gap side n of the graded-gap semiconductors 1 of p-type and n-type, respectively, using metal contacts 3. The metal contacts 3 in the depicted embodiment of the claimed invention are plates made of a material that has pronounced properties of conductors, for example, from copper.
Внешним источником тока 4 может быть любой генератор постоянного тока, который производит постоянный ток достаточный для обеспечения поддержания охлаждающего эффекта в месте контакта 5 варизонных полупроводников 1. The external current source 4 can be any DC generator that produces a constant current sufficient to provide maintaining the cooling effect at the contact point of 5 graded-gap semiconductors 1.
К боковым поверхностям соединенных частей варизонных полупроводников 1 может быть прикреплена пластина из диэлектрического материала 6.  A plate of dielectric material 6 can be attached to the lateral surfaces of the connected parts of the graded-gap semiconductors 1.
Заявленный охлаждающий термоэлектрический элемент используют следующим образом.  The claimed cooling thermoelectric element is used as follows.
Заявленный охлаждающий термоэлектрический элемент соединяют с наружной поверхностью устройства, требующего охлаждения, или соединяют с внутренней поверхностью указанного устройства для охлаждения его внутреннего пространства, например, если заявленный охлаждающий термоэлектрический элемент является составным элементом холодильника или другого подобного устройства. Включают внешний источник тока 4. Электрический ток проходит через оба варизонных полупроводника 1 от широкозонной стороны Р варизонного р-полупроводника до узкозонной стороны п варизонного п-полупроводника.  The claimed cooling thermoelectric element is connected to the outer surface of the device requiring cooling, or connected to the inner surface of the specified device to cool its internal space, for example, if the claimed cooling thermoelectric element is an integral element of a refrigerator or other similar device. An external current source 4 is turned on. An electric current passes through both graded-gap semiconductors 1 from the wide-gap side P of the graded-gap p-semiconductor to the narrow-gap side p of the graded-gap p-semiconductor.
При пропускании электрического тока через варизонний полупроводник 1 p-типа возникает перенос электронов с широкозонной стороны Р к узкозонной стороне р с поглощением энергии фононных колебаний кристаллической решетки р-полупроводника. Таким образом варизонний р-полупроводник охлаждается. После этого электроны преодолевают место контакта 5 варизонных полупроводников, которое является анизотипным р-n гетеропереходом. Соответственно в варизонних полупроводниках 1 действует эффект Пельтье, который охлаждает место контакта 5 варизонных полупроводников 1 и переносит тепловую энергию с места контакта 5 варизонных полупроводников 1 к их противоположным концам.  When an electric current is passed through a p-type variable gap semiconductor 1, electron transfer occurs from the wide-gap side P to the narrow-gap side p with the absorption of phonon vibrational energy of the p-semiconductor crystal lattice. Thus, the graded-gap p-semiconductor is cooled. After this, the electrons overcome the contact point of 5 graded-gap semiconductors, which is an anisotypic pn heterojunction. Accordingly, in the graded-gap semiconductors 1, the Peltier effect acts, which cools the contact point of 5 graded-gap semiconductors 1 and transfers heat energy from the contact point of 5 graded-gap semiconductors 1 to their opposite ends.
После этого в неравномерно нагретых варизонных полупроводниках 1 возникает эффект Томсона, благодаря которому образованные вследствие возникновения в варизонных полупроводниках 1 температурного градиента объёмные электрические поля выполняют работу по переносу зарядов, возникших в варизонных полупроводниках 1 вследствие нарушения их электронейтральности, за счёт поглощения тепловой энергии варизонных полупроводников 1, а именно за счёт энергии фононных колебаний кристаллической решетки. After that, the Thomson effect arises in unevenly heated graded-gap semiconductors 1, due to which the temperature gradient formed in graded-gap semiconductors 1 bulk electric fields carry out work on the transfer of charges arising in graded-gap semiconductors 1 due to the violation of their electroneutrality due to the absorption of thermal energy of graded-gap semiconductors 1, namely, due to the energy of phonon vibrations of the crystal lattice.
Таким образом, заявленный охлаждающий термоэлектрический элемент охлаждает устройство, на котором или в котором он установлен, и не требует охлаждения какими-либо средствами. При этом конструкция заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента, охлаждение нагретых частей заявленного охлаждающего термоэлектрического элемента усиливают действие эффекта Пельтье в месте контакта 5 варизонных полупроводников 1, позволяя получить существенное снижение температуры и не тратя для этого чрезмерное количество энергии, материалов для создания и пространство для размещения охлаждающих средств, в которых нет необходимости для заявленного охлаждающего элемента.  Thus, the claimed cooling thermoelectric element cools the device on which or in which it is installed, and does not require cooling by any means. The design of the claimed cooling thermoelectric element, the cooling of the heated parts of the claimed cooling thermoelectric element enhance the Peltier effect at the contact point of 5 graded-gap semiconductors 1, allowing to obtain a significant decrease in temperature and without spending an excessive amount of energy, materials to create and space for placement of cooling means which are not necessary for the claimed cooling element.
В случае возникновения необходимости в отключении заявленного охлаждающего элемента достаточно выключить внешний источник тока 4 или разомкнуть цепь, отсоединив любой из выводов 2 или металлических контактов 3 от варизонных полупроводников 1.  If it becomes necessary to turn off the declared cooling element, it is enough to turn off the external current source 4 or open the circuit by disconnecting any of the terminals 2 or metal contacts 3 from the graded-gap semiconductors 1.
Таким образом, заявленный охлаждающий термоэлектрический элемент прост в изготовлении и использовании, не требует чрезмерных затрат энергии на функционирование, хорошо охлаждает любые устройства, которые требуют охлаждения, и имеет высокую эффективность и небольшие размеры, что позволяет использовать его во многих областях, где уменьшение размера имеет существенное значение, например, в современных небольших по размерам вычислительных устройствах. При этом простая конструкция, технологичность, возможность объединения и наращивания мощности делают заявленный охлаждающий термоэлектрический элемент хорошей альтернативной существующим аналогам. В существующих источниках патентной и научно-технической информации не выявлен охлаждающий термоэлектрический элемент, который имеет заявленную совокупность существенных признаков, поэтому представленное техническое решение соответствует критерию «новизна». Thus, the claimed cooling thermoelectric element is simple to manufacture and use, does not require excessive energy consumption for operation, well cools any devices that require cooling, and has high efficiency and small size, which allows it to be used in many areas where the reduction in size has essential, for example, in modern small-sized computing devices. At the same time, a simple design, manufacturability, the ability to combine and increase power make the claimed cooling thermoelectric element a good alternative to existing analogues. The existing sources of patent and scientific and technical information have not identified a cooling thermoelectric element that has the claimed combination of essential features, therefore, the presented technical solution meets the criterion of "novelty."
Сравнительный анализ вышеуказанного технического решения с наиболее близким аналогом, показал, что реализация совокупности существенных признаков, характеризующих предложенное изобретение, приводит к появлению качественно новых указанных выше технических свойств, совокупность которых не была установлена ранее из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию «изобретательский уровень».  A comparative analysis of the above technical solution with the closest analogue showed that the implementation of the set of essential features characterizing the proposed invention leads to the appearance of qualitatively new technical properties mentioned above, the combination of which has not been established previously from the existing prior art, which allows us to conclude that the proposed technical solutions to the criterion of "inventive step".
Предложенное техническое решение промышленно применимо, поскольку не содержит в своем составе никаких конструктивных элементов или материалов, которые невозможно воспроизвести на современном этапе развития техники в условиях промышленного производства.  The proposed technical solution is industrially applicable, since it does not contain any structural elements or materials that cannot be reproduced at the present stage of development of technology in industrial production.

Claims

ФОРМУЛА FORMULA
1. Охлаждающий термоэлектрический элемент, включающий полупроводник n-типа и полупроводник p-типа, который отличается тем, что полупроводник n-типа и полупроводник p-типа являются варизонными, при этом широкозонная сторона N полупроводника n-типа соединена с узкозонной стороной р полупроводника p-типа, а к широкозонной стороне Р и узкозонной стороне п варизонных полупроводников p-типа и n-типа соответственно, прикреплено по выводу. 1. A cooling thermoelectric element comprising an n-type semiconductor and a p-type semiconductor, characterized in that the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are graded-gap, while the wide-gap side N of the n-type semiconductor is connected to the narrow-gap side p of the semiconductor p -type, and to the wide-gap side of P and narrow-gap side of n graded-gap semiconductors of p-type and n-type, respectively, is attached to the output.
2. Охлаждающий термоэлектрический элемент по п. 1 , который отличается тем, что каждый из варизонных полупроводников является плёнкой.  2. The cooling thermoelectric element according to claim 1, characterized in that each of the graded-gap semiconductors is a film.
3. Охлаждающий термоэлектрический элемент по п. 1 , который отличается тем, что варизонные полупроводники содержат кремний и германий.  3. The cooling thermoelectric element according to claim 1, characterized in that the graded-gap semiconductors contain silicon and germanium.
4. Охлаждающий термоэлектрический элемент по п. 1, который отличается тем, что донорной примесью в варизонном полупроводнике п-типа является пятивалентный фосфор, а акцепторной примесью в варизонном полупроводнике p-типа является трехвалентный бор.  4. The cooling thermoelectric element according to claim 1, characterized in that the donor impurity in the p-type varizon semiconductor is pentavalent phosphorus, and the acceptor impurity in the p-type varizon semiconductor is trivalent boron.
5. Охлаждающий термоэлектрический элемент по п. 1 , который отличается тем, что варизонные полупроводники покрыты плёнкой из диэлектрического материала.  5. The cooling thermoelectric element according to claim 1, characterized in that the graded-gap semiconductors are coated with a film of a dielectric material.
6. Охлаждающий термоэлектрический элемент по п. 1 , который отличается тем, что к боковым поверхностям соединённых частей варизонных полупроводников прикреплена пластина из диэлектрического материала.  6. The cooling thermoelectric element according to claim 1, characterized in that a plate of dielectric material is attached to the side surfaces of the connected parts of the graded-gap semiconductors.
7. Охлаждающий термоэлектрический элемент по п. 1 , который отличается тем, что выполнен с возможностью соединения с другими идентичными охлаждающими термоэлектрическими элементами с образованием батареи. 7. The cooling thermoelectric element according to claim 1, characterized in that it is configured to connect with other identical cooling thermoelectric elements to form a battery.
8. Охлаждающий термоэлектрический элемент по п. 1, который отличается тем, что выполнен с возможностью соединения с поверхностью объекта, который охлаждается. 8. The cooling thermoelectric element according to claim 1, characterized in that it is made with the possibility of connection with the surface of the object, which is cooled.
9. Охлаждающий термоэлектрический элемент по п. 1, который отличается тем, что концентрация донорной примеси в варизонном полупроводнике n-типа постепенно уменьшается от узкозонной стороны п к широкозонной стороне N, а концентрация акцепторной примеси в варизонном полупроводнике p-типа постепенно увеличивается от узкозонной стороны р к широкозонной стороне Р.  9. The cooling thermoelectric element according to claim 1, characterized in that the concentration of the donor impurity in the n-type graded-gap semiconductor gradually decreases from the narrow-gap side n to the wide-gap side N, and the acceptor impurity concentration in the p-type graded-gap semiconductor gradually increases from the narrow-gap side p to the wide-sided side of R.
PCT/UA2018/000083 2018-06-13 2018-07-30 Thermoelectric cooling element WO2019240719A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UAA201806662 2018-06-13
UAA201806662A UA119220C2 (en) 2018-06-13 2018-06-13 COOLING THERMOELECTRIC ELEMENT

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019240719A1 true WO2019240719A1 (en) 2019-12-19

Family

ID=66390456

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/UA2018/000083 WO2019240719A1 (en) 2018-06-13 2018-07-30 Thermoelectric cooling element

Country Status (2)

Country Link
UA (1) UA119220C2 (en)
WO (1) WO2019240719A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023200356A1 (en) * 2022-04-15 2023-10-19 Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения" Thermoelectric element

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998042033A1 (en) * 1997-03-17 1998-09-24 Massachusetts Institute Of Technology Si/SiGe SUPERLATTICE STRUCTURES FOR USE IN THERMOELECTRIC DEVICES
WO2000033554A1 (en) * 1998-12-04 2000-06-08 Mars, Incorporated A vending machine audit module system
BY7007C1 (en) * 2002-03-05 2005-06-30
BY7011C1 (en) * 2002-04-09 2005-06-30

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998042033A1 (en) * 1997-03-17 1998-09-24 Massachusetts Institute Of Technology Si/SiGe SUPERLATTICE STRUCTURES FOR USE IN THERMOELECTRIC DEVICES
WO2000033554A1 (en) * 1998-12-04 2000-06-08 Mars, Incorporated A vending machine audit module system
BY7007C1 (en) * 2002-03-05 2005-06-30
BY7011C1 (en) * 2002-04-09 2005-06-30

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023200356A1 (en) * 2022-04-15 2023-10-19 Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения" Thermoelectric element

Also Published As

Publication number Publication date
UA119220C2 (en) 2019-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6614109B2 (en) Method and apparatus for thermal management of integrated circuits
US7851905B2 (en) Microelectronic package and method of cooling an interconnect feature in same
US10825752B2 (en) Integrated thermoelectric cooling
US8373057B2 (en) Thermoelectric element
US8166769B2 (en) Self-cooled vertical electronic component
US20100065096A1 (en) Thermo electric generator and method
WO2015176377A1 (en) Cooling circuit and terminal and terminal cooling method
KR101088937B1 (en) Thermoelectric cooler for flip-chip semiconductor devices
WO2019240719A1 (en) Thermoelectric cooling element
RU2005131609A (en) SOLID ENERGY CONVERTER
US12046894B2 (en) Current limiting diode
JP2004147472A (en) Direct current-to-alternating current converter for photovoltaic power generation
US3441449A (en) Thermoelectric system
US20180287038A1 (en) Thermoelectric conversion device
CN104602484A (en) Portable apparatus and cooling device thereof
US20060016248A1 (en) Thermoelectric Circuits Utilizing Series Isothermal Heterojunctions
US20220029081A1 (en) Semiconductor thermoelectric generator
CN207009456U (en) A kind of novel photovoltaic thermo-electric generation integrated chip
WO2024010483A1 (en) Solid-state cooling device
CN219303653U (en) Chip
CN115116863A (en) Chip heat dissipation structure and preparation method thereof
US20200251645A1 (en) Thermoelectric conversion device
US20200028058A1 (en) Thermoelectric conversion device
KR20120019517A (en) Cooling device for components of computer using thermoelectric cooler
JPH05102536A (en) Thermoelectric element

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18922422

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 26-04-2021)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18922422

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1