WO2023200356A1 - Thermoelectric element - Google Patents

Thermoelectric element Download PDF

Info

Publication number
WO2023200356A1
WO2023200356A1 PCT/RU2022/000122 RU2022000122W WO2023200356A1 WO 2023200356 A1 WO2023200356 A1 WO 2023200356A1 RU 2022000122 W RU2022000122 W RU 2022000122W WO 2023200356 A1 WO2023200356 A1 WO 2023200356A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
thermoelectric element
graded
work function
gap
semiconductor
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/000122
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ
Александр Викторович ГЛУХОВ
Михаил Владимирович ДОРОХИН
Дмитрий Борисович КОЛОСКОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения"
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 Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения"
Priority to PCT/RU2022/000122 priority Critical patent/WO2023200356A1/en
Publication of WO2023200356A1 publication Critical patent/WO2023200356A1/en

Links

Definitions

  • the invention relates to the field of solid-state thermoelectric devices intended for organizing cooling or heating, in particular, to a thermoelectric element using graded-gap structures.
  • the invention can be used to create a module or circuit of a thermoelectric heater/cooler, for cooling electronic devices, for example, such as a central processor or power supply of a personal computer, and can also be used as a cooling element in refrigerators, including portable ones, and other devices .
  • thermoelectric cooling element is known from the prior art, disclosed in WO2019/240719, publ. 12/19/2019, which includes two n-type and p-type graded-gap semiconductors connected in such a way that the wide-gap side of the n-type graded-gap semiconductor is connected to the narrow-gap side of the p-type graded-gap semiconductor. Leads are connected to the other sides of the graded-gap semiconductors using metal contacts to connect the thermoelectric element to the electrical circuit. Each graded-gap semiconductor is grown on a substrate. Such a structure is complex and, as a result, expensive.
  • thermoelectric element has a r/p junction in its structure that operates in reverse connection mode, which increases the resistance of the thermoelectric element and, as a result, increases the heat generation.
  • Ohmic contacts and conductors adjacent to ohmic contacts, as well as the semiconductor region adjacent to ohmic contacts are made without taking into account the correspondence between the average electron energy and the work function, which can also lead, in the case of a significant difference in the electron energy and the Fermi level in the material, to thermalization . All of the above reduces the efficiency of the thermoelectric element known from WO2019/240719.
  • thermoelectric element structure to increase the performance of the thermoelectric element.
  • the objective of the claimed invention is to develop a semiconductor structure of a thermoelectric element.
  • thermoelectric element contains a graded-gap semiconductor with a varying work function in the direction of growth of the epitaxial graded-gap structure throughout the entire composition range, grown on a base, wherein the base contains a semiconductor material with a work function equal to or close to the work function of the semiconductor layer material of the graded-gap structure adjacent to it, and on two opposite sides of the thermoelectric element there are ohmic contacts with the possibility of attaching connecting wires to them for inclusion in the electrical circuit.
  • the base is a substrate made of semiconductor material.
  • the base is a metal structure with semiconductor material deposited thereon.
  • the metal structure is an ohmic contact.
  • the base is a structure comprising a metal layer coated with a varying structure from a metal to a semiconductor material.
  • the metal structure is an ohmic contact.
  • the graded band structure has n-type conductivity.
  • the graded band structure has p-type conductivity.
  • the graded-gap structure is a p-n graded-gap structure with a gradual change in doping type from p-type to n-type.
  • the substrate semiconductor material has the same or similar crystalline structure and conductivity type as the adjacent graded-gap semiconductor material layer.
  • the work function of the ohmic contacts coincides with or is as close as possible to the work function of the semiconductor material adjacent to the ohmic contact, on the one hand, and coincides or as close as possible to the work function of the connecting wire contacting the ohmic contact with the material, on the other hand.
  • thermoelectric element receives electrons from the electrical circuit with an energy less than that of the electrons entering the electrical circuit from the thermoelectric element.
  • thermoelectric element receives electrons from the electrical circuit with an energy less than that of the electrons entering the electrical circuit from the thermoelectric element.
  • thermoelectric element receives electrons from the electrical circuit with an energy less than that of the electrons entering the electrical circuit from the thermoelectric element.
  • thermoelectric element receives electrons from the electrical circuit with an energy less than that of the electrons entering the electrical circuit from the thermoelectric element.
  • thermoelectric element receives electrons from the electrical circuit with an energy less than that of the electrons entering the electrical circuit from the thermoelectric element.
  • thermoelectric element receives electrons from the electrical circuit with an energy less than that of the electrons entering the electrical circuit from the thermoelectric element.
  • thermoelectric element receives electrons from the electrical circuit with an energy less than that of the electrons entering the electrical circuit from the thermoelectric element.
  • thermoelectric element receives electrons from the electrical circuit with an energy less than that of the electrons entering the
  • thermoelectric element the structure of which is schematically shown in FIG. 1.
  • the main element of the thermoelectric element is a graded-gap semiconductor.
  • a semiconductor epitaxial graded-gap structure (2) is grown on a base (1) containing a semiconductor material.
  • graded-gap structure (2) begins, for example, with a layer of semiconductor material having a large work function (maximum coincides with the work function of the base semiconductor material), and ends with a layer of semiconductor material having a lower work function compared to the first layer.
  • Graded-gap semiconductors can be produced by liquid phase epitaxy, diffusion, or by sputtering, for example, germanium and silicon onto an aluminum or nickel substrate for graded-gap p- and p-semiconductors, respectively.
  • the growth of the graded-gap structure can also occur in the opposite direction, subject to the condition of maximum coincidence of the work function of the semiconductor adjacent to the base with the work function of the semiconductor material of the base. In this case, the polarity of the ongoing processes changes.
  • Varid-gap structure (2) can consist of two or more semiconductor materials.
  • a substrate (1) is used, made of a semiconductor material that has the same or similar crystal structure and the same type of conductivity as the adjacent layer of graded-gap structure semiconductor material.
  • a semiconductor epitaxial graded-gap structure can be grown on both sides of a substrate (on each plane) of semiconductor material such that they have a common direction of change in work function.
  • a substrate on each plane of semiconductor material
  • an n-type GaAs-AIAs graded-gap structure is grown on a GaAs substrate with n-type conductivity.
  • a graded-gap n-type GaAs-lnAs structure is grown.
  • General view of the resulting InAs-GaAs (GaAs substrate) GaAs-AIAs structure General view of the resulting InAs-GaAs (GaAs substrate) GaAs-AIAs structure.
  • the base in another embodiment of the invention can also be a metal base coated with a layer of semiconductor material.
  • the application of semiconductor material can be carried out using known technological methods: sputtering, diffusion, deposition and others.
  • the base is a structure containing a metal layer coated with a varying structure from a metal to a semiconductor material.
  • thermoelectric element Both sides of the thermoelectric element are made with ohmic contacts (3) with the possibility of connecting connecting wires to them to connect the thermoelectric element to the electrical circuit.
  • the two ohmic contacts are the outer surfaces of the graded-gap semiconductor structure.
  • the ohmic contacts (3) when used as a base of a substrate made of semiconductor material, are permanently connected to the external surfaces of the graded-gap semiconductor, horizontally oriented plates, which in the preferred embodiment of the claimed invention are made of aluminum.
  • Ohmic contacts (3) can be made of any other material that has high thermal conductivity, chemical resistance and resistance to high temperatures.
  • the ohmic contacts may be secured to the respective sides of the graded-gap semiconductor by soldering, bonding, mechanical means, or other similar methods.
  • the metal layer acts as an ohmic contact.
  • the second ohmic contact is made as described above.
  • thermoelectric semiconductor To make an electrical connection between the thermoelectric semiconductor and the external electrical circuit, a connecting conductor is connected to each ohmic contact.
  • the first connecting conductor is connected to the first ohmic contact of the thermoelectric element, located at the end of the thermoelectric element, and the second connecting conductor is connected to the second ohmic contact, located at the other end of the thermoelectric element.
  • the first conductor is selected in such a way that the work function of the first conductor coincides as much as possible with the work function of the material of the first ohmic contact and with the work function of the semiconductor material of the substrate or the work function of the base material.
  • the second conductor is selected in such a way that the work function of the second conductor coincides as much as possible with the work function of the material of the second ohmic contact and with the work function of the semiconductor material of the graded-gap structure adjacent to the conductor through the ohmic contact.
  • the ohmic contacts are located on the outer planes of the resulting structure.
  • the first and second conductors are designed in such a way that the work function of the first and second conductor coincides as much as possible with the work function of the material of the first and second ohmic contact, respectively, and with the work function of the material of the graded-gap structure adjacent to the conductor through the corresponding ohmic contact.
  • the graded-gap structure can have n-type, p-type conductivity, or be a p-n structure with smooth doping from p-type to p-type.
  • the acceptor impurity for a p-type graded-gap semiconductor is trivalent boron
  • the donor impurity for a n-type graded-gap semiconductor is pentavalent phosphorus, which are the preferred impurities for graded-gap semiconductors. consisting of silicon and germanium.
  • acceptor and donor impurities in accordance with the semiconductor materials of which graded-gap semiconductors are composed.
  • thermoelectric element works as follows.
  • the contacts of connecting conductors A and B are connected, for example, to a current-voltage converter, forming an electrical circuit.
  • the thermoelectric element is supplied with direct current.
  • Conductor A is selected in such a way that the work function of the conductor coincides as much as possible with the work function of the ohmic contact material and the work function of the semiconductor base material. Under the influence of the applied field, an electron from conductor A, through the ohmic contact and the base, enters the graded-gap semiconductor and moves towards the region with a predominance of a semiconductor having a lower work function.
  • Conductor B is selected in such a way that the work function of the conductor material coincides with the work function of the ohmic contact and the work function of the semiconductor material of the graded-gap semiconductor, which is adjacent to it through the ohmic contact.
  • thermoelectric element Depending on the direction of the current, heat is absorbed (the thermoelectric element is cooled) or released (the thermoelectric element is heated). Contact A-, B+ cooling A+, B- heating.
  • Cooling device connection A-, B+: as a result, one end is heated and the other is cooled. This effect can be used for active cooling (to obtain low temperatures or to remove heat).
  • Structure 1 is a single layer of ln x Gaix As solid solution of variable composition, formed on a GaAs substrate of p-type conductivity (with an impurity concentration in the substrate of about 10 18 cm -3 ).
  • Layer thickness 10 ⁇ 0.5 microns.
  • Structure 2 is a single layer of ln x Gai solid solution.
  • x As of variable composition formed on a GaAs substrate of p-type conductivity (with an impurity concentration in the substrate of about 10 18 cm -3 ).
  • the structure also includes a system of buffer layers for doping matching.
  • the total layer thickness was 4.6 ⁇ m.
  • a diagram of the structure, including doping levels, is presented in Table 1.
  • the table shows technologically specified layer thicknesses and alloying levels.
  • the arrow means a linear change in value from the value indicated on the left, at the beginning of the layer, to the value indicated on the right.
  • formed structures with a changing work function in the direction of growth of the epitaxial structure throughout the entire range of compositions enhance the cooling effect when a current of a certain polarity is passed through them.

Landscapes

  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Abstract

The invention relates to a thermoelectric element using variable bandgap structures. The invention can be used independently or within a battery to provide for the cooling of electronic components in electronic devices, such as the central processor or power supply unit of a personal computer, and can also be used in refrigerators, including portable refrigerators. The present thermoelectric element contains a variable bandgap semiconductor with a work function that changes in the direction of growth of an epitaxial variable bandgap structure, across the full range of components, and is grown on a base, wherein the base contains a semiconductor material with a work function that is equal or close to the work function of the semiconductor material layer of the variable bandgap structure adjacent thereto, and applied from two opposite sides of the thermoelectric element are ohmic contacts for electrically connecting the variable bandgap semiconductor to an external electric circuit. The invention makes it possible to improve the performance and efficiency of the thermoelectric element, to use the thermoelectric element independently without inclusion in a battery, and to incorporate the thermoelectric element into electronic components.

Description

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ THERMOELECTRIC ELEMENT
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ TECHNICAL FIELD
Изобретение относится к области твердотельных термоэлектрических устройств, предназначенных для организации охлаждения или нагрева, в частности, к термоэлектрическому элементу с применением варизонных структур. Изобретение может быть использовано для создания модуля или схемы термоэлектрического нагревателя/охладителя, для охлаждения электронных устройств, например, таких как центральных процессор или блок питания персонального компьютера, а также может быть использовано как охлаждающих элемент в холодильниках, в том числе портативных, и других устройствах. The invention relates to the field of solid-state thermoelectric devices intended for organizing cooling or heating, in particular, to a thermoelectric element using graded-gap structures. The invention can be used to create a module or circuit of a thermoelectric heater/cooler, for cooling electronic devices, for example, such as a central processor or power supply of a personal computer, and can also be used as a cooling element in refrigerators, including portable ones, and other devices .
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ BACKGROUND OF THE ART
Из уровня техники известен охлаждающий термоэлектрических элемент, раскрытый в WO2019/240719, опубл. 19.12.2019, который включает два варизонных полупроводника n-типа и p-типа, соединенных таким образом, что широкозонная сторона варизонного полупроводника п -типа соединена с узкозонной стороной варизонного полупроводника р- типа. К другим сторонам варизонных полупроводников подсоединены выводы с помощью металлических контактов для включения термоэлектрического элемента в электрическую цепь. Каждый варизонный полупроводник выращивается на подложке. Такая структура является сложной и, как следствие, дорогостоящей. A thermoelectric cooling element is known from the prior art, disclosed in WO2019/240719, publ. 12/19/2019, which includes two n-type and p-type graded-gap semiconductors connected in such a way that the wide-gap side of the n-type graded-gap semiconductor is connected to the narrow-gap side of the p-type graded-gap semiconductor. Leads are connected to the other sides of the graded-gap semiconductors using metal contacts to connect the thermoelectric element to the electrical circuit. Each graded-gap semiconductor is grown on a substrate. Such a structure is complex and, as a result, expensive.
Данный термоэлектрический элемента имеет в структуре р / п переход, работающий в режиме обратного подключения, что увеличивает сопротивление термоэлектрического элемента и, как следствие, увеличивается выделение тепла. Омические контакты и проводники, примыкающие к омическим контактам, а также область полупроводника, примыкающая к омическим контактам выполнены без учёта соответствия средней энергии электрона и работы выхода, что также может приводить, в случае существенного различия в энергии электрона и уровня Ферми в материале, к термализации. Всё перечисленное снижает КПД известного из WO2019/240719 термоэлектрического элемента. This thermoelectric element has a r/p junction in its structure that operates in reverse connection mode, which increases the resistance of the thermoelectric element and, as a result, increases the heat generation. Ohmic contacts and conductors adjacent to ohmic contacts, as well as the semiconductor region adjacent to ohmic contacts are made without taking into account the correspondence between the average electron energy and the work function, which can also lead, in the case of a significant difference in the electron energy and the Fermi level in the material, to thermalization . All of the above reduces the efficiency of the thermoelectric element known from WO2019/240719.
Таким образом, существует потребность в выполнении дополнительной работы, направленной на оптимизацию слоёв структуры термоэлектрического элемента для увеличения производительности термоэлектрического элемента. Thus, there is a need to perform additional work aimed at optimizing the layers of the thermoelectric element structure to increase the performance of the thermoelectric element.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ DISCLOSURE OF INVENTION
Задачей заявленного изобретения является разработка полупроводниковой структуры термоэлектрического элемента. The objective of the claimed invention is to develop a semiconductor structure of a thermoelectric element.
Техническим результатом изобретения является The technical result of the invention is
• Увеличение производительности • Увеличение КПД. • Increase in productivity • Increased efficiency.
• Возможность применения одиночного изделия без необходимости объединения в батарею. • Possibility of using a single product without the need to combine it into a battery.
• Возможность встраивания в электронные компоненты. • Possibility of integration into electronic components.
Указанный технический результат достигается за счет того, что термоэлектрический элемент содержит варизонный полупроводник с изменяющейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной варизонной структуры во всем интервале составов, выращенный на основании, при этом основание содержит полупроводниковый материал с работой выхода, равной или близкой работе выхода слоя полупроводникового материала варизонной структуры, примыкающего к ней, а с двух противоположных сторон термоэлектрического элемента выполнены омические контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов для включения в электрическую цепь. This technical result is achieved due to the fact that the thermoelectric element contains a graded-gap semiconductor with a varying work function in the direction of growth of the epitaxial graded-gap structure throughout the entire composition range, grown on a base, wherein the base contains a semiconductor material with a work function equal to or close to the work function of the semiconductor layer material of the graded-gap structure adjacent to it, and on two opposite sides of the thermoelectric element there are ohmic contacts with the possibility of attaching connecting wires to them for inclusion in the electrical circuit.
В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является подложкой, выполненной из полупроводникового материала. In some embodiments of the invention, the base is a substrate made of semiconductor material.
В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является металлической структурой с нанесенным полупроводниковым материалом на нее. В этом случае металлическая структура является омическим контактом. In some embodiments of the invention, the base is a metal structure with semiconductor material deposited thereon. In this case, the metal structure is an ohmic contact.
В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала. В этом случае металлическая структура является омическим контактом. In some embodiments of the invention, the base is a structure comprising a metal layer coated with a varying structure from a metal to a semiconductor material. In this case, the metal structure is an ohmic contact.
В некоторых вариантах осуществления изобретения варизонная структура имеет проводимость п-типа. In some embodiments of the invention, the graded band structure has n-type conductivity.
В некоторых вариантах осуществления изобретения варизонная структура имеет проводимость р-типа. In some embodiments of the invention, the graded band structure has p-type conductivity.
В некоторых вариантах осуществления изобретения варизонная структура является варизонной р-п-структурой с плавным изменением типа легирования от р типа до п типа. In some embodiments, the graded-gap structure is a p-n graded-gap structure with a gradual change in doping type from p-type to n-type.
В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводниковый материал подложки имеет такую же или близкую кристаллическую структуру и такой же тип проводимости, что и примыкающий к нему слой полупроводникового материала варизонной структуры. In some embodiments, the substrate semiconductor material has the same or similar crystalline structure and conductivity type as the adjacent graded-gap semiconductor material layer.
В некоторых вариантах осуществления изобретения работа выхода омических контактов совпадает или максимально приближена к работе выхода примыкающего к омическому контакту полупроводникового материала, с одной стороны, и совпадает или максимально приближена к работе выхода контактирующего с омическим контактом материалом соединительного провода, с другой стороны. Увеличение производительности, а также увеличение КПД, обеспечивается за счет статически большего числа электронов, способных поглотить энергию фононов, и, как следствие, более эффективного преобразования энергии фононов в энергию электронов. In some embodiments of the invention, the work function of the ohmic contacts coincides with or is as close as possible to the work function of the semiconductor material adjacent to the ohmic contact, on the one hand, and coincides or as close as possible to the work function of the connecting wire contacting the ohmic contact with the material, on the other hand. The increase in productivity, as well as an increase in efficiency, is ensured by a statically larger number of electrons capable of absorbing phonon energy, and, as a result, more efficient conversion of phonon energy into electron energy.
Возможность применения одиночного изделия обеспечивается тем, что что принцип работы термоэлектрического элемента построен на том, что в термоэлектрический элемент из электрической цепи поступают электроны с энергией меньше, чем у электронов, поступающих в электрическую цепь от термоэлектрического элемента. Возможность встраивания термоэлектрического элемента в электронный компонент обуславливается тем, что технологии изготовления термоэлектрического элемента и электронного компонента совпадают. В связи с этим появляется возможность изготовить термоэлектрический элемент и электронный компонент в одном корпусе. The possibility of using a single product is ensured by the fact that the operating principle of a thermoelectric element is based on the fact that the thermoelectric element receives electrons from the electrical circuit with an energy less than that of the electrons entering the electrical circuit from the thermoelectric element. The possibility of integrating a thermoelectric element into an electronic component is due to the fact that the manufacturing technologies of the thermoelectric element and the electronic component are the same. In this regard, it becomes possible to manufacture a thermoelectric element and an electronic component in one housing.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к термоэлектрическому элементу, конструкция которого схематично изображена на фиг. 1. В изображенном варианте осуществления изобретения основным элементном термоэлектрического элемента является варизонный полупроводник. Для его получения на основании (1), содержащем полупроводниковый материал, выращивается полупроводниковая эпитаксиальная варизонная структура (2). The present invention relates to a thermoelectric element, the structure of which is schematically shown in FIG. 1. In the illustrated embodiment of the invention, the main element of the thermoelectric element is a graded-gap semiconductor. To obtain it, a semiconductor epitaxial graded-gap structure (2) is grown on a base (1) containing a semiconductor material.
Рост варизонной структуры (2) начинается, например, со слоя полупроводникового материала, имеющего большую работу выхода (максимально совпадает с работой выхода полупроводникового материала основания), и заканчивается слоем полупроводникового материала, имеющего меньшую работу выхода по сравнению с первым слоем. Варизонные полупроводники могут быть произведены методом жидкофазной эпитаксии, диффузии или путем напыления, например, германия и кремния на подложку из алюминия или никеля для варизонных п - и р-полупроводников соответственно. The growth of graded-gap structure (2) begins, for example, with a layer of semiconductor material having a large work function (maximum coincides with the work function of the base semiconductor material), and ends with a layer of semiconductor material having a lower work function compared to the first layer. Graded-gap semiconductors can be produced by liquid phase epitaxy, diffusion, or by sputtering, for example, germanium and silicon onto an aluminum or nickel substrate for graded-gap p- and p-semiconductors, respectively.
Рост варизонной структуры может происходить и в обратном направлении с соблюдением условия максимального совпадения работы выхода полупроводника, примыкающего к основанию с работой выхода полупроводникового материала основания. В этом случае меняется полярность протекающих процессов. The growth of the graded-gap structure can also occur in the opposite direction, subject to the condition of maximum coincidence of the work function of the semiconductor adjacent to the base with the work function of the semiconductor material of the base. In this case, the polarity of the ongoing processes changes.
Варизонная структура (2) может состоять из двух и более полупроводниковых материалов. Varid-gap structure (2) can consist of two or more semiconductor materials.
В качестве основания в одном из вариантов осуществления изобретения используется подложка (1), выполненная из полупроводникового материала, который имеют такую же или близкую кристаллическую структуру и такой же тип проводимости, что и примыкающий к нему слой полупроводникового материала варизонной структуры. As a base, in one of the embodiments of the invention, a substrate (1) is used, made of a semiconductor material that has the same or similar crystal structure and the same type of conductivity as the adjacent layer of graded-gap structure semiconductor material.
В некоторых вариантах осуществления изобретения полупроводниковая эпитаксиальная варизонная структура может быть выращена с обеих сторон подложки (на каждой плоскости) из полупроводникового материала таким образом, что имеют общее направление изменения работы выхода. Например, на подложке из GaAs п-типа проводимости выращивается варизонная структура GaAs-AIAs n-типа. А на противоположной стороне подложки выращивается варизонная структура GaAs-lnAs п- типа. Общий вид полученной структуры InAs-GaAs (подложка GaAs) GaAs-AIAs. In some embodiments of the invention, a semiconductor epitaxial graded-gap structure can be grown on both sides of a substrate (on each plane) of semiconductor material such that they have a common direction of change in work function. For example, an n-type GaAs-AIAs graded-gap structure is grown on a GaAs substrate with n-type conductivity. And on the opposite side of the substrate, a graded-gap n-type GaAs-lnAs structure is grown. General view of the resulting InAs-GaAs (GaAs substrate) GaAs-AIAs structure.
В качестве основания в другом варианте осуществления изобретения также может быть использовано металлическое основание с нанесенным на него слоем полупроводникового материала. Нанесение полупроводникового материала может быть осуществлено с помощью известных технологических методов напылением, диффузией, осаждением и другими. The base in another embodiment of the invention can also be a metal base coated with a layer of semiconductor material. The application of semiconductor material can be carried out using known technological methods: sputtering, diffusion, deposition and others.
В другом варианте осуществления изобретения основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала. In another embodiment of the invention, the base is a structure containing a metal layer coated with a varying structure from a metal to a semiconductor material.
Обе стороны термоэлектрического элемента выполнены с омическими контактами (3) с возможностью подключения к ним соединительных проводов для включения термоэлектрического элемента в электрическую цепь. Два омических контакта являются внешними поверхностями варизонной полупроводниковой структуры. Both sides of the thermoelectric element are made with ohmic contacts (3) with the possibility of connecting connecting wires to them to connect the thermoelectric element to the electrical circuit. The two ohmic contacts are the outer surfaces of the graded-gap semiconductor structure.
В изображенных вариантах выполнения омические контакты (3), в случае использования в качестве основания подложки из полупроводникового материала, представляют собой неразъёмное соединенные с внешними поверхностями варизонного полупроводника горизонтально ориентированные пластины, которые в предпочтительном варианте выполнения заявленного изобретения выполнены из алюминия. Омические контакты (3) могут быть выполнены из любого другого материала, который обладает высокой теплопроводностью, химической стойкостью и устойчивостью к действию высокой температуры. Омические контакты могут быть закреплены на соответствующих сторонах варизонного полупроводника с помощью спаивания, склеивания, механических средств или другими подобными способами. In the illustrated embodiments, the ohmic contacts (3), when used as a base of a substrate made of semiconductor material, are permanently connected to the external surfaces of the graded-gap semiconductor, horizontally oriented plates, which in the preferred embodiment of the claimed invention are made of aluminum. Ohmic contacts (3) can be made of any other material that has high thermal conductivity, chemical resistance and resistance to high temperatures. The ohmic contacts may be secured to the respective sides of the graded-gap semiconductor by soldering, bonding, mechanical means, or other similar methods.
В случае использования в качестве основания металлического слоя с нанесенным на него полупроводниковым слоем или структуры, содержащей металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала, металлический слой выступает в качестве омического контакта. Второй омический контакт выполнен, как описано выше. In the case of using a metal layer with a semiconductor layer deposited on it as a base, or a structure containing a metal layer with a varying structure from a metal to a semiconductor material deposited on it, the metal layer acts as an ohmic contact. The second ohmic contact is made as described above.
Для выполнения электрического соединения термоэлектрического полупроводника к внешней электрической цепи к каждому омическому контакту присоединен соединительный проводник. К первому омическому контакту термоэлектрического элемента, расположенного на торце со стороны основания, подключен первый соединительный проводник, ко второму омическому контакту, расположенному на другом торце термоэлектрического элемента, подключен второй соединительный проводник. При этом первый проводник подбирается таким образом, чтобы работа выхода первого проводника максимально совпадала с работой выхода материала первого омического контакта и с работой выхода полупроводникового материала подложки или работой выхода материала основания. А второй проводник подбирается таким образом, чтобы работа выхода второго проводника максимально совпадала с работой выхода материала второго омического контакта и с работой выхода полупроводникового материала варизонной структуры, примыкающей к проводнику через омический контакт. To make an electrical connection between the thermoelectric semiconductor and the external electrical circuit, a connecting conductor is connected to each ohmic contact. The first connecting conductor is connected to the first ohmic contact of the thermoelectric element, located at the end of the thermoelectric element, and the second connecting conductor is connected to the second ohmic contact, located at the other end of the thermoelectric element. In this case, the first conductor is selected in such a way that the work function of the first conductor coincides as much as possible with the work function of the material of the first ohmic contact and with the work function of the semiconductor material of the substrate or the work function of the base material. And the second conductor is selected in such a way that the work function of the second conductor coincides as much as possible with the work function of the material of the second ohmic contact and with the work function of the semiconductor material of the graded-gap structure adjacent to the conductor through the ohmic contact.
В том случае, если варизонная структура выращена по обе стороны от подложки, то омические контакты располагаются на внешних плоскостях полученной структуры. В данном варианте осуществления первый и второй проводники выполнены таким образом, что работа выхода первого и второго проводника максимально совпадает с работой выхода материала соответственно первого и второго омического контакта и с работой выхода материала варизонной структуры, примыкающей к проводнику через соответствующий омический контакт. If the graded-gap structure is grown on both sides of the substrate, then the ohmic contacts are located on the outer planes of the resulting structure. In this embodiment, the first and second conductors are designed in such a way that the work function of the first and second conductor coincides as much as possible with the work function of the material of the first and second ohmic contact, respectively, and with the work function of the material of the graded-gap structure adjacent to the conductor through the corresponding ohmic contact.
Варизонная структура может иметь проводимость п-типа, p-типа или являться р-п- структурой с плавным легированием от p-типа к п-типу. The graded-gap structure can have n-type, p-type conductivity, or be a p-n structure with smooth doping from p-type to p-type.
В исполнении варизонной структуры с плавным изменением типа легирования от р- типа до n-типа акцепторной примесью для варизонного полупроводника p-типа является трехвалентен бор, а донорной примесью для варизонного полупроводника п -типа является пятивалентный фосфор, которые являются предпочтительными примесями для варизонных полупроводников, состоящих из кремния и германия. Однако в качестве акцепторной и донорной примесей могут быть использованы другие подобные материалы в соответствии с полупроводниковыми материалами, из которых состоят варизонные полупроводники. In the version of a graded-gap structure with a smooth change in the type of doping from p-type to n-type, the acceptor impurity for a p-type graded-gap semiconductor is trivalent boron, and the donor impurity for a n-type graded-gap semiconductor is pentavalent phosphorus, which are the preferred impurities for graded-gap semiconductors. 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 graded-gap semiconductors are composed.
Термоэлектрический элемент работает следующим образом. Контакты соединительных проводников А и Б подсоединяют, например, к преобразователю ток- напряжение, образуя электрическую цепь. На термоэлектрический элемент подаётся постоянный ток. The thermoelectric element works as follows. The contacts of connecting conductors A and B are connected, for example, to a current-voltage converter, forming an electrical circuit. The thermoelectric element is supplied with direct current.
Проводник А подобран таким образом, чтобы работа выхода проводника максимально совпадала с работой выхода материала омического контакта и работой выхода полупроводникового материала основания. Под воздействием приложенного поля электрон из проводника А через омический контакт и основание попадает в варизонный полупроводник и движется в сторону области с преобладанием полупроводника имеющего меньшую работу выхода. Conductor A is selected in such a way that the work function of the conductor coincides as much as possible with the work function of the ohmic contact material and the work function of the semiconductor base material. Under the influence of the applied field, an electron from conductor A, through the ohmic contact and the base, enters the graded-gap semiconductor and moves towards the region with a predominance of a semiconductor having a lower work function.
Поскольку работа выхода монотонно уменьшается, электрону для занятия места с меньшей работой выхода необходимо получить энергию извне. Часть этой энергии он черпает из приложенного внешнего электрического поля, а часть - поглощается из энергии фононных колебаний кристаллической решетки варизонной структуры. Пройдя варизонную структуру и омический контакт, электрон попадает в проводник Б. Проводник Б подобран таким образом, что работа выхода материала проводника совпадает с работой выхода омического контакта и работой выхода полупроводникового материала варизонного полупроводника, который к нему примыкает через омический контакт. Since the work function decreases monotonically, an electron needs to receive energy from the outside to occupy a place with a lower work function. It draws part of this energy from the applied external electric field, and part is absorbed from the energy of phonon vibrations of the crystal lattice of the graded-gap structure. Having passed graded-gap structure and ohmic contact, the electron enters conductor B. Conductor B is selected in such a way that the work function of the conductor material coincides with the work function of the ohmic contact and the work function of the semiconductor material of the graded-gap semiconductor, which is adjacent to it through the ohmic contact.
В зависимости от направления тока тепло поглощается (термоэлектрический элемент охлаждается) или выделяется (нагрев термоэлектрического элемента). Контакт А- , Б+ охлаждение А+, Б- нагрев. Depending on the direction of the current, heat is absorbed (the thermoelectric element is cooled) or released (the thermoelectric element is heated). Contact A-, B+ cooling A+, B- heating.
Охлаждающее устройство, подключение А-, Б+: в результате один конец нагревается, а другой охлаждается. Этот эффект может быть использован для активного охлаждения (для получения низких температур или для отвода тепла). Cooling device, connection A-, B+: as a result, one end is heated and the other is cooled. This effect can be used for active cooling (to obtain low temperatures or to remove heat).
С целью измерения эффекта охлаждения использовался метод лазерной термометрии. Этот метод обладает высокой точностью и позволяет регистрировать изменения температуры до 0,1 градуса. Исследовались следующие структуры: To measure the cooling effect, the laser thermometry method was used. This method is highly accurate and allows you to record temperature changes of up to 0.1 degrees. The following structures were studied:
Структура 1 представляет собой один слой твёрдого раствора lnxGai-xAs переменного состава, сформированный на подложке GaAs p-типа проводимости (с концентрацией примеси в подложке вблизи 1018 см-3). Structure 1 is a single layer of ln x Gaix As solid solution of variable composition, formed on a GaAs substrate of p-type conductivity (with an impurity concentration in the substrate of about 10 18 cm -3 ).
Толщина слоя: 10±0,5 мкм. Состав х непрерывно изменяется от значения х=0 на границе слоя 1 с подложкой р-GaAs до значения х=0,8 на поверхности. Layer thickness: 10±0.5 microns. The composition x continuously changes from the value x=0 at the boundary of layer 1 with the p-GaAs substrate to the value x=0.8 on the surface.
Структура 2 представляет собой один слой твёрдого раствора lnxGai.xAs переменного состава, сформированный на подложке GaAs p-типа проводимости (с концентрацией примеси в подложке вблизи 1018 см-3). Структура включает также систему буферных слоёв для согласования легирования. Structure 2 is a single layer of ln x Gai solid solution. x As of variable composition, formed on a GaAs substrate of p-type conductivity (with an impurity concentration in the substrate of about 10 18 cm -3 ). The structure also includes a system of buffer layers for doping matching.
Общая толщина слоя составила 4,6 мкм. Схема структуры, включающая уровни легирования, представлена в Таблице 1. The total layer thickness was 4.6 µm. A diagram of the structure, including doping levels, is presented in Table 1.
Таблица 1. Схема структуры 2 для исследования эффекта охлаждения
Figure imgf000008_0001
Table 1. Scheme of structure 2 for studying the cooling effect
Figure imgf000008_0001
В таблице приведены технологически заданные толщины слоёв и уровни легирования. Стрелка означает линейное изменение значения от величины, указанной слева, в начале слоя, до величины, указанной справа. При пропускании через каждую исследуемую структуру электрического тока определенной полярности происходит изменение температуры образца, приводящее к изменению коэффициента отражения, следовательно, меняется интенсивность лазерного излучения, попадающего в фоторезистор, что меняет номинал сопротивления, в результате чего происходит разбалансировка моста. Показания напряжения с мостовой схемы регистрируется. Исследованы зависимости температуры каждого образца от пропускаемого через нее тока. The table shows technologically specified layer thicknesses and alloying levels. The arrow means a linear change in value from the value indicated on the left, at the beginning of the layer, to the value indicated on the right. When an electric current of a certain polarity is passed through each structure under study, the temperature of the sample changes, leading to a change in the reflection coefficient; therefore, the intensity of the laser radiation entering the photoresistor changes, which changes the resistance value, resulting in an imbalance of the bridge. The voltage reading from the bridge circuit is recorded. The dependence of the temperature of each sample on the current passed through it was studied.
Показано, что сформированные структуры с изменяющейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов усиливают эффект охлаждения при пропускании через них тока определенной полярности. It is shown that formed structures with a changing work function in the direction of growth of the epitaxial structure throughout the entire range of compositions enhance the cooling effect when a current of a certain polarity is passed through them.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения. The invention has been described above with reference to a specific embodiment thereof. Other embodiments of the invention that do not change its essence as disclosed in this description may be obvious to those skilled in the art. Accordingly, the invention should be considered limited in scope only by the following claims.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Термоэлектрический элемент, содержащий варизонный полупроводник с изменяющейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенный на основании, при этом основание содержит полупроводниковый материал с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонного полупроводника, причем с двух противоположных сторон термоэлектрического элемента выполнены омические контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов для включения в электрическую цепь. 1. A thermoelectric element containing a graded-gap semiconductor with a varying work function in the direction of growth of the epitaxial structure over the entire composition range, grown on a base, wherein the base contains a semiconductor material with a work function equal to or close to the work function of the adjacent layer of semiconductor material of the graded-gap semiconductor , and on two opposite sides of the thermoelectric element there are ohmic contacts with the possibility of attaching connecting wires to them for inclusion in the electrical circuit.
2. Термоэлектрический элемент по п.1 , характеризующийся тем, что варизонный полупроводник имеет проводимость п-типа. 2. Thermoelectric element according to claim 1, characterized in that the graded-gap semiconductor has n-type conductivity.
3. Термоэлектрический элемент по п. 1, характеризующийся тем, что варизонный полупроводник имеет проводимость р-типа. 3. Thermoelectric element according to claim 1, characterized in that the graded-gap semiconductor has p-type conductivity.
4. Термоэлектрический модуль по п. 1, характеризующийся тем, что варизонный полупроводник является варизонной р-п-структурой с плавным легированием от р типа к п типу. 4. Thermoelectric module according to claim 1, characterized in that the graded-gap semiconductor is a graded-gap p-n structure with smooth doping from p type to n type.
5. Термоэлектрический модуль по любому из пунктов 1 - 5, характеризующийся тем, что работа выхода омических контактов совпадает или максимально приближена к работе выхода примыкающего полупроводникового материала с одной стороны и совпадает или максимально приближена к работе выхода, контактирующего с омическим контактом материала соединительного провода, с другой стороны. 5. Thermoelectric module according to any of points 1 - 5, characterized in that the work function of the ohmic contacts coincides with or is as close as possible to the work function of the adjacent semiconductor material on one side and matches or is as close as possible to the work function of the output in contact with the ohmic contact of the material of the connecting wire, on the other side.
6. Термоэлектрический элемент по п.1, характеризующийся тем, что основание является подложкой, выполненной из полупроводникового материала. 6. Thermoelectric element according to claim 1, characterized in that the base is a substrate made of semiconductor material.
7. Термоэлектрический элемент по п.6, характеризующийся тем, что полупроводниковый материал подложки имеет такую же или близкую кристаллическую структуру и такой же тип проводимости, что и примыкающий к нему слой полупроводникового материала варизонной структуры. 7. Thermoelectric element according to claim 6, characterized in that the semiconductor material of the substrate has the same or similar crystal structure and the same type of conductivity as the adjacent layer of semiconductor material of graded-gap structure.
8. Термоэлектрический элемента по п.п.6-7, характеризующийся тем, что содержит дополнительный варизонный полупроводник с изменяющейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенный на противоположной стороне подложке, причем эпитаксиальные варизонные структуры имеют общее направление изменения работы выхода. 8. Thermoelectric element according to claims 6-7, characterized in that it contains an additional graded-gap semiconductor with a varying work function in the direction of growth of the epitaxial structure throughout the entire range of compositions, grown on the opposite side of the substrate, and the epitaxial graded-gap structures have a common direction of change in work exit.
9. Термоэлектрический элемент по п.1 , характеризующийся тем, что основание является металлической структурой с нанесённым полупроводниковым материалом на нее. 9. Thermoelectric element according to claim 1, characterized in that the base is a metal structure with a semiconductor material deposited on it.
10. Термоэлектрический элемент по п.1, характеризующийся тем, что основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала. 10. Thermoelectric element according to claim 1, characterized in that the base is a structure containing a metal layer coated with a varying structure from metal to semiconductor material.
11. Термоэлектрический элементы по п.п.9,10, характеризующийся тем, что металлический слой структуры является омическим контактом. 11. Thermoelectric elements according to claims 9, 10, characterized in that the metal layer of the structure is an ohmic contact.
PCT/RU2022/000122 2022-04-15 2022-04-15 Thermoelectric element WO2023200356A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2022/000122 WO2023200356A1 (en) 2022-04-15 2022-04-15 Thermoelectric element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2022/000122 WO2023200356A1 (en) 2022-04-15 2022-04-15 Thermoelectric element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023200356A1 true WO2023200356A1 (en) 2023-10-19

Family

ID=88330089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/000122 WO2023200356A1 (en) 2022-04-15 2022-04-15 Thermoelectric element

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023200356A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2961475A (en) * 1957-05-29 1960-11-22 Rca Corp Solid-state charge carrier valve
BY7011C1 (en) * 2002-04-09 2005-06-30
WO2009015380A1 (en) * 2007-07-26 2009-01-29 Translucent Inc. Thermoelectric and pyroelectric energy conversion devices
WO2019240719A1 (en) * 2018-06-13 2019-12-19 Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ Thermoelectric cooling element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2961475A (en) * 1957-05-29 1960-11-22 Rca Corp Solid-state charge carrier valve
BY7011C1 (en) * 2002-04-09 2005-06-30
WO2009015380A1 (en) * 2007-07-26 2009-01-29 Translucent Inc. Thermoelectric and pyroelectric energy conversion devices
WO2019240719A1 (en) * 2018-06-13 2019-12-19 Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ Thermoelectric cooling element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0870337B1 (en) Fabrication of thermoelectric modules and solder for such fabrication
RU2419919C2 (en) Thermoelectric element
KR100581978B1 (en) Thermoelectric element
US3278811A (en) Radiation energy transducing device
Shakouri et al. Enhanced thermionic emission cooling in high barrier superlattice heterostructures
US3589946A (en) Solar cell with electrical contact grid arrangement
JP4896336B2 (en) Thermal diode for energy conversion
RU2008148931A (en) LOW SIZED THERMOELECTRICS MADE BY ETCHING SEMICONDUCTOR PLATES
KR100406247B1 (en) A method of manufacturing an ohmic contact and a semiconductor device having such an ohmic contact
KR20050000514A (en) Thermoelectric device utilizing double-sided peltier junctions and method of making the device
TW201138170A (en) Thermoelectric generating module
JPH02135786A (en) Solar battery cell
JP6976631B2 (en) Thermoelectric module and thermoelectric generator
US3359137A (en) Solar cell configuration
WO2023200356A1 (en) Thermoelectric element
US3441449A (en) Thermoelectric system
US10559738B2 (en) Pin coupling based thermoelectric device
KR102031961B1 (en) thermocouple for using metal-insulation transition
US4141136A (en) Method of fabricating semiconductor devices with a low thermal resistance and devices obtained by the method
US20190252593A1 (en) Thermoelectric conversion device and manufacturing method thereof
US20140007914A1 (en) Thermoelectric elements using metal-insulator transition material
KR102549143B1 (en) semiconductor thermoelectric generator
JPH11274581A (en) Thermoelectric conversion element and manufacture thereof
Henkels The fused silicon rectifier
EA041242B1 (en) SEMICONDUCTOR THERMOELECTRIC GENERATOR