close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15155

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15155
(13) C1
(19)
H 01L 35/28 (2006.01)
H 01L 31/04 (2006.01)
СОЛНЕЧНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНИК
(21) Номер заявки: a 20081591
(22) 2008.12.11
(43) 2010.08.30
(71) Заявитель: Сычик Василий Андреевич (BY)
(72) Автор: Сычик Василий Андреевич
(BY)
(73) Патентообладатель: Сычик Василий
Андреевич (BY)
(56) BY 9339 C1, 2007.
BY 9069 C1, 2007.
RU 2181468 C2, 2002.
JP 4280482 A, 1992.
JP 4343278 A, 1992.
BY 15155 C1 2011.12.30
(57)
Солнечный термоэлектрический холодильник, содержащий термоэлектрический элемент с p+-i-n-p+-структурой из широкозонного полупроводника, выполненной в виде совокупности сформированных на расстоянии от 50 до 100 мкм друг от друга столбиков
диаметром от 50 до 200 мкм и высотой от 50 до 150 мкм каждый, нижний p+-слой которой
представляет собой полупроводниковую подложку заданной толщины и размещен на
мелаллическом основании, n-слой выполнен толщиной от 0,6 до 0,9 Ld, где Ld - диффузионная длина электронов, а i-слой выполнен толщиной от 0,5 до 1,0 Ld, при этом на сформированный на i-слое верхний p+-слой указанной структуры, выполненный толщиной от
0,1 до 0,3 Ld, нанесен электропроводящий просветляющий оптически прозрачный слой,
электрически соединенный посредством внешнего металлического вывода с указанным
металлическим основанием, а суммарная толщина обедненных областей p+-i- и
i-n-переходов составляет от 0,5 до 0,9 Ld.
Фиг. 1
Изобретение относится к полупроводниковым термоэлектрическим холодильникам,
функционирующим на эффекте Пельтье, и может быть использовано в холодильных агрегатах бытовых и специальных холодильных аппаратов.
BY 15155 C1 2011.12.30
Известен солнечный термоэлектрический холодильник [1], который содержит несколько термоэлектрических модулей, каждый из которых состоит из множества объединенных попарно термоэлектрических элементов. На одной стороне каждого модуля
имеется рабочий канал, на другой стороне модуля размещен теплообменник. Такой полупроводниковый солнечный термоэлектрический холодильник обладает сложной конструкцией и небольшой температурой охлаждения.
Также известен солнечный термоэлектрический холодильник [2], включающий термоэлектрические преобразователи термопарного типа с радиаторными пластинами, вентиляционный блок и источник питания. Такой термоэлектрический холодильник обладает
сложной конструкцией и небольшой температурой охлаждения.
Прототипом предлагаемого устройства является солнечный термоэлектрический холодильник [3], который содержит ленту с проводящей полоской, из которой формируют
матрицу контактов для первой стороны термоэлектрического холодильника. Матрица
контактов прикреплена к изолирующей пластине, представляющей плату термопреобразователя. Термоэлектрические элементы p-n-типа проводимости, расположенные между
контактами платы и выводами, включают p-n-переход с примыкающими p- и n-полупроводниковыми областями и омическими контактами.
Недостатками прототипа являются:
а) сложная конструкция солнечного термоэлектрического холодильника, содержащая
множество элементов кроме полупроводникового p-n-преобразователя;
б) невысокая стабильность работы солнечного термоэлектрического холодильника изза большого числа коммутирующих соединений;
в) неэффективное использование активной фоточувствительной поверхности солнечного термоэлектрического холодильника, что приводит к существенному снижению эндотермической электрической энергии;
г) поскольку используется р-n-переход, например из германия, и высота потенциального барьера незначительна, то солнечный термоэлектрический холодильник обладает невысокой температурой охлаждения, причем по конструктивному исполнению он не может
осуществить прямое преобразование солнечной энергии в эндотермическую электрическую энергию.
Техническим результатом изобретения является преобразование солнечной энергии в
эндотермическую электрическую энергию, повышение активной фоточувствительной поверхности и повышение температуры охлаждения.
Поставленная задача достигается тем, что солнечный термоэлектрический холодильник, содержащий термоэлектрический элемент с p+-i-n-p+-структурой из широкозонного
полупроводника, выполненной в виде совокупности сформированных на расстоянии от 50
до 100 мкм друг от друга столбиков диаметром от 50 до 200 мкм и высотой от 50 до 150 мкм
каждый, нижний p+-слой которой представляет собой полупроводниковую подложку заданной толщины и размещен на металлическом основании, n-слой выполнен толщиной от
0,6 до 0,9 Ld, где Ld - диффузная длина электронов, а i-слой выполнен толщиной от 0,5 до
1,0 Ld, при этом на сформированный на i-слое верхний p+-слой указанной структуры, выполненный толщиной от 0,1 до 0,3 Ld, нанесен электропроводящий просветляющий оптически прозрачный слой, электрически соединенный посредством внешнего
металлического вывода с указанным металлическим основанием, а суммарная толщина
обедненных областей p+-i- и i-n-переходов составляет от 0,5 до 0,9 Ld.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструкция
солнечного термоэлектрического холодильника, а на фиг. 2 - его зонная диаграмма.
Конструктивно солнечный термоэлектрических холодильник (СТЭХ) состоит из полупроводниковой p+-i-n-p+-структуры, включающей нижний p+-слой 1 широкозонного полупроводника, представляющий полупроводниковую подложку и выполненный столбиковой структурой, на котором последовательно размещен n-слой 2, i-слой 3 собственной
2
BY 15155 C1 2011.12.30
проводимости, p+-слой 4, которые выполнены из того же широкозонного полупроводника.
На сильнолегированном p+-слое 4 сформирован электропроводящий слой 5 из светопрозрачного материала, одновременно являющийся просветляющим слоем. На электропроводящий слой 5, являющийся омическим контактом к p+-слою 4 широкозонного
полупроводника, нанесен внешний металлический вывод 6. P+-слой 1 широкозонного полупроводника размещен на металлическом основании 7, являющийся внешним выводом
СТЭХ.
N-слой 2 широкозонного полупроводника легирован донорной примесью с концентрацией (1016 ÷ 1017) см-3, с p+-слоем 1 он создает резкий p-n-переход. Его толщина выбирается из условия плавного монотонного снижения энергии экстрагируемых через
i-n-переход электронов до энергии свободных электронов в n-слое 2 широкозонного полупроводника без повышения в нем температуры. Как показали результаты эксперимента,
толщина n-слоя 2 широкозонного полупроводника составляет (0,6 ÷ 0,9)Ld, где Ld - диффузионная длина электронов.
i-слой 3 солнечного термоэлектрического холодильника формируется из широкозонного полупроводника, обладающего высокой подвижностью носителей, большим временем жизни, низкой концентрацией собственных носителей заряда и возможностью
создавать в его объеме сильнолегированные слои, например из кремния или арсенида галлия. В нем под действием солнечного излучения генерируются пары электрон-дырка. Ширина i-слоя 3 определяется максимумом генерации носителей заряда и минимумом потерь
электронов, достигающих i-n-перехода, который обеспечивает дрейф электронов в
n-область СТЭХ и диффузию дырок к p+-слою 4 широкозонного полупроводника. Его ширина зависит от концентрации носителей в i-слое 3 и n-слое 2 широкозонного полупроводника и составляет величину (0,5 ÷ 1,0)Ld. i-слой 3 составляет с n-слоем 2 резкий
p-n-переход.
Сильнолегированный p+-слой 4 широкозонного полупроводника сформирован на
i-слое 3 путем введения акцепторной примеси с высокой концентрацией
NA ≅ (1020 ÷ 1021) см-3, создает с i-слоем 3 резкий переход, инжектирующий в p+-слой 4
фотогенерированные дырки в i-слое 3 и тормозящий движение электронов к p+-слою 4.
P+-слой 4 обладает малым электросопротивлением и обеспечивает омический контакт с
электропроводящим слоем 5 из светопрозрачного материала, например окиси оловаиндия, который одновременно является просветляющим слоем. P+-слой 4 выполнен толщиной (0,1 ÷ 0,3)Ld, а электропроводящий слой 5 выполнен толщиной 1 ÷ 1,5 микрон. На
электропроводящий слой 5 по контуру нанесен внешний омический вывод 6 из металла.
Нижний p+-слой 1 широкозонного полупроводника сильнолегирован до концентрации
NA ≅ (1020 ÷ 1021) см-3, он является полупроводниковой подложкой, обладая толщиной
(0,1 ÷ 0,2) мм. Своей нижней частью он с помощью электропроводящего клея жестко
установлен на металлическом основании 7, выполняющем функцию нижнего внешнего
электрода СТЭХ. Для увеличения активной поверхности фоточувствительной структуры
СТЭХ, что приводит к существенному увеличению плотности ее выходного тока и повышения степени охлаждения, ее активная поверхность выполнена столбиковой, причем
первичная столбиковая структура сформирована методом фотолитографии на p+-слое 1, то
есть на полупроводниковой подложке, на столбиковую поверхность которой последовательно методом газофазной эпитаксии нанесен n-слой 2, i-слой 3, p+-слой 4 и методом
ионного распыления электропроводящий слой 5 из светопрозрачного материала.
В соответствии с результатами расчета оптимальная высота столбиков диаметром
(50 ÷ 200) микрон составляет (50 ÷ 150) микрон, а расстояние между столбиками (50 ÷ 100) микрон. В результате суммарная площадь фоточувствительной структуры типа
p+-i повышается более чем в 5 раз, в таком соотношении возрастает плотность ее выходного тока и существенно возрастает степень охлаждения СТЭХ.
3
BY 15155 C1 2011.12.30
Для повышения коэффициента поглощения фотонов воздействующего солнечного излучения p+-i фоточувствительной структурой СТЭХ на поверхность p+-слоя 4 нанесен
слой электропроводящего материала из светопрозрачного материала, который выполняет
функцию просветляющего слоя, снижающего поверхностную рекомбинацию носителей
заряда на границе p+-слой 4 - электропроводящий слой 5. Толщина электропроводящего
слоя 5 из светопрозрачного материала (SnO, InO) составляет (1,0 ÷ 1,5) микрон. Верхний
вывод 6 СТЭХ электрически соединен с металлическим основанием 7 электрической перемычкой 8.
При контакте невырожденных полупроводников количество поглощаемой тепловой
энергии в p+-слое 1 от инжектированных в нее электронов из n-слоя 2 зависит от соотношения концентрации электронов в этих слоях (nn/np) с учетом того, что через i-n-переход
инжектированные из i-слоя 3 электроны практически переходят в n-слой 2 без потерь. Для
повышения высоты потенциального барьера n-p-перехода, определяющего разность энергий электронов на его границах, n-слой 2 легирован донорной примесью с концентрацией
примеси Nn ≅ 1016 ÷ 1017 см-3, а p+-слой 1 легирован акцепторной примесью с концентрацией NA ≅ (1020 ÷ 1021) см-3. Поскольку концентрация электронов в n-слое 2 при инжекции
фотогенерированных электронов из i-слоя 1 достигает 1019 см-3 и выше, а концентрация
собственных электронов p+-слоя 1 широкозонного полупроводника составит
Nn ≅ (107 ÷ 108) см-3, то соотношение Nn / Np ≅ 1010. Количество поглощаемого инжектированными электронами тепла в p+-слое 1 широкозонного полупроводника также зависит от
разности энергий инжектированных из n-слоя 2 электронов и энергии электронов в
p+-слое 1 широкозонного полупроводника, то есть от параметра:
A = W2/W1 ~ Eg,
где A - коэффициент, учитывающий соотношение энергии электронов в n-слое 2 W1 и p+слое 1 широкозонного полупроводника W2, Eg - ширина запрещенной зоны широкозонного полупроводника. Для структуры полупроводникового преобразователя солнечной энергии в холод на основе кремния коэффициент A ≅ 2,2.
Для обеспечения максимальной инжекции электронов из n-слоя 2 в p+-слой 1 широкозонного полупроводника через резкий n-p-переход и минимизацию потерь энергии
электронов в его обедненных областях суммарная толщина обедненных n- и p-областей
резкого перехода составляет (0,5 ÷ 0,7)Ld.
Солнечный термоэлектрический холодильник работает следующим образом. При воздействии квантов солнечного света, либо фотонов от других источников излучений на рабочую поверхность (p+-слой 4) фоточувствительной структуры СТЭХ со стороны
светопрозрачного омического контакта 5 фотоны с энергией Eν > Eg поглощаются в i-слое
3 широкозонного полупроводника, создавая в этом слое избыточную концентрацию электронов и дырок в соответствии с зависимостями:
(1)
∆n = βηIντn,
∆p = βηIντp,
где β - квантовый выход; η - коэффициент поглощения света в i-слое 3; Iν интенсивность солнечного излучения; τn, τp - время жизни избыточных электронов и дырок.
Избыточные носители устремляются к i-n-переходу, разделяются его полем, причем
электроны дрейфуют в n-слой 2 широкозонного полупроводника, а дырки - к p+-слою 4
широкозонного полупроводника, захватываются его полем и переносятся в омический
контакт.
Вследствие разделения зарядов на i-n-переходе возникает фотоЭДС Ud, максимальное
значение которой при холостом ходе:
kT
In (Iф / Is ) ,
Ud max =
(2)
e
4
BY 15155 C1 2011.12.30
и течет ток через i-n-переход, обусловленный оптически генерированными электронами и
дырками:
eUd


Ia = Is exp(
) − 1 − Iф .
(3)
kT


Здесь Iф - максимальная плотность фототока, соответствующая данной освещенности;
Is - ток насыщения p-n-перехода.
В общем случае при заданной интенсивности света фототок, обусловленный избыточными носителями заряда с концентрациями ∆n и ∆p, определяется выражением:
(4)
Iф = e(∆nµn + ∆pµp)Ud.
Нагрузкой фотоЭДС, формируемой при поглощении солнечного излучения, является
резкий n-p+-переход, внешний электрический вывод которого закорочен на металлическое
основание 5, причем это напряжение Ud является прямым напряжением, прикладываемым
к n-p+-переходу.
Напряжение Ud прямой полярности и градиент концентрации носителей в n-слое 2
широкозонного полупроводника обеспечивают инжекцию электронов из n-слоя широкозонного полупроводника 2 через резкий n-p+-переход в p-слой 1, причем плотность тока
через него описывается зависимостью:
eUd


Ia = Is exp(
) − 1 ,
(5)
nkT


где Is - ток насыщения; e, k, T - соответственно заряд электрона, постоянная Больцмана,
температура; n = 1 ÷ 1,5 - поправочный коэффициент.
При последовательном соединении i-n- и n-p+-переходов их ток является общим, то
есть Ia ≅ Iф.
Инжектирующие в p-слой 1 широкозонного полупроводника через резкий
n-p+ переход электроны на расстоянии диффузионной длины Ld поглощают из кристаллической решетки этого слоя энергию и повышают ее до величины энергии в p+-слое 1. В
результате отбора электрической энергии инжектированными электронами от кристаллической решетки p+-слоя 1 ее температура и соответственно температура СТЭХ понижается. Величина поглощаемой тепловой энергии определяется зависимостью:
Q = ПIt,
(6)
+
где П - коэффициент Пельтье, I = Ia ⋅ S - ток, протекающий через резкий n-p -переход широкозонного полупроводника с суммарным сечением столбиковой структуры S; t - время
протекания тока.
Коэффициент Пельтье для n-p-перехода из невырожденных полупроводников определяется из зависимости:
kT n n
П=A
,
ln
(7)
e
np
где A - коэффициент, учитывающий соотношение энергий электров в p- и n-областях; nn и
np - концентрация собственных электронов в n- и p-областях p-n-перехода. Для предлагаемой p+-i-n-p+ -структуры коэффициент A = 2,0, а отношение ln(nn/np) ≥ 6.
Поэтому с учетом (7) поглощаемая тепловая энергия солнечным термоэлектрическим
холодильником по сравнению с устройствами-аналогами при одинаковых значениях величин I и t возрастает в:
N = 2,0 ⋅ 10/6 ≥ 3 раза.
Повышение стабильности работы предложенного устройства в сравнении с аналогами
заключается в существенном упрощении его конструкции и использовании в качестве
теплопоглощающей области широкозонного полупроводника.
Создано экспериментальное устройство - солнечный термоэлектрический холодильник, выполненный структурой p+-i-n Si резкий p-n-переход и n-p+ Si резкий p-n-переход с
5
BY 15155 C1 2011.12.30
омическими контактами, электрически соединенными с металлическим основанием 7.
P+-слой 4 и p+-слой 1 выполнены на кремнии, легированном бором до концентрации
NA ≅ 5 ⋅ 1020 см-3, толщина p+-слоя 4 составляет 0,2 мкм. i-слой 3 представляет собственный кремний толщиной 1 мкм, iSi-nSi переход выполнен плавным шириной 1,2 мкм, на
нем и на n-слое 2 снижается энергия фотоэлектронов до уровня энергии электронов в
n-слое кремния. Этот n-слой легирован донорной примесью - фосфором до ND ≅ 1017 см-3 и
сформирован толщиной 0,8 мкм. Суммарная толщина резкого nSi-p+Si перехода составляет 0,5 микрон. P+-слой 1 кремния сформирован путем легирования подложки бором с концентрацией NA ≅ 5 ⋅ 1020 см-3. Его толщина выбрана с учетом полного поглощения
инжектированными из n-слоя 2 электронами энергии ее решетки и составляет 0,1 мм. Металлическое основание выполнено из алюминия толщиной 1 мм сечением S = 1 см2.
P+-i-n-p+-структура выполнена столбиковой, состоит из столбиков высотой 100 микрон,
диаметром 100 микрон и расстоянием между столбиками 50 микрон. В результате эффективная поверхность фоточувствительной p+-i-структуры в 5 раз выше поверхности
нестолбиковой структуры. Внешний электрический вывод 6 представляет слой Al + Ni
толщиной 2 мкм, шириной 1 мм по периметру края проводящего слоя и соединен с алюминиевым основанием 7 алюминиевой перемычкой 8.
Экспериментальный солнечный термоэлектрический холодильник при интенсивности
солнечного излучения 70 мВт/см2 позволяет получать предельную температуру охлаждения ≥ -6 °С, расчетная надежность безотказной работы устройства составляет 105 часов.
Для прототипа эти параметры соответственно составляют +10 °С и 2⋅104 часов.
На базе предлагаемого устройства при использовании матрицы элементов может быть
создан солнечный термохолодильник требуемых объемов охлаждения и температур.
Технико-экономические преимущества предлагаемого солнечного термоэлектрического холодильника в сравнении с базовым устройством-прототипом и аналогами:
1. Более чем в 5 раз возрастает предельная температура охлаждения и фоточувствительная поверхность.
2. Более чем в 4 раза повышается стабильность работы устройства.
Источники информации:
1. Патент США 4134803, МПК4 H 01L 35/28, 1987.
2. А.с. СССР 1791874, МПК5 H 01L 35/28, 1993.
3. Патент BY 9339 C1, 2007.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
247 Кб
Теги
by15155, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа