ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ИЗДЕЛИЕ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК H01L35/00 H01L35/16 H01L35/32 

1. Область техники
Изобретение относится к полупроводниковой технике и, более конкретно, к полупроводниковым изделиям из кристаллических материалов с определенной структурой и к термоэлектрическим устройствам с такими полупроводниковыми изделиями и может быть использовано в термоэлектрических приборах, основанных на эффектах Пельтье и Зеебека.

2. Предшествующий уровень техники.

При создании термоэлектрических приборов, основанных на эффектах Пельтье и Зеебека - термоэлектрических генераторов, охлаждающих и нагревательных устройств - существует проблема обеспечения как хороших преобразующих свойств, так и достаточной их механической прочности.

Используемые в известных термоэлектрических приборах известные полупроводниковые изделия с проводимостью p-типа и n-типа, изготовленные из кристаллических материалов типа A_VB_VI со слоистой структурой, имеющих плоскости спайности между слоями, и выполненные в форме многогранника, имеющего по меньшей мере одну пару параллельных граней, обладают существенной разницей прочностных, электрофизических и теплофизических свойств в разных направлениях относительно плоскостей спайности (см. A.D. Belava, S.A. Zavakin, V. S. Zemskov "Mechanical properties of Bi-Sb singe crystals solid solutions grown by Czachralski metod", XIV International Conference on Thermoelectrics Trancsactions, June 27-30, 1995, St. Petersburg, Russia, p. 37 - 41).

Известные полупроводниковые изделия обладают низкой прочностью и могут растрескиваться по плоскостям спайности кристалллического материала под действием силовых и термических нагрузок, из-за чего возникают проблемы как при изготовлении термоэлектрических устройств с такими изделиями, так и при работе таких термоэлектрических устройств.

Известны также термоэлектрические устройства, содержащие по меньшей мере одно полупроводниковое изделие p-типа, изготовленное из первого кристаллического материала со слоистой структурой, по меньшей мере одно полупроводниковое изделие n-типа, изготовленное из второго кристаллического материала со слоистой структурой, и по меньшей мере один электрод, соединенный с обоими полупроводниковыми изделиями p-типа и n-типа (см. книгу "Термоэлектрические охладители" под ред. А.Л. Вайнера, Москва, изд. "Радио и связь", 1983, стр. 21, рис. 1.8).

Такие устройства на основе известных полупроводниковых изделий из-за низкой прочности последних не обладают оптимальным сочетанием прочностных, электрофизических и теплофизических свойств.

3. Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание полупроводниковых изделий, преимущественно для термоэлектрических устройств, и термоэлектрических устройств, и термоэлектрических устройств на основе таких полупроводниковых изделий, обладающих оптимальным сочетанием прочностных, электрофизических и теплофизических свойств.

Эта задача решена тем, что в полупроводниковом изделии, преимущественно для термоэлектрических устройств, изготовленном из кристаллического материала типа A_VB_VI со слоистой структурой, имеющего плоскости спайности между слоями, и выполненном в форме многогранника, имеющего по меньшей мере одну пару параллельных граней, согласно изобретению все плоскости спайности слоев кристаллического материала, из которого изготовлено изделие, расположены относительно указанных параллельных граней под углами не более чем 7^o.

При таком выполнении полупроводникового изделия в случае его растрескивания по плоскости спайности слоев монокристалла или плоскостям спайности слоев блоков монокристаллов, из которых оно образовано, сохраняются его электрофизические и теплофизические свойства и незначительно уменьшается прочность устройства, в котором использовано такое полупроводниковое изделие, благодаря тому, что оно сохраняет способность передавать механические усилия.

Целесообразно, чтобы указанные параллельные грани полупроводникового изделия были образованы поверхностями кристаллического материала, полученными в результате его кристаллизации и свободными от последующей разрушающей обработки. Такое выполнение полупроводникового изделия дополнительно улучшает его прочностные, а также электрофизические и теплофизические свойства.

В одном варианте выполнения полупроводникового изделия каждая грань указанной пары параллельных граней может быть выполнена в виде прямоугольника. В этом случае размер одной из сторон указанного прямоугольника может быть по меньшей мере на порядок больше размера второй из сторон указанного прямоугольника, расположенного перпендикулярно первой стороне.

В другом варианте выполнения полупроводникового изделия каждая грань указанной пары параллельных граней может быть выполнена в виде трапеции.

Полупроводниковое изделие может быть выполнено со второй парой граней, расположенных, по существу, перпендикулярно указанным плоскостям спайности слоев кристаллического материала. При этом грани второй пары могут быть образованы поверхностями кристаллического материала, полученными путем разрушающей обработки, например путем резания. Кроме того, по меньшей мере часть поверхности по меньшей мере одной из граней второй указанной пары может быть покрыта по меньшей мере одним электропроводным слоем.

Поставленная задача в отношении термоэлектрического устройства в целом решена тем, что в термоэлектрическом устройстве, содержащем по меньшей мере одно полупроводниковое изделие p-типа, изготовленное из первого кристаллического материала со слоистой структурой, по меньшей мере одно полупроводниковое изделие n-типа, изготовленное из второго кристаллического материала со слоистой структурой, и по меньшей мере один электрод, соединенный с обоими полупроводниковыми изделиями p-типа и n-типа, согласно изобретению все слои кристаллических материалов, из которых выполнены полупроводниковые изделия, взаимно расположены под углами не более чем 7^o.

При таком выполнении термоэлектрического устройства в случае растрескивания любого полупроводникового изделия по границам слоев материала, из которого изготовлено это изделие, сохраняются электрофизические и теплофизические свойства устройства и незначительно уменьшается его прочность благодаря тому, что части полупроводникового изделия сохраняют способность передавать механические усилия.

Целесообразно, чтобы в таком термоэлектрическом устройстве каждое полупроводниковое изделие p-типа и n-типа было выполнено в виде бруска, имеющего первую поверхность, соединенную с электродом, вторую и третью противолежащие поверхности, расположенные перпендикулярно первой указанной поверхности и имеющие каждая форму прямоугольника с соотношением длинн попарно противолежащих сторон, отличающимся по меньшей мере на порядок, и все слои кристаллического материала, из которого изготовлено каждое полупроводниковое изделие, были расположены относительно его второй и третьей указанных противолежащих поверхностей под углами не более чем 7^o.

Вышеуказанные полупроводниковое изделие и термоэлектрическое устройство связаны между собой единым изобретательским замыслом, обеспечивающим достижение оптимального сочетания прочностных, электрофизических и теплофизических свойств полупроводникового изделия и термоэлектрического устройства в целом.

4. Краткое описание фигур чертежей.

На приложенных чертежах показаны: на фиг. 1 - полупроводниковое изделие - общий вид, первый вариант; на фиг. 2 - вид по стрелке A на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез B-B на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез C-C на фиг. 2 в увеличенном масштабе; на фиг. 5 - полупроводниковое изделие - общий вид, второй вариант; на фиг. 6 - вид по стрелке D на фиг. 5; на фиг. 7 - термоэлектрическое устройство, вид сбоку; на фиг. 8 - разрез E-E на фиг. 7; на фиг. 9 - разрез F-F на фиг. 7.

5. Варианты осуществления изобретений
На фиг. 1 - 4 показан первый вариант осуществления полупроводникового изделия согласно изобретению. Как показано на фиг. 1, полупроводниковое изделие 1 имеет форму многогранника с парой параллельных граней 2, 3. Полупроводниковое изделие 1 изготовлено из кристаллического материала типа A_VB_VI, например из твердого раствора Bi - Te, имеющего состав с легирующими примесями или без них, обеспечивающий получение проводимости p-типа или n-типа. Полупроводниковое изделие 1 представляет собой обработанный монокристалл или блочный кристалл. Кристаллический материал, из которого изготовлено полупроводниковое изделие 1, имеет слоистую структуру с плоскостями спайности 4¹-4^IV (фиг. 3 и 4) как между слоями внутри каждого монокристалла или блока, так и между кристаллическими блоками (на фиг. 3 и 4 условно показаны и обозначены только несколько плоскостей спайности 4¹ - 4^IV из имеющихся в кристаллическом материале). Параллельные грани 2, 3 (фиг. 1 - 4) образованы поверхностями кристаллического материала, полученными в результате его кристаллизации и свободными от последующей разрушающей обработки, например путем резания или иного разрушения поверхностного слоя. Все плоскости спайности 4¹ - 4^IV слоев кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие 1, расположены относительно параллельных граней 2, 3 под углами α,β не более чем 7^o. Каждая грань 2, 3 (фиг. 2) полупроводникового изделия 1 выполнена в форме прямоугольника. Размер a первой из сторон (не обозначена) этого прямоугольника по меньшей мере на порядок (т.е. в десять и более раз) больше размера b второй из сторон (не обозначена) этого прямоугольника, расположенного перпендикулярно первой стороне.

Полупроводниковое изделие 1 (фиг. 1 - 4) выполнено со второй парой граней 5, 6, расположенных по существу перпендикулярно плоскостям спайности 4¹ - 4^IV слоев кристаллического материала (фиг. 4). Грани 5, 6 (фиг. 1 - 4) образованы поверхностями кристаллического материала, полученными путем разрушающей обработки, например путем резания. Часть поверхности или вся поверхность одной из граней 5, 6 или обеих граней 5, 6 может быть покрыта одним электропроводным слоем 7 и/или 8 или несколькими электропроводными слоями (не показаны и не обозначены).

На фиг. 5 - 6 показан второй вариант осуществления полупроводникового изделия согласно изобретению. Как показано на фиг. 5, полупроводниковое изделие 1', изготовленное из того же материала, что и полупроводниковое изделие 1, показанное на фиг. 1 - 4, имеет форму многогранника с парой параллельных граней 2' - 3', и второй парой граней 5' - 6', расположенных так же, как грани 5 - 6 полупроводникового изделия 1. Каждая грань 2' - 3' выполнена в форме трапеции. В полупроводниковом изделии 1' расположение плоскостей спайности между слоями кристаллического материала (не показаны и не обозначены на фиг. 5 и 6) относительно граней 2', 3' и расположение граней 5' - 6' относительно плоскостей спайности такое же, как в полупроводниковом изделии 1, показанном на фиг. 1 - 4. Часть поверхности или вся поверхность одной из граней 5', 6' или обеих граней 5' - 6' также может быть покрыта электропроводным слоем 7', 8' или несколькими электропроводными слоями.

При изготовлении описанных полупроводниковых изделий после кристаллизации материала типа A_VB_VI, представляющего собой твердый раствор Bi - Te с легирующими примесями или без них, или иной материал того же типа, получают пластину, имеющую две расположенные на заданном расстоянии одна от другой параллельные поверхности, относительно которых плоскости спайности кристаллического материала расположены под углами не более чем 7^o. Полученную пластину разрезают перпендикулярно плоскостям спайности кристаллического материала на заготовки и затем разрезают заготовки на изделия, имеющие описанную форму многогранников, оставляя необработанными две параллельные грани каждого изделия. В процессе обработки полученных пластин до окончательного разрезания заготовок или после разрезания заготовок на изделия, имеющие указанную форму, поверхности заготовок или изделий, полученные в результате разрушающей обработки (резания), могут покрывать электропроводными слоями, выполненными из соответствующих материалов.

Полученное полупроводниковое изделие благодаря описанному расположению плоскостей спайности слоев кристаллического материала обладает повышенной прочностью и, даже в случае растрескивания по плоскостям спайности, сохраняет способность передавать механические усилия.

На фиг. 7 - 9 показано термоэлектрическое устройство согласно изобретению.

Термоэлектрическое устройство содержит полупроводниковое изделие 10 p-типа, полупроводниковое изделие 11 n-типа и электрод 12, соединенный с обоими полупроводниковыми изделиями 10, 11.

Термоэлектрическое устройство может содержать несколько полупроводниковых изделий 10, 11 и электродов 12 (не показано на чертежах), т.е. может образовывать батарею термоэлементов.

Полупроводниковое изделие 10 изготовлено из первого кристаллического материала со слоистой структурой. Полупроводниковое изделие 11 изготовлено из второго кристаллического материала со слоистой структурой. Все слои 13¹ - 13^IV, 14¹ - 14^IV (фиг. 9) кристаллических материалов, из которых изготовлены изделия 10, 11, взаимно расположены под углами не более, чем 7 ^o (на фиг. 8 и 9 условно показаны и обозначены только несколько слоев 13¹ - 13^IV, 14¹ - 14^IV из имеющихся в кристаллических материалах, из которых изготовлены полупроводниковые изделия 10, 11).

Полупроводниковое изделие 10 (фиг. 8 - 9) выполнено в виде бруска, имеющего первую поверхность 15, соединенную с электродом 12, вторую и третью противолежащие поверхности 16, 17, расположенные перпендикулярно поверхности 15. Полупроводниковое изделие 11 также выполнено в виде бруска, имеющего первую поверхность 18, соединенную с электродом 12, вторую и третью противолежащие поверхности 19, 20, расположенные перпендикулярно поверхности 18. Каждая из поверхностей 16, 17 и 19, 20 имеет форму прямоугольника с соотношением длин c и d попарно противолежащих сторон (не обозначены), отличающимся по меньшей мере на порядок, т.е. в десять и более раз (фиг. 7). Полупроводниковое изделие 10 имеет также четвертую поверхность 21, противолежащую поверхности 15, и полупроводниковое изделие 11 имеет четвертую поверхность 22, противолежащую поверхности 18 (фиг. 8).

Все слои кристаллического материала, из которого выполнено каждое полупроводниковое изделие 10, 11, расположены относительно поверхностей соответственно 16, 17 и 19, 20 под углами не более чем 7^o (фиг. 9).

Термоэлектрическое устройство может быть включено в электрическую цепь через электроды (не показаны и не обозначены на чертежах), соединенные с поверхностями 21, 22 полупроводниковых изделий 10, 11.

Описанное термоэлектрическое устройство работает следующим образом.

При пропускании тока через термоэлектрическое устройство в результате эффекта Пельтье возникает разность температур между противолежащими поверхностями соответственно 15 - 21 и 18 - 22 полупроводниковых изделий 10, 11. В зависимости от направления тока одна из указанных поверхностей каждого полупроводникового изделия нагревается, а другая - охлаждается, и термоэлектрическое устройство работает одновременно в качестве нагревательного и охлаждающего. При внешнем нагреве одних из указанных противолежащих поверхностей и охлаждении других из указанных противолежащих поверхностей 15 - 21 и 18 - 22 полупроводниковых изделий 10, 11 в последних в результате эффекта Зеебека возникает электрическое напряжение, и устройство работает в качестве термоэлектрического генератора. Благодаря повышенной механической прочности описанного термоэлектрического устройства улучшена его работа в тяжелых условиях при воздействии механических и термических нагрузок и, тем самым, обеспечено оптимальное сочетание прочностных, электрофизических и теплофизических свойств.

6. Промышленная применимость
Изобретение может быть применено в термоэлектрических генераторах, охлаждающих и нагревательных устройствах, а также в измерительных и иных устройствах.

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к полупроводниковым изделиям для термоэлектрических устройств и термоэлектрическим устройствам и может быть использовано в термоэлектрических приборах, основанных на эффектах Пельтье и Зеебека. Полупроводниковое изделие, изготовленное из кристаллического материала типа A_V B_VI со слоистой структурой, имеющего плоскости спайности между слоями, выполнено в форме многогранника, имеющего первую пару параллельных граней, вторую пару параллельных граней, расположенную по существу перпендикулярно поверхностям спайности. Плоскости спайности расположены относительно параллельных граней первой пары под углами не более 7^o. Параллельные грани первой пары образованы поверхностями кристаллического материала, полученными в результате его кристаллизации и свободными от последующей разрушающей обработки, а параллельные грани второй пары получены путем разрушающей обработки. Термоэлектрическое устройство, содержащее по меньшей мере одно полупроводниковое изделие p-типа, изготовленное из первого кристаллического материала со слоистой структурой, и по меньшей мере одно полупроводниковое изделие n-типа, изготовленное из материала со слоистой структурой. Каждое полупроводниковое изделие выполнено в виде бруска, имеющего первую поверхность, соединенную с электродом, вторую и третью противолежащие поверхности, расположенные перпендикулярно первой поверхности. Все слои кристаллического материала, из которого изготовлено каждое полупроводниковое изделие, расположены относительно его второй и третьей указанных поверхностей под углом не более чем 7^o. При таком выполнении в случае растрескивания любого полупроводникового изделия по границам слоев материала сохраняются электрофизические и теплофизические свойства устройства и незначительно уменьшается его прочность. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Термоэлектрическое устройство, содержащее по меньшей мере, одно полупроводниковое изделие p-типа, изготовленное из первого кристаллического материала со слоистой структурой, по меньшей мере одно полупроводниковое изделие n-типа, изготовленное из второго кристаллического материала со слоистой структурой, и по меньшей мере один электрод, соединенный с обоими полупроводниковыми изделиями p-типа и п-типа, причем каждое полупроводниковое изделие выполнено в виде бруска, имеющего первую поверхность, соединенную с электродом, вторую и третью противолежащие поверхности, расположенные перпендикулярно первой указанной поверхности, отличающееся тем, что все слои кристаллического материала, из которого изготовлено каждое полупроводниковое изделие, расположены относительно его второй и третьей указанных поверхностей под углом не более чем 7^o. 2. Полупроводниковое изделие для термоэлектрического устройства, изготовленное из кристаллического материала типа Av Bvi со слоистой структурой, имеющего плоскости спайности между слоями, и выполненное в форме многогранника, имеющего первую пару параллельных граней, вторую пару параллельных граней, расположенную, по существу, перпендикулярно указанным поверхностям спайности, отличающееся тем, что все указанные плоскости спайности расположены относительно параллельных граней первой указанной пары под углами не более 7^o. 3. Изделие по п. 2, отличающееся тем, что параллельные грани первой указанной пары образованы поверхностями кристаллического материала, полученными в результате его кристаллизации и свободными от последующей разрушающей обработки, а параллельные грани второй указанной пары получены путем разрушающей обработки, например путем резания. 4. Изделие по п. 2, отличающееся тем, что по меньшей мере часть поверхности по меньшей мере одной из граней второй указанной пары покрыта по меньшей мере одним электропроводным слоем.