ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ ИЗДЕЛИЕ Российский патент 2002 года по МПК H01L35/02 H01L35/32 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и, более конкретно, к термоэлектрическим устройствам, основанным на эффектах Пельтье и Зеебека - термоэлектрическим генераторам, охлаждающим и нагревательным устройствам, и к полупроводниковым изделиям из кристаллических материалов с определенной структурой, предназначенным для таких термоэлектрических устройств.

Известны термоэлектрические устройства, содержащие полупроводниковые изделия p-типа, изготовленные из первого кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей параллельное или близкое к параллельному расположение слоев, полупроводниковые изделия n-типа, изготовленные из второго кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей параллельное или близкое к параллельному расположение слоев, и электроды, с которыми соединены соответствующие поверхности полупроводниковых изделий (RU 2120684 С1, 1998, кл. МПК(6) H 01 L 35/00, 35/16, 35/32). В этих известных термоэлектрических устройствах поверхности полупроводниковых изделий, соединенные с электродами, расположены перпендикулярно слоям кристаллических материалов, из которых изготовлены полупроводниковые изделия.

Известны также полупроводниковые изделия для термоэлектрических устройств указанного выше типа, изготовленные из кристаллического материала типа A_VB_VI со слоистой структурой, имеющей параллельное или близкое к параллельному расположение слоев, и выполненные с гранями, покрытыми электропроводными слоями (RU 2120684 С1, 1998, кл. МПК(6) H 01 L 35/00, 35/16, 35/32). В этих известных полупроводниковых изделиях каждая грань, покрытая электропроводным слоем, расположена перпендикулярно слоям кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие.

Такие известные термоэлектрические устройства с такими полупроводниковыми изделиями имеют удовлетворительную механическую прочность при воздействии на них механических и термических нагрузок, несмотря на относительно невысокую механическую прочность самих полупроводниковых изделий, входящих в состав термоэлектрических устройств.

Для повышения эффективности термоэлектрических устройств желательна оптимизация их массогабаритных показателей и электрофизических и теплофизических свойств. Улучшение массогабаритных показателей термоэлектрического устройства может быть достигнуто путем уменьшения высоты входящих в термоэлектрическое устройство полупроводниковых изделий (расстояния между коммутационными поверхностями - противолежащими гранями изделий, покрытыми электропроводными слоями и соединенными с электродами). Однако, при уменьшении высоты полупроводниковых изделий происходит уменьшение их электрического сопротивления и относительное увеличение тепловых потерь, ухудшающих работу термоэлектрического устройства. Кроме того, уменьшению высоты полупроводниковых изделий препятствуют технологические факторы, а именно - поскольку при таком расположении слоев материала и граней полупроводникового изделия, подлежащих покрытию электропроводными слоями, указанные грани могут быть получены только путем разрушающей обработки, например, путем разрезания заготовки полупроводниковых изделий, минимальная высота полупроводникового изделия ограничена недостаточной механической прочностью материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие. Кроме того, при разрушающей обработке полупроводникового изделия под его обработанной поверхностью может образоваться дефектный слой, отрицательное влияние которого на электрофизические и теплофизические свойства термоэлектрического устройства возрастает при уменьшении высоты полупроводниковых изделий, входящих в состав термоэлектрического устройства.

Задачей настоящего изобретения является создание термоэлектрических устройств, обладающих оптимальным сочетанием массогабаритных показателей, электрофизических и теплофизических свойств, и создание полупроводниковых изделий для таких термоэлектрических устройств.

Эта задача решена тем, что в термоэлектрическом устройстве, содержащем, по меньшей мере, одно полупроводниковое изделие p-типа, изготовленное из первого кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей, по существу, параллельное расположение слоев, по меньшей мере, одно полупроводниковое изделие n-типа, изготовленное из второго кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей, по существу, параллельное расположение слоев, и, по меньшей мере, один электрод, причем каждое полупроводниковое изделие выполнено с поверхностью, соединенной с указанным электродом, согласно изобретению соединенная с указанным электродом указанная поверхность, по меньшей мере, одного из указанных полупроводниковых изделий расположена, по существу, параллельно слоям кристаллического материала, из которого изготовлено указанное полупроводниковое изделие.

При таком выполнении термоэлектрического устройства может быть уменьшена высота входящих в его состав полупроводниковых изделий, изготовленных из материалов, у которых электропроводность и теплопроводность в направлении, перпендикулярном слоям материалов, ниже, чем вдоль слоев материалов. Это позволяет уменьшить удельные плотности тока и тепловые потоки между полупроводниковыми изделиями и электродами и, следовательно, уменьшить тепловые потери в термоэлектрическом устройстве. Кроме того, при таком выполнении термоэлектрического устройства на его электрофизические и теплофизические свойства оказывает меньшее отрицательное влияние неоднородность слоев материалов, из которых изготовлены входящие в его состав полупроводниковые изделия. В результате происходит улучшение электрофизических и теплофизических свойств термоэлектрического устройства как в режиме работы термогенератора, так и в режиме работы термоэлектрического охлаждающего или нагревательного устройства.

Целесообразно, чтобы соединенные с указанным электродом указанные поверхности обоих указанных полупроводниковых изделий p-типа и n-типа были расположены, по существу, параллельно слоям кристаллических материалов, из которых изготовлены указанные полупроводниковые изделия.

Поставленная задача решена также тем, что в полупроводниковом изделии для термоэлектрического устройства, изготовленном из кристаллического материала со слоистой структурой типа A_VB_VI, имеющей, по существу, параллельное расположение слоев, и выполненном с, по меньшей мере, одной гранью, покрытой электропроводным слоем, согласно изобретению указанная грань расположена, по существу, параллельно слоям кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие. Такое выполнение полупроводникового изделия позволяет уменьшить его высоту - расстояние между двумя противолежащими гранями, по меньшей мере одна из которых покрыта электропроводным слоем.

Целесообразно, чтобы полупроводниковое изделие было выполнено со второй гранью, покрытой электропроводным слоем и расположенной, по существу, параллельно первой указанной грани.

Целесообразно также, чтобы указанная грань, покрытая электропроводным слоем, была образована поверхностью кристаллического материала, полученной в результате его кристаллизации и свободной от последующей разрушающей обработки. При таком выполнении исключено образование под поверхностью грани дефектного слоя, отрицательно влияющего на электрофизические и теплофизические свойства термоэлектрического устройства.

На приложенных чертежах показано:
на фиг. 1 - термоэлектрическое устройство, вид сбоку;
на фиг. 2 - полупроводниковое изделие, общий вид;
на фиг. 3 - вид по стрелке А на фиг. 2.

Как показано на фиг. 1, термоэлектрическое устройство 1 содержит полупроводниковое изделие 2 p-типа, полупроводниковое изделие 3 n-типа и электрод 4, соединенный с обоими полупроводниковыми изделиями 2 и 3. Термоэлектрическое устройство 1 может содержать несколько полупроводниковых изделий 2, 3 и электродов 4, т.е. может образовывать батарею термоэлементов.

Показанное на фиг. 1 полупроводниковое изделие 2 изготовлено в виде моно- или поликристалла из первого кристаллического материала со слоистой структурой и выполнено с поверхностью 5, покрытой электропроводным слоем (не обозначен) и соединенной с электродом 4, и с противолежащей поверхностью 6, покрытой электропроводным слоем (не обозначен). Слои 7a -7d кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие 2, имеют параллельное или близкое к параллельному расположение между собой. Показанное на фиг. 1 полупроводниковое изделие 3 изготовлено в виде моно- или поликристалла из второго кристаллического материала со слоистой структурой и выполнено с поверхностью 8, покрытой электропроводным слоем (не обозначен) и соединенной с электродом 4, и с противолежащей поверхностью 9, покрытой электропроводным слоем (не обозначен). Слои 10a - 10d кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие 2, имеют параллельное или близкое к параллельному расположение между собой. На фиг. 1 условно показано и обозначено только несколько слоев кристаллических материалов, из которых изготовлены полупроводниковые изделия 2, 3, действительное число указанных слоев может быть большим, чем показано и обозначено. Поверхности 5, 6 полупроводникового изделия 2 имеет параллельное или близкое к параллельному расположение по отношению к слоям 7a - 7d. Поверхности 8, 9 полупроводникового изделия 3 имеет параллельное или близкое к параллельному расположение по отношению к слоям 10a - 10d.

Полупроводниковое изделие 2 (фиг. 2 и 3) изготовлено в виде моно- или поликристалла из кристаллического материала типа A_VB_VI со слоистой структурой, имеющей параллельное или близкое к параллельному расположение слоев 7a - 7d между собой. На фиг. 2 и 3 условно показано и обозначено только несколько слоев кристаллических материалов, из которых изготовлено полупроводниковое изделие 2, действительное число указанных слоев может быть большим, чем показано и обозначено. Полупроводниковое изделие 2 выполнено с противолежащими гранями 5, 6, которые имеют параллельное или близкое к параллельному расположение между собой и по отношению к слоям 7a - 7d кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие 2. Грань 5 (или обе грани 5, 6) образована поверхностью кристаллического материала, полученной в результате его кристаллизации и свободной от последующей разрушающей обработки, и покрыта (покрыты) электропроводным слоем 11 (электропроводными слоями 11, 12). Высота полупроводникового изделия 2 (расстояние между противолежащими гранями 5, 6) меньше, чем ширина каждой грани 5, 6.

Полупроводниковое изделие 3 выполнено аналогично полупроводниковому изделию 2.

Термоэлектрическое устройство 1 работает следующим образом.

Термоэлектрическое устройство 1 включают в электрическую цепь (не показана на чертежах) через электроды (не показаны на чертежах), соединенные с поверхностями 6, 9 полупроводниковых изделий 2, 3. При пропускании тока через термоэлектрическое устройство 1 возникает в результате эффекта Пельтье разность температур между протволежащими поверхностями соответственно 5, 6 и 8, 9 полупроводниковых изделий 2, 3. 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 5, 6 и 8, 9 полупроводниковых изделий 2, 3 в последних в результате эффекта Зеебека возникает электрическое напряжение, и устройство работает в качестве термоэлектрического генератора.

Благодаря тому, что при работе термоэлектрического устройства ток проходит в направлении, перпендикулярном слоям кристаллических материалов, из которых изготовлены полупроводниковые изделия, входящие в состав термоэлектрического устройства, повышено электрическое сопротивление полупроводниковых изделий, несмотря на относительное уменьшение их высоты, и уменьшены удельные плотности тока и тепловые потоки между полупроводниковыми изделиями и электродами, в результате уменьшены суммарные тепловые потери в термоэлектрическом устройстве и, следовательно, улучшена его эффективность.

При этом влияние тепловых потерь, ухудшающих показатели работы термоэлектрического устройства, становится меньше по отношению к термоэлектрическому эффекту, особенно при работе устройства в режиме термоэлектрического генератора.

Повышению эффективности термоэлектрического устройства способствует также то, что благодаря указанному расположению слоев материалов, из которых изготовлены полупроводниковые изделия, входящие в состав термоэлектрического устройства, уменьшено отрицательное влияние неоднородности указанных материалов и дефектных слоев указанных материалов на электрофизические и теплофизические свойства термоэлектрического устройства.

Улучшению массогабаритных показателей термоэлектрического устройства способствует относительно малая высота входящих в его состав полупроводниковых изделий.

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

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам, основанным на эффектах Пельтье и Зеебека. Полупроводниковое изделие для термоэлектрического устройства изготовлено из кристаллического материала типа A_VB_VI со слоистой структурой, имеющей параллельное расположение слоев, и выполнено с противолежащими гранями, покрытыми электропроводными слоями и расположенными параллельно слоям кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие. Грань, покрытая электропроводным слоем, образована поверхностью кристаллического материала, полученной в результате его кристаллизации и свободной от разрушающей обработки. Изобретение повышает эффективность термоэлектрических устройств. 3 ил.

Полупроводниковое изделие для термоэлектрического устройства, изготовленное из кристаллического материала типа A_VB_VI со слоистой структурой, имеющей, по существу, параллельное расположение слоев, и выполненное с, по меньшей мере, одной гранью, покрытой электропроводным слоем и расположенной, по существу, параллельно слоям кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие, отличающееся тем, что указанная грань, покрытая электропроводным слоем, образована поверхностью кристаллического материала, полученной в результате его кристаллизации и свободной от последующей разрушающей обработки.