ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО С ОХЛАЖДАЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2010 года по МПК H01L35/32 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к полупроводниковым приборам и, в частности, полупроводникам, используемым для формирования термоэлектрического эффекта Пельтье с целью охлаждения электронных компонентов.

Уровень техники

Термоэлектрические охладители (охладители Пельтье) и их использование для охлаждения электронных элементов и устройств хорошо известны. Однако их обычное применение заключается в использовании нескольких термоэлементов, находящихся в контакте с двумя плоскими элементами. Таким образом, существует "горячая" плоскость и "холодная" плоскость, пространственно удаленные друг от друга. Указанная система без изменений используется во всех конфигурациях, использующих эффект Пельтье. Кроме того, термоэлектрический охладитель и охлаждаемое устройство обычно электрически изолированы друг от друга. Таким образом, они соединены термически, но относятся к разным электронным цепям. Ток, протекающий через термоэлектрический охладитель, не имеет связи с током, протекающим через охлаждаемое устройство.

При том что системы и изобретения, известные из уровня техники, разработаны для достижения конкретных целей и решения определенных задач, известные концепции имеют ограничения, препятствующие их использованию другими, возможными в настоящее время, путями. Указанные известные изобретения, относящиеся к уровню техники, не используются и не могут быть использованы для реализации преимуществ и задач настоящего изобретения.

Раскрытие изобретения

Авторами настоящего изобретения предлагаются термоэлектрические охладители, объединенные с обычным электронным прибором или устройством и имеющие объемные приспособления для улучшения теплового рассеяния.

Термоэлектрические охладители оснащены термоэлементами особого профиля. Указанные полупроводниковые элементы соответствующим образом дополнены для обеспечения функций охлаждения/нагрева с использованием эффекта Пельтье и также имеют форму, обеспечивающую отвод тепла от источника тепла в радиальном направлении к периферийной области. Таким образом, большая зона утилизации тепла более эффективно охлаждает малую зону устройства генерации тепла. Дополнительно, в некоторых вариантах тепло также отводится от малой области пространства охлаждающей поверхности для разделения поверхности, смещенной относительно них. Кроме того, некоторые варианты содержат специальные электронные приспособления, посредством которых охлаждающая система и охлаждаемая система относятся к одной электронной схеме. Следует упомянуть, что термоэлектрические элементы могут быть запитаны тем же самым током, что и охлаждаемый электронный прибор. Последовательная электронная цепь дает возможность использовать один и тот же протекающий в цепи ток для питания электронного прибора и обеспечения охлаждающего эффекта.

В наилучшем случае реализации, светоизлучающий диод расположен между каждым из термоэлементов в системе с несколькими парами. Таким образом, область светоизлучающего диода сформирована для обеспечения высокой производительности, тогда как ток направляется через последовательно соединенные дополнительные поочередно включенные термоэлектрические элементы для эффективного охлаждения. Указанная конфигурация существенно выигрывает за счет умножения, которое становится возможным при радиальном расположении, когда "горячая" зона Пельтье намного больше, чем пространство "холодной" зоны Пельтье.

Основной задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенной конструкции термоэлектрических охладителей.

Дополнительно, задачей настоящего изобретения является выполнение термоэлектрических охладителей, которые функционируют в прямой и непосредственной связи с их тепловой нагрузкой.

Дополнительной задачей является обеспечение сбалансированного охлаждающего эффекта в соответствии с необходимостью.

Для решения этих других задач предлагается электронное устройство, содержащее охлаждающий элемент, термически соединенный с охлаждаемым элементом. Охлаждающий элемент содержит группу полупроводниковых элементов, выполненных с возможностью возникновения термоэлектрического эффекта Пельтье при пропускании через них тока и имеющих непрямолинейную форму.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения каждый из указанных полупроводниковых элементов содержит два концевых участка, причем первый концевой участок расположен в центральной области, а второй концевой участок расположен в периферийной области общей схемы расположения элементов. Первый концевой участок имеет меньший размер, чем второй концевой участок. Полупроводниковые элементы расположены простирающимися в радиальном направлении из центральной области к периферийной области. Первые концевые участки полупроводниковых элементов являются участками термоэлектрического охлаждения, а вторые концевые участки полупроводниковых элементов являются участками термоэлектрического нагрева. Таким образом, центральная область является охлаждаемой, а периферийная область - нагреваемой. Центральная область термически соединена с по меньшей мере одним электронным прибором, который может представлять собой диод, например светоизлучающий диод, или матрицу светоизлучающих диодов.

Периферийная область может быть дополнительно соединена с теплоотводом.

Полупроводниковые элементы предпочтительно выполняют с асимметричной формой в третьем пространственном измерении с образованием вееровидного элемента, имеющего связанные области охлаждения и нагрева, причем область охлаждения имеет в основном другую форму проекции, чем область нагрева.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения предлагается электронное устройство, содержащее охлаждающий элемент, термически соединенный с охлаждаемым элементом. Охлаждающий элемент содержит группу полупроводниковых элементов, выполненных с возможностью возникновения термоэлектрического эффекта Пельтье при пропускании через них тока, а охлаждаемый элемент подключен с образованием последовательной электрической цепи с указанными полупроводниковыми элементами охлаждающего элемента.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения полупроводниковые элементы содержат легированный полупроводниковый материал Р-типа и легированный полупроводниковый материал N-типа, расположенные поочередно с прилеганием друг к другу.

Термоэлектрические элементы могут быть выполнены с увеличенным по глубине размером, то есть со смещением плоскости нагрева относительно плоскости охлаждения.

По меньшей мере два полупроводниковых элемента электрически подключены к указанному охлаждаемому элементу с образование последовательной электронной цепи. Полупроводниковые элементы расположены на каждой стороне указанного охлаждаемого элемента по отношению к последовательной электронной цепи, образованной комбинацией элементов, например с двух сторон охлаждаемого электронного прибора. Полупроводниковые элементы имеют "горячую сторону" и "холодную сторону" в соответствии с термоэлектрическим эффектом Пельтье. Указанная "холодная сторона" соединена с охлаждаемым элементом, который является электронным прибором в электрической схеме с прямым смещением или электронным прибором в электрической схеме с обратным смещением. Т.е. если прибор является диодом, он может иметь как положительное, так и отрицательное смещение. Таким образом, электронный охладитель Пельтье может быть выполнен совместно с электронным прибором, таким как диод.

Полупроводниковые элементы предпочтительно выполнены непрямоугольными и расходятся веерообразно в радиальном направлении.

Полупроводниковые элементы могут содержать соединители между полупроводниковыми парами с образованием термоэлектрических пар в соответствии с термоэлектрическим эффектом Пельтье, причем указанные соединители выполнены в виде кольцевых секций из металлического материала, прикрепленных к одному термоэлектрическому элементу Р-типа и одному элементу N-типа. При этом охлаждаемый элемент содержит один светоизлучающий диод на термоэлектрическую пару. Каждый из указанных полупроводниковых элементов может иметь концевые участки, содержащие группу пространственно распределенных контактных площадок для подключения и формирования соединения с электронным прибором типа "перевернутого кристалла".

Полупроводниковые элементы также предпочтительно выполнены нецилиндрическими и образуют несимметричную структуру в трех пространственных измерениях.

Полупроводниковые элементы могут быть соединены друг с другом через металлические проводники электрического тока, предпочтительно имеющие круглое сечение.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения предлагается электронное устройство, содержащее охлаждающий, элемент термически соединенный с охлаждаемым элементом. Охлаждающий элемент содержит группу полупроводниковых элементов, выполненных с возможностью возникновения термоэлектрического эффекта Пельтье при пропускании через них тока и имеющих непрямоугольную форму, а охлаждаемый элемент является электронным прибором, установленным и электрически подключенным с образованием последовательной электрической цепи с полупроводниковыми элементами охлаждающего элемента.

Полупроводниковые элементы предпочтительно имеют в основном клиновидную форму, причем заостренный или узкий конец образует зону охлаждения Пельтье, а противоположный широкий конец образует зону нагрева Пельтье.

Выше было приведен описание устройств и элементов, из которых они состоят в общем виде. Лучшее понимание изобретения может быть достигнуто при обращении к детальному описанию предпочтительных форм реализации изобретения со ссылками на приложенные чертежи. Представленные варианты реализации являются частными путями использования изобретения и не являются исчерпывающими. В связи с этим, могут существовать формы реализации, которые не отклоняются от сущности и раскрытия настоящего изобретения, сформулированного в формуле изобретения, но не приведены как частные примеры. Следует отметить, что возможно наличие большого множества альтернативных вариантов.

Эти и другие особенности, аспекты и преимущества настоящего изобретения будут лучше поняты при обращении к последующему описанию, приложенной формуле изобретения и чертежам.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является известной из уровня техники схемой общей реализации термоэлектрического охладителя и его тепловой нагрузки.

Фиг.2 иллюстрирует частный первый случай настоящего изобретения.

Фиг.3 представляет более детальное описание того же или похожего частного случая изобретения.

Фиг.4 иллюстрирует дополнительные особенности параллельного теплового соединения.

Фиг.5 отображает схему смещенного в обратном направлении приспособления, которое пригодно для работы совместно с настоящими изобретениями.

Фиг.6 является видом снизу особых компоновок, имеющих предпочтительную форму термоэлектрических элементов, соединенных последовательно с диодным устройством.

Фиг.7 иллюстрирует альтернативный вариант, в котором термоэлектрические элементы имеют специальную форму для возможности выполнения конфигурации с радиальным распределением.

Фиг.8 иллюстрирует особенности соединения в указанном предпочтительном варианте.

Фиг.9 является схемой компонента микросхемы с "перевернутым кристаллом", пригодного для объединения с конструкциями, показанными на предшествующих чертежах.

Фиг.10 показывает устройство, имеющее распределенные термоэлектрические элементы и микросхему с "перевернутым кристаллом", находящуюся в контактной близости с термоэлектрическими элементами с образованием последовательной электрической цепи.

Фиг.11 показывает частный случай пути протекания электрического тока.

Фигура 12 показывает разрез схемы с целью иллюстрации частных трехмерных термоэлектрических элементов.

Фиг.13 представляет вид в перспективе варианта, имеющего сконфигурированный в трех измерениях термоэлектрический элемент.

Осуществление изобретения

В соответствии с каждым из предпочтительных случаев изобретения предлагается термоэлектрический охладитель, объединенный с электронным устройством или устройствами. Следует отметить, что каждый из описанных случаев реализации изобретения может включать и термоэлектрический охладитель, и электронное устройство, а также компоненты одного предпочтительно варианта выполнения могут отличаться от компонентов другого предпочтительного варианта выполнения.

При обращении к чертежам можно получить более точное представление о настоящем изобретении. Фиг.1 иллюстрирует общий случай термоэлектрического охладителя в соединении с тепловой нагрузкой. Устройство предварительно изготовлено из термоэлектрических элементов, выполненных из полупроводникового материала Р-типа 1 и термоэлектрических элементов из полупроводникового материала N-типа 2. Указанные два типа полупроводников поочередным образом расположены в пространстве. Это обеспечивает приемлемый электрический контакт между элементами. Каждый элемент имеет "горячую сторону (поверхность)" и "холодную сторону" с точки зрения заранее заданного направления тока. Например, ток 4, показанный на Фиг.1, приводит к тому, что верхние поверхности материалов как Р-типа, так и N-типа являются охлаждаемыми сторонами. Поскольку электрическая цепь образуется с использованием металлических проводников 3, можно заметить, что ток через материал Р-типа протекает в противоположном направлении по отношению к току через элементы N-типа. Иногда говорится, что термоэлектрические элементы электрически расположены последовательным образом, в то время как являются термически соединенными параллельным образом. Керамический теплопровод 5 гарантирует, что тепло может быть передано около верхней части каждого из термоэлектрических элементов. Сходным образом, керамический элемент может термически соединять нижние части термоэлектрических элементов так, что они образуют параллельную термическую компоновку по отношению друг к другу. Тепловая нагрузка 6 является "охлаждаемым элементом", то есть устройством, для которого желательно охлаждение или управление температурой. Теплоотводящий радиатор 7 (теплоотвод) является устройством, которое принимает тепло и, в ряде случаев, передает тепло в окружающее пространство, в частности, путем конвекционных процессов.

Проводники 3 чередуются с термоэлектрическими элементами и формируют электрический контакт между ними. Переход "металл-полупроводник" обеспечивает необходимые физические условия, вызывающие термоэлектрический эффект Пельтье. Однако отсутствует специальная необходимость в проводнике, который лежит между любыми двумя элементами, кроме той, что он должен обеспечивать контакт между ними. Совершенно неважно, будет или нет возникать падение напряжения перед тем, как проводник сформирует контакт с последующим термоэлектрическим элементом. По этой причине проводник может быть заменен электронным прибором. Несомненно, электронный прибор, который потребляет то же ток, что и проходящий через термоэлектрический элемент, может также быть охлаждаемой тепловой нагрузкой.

Рассмотрим случай, когда металлический проводник заменен диодным электронным элементом.

Фиг.2 иллюстрирует первый вариант настоящего изобретения, где проводник заменен диодным электронным прибором с образованием последовательной цепи с несколькими термоэлектрическими элементами. Термоэлектрические элементы Р-типа 21 и термоэлектрические элементы N-типа 22 образуют поочередную компоновку. Ток I подводится к проводникам 23 для образования последовательной цепи через указанные элементы. Дополнительно диод 24 включен электрически последовательно по отношению к двум термоэлектрическим элементам и заменяет проводник. На "горячей стороне" остается компоновка из керамического теплопровода 25 и теплоотводящего радиатора 26 без изменения общей конструкции. Ток, протекающий через охлаждающий элемент, по необходимости, является таким же, что и ток, протекающий через охлаждаемый элемент, то есть диод.

Более детальный чертеж показывает, как конкретный диод, сформированный на полупроводниковых материалах, может быть расположен с последовательным электрическим контактом с охлаждающим элементом Пельтье. На Фиг.3 охлаждающий элемент состоит из охлаждающих элементов Пельтье Р-типа 31 и термоэлектрических элементов N-типа 32. Специальный светоизлучающий диод состоит из Р/N-пары 33 и 34. Тип указанного диода обеспечивает излучение света 35 при возбуждении током положительного смещения достаточного значения. При таком типе диода излучаемый свет пропорционален значению тока, протекающего через устройство. Светоизлучающий диод представлен здесь не для иллюстрации того, что тип элемента, заменяющего проводник, не является однозначно важным, а для того, чтобы проиллюстрировать то обстоятельство, что различные типы электронных приборов могут быть помещены в схему. В заключение, приемлемым образом нижние части термоэлектрических элементов термически соединены с керамической пластиной 36, которая, в свою очередь, находится в тепловом контакте с теплоотводящим радиатором 37. Внимательное изучение позволяет быстро выявить проблемы предложенной компоновки, представленной на Фиг.3. Несомненно, указанная компоновка имеет существенные недостатки. При удалении керамической пластины из теплопроводящего материала для обеспечения доступа для электрического приспособления термическое соединение между двумя верхними элементами (внешними элементами) также удаляется. Хотя верхние части указанных элементов продолжают охлаждаться в соответствии с током, протекающим через устройство, они больше не отводят тепло от охлаждаемого устройства, то есть, светоизлучающего диода. Для преодоления указанного недостатка выполняется специальное термическое соединение, представленное на Фиг.4.

Как и в предыдущем примере, охлаждающий элемент сформирован из чередующихся полупроводниковых элементов Р-типа 41 и N-типа 42, соединенных вместе с образованием последовательной электрической цепи через проводники 43 и светоизлучающий диод 44, являющийся охлаждаемым элементом. Термическое соединение между верхними частями всех термоэлектрических элементов сформировано через теплопроводы 45, которые отводят тепло от светоизлучающего диода и передают его к верхним частям внешних термоэлектрических элементов. Важно отметить, что указанные элементы, будучи хорошо проводящими с точки зрения теплопроводности, должны быть электрическими изоляторами. Для этих целей могут быть использованы некоторые керамические материалы. Указанные элементы могут быть сформированы различными способами, совместимыми с процессом изготовления электрического устройства, и выполнены из материалов, легко взаимодействующих в соединении друг с другом. По существу, такая "холодная сторона" каждого термоэлектрического элемента подключена к другим и соединена в последовательную электрическую цепь. Следует принять во внимание, что указанная схема только схематическая и точная геометрия реального устройства может принимать многие формы, которые выглядят не похожими на представленное изображение. На "горячей стороне", термическая площадка 46 соединяет нижние части термоэлектрических элементов теплоотводящим радиатором 47.

Фиг.5 иллюстрирует еще один тип электрического прибора, диод Зенера (стабилитрон) 51, то есть диод, работающий при обратном смещении. Термоэлектрические элементы 52 и 53 установлены, как показано на чертеже, и электрически соединены проводником 54 электрического тока. Диод Зенера имеет полупроводниковые материалы N-типа 55 и Р-типа 56, расположенные в обратном порядке, но сходным образом подключенные к термоэлектрическим элементам в центральной части компоновки. Термические площадки 57 соединяют верхние поверхности и нижние части термоэлектрических элементов с охлаждаемым элементом и теплоотводящим радиатором, соответственно. Приведенная иллюстрация также требует пояснения того, что различные компоновки элементов могут быть сконструированы для работы в последовательном электрическом соединении с термоэлектрическими охладителям, специально сформированными для этих целей.

Как было показано ранее, другая важная часть настоящего изобретения относится к различным размерам охлаждаемых элементов и к устройствам рассеяния тепла или теплоотводящим радиаторам (теплоотводами). Хотя, в общем случае, термоэлектрические охладители вообще имеют холодную сторону того же размера и формы, что и горячая сторона, устройства, соответствующие настоящим изобретениям, поддерживают весьма уникальную компоновку термоэлектрических элементов, которая позволяет "горячей стороне" быть намного большей в размере, чем "холодная сторона". Это еще более расширяет понятие рассеиваемого тепла эффективным путем. Указанная особенность может быть достигнута путем придания формы термоэлектрическим элементам. Действительно элементы, выполненные не с прямоугольными формами, обеспечивают весьма эффективную реализацию таких компоновок. Термоэлектрические элементы, известные из уровня техники, всегда выполняются с прямоугольными формами или цилиндрическими формами. В тех случаях, когда изобретения относятся к трехмерным компоновкам, предлагается выполнять термоэлектрические элементы нецилиндрическими.

Со ссылкой на Фиг.6, можно полностью оценить преимущества уникальной компоновки термоэлектрических элементов, имеющих непрямоугольную форму. Термоэлектрические элементы Р-типа 61 сформированы в виде угловых секторов (клиньев) пирога, простирающихся от центральной области по направлению к краю диска. Точно так же непрямоугольные термоэлектрические элементы N-типа 62 сформированы таким образом, чтобы иметь подобную форму. "Горячие стороны" элементов соответствует внешнему краю диска. Проводники 63 электрически соединяют каждый термоэлектрический элемент с расположенным рядом с ними для образования последовательного взаимодействия между ними, посредством чего ток проходит через один термоэлемент, затем через другой. Следует отметить, что проводники и на "холодной стороне" термоэлектрических элементов также расположены так, чтобы подключить термоэлектрический элемент Р-типа к термоэлектрическому элементу N-типа с образованием последовательной электронной цепи. С использованием в разумных пределах воображения можно понять, что диск 64 - теплоотводящий радиатор, который находится у основания комплекта элементов, простирающихся по направлению к внешней части плоскости страницы, на которой изображен чертеж. Термоэлектрические элементы, лежат в верхней части теплоотводящего радиатора и могут быть термически соединены с ним. В некоторых вариантах только край диска имеет значительное тепловое соединение с термоэлектрическими элементами. На рисунке это отражено в том, что спай полупроводник-металл сформирован как секция кольца, удаленного от центра диска. Центр диска 65 может быть электронным элементом. Указанная особенность показана здесь примером, изображенным как символ диода 66 для иллюстрации подключения к электросети, при этом подразумевается, что используемый в реальном устройстве прибор имеет физический выступ, который может занимать существенную область на чертеже. Хотя участок, обозначенный диском 65, наиболее ясно иллюстрирует диодный прибор, предпочтительные фактические варианты могут содержать диоды, имеющие прямоугольную форму. Это не влияет ни на конфигурацию чертежа, ни на режим работы прибора существенным образом. Для большей ясности следует сказать, что участок 65 представлен как охлаждаемый элемент, например диод. Охлаждаемый элемент может быть выполнен в верхней части термоэлектрических элементов, несомненно, стопка слоев формирует законченный прибор, такой, что область охлаждаемого элемента хорошо термически соединена с холодными сторонами термоэлектрических элементов и находится в контакте и непосредственной близости с ними. Кроме того, электрические контакты охлаждаемого элемента или показанного на этом примере диода могут быть выполнены таким образом, чтобы завершить последовательную электрическую цепь посредством термоэлектрических элементов. Специальные электрические соединения 67 показывают, где сформирован электрический контакт между охлаждаемым элементом и некоторыми из термоэлектрических элементов. Другие термоэлектрические элементы электрически связаны в точках 68 с электрической управляющей цепью, которая питает током все устройство. Следует отметить, что точки соединения 68 электрически изолированы от диода через изоляционную пленку, не показанную на чертеже, а диод связан электрически только с точками, обозначенными как 67.

Можно тщательно проследить за путем тока от символа батареи через каждый элемент устройства, что и было сделано в настоящем описании. От положительного вывода батареи ток втекает в первый термоэлектрический элемент в переход металл - полупроводник Р-типа с образованием охлаждающего эффекта. Ток покидает указанный термоэлектрический элемент через переход полупроводник Р-типа - металл и вызывает нагрев перехода на периферийной части сборки.

Указанное тепло может быть передано на излучающий теплоотводящий радиатор. Ток течет через металлический проводник к прилегающему термоэлектрическому элементу, который является полупроводником N-типа. Электрический ток направляется через другой переход металл - полупроводник, однако на этот раз переход имеет противоположный тип - переход металл - N-тип. Здесь электрическая активность фактически является переносом положительных носителей заряда или "дырок" ("holes"), переносящих тепловую энергию к данному переходу. Указанная тепловая энергия накапливается и передается от наиболее узкой части того же самого N-элемента его перехода металл - полупроводник. Ток протекает через другой Р-элемент и дугой N-элемент, вызывая при прохождении каждого перехода охлаждение и нагревание соответственно. В конце концов, ток входит в диодное устройство. В диодном переходе может быть возбуждена соответствующая активность, например излучение света. Как уже было сказано, отсутствует необходимость, чтобы устройство было диодом, и оно может быть комплексным электронным прибором, таким как микротранзистор или другой электронный прибор. После прохождения через электронный прибор ток снова входит в цепь термоэлектрических элементов сначала Р-типа, затем N-типа и так далее. В конце концов, ток находит обратный путь назад, к источнику тока.

Будет полезно дополнительно коснуться переноса тепловой энергии более подробно. Тепловая энергия, вырабатываемая в электронном приборе, может быть весьма значительной. Эта тепловая энергия отводится к холодным частям термоэлектрических элементов, то есть к наконечникам каждого углового сектора, которые находятся в хорошем тепловом контакте с электронным прибором, в этом примере - с диодом. Указанная тепловая энергия быстро рассеивается в радиальном направлении носителями заряда, как электронами, так и "дырками", и передается на теплоотводящий радиатор на специально выполненных переходах "металл-полупроводник" на периферийной части устройства. Таким образом, высокопроизводительный электронный прибор, ограниченный параметрами перегрева, может функционировать при более высоких значениях рабочих параметров, чем в случае, когда тепловая энергия имеет тенденцию накапливаться в приборе.

Пример, представленный на фиг.6, имеет особенную симметрию и изображен для ясности и понимания без рассмотрения эффективности. Можно оценить, что чередующаяся геометрия улучшает функциональные возможности и является предпочтительной в реальных приборах. Лучший вариант осуществления этих изобретений включает случай, представленный на фиг.7-10. В этом варианте, асимметричные компоновки термоэлектрических элементов выполнены таким образом, что они отводят тепло радиально от центральной части по направлению к периметру диска. Следует отметить, что периметр диска состоит из намного большей области, чем центральная, что обязательно имеет место при дисковых конфигурациях. Также, следующие примеры иллюстрируют весьма специфические случаи, где совокупность электронных элементов объединена с термоэлектрическими охлаждающими элементами. В этом случае, матрица светоизлучающих диодов выполнена последовательно с чередующимися термоэлектрическими элементами.

Фиг.7 иллюстрирует специфическую компоновку полупроводниковых термоэлектрических элементов N- и Р-типа. Эти элементы могут быть образованы на дисковой подложке, такой как кремниевая пластина, используемая в стандартных технологиях для формирования полупроводниковых материалов. Показанные две точно двумерные формы являются просто хорошими вариантами для полезного выполнения рассмотренных здесь приборов. Следует также принять во внимание, что существуют другие подобные конфигурации, которые приводят к достижению того же эффекта без отклонения от сущности настоящего изобретения. Толщина полупроводникового материала может быть однородна по всей поверхности диска. В этом отношении указанные конфигурации иногда обозначаются как "двухмерные". В случае, если толщина термоэлектрических элементов изменяется как функция расстояния в направлении, перпендикулярном плоскости платы, такие конфигурации именуются "трехмерные".

Подложка пластины, на которой могут быть выполнены полупроводниковые материалы, может быть изготовлена в виде основания в форме диска 71. Поскольку кремниевые пластины являются обычным материалом, с которого начинается технология производства полупроводников, здесь следует указать, что другие материалы могут дать дополнительные преимущества. В любом случае, полупроводниковый материал, легированный таким образом, что кристалл имеет недостаток электронов, то есть оставлен с "дырочными" носителями, образует термоэлектрические элементы Р-типа 72. Точно так же полупроводниковый материал, легированный таким образом, что кристалл имеет избыточные электроны или отрицательно заряженные носители, образует термоэлектрические элементы N-типа 73. В некоторых предпочтительных случаях выполнения материалы на основе Вi₂Те₃ используются для формирования термоэлементов, то есть термоэлектрических элементов как Р-, так и N-типа. Смеси на основе SiGe и SiGeC также были использованы с образованием интересных комбинаций.

Специальный элемент N-типа 74 и специальный элемент Р-типа 75 использованы в указанной схеме для выполнения контактных средств и баланса пар "соединений", как это показано здесь. Указанные имеющие специальную форму элементы могут быть соединены с металлическими подводящими проводниками для обеспечения средств подвода электрической энергии ко всему устройству.

Для более полного понимания всего устройства нужно сосредоточить внимание на природе сущности схемы, образованной элементами устройства. В частности, термоэлектрические элементы должны образовать последовательную электрическую цепь. В частности, в устройстве выполнены специальные соединители для электрического подключения элементов Р-типа к элементам N-типа на периферийном краю диска. Обратимся к фиг.8 и указанным на ней цифровым ссылкам. Те же самые термоэлектрические элементы, что и на фиг.7, выполнены на пластине 81, причем элементы из материала Р-типа 82 и материала М-типа 83 чередуются так, что соседние элементы с обеих сторон выполнены из материала противоположного типа. Специальные металлические соединители 84 формируют электрический контакт между парами Пельтье. Металлические соединители являются критической частью механизма Пельтье. Ток, протекающий из материала Р-типа в металлический проводник, вызывает нагревание. Сходным образом ток, протекающий из металлического проводника в материал N-типа, также вызывает нагревание. Обратное действие, то есть охлаждение, возникает, когда ток вытекает из N-типа и втекает в Р-тип.

Для этих целей специальные соединительные площадки 85 выполнены на термоэлектрических элементах в центральной части диска. К этим соединительным площадкам можно подключить металлический проводник, соединив две площадки с образованием соединения с прилегающим материалом противоположного типа. В качестве альтернативного варианта можно поместить в электрическую цепь дискретный электронный компонент, такой как светоизлучающий диод. Два выводных проводника диода могут быть включены между N- и Р-термоэлектрическими элементами. Кроме того, диод без других металлических выводов, кроме полупроводникового материала, из которого состоит диод, может быть прикреплен к площадкам 85. В этом случае, Р-часть диода подключается к термоэлектрическому элементу М-типа и N-часть диода подключается к термоэлектрическому элементу Р-типа. В представленном примере есть пять пар прокладок, к которым могут быть подключены светоизлучающие диоды. Таким образом, для завершения последовательной электрической цепи в данном варианте пять светоизлучающих диодов прикреплены к контактным точкам 85.

Для еще более лучшего понимания данной схемы рассмотрим матрицу светоизлучающих диодов, представленную на Фиг.9. С использованием так называемой технологии "перевернутого кристалла" пять отдельных полупроводниковых областей светоизлучающих диодных устройств сформированы на одной подложке. Пластина 91 из кремния, кремнеуглерода или другого материала может нести структуру, поверх которой может быть выполнена диодная матрица. Посредством процессов, таких как химическое осаждение из паровой фазы, молекулярный эпитаксиальный пучок, или других процессов выращивается материал, образующий PN-переход диода. В некоторых диодах это может быть сделано с использованием материалов, таких как InGaN. Легирующий материал, образующий участки N-типа 92, и легирующий материал, образующий участки Р-типа частям 93, являются основой диодной структуры. Представленная схема предполагает наличие проходов между всеми дискретными диодами и, несомненно, предполагается, что существует электрическая изоляция между всеми пятью диодами. В контакте с диодными частями Р-типа и N-типа сформирована осаждением специальная контактная площадка 94. Эти контактные площадки могут быть выполнены из AuSn, сплава золота с оловом, или других проводящих материалов, пригодных для обработки ударом или другой приемлемой термокомпрессией. При выполнении микросхемы в соответствии с раскрытой конфигурацией, она может быть объединена с описанным ранее подготовленным термоэлектрическим охладителем. Фиг.10 иллюстрирует диодную матрицу, объединенную со специально выполненной системой Пельтье.

Диодная матрица с "перевернутым кристаллом" выполнена в соответствии заданной геометрией. Кроме того, сформирован многоэлементный термоэлектрический охладитель с термоэлектрическими элементами заданной формы, причем каждый термоэлектрический элемент имеет первый концевой (краевой) участок малого размера, расположенный в центре относительно диска, и, кроме того, второй концевой участок, расположенный на периферии того же самого диска. Эти два элемента объединены и сжаты между собой, в связи с чем контактные площадки формируют электрический контакт между диодными элементами и термоэлектрическими элементами с образованием цельной последовательной электронной цепи. В соответствии с Фиг.10 все устройство заключено внутри периметра 101 диска. Перевернутый кристалл 102 содержит матрицу из пяти отдельных светоизлучающих диодных элементов, расположенных в соответствии с заданной геометрией. Соединители 103 между термоэлектрическими элементами (парами) 104 расположены на периферии диска и покрывают существенный периферийный участок. Вся цепь имеет два крайних вывода или полюса - "положительный" 105 и "отрицательный" 106. К этим подводящим проводникам можно приложить потенциал для формирования электрического тока, протекающего через все элементы комбинированного прибора, включая каждый из диодов 107. Более внимательное рассмотрение показывает, что каждый из диодов подключен к двум термоэлектрическим элементам, одному Р-типа и одному N-типа, через соединительные площадки 108 и 109 соответственно.

Поскольку чертеж содержит много элементов, что делает сложным визуализацию пути протекания тока, на Фиг.11 представлена дополнительная информация в этой части. Фиг.11 является иллюстрацией, на которой скомбинировано устройство 11 и показанный для целей иллюстрации пунктирной линией 112 путь протекания тока. От положительного вывода 113 ток протекает сначала через термоэлектрический элемент N-типа, затем через первый светоизлучающий диод, термоэлектрический элемент Р-типа, периферийный соединитель, термоэлектрический элемент N-типа, второй светоизлучающий диод, следующий термоэлектрический элемент Р-типа, следующий периферийный соединитель, термоэлектрический элемент N-типа, центральный диод, термоэлектрический элемент Р-типа, периферийный соединитель, элемент N-типа, диод, следующую пару Пельтье, пятый диод и, наконец, термоэлектрический элемент Р-типа, прикрепленный к отрицательному полюсу подводящего вывода устройства. Специалисты в области термоэлектрических охладителей могут подтвердить, что на периферийных соединениях происходит нагревание, а на каждом внутреннем соединении совершается охлаждающее действие. Тепловая энергия, выделяемая на светоизлучающих диодах, таким образом, переносится от центра диска к периферии диска с помощью тока через термоэлектрические элементы. Тот же самый ток, что возбуждает охлаждающее действие Пельтье, используется для управления диодными устройствами, поскольку сформирована чередующаяся цепь из диодов и пар Пельтье.

Предложенные устройства в отличие от обычно используемых термоэлектрических охладителей не имеют "горячую сторону" и "холодную сторону". Кроме того, предложенные устройства имеют особую геометрию для поддержания перетока тепловой энергии в радиальном направлении от источника или источников тепловой энергии. Геометрии известных термоэлектрических элементов включают только прямолинейные термоэлектрические элементы и, таким образом, не могут считаться пригодными для охлаждающего воздействия, раскрытого в настоящем изобретении. Кроме того, эти устройства используют две раздельные электронные цепи - одну для систем охлаждения и одну для устройства, которое охлаждается; обычно такими устройствами являются дискретные электронные устройства. Токи, протекающие через указанные изолированные системы, известные из уровня техники, не являются общими для указанных систем. Таким образом, "горячая сторона" предложенных весьма специфических термоэлектрических охладителей вообще не является стороной, а, скорее, периферией диска.

Хотя представленные выше примеры при обращении к чертежам (Фиг.7-10) являются ясными и исчерпывающими, будет полезно рассмотреть еще один важный вариант. В дальнейшем возможно расширение сферы применения концепции сконфигурированного термоэлектрического элемента на "трехмерные" элементы. Наряду с тем, что тонкие элементы или "двухмерные" элементы, представленные на Фиг.6, являются с технической точки зрения цилиндрами, имеющими непрямолинейное сечение, термоэлектрические элементы могут быть также выполнены в виде нецилиндрических элементов.

Фиг.12 и 13 иллюстрируют указанные специальные термоэлектрические элементы. На Фиг.12 локальный разрез показывает сформированный термоэлектрический элемент с нецилиндрической симметрией. Первый элемент Р-типа 121 сдвоен с термоэлектрическим элементом N-типа 122 с образование охлаждающей пары. Как показано на чертеже, оба этих термоэлектрических элемента сформированы сужающимися в радиальном направлении. С перпендикулярного вида, то есть вида сверху, элемент может дополнительно иметь форму углового сектора пирога, такую как у элементов, раскрытых на Фиг.6. Как очевидно следует из указанного чертежа, верхняя поверхность 123 указанных двух термоэлектрических элементов меньше, чем нижняя поверхность 124. Элемент, выделяющий тепло, то есть светоизлучающий диод 125, охлаждается через устройство, поскольку тепло отводится через "холодную сторону" вниз в направлении "горячей стороны" теплоотводящего радиатора 126. Можно заметить, что тепло не только отводится вниз, но и также отводится в радиальном направлении от центра в соответствии с принципами, впервые изложенными в настоящем изобретении. Кроме того, указанная конфигурация также показывает диод, расположенный в последовательной цепи с охлаждающей системой. Электрический проводник 127 обеспечивает возможность протекания тока от и к термоэлектрическим элементам, в то время как единственный путь тока, протекающего через соединения указанных элементов, проходит через диод 125.

Указанные нецилиндрические и непрямолинейной формы термоэлектрических элементов могут быть более ясно описаны при обращении к изображенному на Фиг.13 перспективному виду, который показывает один отдельный термоэлектрический элемент проксимально к диску 131 устройства. Диск содержит центральную область 132 и периферийную область 133 верхняя часть термоэлектрического элемента 134, или Р- или N-типа, является "холодной стороной" 135. Нижняя часть является "горячей стороной" 136. Сужающаяся форма термоэлектрического элемента гарантирует, что тепло не только отводится в радиальном направлении от центра, но и также отводится от верхней плоскости к нижней плоскости устройства. Таким образом, эти устройства, так же как и их предшественники, имеют "горячую сторону" и "холодную сторону", но дополнительно также имеют отвод тепла в радиальном направлении. Кроме того, они также могут включать генератор тепловой энергии, тепловую нагрузку в одной электрической цепи с термоэлектрическими элементами.

Приведенные выше примеры относятся к частным случаям изобретения, которые иллюстрируют предпочтительные варианты устройств и способов настоящего изобретения. Хотя настоящее изобретение было описано в существенных подробностях ясным и кратким языком и со ссылками на некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения, включая варианты, в которых изобретателями ожидается наилучший эффект, возможны и другие варианты его осуществления. Поэтому сущность и возможности изобретения не должны быть ограничены описанием предпочтительных вариантов, содержавшихся в описании, а только прилагаемой формулой изобретения.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам на основе эффекта Пельтье. Сущность: устройство содержит охлаждающий элемент, включающий группу полупроводниковых элементов, выполненных с возможностью возникновения термоэлектрического эффекта Пельтье при пропускании через них тока. Группа полупроводниковых элементов выполнена с асимметричной формой в третьем пространственном измерении с образованием вееровидного элемента. Группа полупроводниковых элементов подключена с образованием последовательной электрической цепи с охлаждаемым элементом. Полупроводниковые элементы могут быть расположены радиально на плате. Толщина полупроводниковых элементов может изменяться в направлении, перпендикулярном плоскости платы, с образованием сужающейся формы. В этом случае полупроводниковые элементы имеют в основном клиновидную форму, причем заостренный или узкий конец образует зону охлаждения, а противоположный широкий конец образует зону нагрева. Технический результат: обеспечение улучшенного распределения тепловой энергии и передачи тепла к теплоотводящему радиатору. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Электронное устройство, содержащее охлаждающий элемент, включающий группу полупроводниковых элементов, выполненных с возможностью возникновения термоэлектрического эффекта Пельтье при пропускании через них тока, и термически соединенный с охлаждаемым элементом, отличающееся тем, что группа полупроводниковых элементов выполнена с ассиметричной формой в третьем пространственном измерении с образованием вееровидного элемента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из указанных полупроводниковых элементов содержит два концевых участка, причем первый концевой участок расположен в центральной области, а второй концевой участок расположен в периферийной области общей схемы расположения элементов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что указанный первый концевой участок имеет меньший размер, чем второй концевой участок.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что указанные полупроводниковые элементы расположены простирающимися в радиальном направлении из центральной области к периферийной области.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанные первые концевые участки полупроводниковых элементов являются участками термоэлектрического охлаждения, а указанные вторые концевые участки полупроводниковых элементов являются участками термоэлектрического нагрева.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что указанная центральная область является охлаждаемой, а указанная периферийная область - нагреваемой.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что указанная центральная область термически соединена с по меньшей мере одним электронным прибором.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что по меньшей мере один указанный электронный прибор является диодом.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что по меньшей мере один указанный электронный прибор является светоизлучающим диодом.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что по меньшей мере один указанный электронный прибор является матрицей светоизлучающих диодов.

11. Устройство по п.4, отличающееся тем, что указанная периферийная область дополнительно соединена с теплоотводом.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанный вееровидный элемент имеет связанные области охлаждения и нагрева, причем область охлаждения имеет в основном другую форму проекции, чем область нагрева.

13. Электронное устройство, содержащее охлаждающий элемент, включающий группу полупроводниковых элементов, выполненных с возможностью возникновения термоэлектрического эффекта Пельтье при пропускании через них тока, и термически соединенный с охлаждаемым элементом, отличающееся тем, что группа полупроводниковых элементов выполнена с ассиметричной формой в третьем пространственном измерении с образованием вееровидного элемента и подключена с образованием последовательной электрической цепи с охлаждаемым элементом.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что указанные полупроводниковые элементы содержат легированный полупроводниковый материал Р-типа и легированный полупроводниковый материал N-типа, расположенные поочередно с прилеганием друг к другу.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что по меньшей мере два полупроводниковых элемента электрически подключены к указанному охлаждаемому элементу с образованием последовательной электронной цепи.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что указанные полупроводниковые элементы расположены на каждой стороне указанного охлаждаемого элемента по отношению к последовательной электронной цепи, образованной комбинацией элементов.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что указанные полупроводниковые элементы имеют "горячую сторону" и "холодную сторону" в соответствии с термоэлектрическим эффектом Пельтье.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что указанная "холодная сторона" соединена с указанным охлаждаемым элементом.

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что указанный охлаждаемый элемент является электронным прибором в электрической схеме с прямым смещением.

20. Устройство по п.18, отличающееся тем, что указанный охлаждаемый элемент является электронным прибором в электрической схеме с обратным смещением.

21. Устройство по п.19, отличающееся тем, что указанный охлаждаемый элемент является по меньшей мере одним диодным прибором.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что указанный охлаждаемый элемент является по меньшей мере одним светоизлучающим диодом.

23. Устройство по п.22, отличающееся тем, что указанный охлаждаемый элемент является матрицей светоизлучающих диодов.

24. Устройство по п.14, отличающееся тем, что полупроводниковые элементы содержат соединители между полупроводниковыми парами с образованием термоэлектрических пар в соответствии с термоэлектрическим эффектом Пельтье.

25. Устройство по п.24, отличающееся тем, что указанные соединители выполнены в виде кольцевых секций из металлического материала, прикрепленных к одному термоэлектрическому элементу Р-типа и одному элементу N-типа.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что указанный охлаждаемый элемент содержит один светоизлучающий диод на термоэлектрическую пару.

27. Устройство по п.26, отличающееся тем, что каждый из указанных полупроводниковых элементов имеет концевые участки, содержащие группу пространственно распределенных контактных площадок для подключения и формирования соединения с электронным прибором типа "перевернутого кристалла".

28. Электронное устройство, содержащее охлаждающий элемент, термически соединенный с охлаждаемым элементом, при этом охлаждающий элемент содержит группу полупроводниковых элементов, расположенных радиально на плате, выполненных с возможностью возникновения термоэлектрического эффекта Пельтье при пропускании через них тока, отличающееся тем, что толщина полупроводниковых элементов изменяется в направлении, перпендикулярном плоскости платы, с образованием сужающейся формы.

29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что полупроводниковые элементы расположены радиально на плате между центральной и периферийной областями с обеспечением охлаждения Пельтье в центральной области и нагрева Пельтье в периферийной области.

30. Устройство по п.29, отличающееся тем, что полупроводниковые элементы имеют в основном клиновидную форму, причем заостренный или узкий конец образует зону охлаждения Пельтье, а противоположный широкий конец образует зону нагрева Пельтье.