(57)【要約】本開示は、大面積低電流密度ＰＮ接合部冷却と、高濃度にドープされ、浅く空乏化されたＰ先端からの電子放出とを含む、原理の組み合わせに基づく点冷却装置に関する。熱電冷却ではなく、接合部冷却の使用によって、あらゆるシリコン素子を市販の熱電冷却システムと有利に競合するように製造可能となる。（他の固体状態保冷装置の約１．５と対照的に）６以上の理論値ＴＨＯＴ／ＴＣＯＬＤは、本発明の単段式固体状態真空電子冷却装置が、従来のテルル化ビスマス系熱電機器よりも有意に低い軽負荷で、５０Ｋに達し得ると予測する。ワイヤ接続およびトンネル熱抽出によるＰＮ接合部冷却の高Ｚ値は、固体状態無振動の形状適合かつ機能的代替冷却の可能性を開く。
2011514659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝達素子であって、
第１の領域および第２の領域を有する半導体であって、該第１の領域および該第２の領域は、該第１の領域から該第２の領域へと荷電キャリアを付勢するようにドープされる、半導体と、
該第２の領域と熱電的に連絡する尖った先端のアレイと、
該アレイに面するヒートシンクと、
該尖った先端と該ヒートシンクとの間に形成される真空トンネル効果領域と、
該第１の領域に対して、該ヒートシンクをバイアスするための電源と
を備え、該第１の領域はＮ型半導体を規定し、該第２の領域はＰ型半導体を規定する、素子。
【請求項２】
前記第１の領域および前記第２の領域は、電気的にバイアスされ、ＮからＰへと荷電キャリアを付勢する、請求項１に記載の熱伝達素子。
【請求項３】
前記尖った先端は、円筒形であり、前記アレイ内に対称的に配列される、請求項１に記載の熱伝達素子。
【請求項４】
前記尖った先端は針状である、請求項１に記載の熱伝達素子。
【請求項５】
針の先端と前記ヒートシンクとの間の距離は、約２ｎｍ〜５０μｍの範囲である、請求項１に記載の熱伝達素子。
【請求項６】
前記第１の領域と前記ヒートシンクとの間の電圧差は、約２０Ｖ〜６０Ｖである、請求項１に記載の熱伝達素子。
【請求項７】
前記ヒートシンクと前記第２の領域との間に介在するスペーサをさらに備える、請求項１に記載の熱伝達素子。
【請求項８】
金メッキされた尖った先端と金メッキされたヒートシンクとをさらに備える、請求項１に記載の熱伝達素子。
【請求項９】
前記ドープ領域は、Ｎ＋ドーピングまたはＮ＋＋ドーピングを含む、請求項１に記載の熱伝達素子。
【請求項１０】
前記ドープ領域は、Ｐ＋ドーピングまたはＰ＋＋ドーピングを含む、請求項１に記載の熱伝達素子。
【請求項１１】
前記ヒートシンクは、絶縁層と金の層とをさらに備える、請求項１に記載の熱伝達素子。
【請求項１２】
熱伝達素子であって、
第１の半導体領域と、
該第１の半導体領域と接触する第２の半導体領域であって、該第２の半導体領域は、複数の尖った先端を有する、第２の半導体領域と、
該複数の尖った先端に面するホットシンクと、
該第２の半導体領域に対して該第１の半導体領域を電気的にバイアスするための第１の電源と、
該ホットシンクに対して該第１の半導体領域を電気的にバイアスするための第２の電源と
を備える、素子。
【請求項１３】
真空トンネル効果領域をさらに備える、請求項１２に記載の熱伝達素子。
【請求項１４】
前記第１の電源を制御するための第１のコントローラと、前記第２の電源を制御するための第２のコントローラとをさらに備える、請求項１２に記載の熱伝達素子。
【請求項１５】
前記第１の電源および前記第２の電源を制御するためのコントローラをさらに備える、請求項１２に記載の熱伝達素子。
【請求項１６】
前記第１の半導体領域はＮ型半導体を規定し、前記第２の領域はＰ型半導体を規定する、請求項１２に記載の熱伝達素子。
【請求項１７】
前記第１の電源および第２の電源は、電気的に連絡する、請求項１２に記載の熱伝達素子。
【請求項１８】
熱伝達トランジスタであって、
Ｎドープ材料の第１の半導体領域と、
第１の電流を該第１の半導体領域に供給するヒートシンクと、
Ｐドープ材料の第２の半導体領域であって、該第２の半導体領域は、該第１の半導体領域と該ヒートシンクとの間に介在し、該第１の半導体領域は、該第２の半導体領域と熱電気的に連絡し、尖ったアレイを有する、第２の半導体領域と、
該尖ったアレイから該ヒートシンクへと延びる真空領域と、
該ヒートシンクまたは該第１の半導体領域のうちの１つに対して、該第２の半導体領域をバイアスすることによって、該第１の電流を制御するためのコントローラと
を備える、トランジスタ。
【請求項１９】
前記尖ったアレイは、高濃度にＰドープされる、請求項１８に記載の熱伝達トランジスタ。
【請求項２０】
前記第２の半導体領域から前記第１の半導体領域へと流れる第２の電流をさらに含む、請求項１８に記載の熱伝達トランジスタ。
【請求項２１】
金メッキされた尖った先端と金メッキされたヒートシンクとをさらに備える、請求項１８に記載の熱伝達トランジスタ。
【請求項２２】
約０．５Ｖ〜１．０Ｖの範囲の前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間の電圧差をさらに含む、請求項１８に記載の熱伝達トランジスタ。
【請求項２３】
約２Ｖ〜２００Ｖの範囲の前記第１の半導体領域と前記ヒートシンクとの間の電圧差をさらに含む、請求項１８に記載の熱伝達トランジスタ。
【請求項２４】
ノードを極低温冷却するための方法であって、
該ノードからの熱を、Ｎドープ領域とＰドープ領域とを有する半導体へ連絡することであって、該半導体は尖った先端のアレイを含む、ことと、
ヒートシンクを該アレイに隣接して位置付けることと、
該ヒートシンクに対して該半導体をバイアスし、該半導体の該Ｎドープ領域から該ヒートシンクへの荷電キャリアの移動を提供することと
を含む、方法。
【請求項２５】
システム全体に対して真空を提供することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ノードからの熱を連絡するステップは、該ノードからの熱を前記半導体へ伝導するかまたは放射することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記Ｐドープ領域に対して、前記半導体の前記Ｎドープ領域をバイアスすることをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（１．発明の分野）
本開示は、概して、熱源を冷却するための方法およびシステムに関する。より具体的には、本開示は、源から電荷粒子を通じてエネルギーを伝達することによって、熱源の熱エネルギーを低減するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
（２．関連技術の説明）
極低温冷却装置は、２００Ｋ（−７３Ｃ）を下回る温度に到達可能な保冷装置である。従来の極低温冷却装置は、大型の機械式逆熱機関素子である。そのような冷却装置の実施例は、スターリング、パルスチューブ、ジュールトムソン、および逆ブレイトン機械式冷却装置を含む。そのような冷却装置は、弁、シール、コンプレッサ、および拡張機等の多くの可動部品を有する。その結果、従来の冷却装置は、効率的保冷を提供するが、不十分な信頼性を有し、耐用年数が制限される。また、高レベルの振動を被り、極低温システムが振動をほとんどまたは全く伴わないことを必要とする、高性能赤外線（ＩＲ）センサ、主発振器、または低雑音増幅器（ＬＮＡ）との併用が不可能である。また、大型サイズの従来の極低温システムは、長時間の冷却時間をもたらし、多くの場合、冷却要件を満たすために、過度の温度上昇能力を必要とする。
【０００３】
従来の機械式極低温冷却装置は、１００〜３００ミリワットの冷却領域に好適に縮尺されておらず、最新のセンサおよび超小型回路の冷却においては、従来の冷却装置は、冷却される集積回路（ＩＣ）よりも設置面積または占有体積が何桁も大きい。実際、いくつかの極低温冷却装置は、サイズ、重量、信頼性、冷却時間の問題をさらに複雑にする、多段式素子である。
【０００４】
熱電効果（ＴＥ）は、温度差から電圧およびその逆の直接変換である。熱電素子は、そのそれぞれの側に異なる温度が供給されると、電圧を生成する。反対に、電圧が素子に印加されると、温度差を生成する。本効果は、例えば、電気を発生する、温度を測定する、物体を加熱または冷却するために使用され得る。
【０００５】
熱状態から電気状態へのエネルギーの変換（熱電現象）は、ゼーベック効果、ペルチェ効果、およびトムソン効果の観点から説明される。トムソン効果は、伝導体の両端が異なる温度であって、電流が流動すると、その伝導体中に生じ、Ｉ２Ｒ加熱と異なる加熱を発生させるものであって、その差異は、電流の規模および方向、温度、ならびに材料に依存する。ペルチェ効果は、電流が２つの異なる材料間を流動すると、それらの接合部に生じる、等温熱交換を説明するものである。熱の発達速度は、Ｉ２Ｒ加熱を上回る、またはそれ未満であって、その差異は、電流の方向および規模、温度、ならびに接合部を形成する２つの材料に依存する。ゼーベック効果は、回路ループ周囲のペルチェおよびトムソン効果の総和として見なされ得る。
【０００６】
ペルチェ効果は、電子の平均エネルギーが材料によって異なるという事実によって生じる。したがって、電子または正孔等の荷電キャリアが、ある材料から別の材料へと通過すると、荷電キャリアは、熱を空間格子と交換することによって、エネルギー差を補償する。接合部にわたる所与の電流Ｉと交換される熱量は、ペルチェ係数によって判定される。ペルチェ係数は、熱が電子によって搬送される場合、負であって、熱が正孔によって搬送される場合、正である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、半導体材料が熱源とヒートシンクとの間に定置されると、半導体中の好ましい電流によって、熱源から熱が抽出され、ヒートシンク上に堆積される。これらの原理を適用して、従来のシステムは、典型的には、電子素子のための固体状態冷却を提供するように考案されている。しかしながら、従来のシステムは、熱を伝導するその能力が非効率的である。故に、効率的固体状態冷却システムの必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（概要）
一実施形態では、本開示は、第１の領域および第２の領域を有し、第１の領域および第２の領域は、第１の領域から第２の領域へと荷電キャリアを付勢するようにドープされる、半導体と、第２の領域と熱電的に連絡する、尖った先端のアレイと、アレイに対向する、ヒートシンクと、尖った先端とヒートシンクとの間に形成される、真空トンネル効果領域と、第１の領域に対して、ヒートシンクをバイアスするための電源と、を備え、第１の領域は、Ｎ型半導体を規定し、第２の領域は、Ｐ型半導体を規定する、熱伝達素子に関する。
【０００９】
別の実施形態では、本開示は、第１の半導体領域と、第１の半導体領域と接触する第２の半導体領域であって、複数の尖った先端を有する、第２の半導体領域と、複数の尖った先端に対向する、ヒートシンクと、第２の半導体領域に対して、第１の半導体領域を電気的にバイアスするための第１の電源と、ヒートシンクに対して、第１の半導体領域を電気的にバイアスするための第２の電源と、を備える、熱伝達素子に関する。
【００１０】
さらに別の実施形態では、本開示は、Ｎ型ドープ材料の第１の半導体領域と、第１の電流を第１の半導体領域に供給する、ヒートシンクと、Ｐ型ドープ材料の第２の半導体領域であって、第２の半導体領域は、第１の半導体領域とヒートシンクとの間に介在し、第１の半導体領域は、第２の半導体領域と熱電的に連絡し、尖ったアレイを有する、第２の半導体領域と、尖ったアレイからヒートシンクへと延びる、真空領域と、ヒートシンクまたは第１の半導体領域のうちの１つに対して、第２の半導体領域をバイアスすることによって、第１の電流を制御するためのコントローラと、を備える、熱伝達トランジスタに関する。
【００１１】
さらに別の実施形態では、本開示は、ノードからの熱をＮ型ドープ領域およびＰ型ドープ領域を有する半導体へと連絡させるステップであって、半導体は、尖った先端のアレイを含む、ステップと、ヒートシンクをアレイに隣接して位置付けるステップと、ヒートシンクに対して、半導体をバイアスし、半導体のＮ型ドープ領域からヒートシンクへの荷電キャリアの移動を提供するステップと、を備える、ノードを極低温冷却するための方法に関する。
【００１２】
本開示の代表的実施形態が、以下の例示的かつ非限定的図面に関連して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、従来のＴＥ素子の略図である。
【図２】図２は、別の従来の冷却システムを示す。
【図３】図３は、本開示の実施形態による、点冷却システムを図式的に示す。
【図４】図４は、本開示の一実施形態による、点冷却システムを図式的に示す。
【図５】図５は、本開示の実施形態による、抽出機構を図式的に示す。
【図６】図６は、従来および特殊ペルチェ材料と比較して、開示される点冷却装置の予期される性能指数を示す。
【図７】図７Ａは、本開示の実施形態の物理的実装である。図７Ｂは、空乏の深度を最小限にするための高濃度ｐ型ドーピングの有用性を示す、バンド図である。
【図８】図８は、ソ連の文献からの高濃度にドープされたｐ＋材料中の少数キャリア（電子）の拡散距離および寿命のグラフを示す。
【図９】図９は、有効トンネル障壁高の減少を示す。
【図１０】図１０は、冷却システムの性能に及ぼす、高濃度ｐ型ドープ点の効果を図式的に示す。
【図１１】図１１Ａ〜図１１Ｃは、尖った先端をエッチングするための方法を図式的に示す。
【図１２】図１２は、本開示の一実施形態による、抽出グリッドを図式的に示す。
【図１３Ａ】図１３Ａは、市販のＴＥの設置面積と、開示される実施形態による点冷却装置の設置面積とを比較したプロット図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、単位体積当たりの従来のＴＥ熱上昇と、開示される点冷却装置の推定値との比較である。
【図１４】図１４は、本開示の実施形態による、段階式点冷却装置を例証する。
【図１５】図１５は、図１４の３段階式冷却システムの計算された冷却曲線を示す。
【図１６】図１６は、本開示の実施形態の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（詳細な説明）
一実施形態では、本開示は、順方向にバイアスされたｎ＋＋／ｐ＋薄シリコン接合部に電流を流動させることと、先鋭ｐ＋シリコン点における電界効果放出によって、その電流を真空内へと流出させることとの新規組み合わせに関する。先鋭シリコン点は、平均電子／フォノン相互作用長未満の短先端空乏距離を有し得る。このように、熱は、シリコン接合素子から効率的に抽出され、最終的保冷を生じさせ得る。本実施形態によると、６０Ｋ以下の極低温は、単段階で達成され得る。抽出された熱は、さらなるエネルギー消費を伴わずに、周囲に放出され得る。
【００１５】
本明細書に開示される実施形態は、超軽量かつ薄い保冷装置内に実装され得、その冷却力は、その表面積に対応する。保冷システムは、完全に振動から解放され、可動部品を伴わずに、固体状態素子を規定し得る。さらに、保冷システムは、可動部品を有さないため、保冷システムは、非常に信頼性がある。
【００１６】
本明細書に開示される保冷システムは、１０秒未満の冷却時間を提供し得る。本保冷システムは、衛星、ミサイル探査機、および携帯用暗視機器のためのＩＲセンサにおける用途を有し得る。保冷システムは、携帯用小型高温超電導素子、例えば、ポケットＳＱＵＩＤセンサのために使用され得る。開示される保冷システムは、超低雑音指数が望ましい、低雑音増幅器（ＬＮＡ）および発振器等の電子機器を冷却するために使用され得る。その極小形態および短冷却時間によって、開示される実施形態は、これまで達成不可能であった軍の活動領域内に容易に適用され得る。
【００１７】
図１は、従来のＴＥ素子の略図である。より具体的には、図１は、従来のバルクゼーベック効果によるＴＥ素子を示す。図１のＴＥ素子は、金属細片１１０と熱連絡する冷却ＩＲセンサ１００を含む。金属細片１１０は、それぞれ、半導体ＰおよびＮ型ドープ半導体領域１４０および１２０によって、ヒートシンク１３０および１３５から分離される。ヒートシンク１３５は、接地される。ヒートシンク１３０は、電圧源に連結される。電圧は、ヒートシンク１３５から、金属細片１１０を通って、ヒートシンク１３０へと流動する。電流は、図１の矢印によって示されるように、ヒートシンク１３０からヒートシンク１３５へと流動する。矢印１５０は、オーム熱の発生を表す。矢印１６０は、高温のヒートシンクからの熱漏出を表す。
【００１８】
冷却モードでは、電流（正電荷の進行）は、反時計回りに流動し、低濃度ドープ半導体または半金属接合部で生じるゼーベック効果が、接合部にわたる電圧差によって生じるエントロピーの移行による冷却効果を生成する。Ｎ型ドープ側１２０では、熱は、電流と反対方向に移動する電子によって、オーム（低温）接合部１１２から搬出される。Ｐ型ドープ側では、正電荷正孔が、オーム（低温）接合部１１２から熱を搬出する。金属細片１１０は、低温オーム接合部の２つの側を接続する。細片１１０は、負荷、この場合、ＩＲセンサチップ１００のための便宜的プラットフォームを提供する。総ゼーベック効果は、Ｐ型ドープおよびＮ型ドープ係数の規模の総和に関わる。
【００１９】
従来のＴＥ冷却装置では、熱電材料もまた、電流経路内に不可避的に存在するため、入力電流は、熱電冷却装置内にオームＩ２Ｒ熱の発生を生じさせる。従来、Ｚに対する「性能指数」値は、通常のＴＥのフーリエ熱伝導経路とともに、電流経路内のＩ２Ｒ損失の寄与を判定する。Ｚは、ＴＥ効果がＩ２Ｒおよび熱伝導条件によって制圧される際の通常のＴＥの最低温度能力を測定する。したがって、Ｚは、無負荷の正常ＴＥにおいて可能な最低温度の測定値である。ＺｘＴＣＯＯＬの典型的値は、本質的に、従来のＴＥ素子における値１を決して超えることはないことが知られており、ＴＨＯＴ／ＴＣＯＯＬとなり、市販のＴＥにおける１．５を上回ることは稀である。
【００２０】
図２は、別の従来の冷却システムを示す。具体的には、図２は、Ｐ２４０およびＮ２２０側が直接接触するように、図１の金属細片が除去された類似半導体接合部を示す。図２のドープ側は、Ｎ＋＋およびＰ＋シリコン接合熱電材料である。また、２つの重要な差異も、図１と比較して、図２に提示される。第１に、電源回路接続が逆であって、矢印２０５によって示されるように、（正）電流方向は、現時点では、Ｐ２４０からＮ２２０である。第２に、半導体内のドーピングレベルは、図１のものと異なる。低濃度ドープ半導体に対してゼーベック係数が大きく、通常、電流方向がＴＥ冷却装置内で逆の場合、接合部に熱を発生させる（すなわち、接合部は、より低温となる代わりに、より高温となる）。しかしながら、図２では、ＰおよびＮ側は、高濃度にドープされる。Ｎ層は、約１Ｅ１９ｃｍ−３にドープされ、Ｐ側は、８Ｅ１７ｃｍ−３にドープされる。ゼーベック効果は、微小となり、新しい冷却機構が作用し始める。実際の熱上昇は、依然として、主として、フーリエ熱逆伝導漏出および内部オームの発生によって制限される。
【００２１】
図２の実施形態では、Ｎ型ドープ側のキャリアは、もはやヒートシンク２３０からヒートシンク２１０への熱を除去するための適切な方向に移動してはいない。電気接続は、アルミニウムのような純金属等、オーム／熱逆伝導（フーリエ）条件を最小限にするためにより好適に最適化される材料と置換され得る。これは、現時点で薄化されているｎ型ドープ半導体領域に電気接地を接続する小径最適化ワイヤとして、図３の本発明の実施形態に図式的に示される。
【００２２】
図３は、本開示の実施形態による、点冷却システムを図式的に示す。図３の点冷却装置は、ＰおよびＮ領域電力（Ｉ２Ｒ）を除去し、熱漏出経路を逆にする。図示されないが、図３のシステム３００は、真空内に格納される。したがって、Ｐ型ドープ区間は、真空（図示せず）と置換され、超薄Ｐ型ドープ領域３４０から電界放出点を通って電子を放出されることによって、電気導通を提供する。電子トンネル効果は、Ｐ＋側から熱をヒートシンク３１０へと搬出する電流キャリア３７０の移動によって示される。ヒートシンク３３０は、接地される。ヒートシンク３３０は、ワイヤ３６０を通して、Ｎ型ドープ半導体接合部と連絡する。本アプローチは、Ｐ側からの実質的にあらゆるフーリエ伝導損およびオーム発生を排除し、有効ゼーベック係数（α）および性能指数（Ｚ）に投影すると、従来の熱電機器と比較して、多大な低温利点をもたらすが、トンネル効果によって電子を抽出する真空にわたって電圧降下が不可避となる。
【００２３】
図３の点冷却装置は、アノード側に電力負荷３００を定置し、故に、隣接するＮ型ドープ領域３２０は、本発明の実施形態による点冷却装置の熱力学的効率に影響を及ぼす。低抽出電圧は、本実施形態において、有利に働く。
【００２４】
図４は、本開示の一実施形態による、点冷却システムを図式的に示す。図４の点冷却システムは、光学レンズ４４２と、筐体４５０と、接地されたヒートシンク４３０と、ワイヤ４６０と、負荷４００と、ＰＮ接合部４２０、４４０と、吊設ワイヤ４４８、４４９と、取り付けボルト４６５を伴うヒートシンク４６４と、を備える。光学は、任意であって、例えば、ＩＲセンサシステムに属し得る。
【００２５】
負荷４００は、Ｐ型ドープ領域４２０と熱連絡する。Ｐ型ドープ領域４２０は、半導体のＮ型ドープ領域４４０に接続される。Ｐ型ドープ領域とＮ型ドープ領域との間の接合部は、図４に示されるように、低温領域である。加えて、Ｎ型ドープ領域４２０は、ワイヤ４６０を通して、電気的に接地される。本開示の実施形態によると、Ｐ型ドープ領域４４０は、その上にアレイとして形成される尖った先端４４３を備える。尖った先端は、電子の効率的流動およびいわゆる電子トンネル効果を可能とする。図示されないが、筐体４５０は、真空化される。ワイヤ４４３および４４８は、筐体４５０に対して、半導体を定位置に維持する。
【００２６】
ヒートシンク４６４（正電荷を帯びている）と接地４３０との間の電位差によって、電子は、点アレイ４４３および点アレイ４４３とヒートシンク４６４との間に及ぶ真空領域を通って、Ｐ型ドープ領域４２０からＮ型ドープ領域４４０へと流動する。トンネル効果は、当業者には周知である。ボルト４６５は、機械式搭載および周囲への良好な熱伝達を提供する。
【００２７】
本明細書に開示される新規冷却システムは、多くの利点を有する。例えば、本明細書に開示される原理による冷却システムは、単段階式に６０°Ｋ以下の低温を達成可能である。開示される冷却システムは、超軽量である。例えば、５ｇｍ冷却装置は、１ｃｍ２面積を冷却するために使用され得る。また、開示される冷却システムは、超薄である。一実施形態では、開示される冷却システムは、約１ｍｍ厚である。開示される冷却システムの小型サイズは、冷点の形状的、適合的、機能的挿入（Ｆ３挿入）を必要とする用途に有用であって、そうでなければ、１００倍または１０００倍大きい冷却装置は、法外な費用がかかるであろう。
【００２８】
また、開示されるシステムは、実質的に無振動であって、冷却された光学システム（例えば、空間センサ）、ＬＮＡ、および発振器内の雑音および光軸ジッタを最小限にする補助となる。また、このように、質量が小さいため、冷却装置は、精巧な機械式極低温冷却装置に対して一般的に指定される約８分と比較して、約１０〜２０秒の冷却時間を有することが可能である。これは、これまで達成不可能であった新しい用途を開く。可動部品を伴わないため、点冷却装置は、非常に信頼性があり、摩耗し得る機械式部品を有する必要がないはずである。また、Ｐ型点のトンネル効果は、金属点トンネル効果と比較して、有意により信頼性があると予測される。
【００２９】
順方向にバイアスされたＰＮ接合部の推定される冷却は、以下によって概算的に決定されることが知られている。
【００３０】
【数１】
2011514659.tif 000003
式中、ＶＢ１は、当該分野において周知の接合部の内蔵電圧であって、ＶＪは、印加される電圧である。Ｊは、電圧（ＶＢ１−ＶＪ）時に接合部を通って流動する電流密度である。これらの表現はすべて、素子の温度の強関数および陰関数であって、素子が、例えば、３００Ｋ〜６０Ｋに冷却されると、広範囲の温度に直面し、すべてＴに伴って変動するため、本出願人らは、上述の同等物であるが、温度を計算するためにより便宜的かつ単純である表現を使用する。同様に、接合部内の冷却熱電力は、以下によって求められる。
【００３１】
【数２】
2011514659.tif 000004
式中、Ｎｃは、Ｎ＋材料内の電子に対する状態関数の密度である。ＤＥＰは、Ｐ材料内の電子に対する拡散定数である。ＬＥＰは、ｐ材料内の電子の拡散距離である。
【００３２】
シリコン接合部冷却装置では、上述の小ゼーベック効果が存在するが、ＮおよびＰ領域の両方に対する超高濃度ドーピングレベルでは、正常ゼーベック効果は、ごく小さいことに留意されたい。主要な効果は、接合部におけるものであって、順方向にバイアスされたＮ＋＋／Ｐ＋接合部によって注入される各電子は、（ｋ／ｑ）ｌｎ（Ｊｏ／Ｊ）Ｔ電子ボルトのエネルギー、すなわち、３００Ｋ時に約３００ミリ電子ボルト（ｍｅＶ）、および１００Ｋにおいて１００ｍｅＶを搬送する。
【００３３】
一見、開示される点冷却装置は、ノッティンガム放出に類似するように思われ得るが、そのような結論は誤っている。反転ノッティンガム効果（ＩＮＥ）冷却装置は、フェルミレベル超の電子の真空中への放出によって冷却を達成する。従来のＩＮＥは、その平坦（尖っていない）表面と真空との間に位置付けられ、電子放出を増加させ、エネルギーの選択性を提供する二重障壁共鳴トンネル効果（ＤＢＲＴ）区画の使用を伴う。そのようなＤＢＲＴ区画であっても、表面仕事関数が非常に低くされない限り、非常に高い電界が必要とされる。
【００３４】
対照的に、開示される実施形態は、電子の熱発生を必要としない点冷却装置を提供する。加えて、ＤＢＲＴシステムとは異なり、開示される実施形態は、少数キャリアの反転層源を提供するためのホッピングを必要としない。本明細書に開示される実施形態では、電子注入接点は、先鋭点を少数キャリアで充填する。
【００３５】
好ましい実施形態では、放電素子は、ｐ領域厚Ｗｐ＜＜Ｌｅｐとなるように構築される。先端空乏領域厚がＷｄ＜＜Ｌｐｈｏｎｏｎである場合、電子は、Ｎ＋／Ｐ接合部から遠隔に得られた元々の熱量を担持したまま流出し、本熱を真空中へと、最終的には、アノード内へと注入する。
【００３６】
したがって、従来のＤＢＲＴと対照的に、開示される冷却は、ＰＮ接合界面で直接生じる。接合部は、Ｎ＋側で高濃度にドープされ、Ｐ側ではほとんどドープされていないため、Ｎ＋領域が冷却され、Ｐ側が除去された熱を捕捉するように、略全電流が、電子によって搬送される。次いで、熱は、電子−正孔対を点に向かって拡散させることによって搬送される。
【００３７】
本開示の一実施形態では、過剰電子は、（１）正孔が再結合するのを回避し（Ｐ領域をＰ材料内の電子拡散距離ＬＥＰよりも遥かに薄くすることによって）、（２）先端空乏領域縁において、および／またはトンネル効果の間、電子が空間格子へとエネルギーを損失するのを防止することによって、空間格子を加熱せずに除去される。正孔は、空乏領域縁に残留することによって、電子が先端に到達することに留意されたい。本機構は、着側アノードヒートシンクから半導体へと戻る主要逆熱漏出経路を伴わずに、Ｐ領域を冷却する。
【００３８】
図５は、本開示の実施形態による、抽出機構を図式的に示す。トンネル効果点におけるエネルギー抽出機構の理論的物理学の見地の研究から、（ＶＢ１−ＶＪ）ボルトのエネルギーの使用が最も適切であることが分かっている。動作領域は、約０．１〜１０アンペア／ｃｍ２である。薄先端を通る電流は、低レベル注入条件（数ｋＴ／ｑボルト）においていかなる有意な電圧降下も有さない電子を拡散させることによって搬送されるであろう。電子電流のキャリア密度が、約８Ｅ１７ｃｍ−３のＰドーピング密度を下回っている限り、低レベル注入条件は克服され、点に沿って、数ｋＴ／ｑの電圧低下が存在するに過ぎないはずである。シリコン内の飽和速度Ｖｓａｔは、約ＩＥ７ｃｍ／秒である。電流密度が、ｑＶｓａｔＮａドーピング（式中、Ｎａは、Ｐ領域のドーピング）未満、すなわち、（１．６Ｅ−１９）（ＩＥ７）（８Ｅ１７）または１．２５Ｅ６アンペア／ｃｍ２である限り、その長さに沿って、断熱（無損失）先端輸送が存在するはずである。一実施形態では、点電流密度は、最大約１Ｅ５アンペア／ｃｍ２の範囲である。故に、電圧降下は、点に沿って、ほとんど存在しないか、または全く存在しない。
【００３９】
低温側における熱収支（放射による熱伝達は無視する）は、以下のように記述され得る。
【００４０】
【数３】
2011514659.tif 000005
式中、Ｑｌｉｆｔ［Ｗ］は、冷却される素子からの負荷熱流であって、それぞれ、Ｋｗｉｒｅ｛Ｗｃｍ−１Ｋ−１｝およびｐｅ，ｗｉｒｅ［Ｏｈｍ−ｃｍ］は、カソード側接続ワイヤの熱伝導率および電気抵抗率（本第１の分析のための定数と仮定される）であって、Ａｗｉｒｅ［ｃｍ２］およびＬｗｉｒｅ［ｃｍ］は、そのワイヤの断面積および長さであって、Ｉ［Ａ］は、電流であって、αｐｘ［Ｖ／Ｋ］は、以下に定義される有効ゼーベック係数である。単一最適化（例えば、アルミニウム）ワイヤは、以下の長さ対面積比を有するであろう。
【００４１】
【数４】
2011514659.tif 000006
これは、従来のＴＥ冷却装置区間のものと等しい。次いで、単段階点冷却装置に対する熱収支は、以下となる。
【００４２】
【数５】
2011514659.tif 000007
保冷装置は、そのＣＯＰ（性能係数）、またはその逆、比出力を評価することによって比較される。点冷却装置のＣＯＰは、熱上昇を入力電力で除することによって、以下のように求められる。
【００４３】
【数６】
2011514659.tif 000008
保冷装置が可能な最良安定状態は、カルノーサイクルのものであって、Ｔｃｏｌｄ／（Ｔｈｏｔ−Ｔｃｏｌｄ）のＣＯＰを有し、したがって、開示される点冷却装置に対する以下のその第二法則効率ηを判定することによって、保冷装置を最適化することは有用である。
【００４４】
【数７】
2011514659.tif 000009
本分析は、ゼーベック係数と同等条件の規定、次いで、本明細書に開示される点冷却装置の性能指数Ｚの比較を可能にする。
【００４５】
図６は、文献において実験的に報告された種々の熱電機器とは対照的に、本明細書に開示される冷却装置の性能指数Ｚの高予測値を示す。
【００４６】
従来のペルチェ冷却装置の性能指数Ｚ［１／Ｋ］は、以下によって求められる。
【００４７】
【数８】
2011514659.tif 000010
式中、α、ρｅ、およびκは、それぞれ、ゼーベック係数［Ｖ／Ｋ］、電気抵抗率［ｏｈｍ−ｃｃｍ］、および熱伝導率［Ｗｃｍ−１Ｋ−１］である。開示される点冷却装置の比較性能指数は、以下となる。
【００４８】
【数９】
2011514659.tif 000011
パラメータαｐｃは、温度に伴って徐々に変動し、上述の以下によって求められる。
【００４９】
【数１０】
2011514659.tif 000012
Ｊ０＝ｑＮｃＤｎ／Ｗｐの場合、かつ代表例として、Ｔ＝９０Ｋの周囲で、Ｎｃ＝５Ｅ１８ｃｍ−３のようなＮ側で低温密度状態をとり、Ｄｎ＝約３０ｃｍ２／秒をとり、Ｗｐ＝２μｍ（ここでは、Ｗｐは非常に小さいため、本出願人らは、Ｌｐの代わりに、Ｐ＋領域の厚さＷｐを使用した）をとる場合、本出願人らは、Ｊｏ＝１．２Ｅ５アンペア／ｃｍ２を得た（式中、Ｋは、ボルツマン定数であって、ｑは、１．６Ｅ−１９Ｃの電子電荷である）。本出願人らは、αｐｃがＪｏおよびＪの両方における対数であるため、温度に伴って徐々に変動することに気が付いた。
【００５０】
Ｊ＝ｌアンペア／ｃｍ２の場合、αＰＣは、１．００８ミリボルト／Ｋ〜１０００ミクロボルト／Ｋの（１．３８Ｅ−２３／１．６Ｅ−１９）（１ｎ（１．２Ｅ５／ｌ）であり、Ｎｃを使用する場合、温度に伴って、ほんのわずかな速度で変動する。結果として、
【００５１】
【数１１】
2011514659.tif 000013
アルミニウムワイヤ接続の場合、約（１Ｅ−３）２／（（４Ｅ−６）（３））、すなわち、約８５Ｅ−３／Ｋをもたらす。２４０Ｋにおいて、
【００５２】
【化１】
2011514659.tif 000014
である。
【００５３】
【化２】
2011514659.tif 000015
であるため、本出願人らの発明の低Ｔｃｏｌｄを達成するための電位は、ＴＥよりも遥かに大きい
【００５４】
【化３】
2011514659.tif 000016
したがって、好ましい実施形態である、固体状態電子的無振動冷却装置は、６０Ｋ以下の温度範囲以下を達成するように構成される。
【００５５】
一実施形態では、Ｐ領域内および先端表面上での有意な再結合は、回避される。別の実施形態では、領域内に注入される電子によって、ダイオード接合部電流の本質的に全部が維持される。２〜１０ボルト範囲内の電子トンネルアノード抽出電圧を達成することによって、従来のＴＥ冷却装置と競合し得る総効率が可能となる。より低い点冷却装置効率であっても、振動を伴わない薄軽量冷却装置（すなわち、固体状態冷却装置）を送達する能力は、そのより優れた効率を伴う既存の大型かつ重量のある冷却装置に優る広範の挿入利点を有する可能性が大きい。
【００５６】
図７Ｂは、Ｐ領域（また、点電極を含有する）高濃度にドープされた状態に維持する必要性を例証する。従来の実験では、約２Ｅ１４ｃｍ−３の低濃度ドープＰ点が使用されていた。トンネル効果の間の空乏化領域は、非常に厚く（約５μｍ）、Ｐ領域から流出し、空乏領域に流入する電子は、空乏領域内へ短距離移動後、フォノン衝突によって熱化された。
【００５７】
対照的に、図７ＡのＰ領域は、約１Ｅ１８ｃｍ−３にドープされ、先端における空乏領域は、わずか約１００Å厚であった。図７Ｂを表す実験では、空乏領域は、約４００Åのフォノン平均自由散乱経路よりも短かった。したがって、電子は、従来の方法におけるように熱化されずに、トンネル効果の有意な確率を有する。
【００５８】
熱化された電子は、Ｎ＋＋領域から引張されると、その熱エネルギーを放散し、空間格子を再加熱し、冷却作用を無効にする。これは、本開示に従って、高濃度にドープされた薄Ｐ＋領域を使用することによって回避され得る。好ましい実施形態では、Ｐ領域は、約４μｍ厚であって、点空乏領域は、約１５０Å厚である。また、Ｐ点の高濃度ドーピングは、電界増強を大幅に向上させ、より低いアノード電圧によって、点先端トンネル電界を達成することが可能となり、電子を付勢し、真空に侵入させる。
【００５９】
図８は、高濃度にドープされたｐ＋材料（Ｔｙａｇｉ，  Ｍ．  Ｓ．およびＲ．  Ｖａｎ  Ｏｖｅｒｓｔｒａｅｔｅｎ，Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２６，６（１９８３）５７７−５９８）中の拡散距離のグラフを示す。本開示の一実施形態では、各点は、約３μｍ〜約４μｍの高さであると推定され、約１Ｅ１８ｃｍ−３のｐドーピングにドープされる。空乏領域は、電子がフォノンに衝打せずに、空乏領域を横断可能なように、１４０Å未満であり得る（フォノン平均自由行程は、約４００Åである）。
【００６０】
１Ｅ１８ｃｍ−３のｐ型ドープ点材料において、非常に多くの正孔が利用可能である状態では、電子寿命、したがって、拡散距離は、重度に劣化され得ることが推定されるであろう。図８は、１Ｅ１８ｃｍ−３のｐ型では、約７０μｍの電子拡散距離を示し、接合部から放出先端までの距離である４μｍを実質的に上回る。これは、注入される電子が、低温接合部から熱を搬出するその過剰エネルギーとともに、再結合せずに、点空乏領域の縁まで到達するはずであることを含意する。すなわち、電子は、その過剰エネルギーを空間格子に放散し、それを加熱せずに、点空乏領域まで切り抜けるはずである。
【００６１】
約１Ｅ１８ｃｍ−３までドープされたＰ＋点アレイに印加された外部電界の影響下の電界および半導体障壁状況の２次元の円筒状に対称のコンピュータによる計算が、図９に示される。図９から分かるように、電界強化が、５０Å径先端の近傍で生じる。空乏領域は、約１４０Å厚であって、フォノン衝突を被ることなく、ＰＮ接合部からトンネルまで、空乏領域にわたって、より高温の電子の大部分を拡散させるのに十分な薄さである。重要なこととして、図９では、強先端電界は、電子親和力と伝導帯縁との間の電圧を約４．１ボルト〜約３．１ボルトに降下させ、したがって、トンネル効果の確率を著しく増加させることに留意されたい。
【００６２】
Ｈ＝２μｍ高の点先端４μｍ中心線の基底から約Ｗ＝２．１μｍに位置するｒＴＩＰ＝５０Åを伴う先端電界は、当該分野において公知のように、先端電界＝約（Ｖ／Ｗ）（Ｈ／ｒＴＩＰ）である。
【００６３】
電界強化係数は、Ｈ／ｒＴＩＰ＝２μｍ／５０Ａまたは約４００である。トンネル効果の計算は、先端面積当たり約５００ｎＡの最適先端電界電流密度を示す。ここでは、先端面積が、約２００Åｘ２００Åであると推定される。したがって、必要とされるＪＴＵＮＮＥＬは、約１．２５Ｅ５アンペア／ｃｍ２である。
【００６４】
約３．１ボルトの障壁高およびトンネル効果のＦ−Ｎトンネルの記述を仮定すると、半径５０Åの先端内の上述の電流密度のために要求される必要外部電界ＶＡＮＯＤＥ／Ｗは、約５Ｅ４ボルト／ｃｍとなるであろう。したがって、一実施形態では、アノード電極は、先端基底から約２．１μｍの距離に定置される。アノード電圧は、約（Ｅ）（Ｗ）または（５Ｅ４）（２．１Ｅ−４）、すなわち、１０．５ボルト、または図９の半導体にわたる電圧降下が含まれる場合、約１１．５ボルトである。
【００６５】
図１０は、冷却システムの性能に関する高濃度ｐ型ドープ点の効果を図式的に示す。具体的には、図１０は、Ｐ＋半導体点の適切なドーピングを有することの重要性を例証する。ドーピングが高濃度過ぎ、点が金属ドーピング（２．５Ｅ２２ｃｍ−３）に近接近する場合、金属点は、継続して再鋭化され、信頼性がなくなり得る。点が低濃度にドープされ過ぎる場合、空乏領域が深過ぎ、電子は、領域にわたって、その先端でフォノンに遭遇し、熱化し、先端に保存され、徐々にトンネル効果が生じるが、冷却はしない。
【００６６】
理想的には、ドーピングは、約１Ｅ１８ｃｍ−３であって、空乏領域は、十分に薄いだけではなく、先端の半径は、実際の機械的先端径によってではなく、１Ｅ１８ｃｍ−３材料（５０Å）中の付帯的デバイ長ＬＤによって、部分的に判定される。これは、ドーピングの均一性（したがって、ＬＤ）が、機械的先端均一性よりも均一であるため、電子放出均一性および冷却均一性を著しく向上させ得る。
【００６７】
再び、図４を参照すると、固体状態冷却システムは、最初に、半導体ｎ−ｐ接合部（接合部４２０および４４０として示される）に続いてすぐに、電界放出点４４３のアレイを伴う電気回路を備える、真空封入された冷却要素４５０から成る。エネルギーは、ワイヤ４６０を通じて、接地４３０から、半導体および真空４１４を通って、ヒートシンク４６４へと流動する。接地４３０された半導体接合部４４３と、電圧源Ｖ＋に接続されたヒートシンク４６４との間の電位差は、熱伝達を駆動する。
【００６８】
熱は、接合部４３８および熱源４３６から、電子（図示せず）によって、半導体接合部４４０および点４４３を通って搬出される。次いで、電子は、点４４３から、真空４１４を通って、ヒートシンク４０５へと付勢される。論じられるように、電子付勢のための駆動力は、接合部４３８と収集アノード４３０との間の電位差である。収集アノードは、熱を周囲に伝達するように構成される、銅または他の類似金属ヒートシンクから作製され得る。図４の実施形態では、収集アノード４３０は、ボルト４３２に接続される。ボルト４３２は、急速熱消散のためのフィンまたは他の類似手段に連結され得る。
【００６９】
図４の冷却システムは、ＩＲセンサと併用するために構成される。したがって、冷却システム４００は、冷却のために、半導体（接合部４３８、４４０を含む）と熱連絡するレンズ４６０を含む。最終的低温は、熱伝導、導線中のオーム加熱、および熱放射損失による、負荷素子４３６ならびに寄生素子流入熱によって搬入される熱と対照して、電子によって搬出される熱との均衡によって判定される。
【００７０】
本開示の一実施形態では、点４４３は、円形酸化膜マスクのアレイの存在下、アンダーカットエッチング処理されたシリコンによって加工される。図１１Ａ−１１Ｃは、尖った先端をエッチングするための方法を図式的に示す。基板１１００は、複数のマスク１１０２および１１０４を使用して、従来方式でエッチングされる。マスク１１０２は、マスク１１０４よりも直径が大きい。マスク１１０２は、マスク１１０４よりも大きい内径を有し、それによって、形成される支柱１１０６、１１０８を提供する。支柱１１０６、１１０７は、図１１Ｃに示されるように、アノード１１０８を支持する。一例として、支柱１１０７は、２μｍの外径を有する。酸化膜直径を時折拡大することによって（例えば、両方向に５０酸化膜サイクル毎）、図１１の方法は、より幅広のシリコン支柱を生成し、取着される酸化膜１１１０は、スペーサとして使用され、アノードと電界放出先端との間の空隙を極小値に設定し得る。図１１Ｃでは、空隙は、約２５００Åである。
【００７１】
酸化膜は、酸化シリコンは、熱伝導不良体であって、シリコン支柱は、非常に幅狭であるため、これらの孤立支柱に対して電気絶縁を提供し、また、伝導による熱漏出を際最小限にする。数千オングストロームの酸化膜による５０ｘ５０毎の点は、これらの酸化膜で冠着された支柱にわたる熱漏出が、１００Ｋ以下までの冷却装置の冷却能力よりも遥かに小さい、わずか数ミリワット／ｃｍ２であるように、十分に疎らである。
【００７２】
本開示では、カソードからアノードへの熱伝導損失は、最小限にされ、電源の負端子へのシリコンチップの金属ワイヤの取り付けによって生成されるオーム／フーリエ損失は、最適化されている。一実施形態では、より高温のアノードから冷却装置ＰＮ接合構造へと戻る再放射は、アノードおよび点表面を金で塗膜することによって最小限にされ得る。
【００７３】
図７は、そのような実装の１つを示す。図７では、素子７０２は、熱源であって、ヒートシンク７０４の近位端と連絡する。ヒートシンク７０４は、接地される。また、その遠位端では、ヒートシンク７０４は、先端または点７０５のアレイを含む。各先端は、ヒートシンク７０４の遠位端から２μｍ延びる。ヒートシンク７０４の遠位端と、非再放射ヒートシンク７０８との間の距離は、約４μｍである。非再放射ヒートシンク７０８は、２０Ｖの電圧源に連結される。先端７０５は、非再放射ヒートシンク７０８の外表面同様に、金の薄層７０６で塗膜される。
【００７４】
金または他の類似材料による塗膜は、アノードの平面表面に行なわれ、放射損失の低減に大きな影響を及ぼす。また、図７に示されるように、シリコンチップ７０７の非電子放出部分も、金で塗膜され得る。一実施形態では、先端点周囲の領域は、塗膜せずに、裸シリコンとして残され得る。好ましくは、そのような点は、最大のトンネル効果のために、ＳｉＯ２（＜約１０Å）の超薄層のみで被覆される。
【００７５】
図１２は、本開示の一実施形態による、抽出グリッドを図式的に示す。抽出グリッドは、ＶＡＮＯＤＥをさらに低減するために追加される。図１２では、ヒートシンク１２１０は、＋２ボルトの逆電位にあるアノードＮｏ．２と熱的に連絡する。１２１８としてマークされるアノードＮｏ．１は、＋１０Ｖに設定される。正孔１２１１は、ヒートシンク１２１０内に形成され、低エネルギー電子を捕捉する。絶縁層１２１７は、高絶縁定数Ｋを伴う従来の絶縁材料であり得る。金層１２１６は、上述の理由から、絶縁層上に位置付けられる。ＰＮ接合部シリコンは、Ｎ＋＋領域１２２２およびＰ＋領域１２２８を伴って示される。Ｎ＋＋領域は、接地ワイヤ１２２４を通して接地される。シリコンＮ＋＋／Ｐ＋は、図１１を参照して論じられた支柱１２２０を含む。支柱１２２０は、層１２１４上に静置する。層１２１４は、酸化膜冠であり得る。
【００７６】
点アレイ先端１２２６は、低エネルギー電子を収集するために、ファラデーカップとして作用する正孔１２１１上に位置付けられる。図１２に示されるように、尖った先端１２２６からの電子の約１５％は、金層１２１６に誘引され、その残りは、溝１２１１に誘引される。
【００７７】
図１２に示される抽出グリッドは、放出電流の制御に有用である。適切な設計によって、抽出グリッドは、冷却装置の電力効率を改善する。半透性グリッドを、例えば、１０Ｖにバイアスされた尖った先端に近接して使用し、先端における高要求電界を有意に減少させることなく、電子を引き出してもよい。例えば、１．５ボルトにバイアスされた第１の半透性グリッド背後の第２の電極（減速アノード）は、電極の大部分を捕捉するように構成され得る。一実施形態では、第１の半透性グリッドの開口部および位置は、電子の１０％のみ捕捉するように構築される。そのような設計によって、有効平均抽出エネルギーは、消散電力（図１２では１０Ｖ）の約２０％低くなるであろう。これは、約２Ｖの有効壁コンセント電圧に対応する一方、尖った先端上の同一高抽出電界を維持し、素子の適用範囲をさらに増加させる。
【００７８】
熱流および温度は、グリッド電極の電圧を変化させることによって制御され得る。電圧が、熱センサからのフィードバックに基づいて制御される場合、「熱増幅器」の結果となる。これは、所望の設定点（例えば、常に、観察光学系（図１２に図示せず）内の最高温物体を対象とする）で本質的に動作可能な熱上昇を生成する。
【００７９】
従来のＰＮ接合部冷却装置は、高電流密度が印加される場合であっても、わずか約２０°Ｋの理論的温度差を主張する。従来のＰＮ接合部冷却装置は、半導体内の熱伝導によって占められる熱経路を有していた。対照的に、本開示の新規側面は、熱抽出のための真空内への電子放出と組み合わせた、接合部の接地側の薄金属ワイヤの導入にある。
【００８０】
上述のように、ＴＥ冷却システムの利点は、無振動保冷である。小型かつ固体状態であるが、従来のＴＥ冷却システムは、冷却温度が１７０°Ｋを下回らない用途にのみ好適である。ＴＥ材料は、本値を下回る温度に対して、その性能が急激に降下する。小型であるが、ＴＥは、低温を達成するために段階式である必要がある。例えば市販のテルル化ビスマスユニットは、３００°Ｋ周囲温度から１７０°Ｋに到達するために、４段階のＴＥ冷却を必要とする。その段階の上昇と比較して、各段階において、さらに熱を上昇させる必要性のため、結果として生じるユニットは、階段状ピラミッドのように見え、厚過ぎて、既存の光学システム下に容易に挿入できない。また、これらのシステムは、比較的に脆弱である。従来のテルル化ビスマス化合物は、大きな横方向負荷を受け止めることができない。
【００８１】
開示される点冷却システムは、遥かに剛健である。従来のＴＥピラミッドとは対照的に、開示される冷却システムは、略１ｍｍにも満たない厚さであって、著しい光学再設計を伴わずに、既存の光学システム内にＦ３（「形状的、適合的、機能的に」）挿入され得る。
【００８２】
図１３Ａは、市販のＴＥの設置面積と、開示される実施形態による点冷却装置の設置面積とを比較したプロット図である。図１３では、グラフの区画１３１０は、本明細書に開示される点冷却装置の性能特徴を示す。グラフの区画１３２０は、従来のＴＥ多段式冷却装置の性能特徴を示す。点冷却装置は、２００°Ｋを下回る冷却温度に有効であることが分かる。
【００８３】
図１３Ｂは、単位体積当たりの従来のＴＥ熱上昇と、開示される点冷却装置の推定値との比較である。本明細書に開示される実施形態に従って作製される点冷却装置は、２３０°Ｋを下回る冷却温度に対して、従来のＴＥよりも性能が優れていることが図１３Ｂから分かる。
【００８４】
本開示の点冷却装置は、より低温に到達するために段階式であってもよい。図１４は、本開示の実施形態による、段階式点冷却装置を例証する。図１４の冷却システムは、真空筐体内に格納されるが、便宜上、筐体および真空は、図示されない。図１４の冷却システムは、電圧源１４０５に接続されるアノード１４１０を備える。アノード１４１０は、段階１、２、および３を含む。各段階１、２、および３は、それぞれ、半導体領域１４１２、１４１４、および１４１６にわたって位置付けられる。例えば、第３の段階１４１９は、半導体１４１８および適切な領域Ｐ接合部１４１０によって規定される。
【００８５】
図１４の実施形態では、半導体領域１４１２、１４１４、および１４１６は、領域１４３０（段階０）に直列に接続される。半導体領域１４３０は、接地される。また、領域１４３０は、３００°Ｋの熱源と連絡する。図１４は、段階０から、ワイヤ１４２０を通って、段階１へと流動する１５アンペアを示す。熱は、本明細書に開示される原理に従って、半導体領域１４１２の点アレイを通って流動する。段階１の温度は、約１００°Ｋである。半導体領域１４１２に指向される１５アンペアのうち、約５アンペアは、電子および熱を担持して、段階１からアノードへと指向される。残りの１０アンペアは、ワイヤ１４２２を通って、半導体領域１４１４に伝送される。ワイヤ１４２０を通って流動する電流は、段階１と段階２との間で電子と熱を搬送する。段階２では、類似アレイ点冷却システムが、段階２の点冷却システムを通して、段階２までの５０°Ｋの温度を可能にする。５アンペアの残りは、ワイヤ１４２４を通して、半導体領域１４１４から半導体領域１４１６に指向される。
【００８６】
被冷却標的１４１８は、半導体領域１４１６上に定置される。図１４の冷却システムの段階３は、前の段階と類似方式で動作し、半導体領域１４１６からＰ接合部１４１０へと熱の残りを除去する。Ｐ接合部１４１０からの電子は、電圧源１４０５（ＶＡｎｏｄｅ）へと流動し、それによって、熱を消散させる。
【００８７】
ワイヤ１４２０、１４２２、および１４２４のサイズ、種類、および直径は、設計基準に従って、熱／電気伝導率を制御するように選択され得る。
【００８８】
ピラピッド冷却方式を使用する従来の段階式冷却システムでは、各段階は、これまで以上の熱流を処理しなければならないため、各後の段階は、拡張ピラミッド積層を生成する次のより高温段階へとその熱を排熱しなければならない。しかしながら、図１４の実施形態における各段階は、真空を通して、高温段階へと直接その電流を送流させ得る。したがって、排熱は、並列に遂行される一方、寄生フーリエおよびオーム損失は、低温段階において、直列に構成され得る。これは、周囲温度から、最初に、公称１００Ｋ、次いで、公称５０Ｋまで温度を降下させる２つの保護点冷却装置を描写する、図１４に図式的に示される。冷却装置は、寄生損失に対処する。公称３０Ｋで示される最終低温段階は、５０Ｋのヒートシンクに接続される負荷および寄生損失を上昇させなければならない。本構成は、従来のピラミッド式ＴＥよりも有意に剛健である。
【００８９】
図１５は、図１４の３段階式冷却システムの計算された冷却曲線を示す。具体的には、図１５は、非最適化３段階式点冷却システムのコンピュータシミュレーションである。図１５のシミュレーションは、不純物の脱イオン化等のシリコン内の超低温効果を考慮しない。また、金層からの３００°Ｋの後方放射は、３０°Ｋで約１．０３ｍＷ／ｃｍ２のみであることに留意されたい。
【００９０】
本明細書に開示される冷却システムは、重量およびコストの観点から、逆熱機関保冷装置に匹敵する。極低温冷却装置の近年の調査は、２５０超の極低温冷却装置を検査している。２Ｗを下回る熱上昇能力を伴う最小冷却装置の場合、最も安価なものは＄４，５００（数量１００以上）であって、最も計量なものは、０．４５ｋｇであった。開示される冷却システムは、シリコンＩＣ処理製造工場において加工され、１００〜１０００倍未満の潜在的コストを有し得る。加えて、構成要素の重量は、従来の熱機関システムの約１００倍未満である。
【００９１】
本開示の一実施形態では、予冷却装置が、開示される点冷却装置システムと併用される。例えば、従来のＴＥは、周囲温度から次の段階温度まで温度を降下させるために、ＴＥがその最高効率を発揮し、次いで、本明細書に開示される点冷却方法によって冷却を継続する体制を利用する、初期保護冷却装置として使用されてもよい。
【００９２】
開示される点冷却装置システムは、電子の熱発生を必要としないだけではなく、［０００５１］で上述の反転ノッティンガム冷却において必要とされるような少数キャリア反転層の源を提供するための二次的プロセス（ホッピング等）の必要性がない。電子逆注入接点は、ｐ領域厚Ｗｐ＜＜Ｌｅｐ（式中、Ｌｅｐは、ｐ材料内の電子の拡散距離）である少数キャリアで点を充填する（図８）。
【００９３】
別の実施形態では、先端空乏領域厚Ｗｄ＜＜Ｌｐｈｏｎｏｎであって、電子は、Ｎ＋／Ｐ接合部から遠隔に得られた元々の熱容量を担持したまま流出する。電子によって担持される熱は、真空中へと、最終的には、固体状態素子のアノード領域内へと注入される。
【００９４】
図１６は、本開示の実施形態の略図である。図１６に示されるシステムは、回路１６１０および１６２０を有する。負荷１６０２は、半導体領域１６０４の遠位端に定置される。半導体領域１６０４は、Ｎ型ドープ領域を規定し、その近位端において、Ｐ型ドープ領域１６０６に連結される。Ｐ型ドープ領域１６０６は、第１の部分１６０５と、第２の部分１６０７と、を含む。第１の部分１６０５および半導体領域１６０４の遠位端は、第１の回路１６１０を形成する。半導体領域１６０４の遠位端およびアノードヒートシンク１６４０は、第２の回路１６２０を規定する。
【００９５】
第１の回路内の電流は、破線矢印１６１０によって示される。回路１６１０の極性を前提として、電子および正孔は、Ｎ型ドープ領域１６０４の遠位端から近位端へと流動する。電子および正孔は、負荷１６０２から熱を搬出するため熱化される。第１の回路１６１０は、Ｐ型ドープ領域１６０６の第１の部分１６０５へと向かって電子を付勢する。熱化された電子が第１の部分１６０５に侵入するのに伴って、第２の回路１６２０は、第２の部分１６０７へのその移動に影響を及ぼし、指向させる。第２の部分１６０７は、図１６の代表的実施形態における尖った先端である。図示されないが、図１６のシステム全体が、真空チャンバ内に定置され得る。
【００９６】
第２の回路１６２０と連結される真空トンネル効果は、Ｐ型ドープ領域１６０６の第２の部分１６０７からアノードヒートシンク１６４０へと電子を付勢する。その結果、熱は、Ｐ型ドープ領域１６０６の尖った先端から、最終的には、負荷１６０２からヒートシンク１６４０へと除去される。図１６の実施形態では、第１の回路１６１０は、Ｎ型ドープ領域からＰ型ドープ領域へと多くの電子を注入し、そのそれぞれが、Ｎ型ドープ領域１６０４から熱を搬出し、したがって、標的素子を冷却する。回路１６２０は、Ｐ型ドープ領域１６０６の尖った先端に高電界を生成し、真空（図示せず）中への熱損失を伴わずに、加熱された電子１６１２にトンネル効果を生じさせ、アノードヒートシンク１６４０へと熱を搬送する。図１６の実施形態は、１つの点冷却素子のみを示すが、本明細書に開示される原理は、点冷却先端のアレイを有する素子に適用されることに留意されたい。
【００９７】
本明細書は、本明細書に提供される例示的実施形態に関連して開示されたが、本発明の原理は、これらの実施形態に制限されず、本開示の精神から逸脱することなく、他の順列および変形を含むことに留意されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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