ОХЛАЖДАЮЩАЯ МНОГОСЛОЙНАЯ СТРУКТУРА

Полезная модель относится к термоэлектрическим устройствам охлаждения объектов микро- и оптоэлектроники.
Работа электронных приборов (например, транзисторов, интегральных микросхем, лазерных диодов и др.) сопровождается выделением тепла. При увеличении температуры прибора его характеристики, как правило, ухудшаются (например, происходит возрастание уровня шумов, снижение коэффициента усиления, снижение полезной мощности и т.д. в зависимости от типа прибора), а при дальнейшем увеличении температуры может произойти отказ в работе прибора. Эта проблема особенно актуальна для быстродействующих устройств передачи и обработки информации.
Для стабилизации или снижения температуры работающего электронного прибора могут быть использовано воздушное или водяное охлаждение. Их недостатками являются большие размеры, а также дополнительное потребление электроэнергии.
Для охлаждения микрообъектов используют, как правило, термоэлектрические устройства, основанные на эффекте Пельтье (см., патенты США №3006979, 3409475, 4859250). Они выполнены из пары или нескольких пар электродов, изготовленных из материалов с разными коэффициентами Пельтье. При пропускании электрического тока через такие соединения вследствие эффекта Пельтье в области одного из контактов (группы контактов) разнородных материалов происходит поглощение тепла, а в области другого контакта (группы контактов) имеет место выделение тепла. Вариантом устройства для охлаждения на основе эффекта Пельтье являются многокаскадные элементы (патенты США №5040381, 4833889, 5385022). Другим вариантом, описанным в патенте РФ №2310950, является термоэлектрическое устройство на основе эффекта Пельтье, в котором тепло, поглощенное в области терморегулирования, выделяется на коммутационных площадках, удаленных на значительное расстояние от терморегулируемой области.
Основным недостатком устройств, основанных на использовании эффекта Пельтье, является необходимость пропускания через них электрического тока, что привалит к дополнительному потреблению электроэнергии, которое может быть сопоставимо или даже превосходить потребление электроэнергии охлаждаемым устройством микро- (опто-) электроники.
В качестве прототипа предлагаемого устройства выбрано устройство, описанное в патенте РФ №Ю2851, основанное на выявленном автором эффекте охлаждения образца из полупроводникового сульфида самария (SmS) при генерации электрического напряжения за счет термовольтаического эффекта, возникающего при нагревании образца.
1-x
x
1-x
x
1-x
x
Устройство-прототип представляет собой слоистую структуру, состоящую из слоя полупроводникового материала SmS (сульфида самария) и слоя твердого раствора SmYyS (Yy обозначает один из следующих элементов: La, Се, Gd, Pr, Nd, Dy, Ho, Еr) с контактными площадками, электрически соединенными с внешними поверхностями слоистой структуры, и подсоединенными к ним токовыводами, замкнутыми между собой через электросопротивление нагрузки. При нагревании структуры температура контактной площадки на слое SmS растет быстрее температуры контактной площадки на слое SmYyS, что позволяет использовать контактную площадку на слое SmYyS для теплорегуляции объекта. Избыток тепловой энергии выделяется на нагрузочном электросопротивлении, которое может быть вынесено на необходимое удаление от теплорегулируемой области за счет удлинения токовыводов. Устройство-прототип позволяет реализовать стабильный и непрерывный процесс охлаждения микрообъекта без использования источников электроэнергии для функционирования охлаждающего устройства.
1-x
x
К недостаткам устройства-прототипа относится невысокое значение отводимой тепловой мощности, которая ограничена максимальными значениями тока и напряжения (их произведения), которые могут вырабатываться структурой SmS/SmYyS при нагреве. В результате, устройство-прототип способно обеспечить охлаждение объектов кассой в несколько граммов всего на 30-40°С.
Другим недостатком устройства-прототипа является трудность обеспечения хорошего теплового контакта между устройством-прототипом и поверхностью охлаждаемого электронного прибора. Это обусловлено тем обстоятельством, что приводимая в контакт поверхность охлаждаемого электронного прибора (например, поверхность подложки электронной микросхемы), как правило, не является идеально плоской, что затрудняет плотное прилегание к ней устройства-прототипа.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания устройства, функционирующего без использования источников электроэнергии, способного обеспечить эффективное охлаждение объектов микро- и оптоэлектроники.
1+x
y
Устройство для охлаждения объектов микро- и оптоэлектроники, выполнено в виде нанесенного на поверхность, которую необходимо охладить, многослойного покрытия, состоящего из нижнего металлического слоя, поверх которого нанесен по крайней мере один слой полупроводникового материала SmLnS, где х=0÷0,17, y=0÷0,15, причем х+y<0,17, и верхнего металлического слоя, соединенного с нижним металлическим слоем через удаленное нагрузочное сопротивление, причем величина хотя бы одной из концентраций «x» и «y» монотонно возрастает в направлении от нижнего металлического слоя к верхнему металлическому слою. Здесь Ln обозначает трехвалентные в моносульфидах атомы, относящиеся к III группе 6-го периода периодической таблицы элементов за исключением самария Sm. К ним относятся, например, атомы гадолиния Gd и церия Се.
1+x
y
Устройство для охлаждения может включать два или более слоев полупроводникового материала SmLnS, последовательно расположенных таким образом, что хотя бы одна из концентраций "х" и "y" возрастает от слоя к слою в направлении от нижнего металлического слоя к верхнему металлическому слою, в то время как в пределах каждого из упомянутых слоев как концентрация "х", так и концентрация "y" приблизительно постоянны.
Принцип действия устройства основан на том, что при нанесении многослойного покрытия на поверхность объекта микро- и оптоэлектроники, который необходимо охладить, обеспечивается надежный тепловой контакт даже в том случае, если поверхность, которую необходимо охладить, непланарная. Наносимый первый металлический слой и последующие слои многослойной структуры повторяют неровности исходной поверхности, обеспечивая тем самым надежное прилегание многослойной структуры к ней.
Принцип действия устройства также основан на том, что в полупроводниковой структуре, в которой имеется градиент концентрации избыточных атомов самария Sm (градиент концентрации «x») и/или градиент концентрации легирующих атомов, относящихся к семейств лантаноидов Ln (градиент концентрации «y»), под действием тепла, вырабатываемого объектом, который необходимо охладить, вследствие термовольтаического эффекта происходит генерация электрического напряжения (термо-ЭАС).
Устройство работает следующим образом, Между нижним металлическим слоем устройства и поверхностью, которую необходимо охладить, осуществляется тепловой контакт. При функционировании охлаждаемого объекта (прибора опто- или микроэлектроники) происходит выделение теплоты. Вследствие генерации термо-ЭАС в электрической цепи, образованной верхним и нижним металлическими слоями многослойной структуры, замкнутыми через нагрузочное сопротивление, начинает протекать электрический ток. Протекание электрического тока вызывает в свою очередь нагрев нагрузочного сопротивления, сопровождающийся диссипацией тепла в удаленной от охлаждаемого объекта области пространства.
Таким образом, предлагаемое устройство преобразует теплоту, выделяемую с требующей охлаждения поверхности, в электрическую мощность, которая затем вновь преобразуется в теплоту, выделяемую на удаленно расположенном нагрузочном сопротивлении. В результате отвода тепла от объекта осуществляется его охлаждение.
1+x
Автором настоящей полезной мололи было установлено, что термовольтаический эффект усиливается в том случае, если в сульфиде самария SmS, либо в SmS (сульфиде самария, содержащем избыточные атоллы самария) создана неоднородная концентрация примесных атоллов Ln, относящихся к семейству лантаноидов (элементы III группы 6-го периода периодической таблицы), проявляющих валентность 3 в соединении с серой. Обнаруженное явление обусловлено, по всей видимости, тем, что дополнительный электрон, который образуется в зоне проводимости сульфида самария при введении в него дополнительного трехвалентного атома повышает проводимость полупроводникового соединения по сравнению с исходным материалом. В результате имеет место увеличение максимального значения электрической мощности, которая может быть выработана устройством и, как следствие, увеличение максимального значения тепловой мощности, которая может быть отведена от охлаждаемого объекта.
Автором настоящей полезной модели установлено, что в случае если концентрация «x» превышает 0,17, имеет место выделение фазы металлического самария. Также автор установил, что в случае если концентрация «y» превышает 0,15, термовольтаический эффект будет отсутствовать вследствие перехода ионов самария в трехвалентное состояние. Кроме того, если x+y превысит 0,17, будет наблюдаться один из или оба из указанных нежелательных эффектов.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
1+x
y
на фиг.1 схематически показан вариант конструкции заявляемого устройства, содержащего один слой полупроводникового материала SmLnS градиентной концентрации;
1+x
y
1+x
y
на фиг.2 схематически показан другой вариант конструкции заявляемого устройства, содержащего два слоя полупроводникового материала SmLnS, отличающиеся своим химическим составом. Полезная модель также может содержать более двух слоев SmLnS;
на фиг.3 показана схема экспериментального устройства, использованного для демонстрации эффекта самоохолаждения.
1+x
y
Изображенное на фиг.1 заявляемое устройство нанесено на поверхность 1, которую необходимо охладить, и включает нижний металлический слой 2, один слой 3 полупроводникового материала SmLnS с монотонно возрастающей концентрацией "x" 4 избыточных атомов Sm 5 и концентрацией "y" 6 легирующих атомов Ln 7, верхний металлический слой 8, электрические соединения 9, удаленное нагрузочное сопротивление 10.
1+x
y
1+x
y
Изображенное на фиг.2 заявляемое устройство нанесено на поверхность 1, которую необходимо охладить и включает нижний металлический слой 2, два слоя 3.1 и 3.2 полупроводникового материала SmLnS, в пределах каждого из которых концентрация "x" 4 избыточных атомов Sm 5 и концентрация "y" 6 легирующих атомов Ln 7 приблизительно постоянны и возрастают в направлении от слоя 3.1 к слою 3.2, верхний металлический слой 8, электрические соединения 9, удаленное нагрузочное сопротивление 10. Полезная модель также может содержать более двух слоев SmLnS в пределах каждого из которых концентрация "x" 4 избыточных атомов Sm 5 и концентрация "y" 6 легирующих атомов Ln 7 приблизительно постоянны и возрастают в направлении от слоя, прилегающего к охлаждаемой поверхности, к наиболее удаленного от него слою.
Пример 1
1.02
0.07
На молибденовой пластине 1 с размерами 20×20×0,75 мм, являвшейся охлаждаемой поверхностью и одновременно нижним контактом, был создан (наплавлен в высокочастотной печи) образец со слоями 2 из SmGdS и 3 из SmS с размерами 8×6×4 мм (Фиг.3). Сопротивление этой структуры составило 3,2 Ом. На внешнюю поверхность был напылен металлический слой, формирующий контактную площадку 4.
В данном эксперименте охлаждение осуществлялось при замыкании электродов (контактной площадки 4 и охлаждаемой поверхности 1) с помощью сопротивления нагрузки 5, по величине близкого к сопротивлению структуры, R=3 Ом. Использовалось следующее оборудование: для нагревания шкаф сушильный электрический круглый 2 В-151 ГУ 54-1-1411-76; температура измерялась термопарами хромель-алюмель по ГОСТ Р 8.585-2001; сигналы выводились на ЭВМ с АЦП MD-M2.
Температура окружающей среды измерялась термопарой, прилегающей к слою 3. Температура охлаждаемой поверхности измерялась термопарой, прилегающей к охлаждаемой поверхности 1. При повышении температуры окружающей среды температура охлаждаемой поверхности повышалась медленнее, чем температура окружающей среды. При достижении температуры окружающей среды 98°С, температура охлаждающей поверхности достигла значения 56°С и стабильно поддерживалась в течение всего эксперимента длительностью 1 час.
Таким образом, в результате нанесения на охлаждаемую поверхность 2 слоев материалов на основе сульфида самария удалось понизить температуру объекта весом 3 г. на 42°С по сравнению с повышенной температурой среды. Эта разница температур поддерживалась без применения внешнего электрического источника. Таким образом, был достигнут эффект самоохлаждения.
Пример 2
1.02
0.07
Была изготовлена структура, аналогичная описанной в примере 1. После этого структура была нагрета до Т=1500°С в вакууме и выдержана в течение 30 минут. В результате прошедшей термодиффузии произошло спекание двух слоев с составами SmGdS и SmS в единый образец, и в приграничной области шириной ~2 мм образовался градиент ионов самария (избыток по сравнению со стехиометрическим составом от 0 до 0,02) и градиент ионов гадолиния (избыток по сравнению со стехиометрическим SmS от 0 до 0,07). Глубина диффузии 7 (~1 мм) рассчитана, исходя из известных коэффициентов диффузии. Сопротивление этой структуры составило 1,5 Ом.
Схема эксперимента и использованные приборы были такими же, как в примере 1, однако нагрузочное сопротивление составляло 1 Ом. При повышении температуры окружающей среды температура охлаждаемой поверхности повышалась медленнее, чем температура окружающей среды. При достижении температуры среды 99°С, температура охлаждаемой поверхности достигла значения лишь 52°С и стабильно и непрерывно поддерживалась в течение всего эксперимента длительностью 1 час.
Таким образом, в результате проведенного эксперимента удалось понизить температуру объекта весом 3 г. на 47°С по сравнению с температурой нагревающейся среды и поддерживать эту разницу температур без применения внешнего электрического источника.
В данных примерах показано, что описанные в настоящей полезной модели покрытия предотвращают перегрев поверхности, на которую они нанесены. Они могут наноситься на поверхности любой конфигурации с различными радиусами кривизны.