Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

b 1.6. Анизотропные термоэлементы в магнитном поле Как показано в работе [23], при Z = 10-2 K-1, T = 1400 K (ZT 1). Кпд АТ без учета ВТТ В этом обзоре нет возможности сколько-нибудь поравен 0.608, а с учетом их Ч 0.641, т. е. практически дробно остановиться на исследовании эдс и кпд АТ в тот же. Кажущееся противоречие объясняется тем, что магнитном поле. Приведем только некоторые ссылки с при ZT 1 в АТ становится существенным тепло минимальными комментариями. Классификация термоБриджмена (последнее слагаемое в (43)), которое при гальваномагнитных явлений в анизотропных средах дана малых ZT пренебрежимо мало. Можно показать [20], в [26,27]. АТ в магнитном поле рассмотрены в [28].

что тепло Бриджмена в точности компенсируется изме- Добротность АТ, работающего как в режиме генератора нением тепла Пельтье, обусловленным ВТТ. Поэтому эдс, так и в режиме холодильника, исследована в рабо тах [29-31].

Q1 - Q0 в точности равно его значению в отсутствие ВТТ. Само Q1 слабо зависит от наличия ВТТ, так как (T ) 1. Несмотря на малость (T ), его значение 1.7. Исскусственно анизотропные среды принципиально Ч искажение градиента температур имеВ [32] в качестве материала АТ предложено испольет кардинальное значение при расчете кпд АТ.

зовать слоисто-неоднородные среды, состоящие из чеВ работе [24] изучалась оптимизация кпд преобразоредующихся слоев с разными значениями локальных вателей, созданных на основе искусственно анизотропкоэффициентов, и в слоях (рис. 8). Если размер ного термоэлемента. Однако при использованном в этой работе подходе (слоистая изотропная среда заменяется на однородную, но анизотропную) рассматриваемый термоэлемент ничем не отличается от стандартного АТ. Полученные в [24] результаты, использующие приближенные методы решения нелинейного уравнения теплопроводности (в [22] оно решено точно), близки к результатам [20,22].

В [25] введена обобщенная термоэлектрическая добротность материала. Для элемента объема анизотропного материала с произвольным углом между потоком тепла q и тока j определена плотность производства энтропии Рис. 8. Модель слоистой среды. Слои с разными физическими = div jS, (53) свойствами: 1 Ч 1, 1, 1, 2 Ч 2, 2, 2. Справа указана эквивалентная усредненная среда Ч однородная, но j где jS = j - T Ч плотность потока энтропии в анизотропная с эффективными кинетическими коэффициентаT единицу времени.

ми e, e, e.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1290 А.А. Снарский, А.М. Пальти, А.А. Ащеулов рассматриваемой области такой среды много больше эффективные значения e и e по определению связытолщин слоев, то приближенно такую неоднородную вают j с E и c T, где... Ч среднее по объему локально-изотропную среду можно описывать в среднем и как однородную, но анизотропную. Критерий примени- j = e E -ee T. (56) мости такого описания дан в работе [33].

При вычислении эффективных кинетических коэффиАТ на основе таких сред принято называть искусственциентов предполагается, что характерный размер неодно анизотропными термоэлементами (ИАТЭ). ИАТЭ нородности, в данном случае толщина пакета, много имеют ряд преимуществ по сравнению с АТ на монобольше характерных длин свободного пробега. Задача о кристаллической основе. Главная из них Ч возможность вычислении эффективных кинетических коэффициентов оптимизации их свойств при помощи варьирования матев общем случае для произвольного вида неоднороднориалов слоев и их толщин. Оптимизации свойств ИАТЭ, сти (зависимости локальных коэффициентов от коордиработающих в качестве генераторов эдс, холодильников нат) не решена. Однако в случае плоскослоистых сред Пельтье, в том числе в магнитном поле, посвящены возможно точное решение, годное для произвольного работы [32,34Ц40]. Большое количество варьируемых отношения коэффициентов в различных слоях. В [32] параметров позволило создать ИАТЭ для измерения получены эффективные кинетические коэффициенты для нестационарных тепловых потоков от 0.1 до 106 Вт/м2 случая, когда элементарный пакет состоит из двух слоев, с большими значениями добротности. Однако, как поа локальные коэффициенты изотропны. В [33] эти расчеказано в [37], добротность ИАТЭ не может превысить ты проделаны на основе методики [42] для общего случая значение соответствующего параметра термоэлемента произвольной периодической зависимости и от, продольного типа, составленного из компонент ИАТЭ.

а также добавлено упущенное в [32] слагаемое в комРасчет эдс и кпд ИАТЭ, если описывать его материал e поненте zz. Эффективные кинетические коэффициенты усредненным образом (считать однородным и анизотропимеют следующий вид:

ным), ничем не отличается от аналогичных расчетов для 1 АТ на основе монокристаллов. Существуют однако слуe e xx = yy = = e e чаи, когда поведение ИАТЭ не совпадает с поведением xx yy АТ. Один из таких случаев приведен в работе [41], в 1 1 2 (1 - 2)212T которой рассмотрена инерционность ИАТЭ на примере = + +, 1 2 11 + поперечного эффекта Пельтье. Интерес к времени переe ходного процесса (установление стационарного режиzz =(11 +22)/, ма) связан с тем, что вольтваттная чувствительность АТ 11/1 + 22/не зависит от его размера в направлении T. Экспе- e e xx = yy =, 11 + рименты, проведенные с ИАТЭ на основе гетерофазной системы Bi0.5Sb0.5Tl3ЦBi с толщинами, изменяющимися 11/1 + 22/e zz =, от 2 до 10 мм, подтверждают выводы теории.

11 + Переходный процесс в ИАТЭ включает в себя устаноe e xx = yy = /(1/1 + 2/2), вление стационарного состояния в элементарном двухслойном пакете 0 толщиной (рис. 8) и в термоэле1 12(1 - 2)212T e kzz = 11 + 22 +. (57) менте в целом Ч. Ясно, что при 0 невозможно 11 + установление стационарного режима во всем ИАТЭ до Эти же выражения повторены в работе [43]. Обобщетого, как он установится в пакете. Кроме того, при уменьние на случай не нулевого магнитного поля дано в [36] шении отношения /b время растет. Оказалось, что (см. также [43]). Общее решение дано в обзоре [44].

снижение инреционности ИАТЭ (которая ограничена 0) может быть достигнуто применением композиций из материалов с высокой теплопроводностью и уменьшени2. Экспериментальные исследования ем толщины двухслойного пакета.

2.1. Полупроводниковые анизотропные термоэлементы и приборы 1.7.1. Эффективные свойства слоистых сред.

Расчет распределения электрохимического потенциала в Интерес к исследованию и практическому применеИАТЭ с учетом конечности толщины слоев, из которых нию термоэлектрических явлений в анизотропных среот состоит, практически невозможен. Поэтому применядах возник после синтеза новых полупроводниковых ется стандартный прием Ч свойства среды усредняются, материалов, основные характеристики которых предстапосле чего среда считается однородной. А связи между влены в табл. 1.

средними по объему термодинамическими полями и поВ неоднородном температурном поле в термоэлекттоками дают эффективные кинетические коэффициенты.

рически-анизотропных средах, как было указано выше, Например, для возникает поперечное по отношению к градиенту темj = E - T пературы термоэлектрическое поле. Соответственно при Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Анизотропные термоэлементы. О б з о р Таблица 1.

Спектральная область Анизотропия Телпопроводность Электропроводность Литературный Материалы прозрачности, мкм термоэдс, мкВ/K 102, Вт/смK 10, Ом-1 см-1 источник Bi Ч 50 8.0 9 104 [45Ц47] Bi2Te3 Ч 60 1.8 2.11 103 [49] Te 3.5-20 140 2.9 40.0 [50] MnSi1.75 Ч 100 Ч 8.0 102 [51Ц55] CrSi2 Ч 45 Ч 6.0 103 [51Ц55] CdS 0.5-12 130 20.0 0.2 [56,57] ZnAs2 1.3-18 350 6.0 0.5 [58,59] CdAs 1.8-20 225 4.7 1.0 [58,59] ZnSb 2.2-30 120 1.1 7.2 [54,58] CdSb 2.6-30 300 1.2 4.0 [60,61] CdSbЦNiSb Ч 270 2.5 2.0 [60,61] CdSbЦCoSb Ч 295 2.3 2.0 [60,61] CdSbЦMnSb Ч 280 2.8 1.8 [60,61] пропускании тока через такую среду в ней возникает ботают в режиме оптического пропускания и позволяют поперечный поток тепла. Эти особенности и позволили контролировать тепловые потоки более 1.0 МВт/м2.

создать новый тип теплового прибора, названного анизоОсобо следует выделить группу анизотропных тертропным термоэлементом (АТ).

моэлектрических и оптико-термоэлектрических материПервые АТ были выполнены из монокристаллического алов на основе монокристаллов CdSb и направленно висмута. Величина и характер температурной зависимозакристаллизованных эвтектик CdSbЦMeSb, где Me ознасти анизотропии термоэдс Bi достаточно легко управлячает металлы: Ni, Co, Mn [60,61]. Малое значение анизоются легированием и введением двойниковых прослотропной темроэлектрической добротности этих материаек [45,46]. Он хорошо зарекомендовал себя в различлов затрудняет их использование в области прямого преных приемниках излучения и микроэлементах. Сплавы образования тепловой энергии в электрическую. Однако BiЦSb с высокой термоэлектрической добротностью в благодаря слабой температурной зависимости вольтваттдиапазоне 140180 K используют в термоэлектрических ной чувствительности АТ в области 210 310 K (темохладителях, работающих в поперечном магнитном попературный коэффициент составляет s = 1.1% K-ле [47,48].

для CdSb и s = 0.12 0.15% K-1 для CdSbЦCoSb) Такие монокристаллы как Bi2Te3 и Te при низкой техи высокому значению этой чувствительности, а также нологичности обладают высокой слоистостью и пластичвременной стабильности параметров [62] и большим ностью, что обусловлено нестабильностью их термоэлекгеометрическим размерам кристаллов удалось осущетрических и электрических параметров. Это затрудняет ствить серийное освоение ряда приборов и устройств.

использование таких материалов для АТ [49,50].

Кинетические характеристики и другие параметры АТ Представляют интерес монокристаллы некоторых сона основе различных классов анизотропных материалов единений кремния с переходными элементами, например можно сравнить, пользуясь табл. 1.

MnSi1.75 и CrSi2 [51Ц56]. Высокая анизотропия термоэдс При использовании АТ в качестве преобразователей ( 100 мкВ/K при 300 K), сохраняющаяся в очень температуры или теплового потока применяют следуюшироком температурном интервале (200 1000 K для щие основы параметры: температурная и вольтваттная CrSi2), позволяет использовать их в качестве высокочувствительности St и Sq, постоянная времени, порогочувствительных анизотропных приемников излучения с вая чувствительность Pmin и детектирующая способность малым уровнем шумов. Эти приемники обладают гигантD [63,64]. Основной характеристикой АТ является его ским динамическим диапазоном при высокой линейности вольтваттная чувствительность Sq. С помощью уравневыходных параметров. Кроме того, указанные соединия теплового баланса для вакуумного АТ, работающего нения перспективны в качестве основы для создания в качестве датчика излучения, можно получить [63] высоковольтных анизотропных преобразователей тепловой энергии в электрическую, работающих, например, в Sq = 0.5( - )( )-1c-1, (58) сочетании с кремниевыми солнечными элементами.

Большую анизотропию термоэдс при комнатных температурах в сочетании с высокой оптической прозрачно- где c Ч ширина АТ. Температурная чувствительность АТ в основном определяется коэффициентом анизотропии стью в области инфракрасного (ИК) излучения имеют термоэдс материала и коэффициентом формы a/b некоторые монокристаллы группы полупроводниковых соединений AIIBV ( = 120350 мкВ/K [57Ц59]). Эти материалы используют для оптических АТ, которые ра- St =( -)a/b. (59) Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1292 А.А. Снарский, А.М. Пальти, А.А. Ащеулов Таблица 2. потока электрическому полю, независимость вольваттной чувствительности от геометрического размера вдоль Площадь Вольтваттная Внутреннее Постоянная теплового потока в сочетании с оптической прозрачноТип рабочих чувствитель- сопротивле- времени стью, а также возможность воздания малоинерционного граней, см2 ность Sq, В/Вт ние, R, кОм, с прибора Ч открыли перспективы их широкого практиАТЭМ-1 0.2 0.2 0.46 0.2 0.5 ческого применения.

АТЭМ-2 0.5 0.6 0.54 4.3 1.Одним из первых был разработан прибор для измеАТЭМ-5 0.7 0.7 0.63 7.0 1.рения действующих значений высокочастотных токов и АТЭМ-8 1.0 1.0 0.06 0.09 1.напряжений (диапазон измерений 1 500 мА при номиАТЭМ-11 1.0 0.3 0.52 8.2 0.нальной эдс АТ 20 60 мВ) [69,70]. Преобразователь АТЭМ-15 1.2 1.0 0.27 16.0 2.состоял из двух электрически последовательно вклюАТЭМ-18 1.5 1.5 0.72 27.0 1.ченных АТ, с установленным между ними электрически изолированным омическим нагревателем определенного сопротивления. Другие рабочие грани АТ были снабжены Если влияние эффекта Пельтье мало, то постоянная радиаторами.

времени АТ дается выражением [65] Слабая температурная зависимость модулей на основе АТ позволила использовать из в установках для бескон = 0.4b2/, (60) тактного экспрессЦконтроля параметров полупроводниковых транзисторов, интегральных схем, микроохладитегде Ч температуропроводность материала АТ вдоль лей Пельтье и пр. Модули в таких установках применяют направления теплового потока.

в качестве приемников неселективного излучения (чувПороговая чувствительность АТ (мощность эквиваствительность 0.56 В/Вт, постоянная времени порядка лентного шума) ограничена только шумами Джонсона 0.4 с). Изготовляют их из оптимизированной эвтектики CdSbЦNiSb. Установка позволяет контролировать пара8 0Tacb-1 0.метры проверяемых приборов в режиме управляемой Pmin =. (61) ( - ) тепловой нагрузки в диапазоне температур 200360 K с точностью 0.1 K и снимать в широком токовом интервале где 0 Ч постоянная СтефанаЦБольцмана; T Ч темперадинамические характеристики холодо- и теплопроизвотура АТ; Ч удельное сопротивление АТ. Анализ этого дительности [71].

выражения показывает, что мощность эквивалентного АТ применяют в приборах для измерения мощности шума определяется как геометрией АТ, так и парамеСВЧ излучения миллиметрового и субмиллиметрового трами материала. В зависимости от конкретной задачи диапазонов. Основной частью прибора является абсолютвозможна оптимизация АТ по одному из перечисленных ный измерительный преобразователь, который состоит выше параметров [63,65].

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |    Книги по разным темам