Главная  Пленочные термоэлементы 

[ 0 ] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

пленочные термоэлементы

Книга посвящена проблемам создания пленочных термоэлектрических преобразователей энергии и устройств метрологии. Большое внимание уделено физическим исследованиям пленок термоэлектрических полупроводниковых материалов, методам исследования и теории, на которых они основаны. Подробно рассмотрена технология изготовления пленки халькогенидов элементов IV и V групп таблицы Менделеева. Описаны принципы конструирования, основные применения пленочных термо-электричейсих батарей, а также ряд приборов на их основе. Книга рассчитана на специалистов в области физики и техники полупроводников, в частности, в области термоэлектричества.

Авторы:

Б. М. ГОЛЬЦМАН, 3. М. ДАШЕВСКИЙ, В. И. КАЙДАНОВ, Н. В. КОЛОМОЕЦ

Рецензенты:

Л. Д. ДУДКИН, Р. В. ПАРФЕНЬЕВ

БИБЛИОТЕКА

П0ЯШШ11ЕС¥ОГв MW«

„ 1704060000-032

-042(02)-85- 156-85-IV © Издательство «Наука», 1985 г.



ВВЕДЕНИЕ

Термоэлектрические явления в твердых телах находят применение в различных областях техники. Эффект Зеебека (термо-ЭДС) используется для преобразования тепловой энергии в электрическую. Перенос тепла электрическим током (эффект Пельтье) лежит в основе действия твердотельных охлаждающих и термоста-тирующих устройств. Современное состояние физики и техники термоэлектричества наиболее полно освещено в работе [1].

Термоэлектрические преобразователи энергии обладают уникальными сочетаниями конструктивных и эксплуатационных характеристик, таких, как отсутствие движущихся деталей, рабочих жидкостей и газов, высокая надежность, возможность эксплуатации в течение нескольких лет без обслуживания или при мини-лУ1альном периодическом обслуживании и др. Эти достоинства определяют многообразие исцользования термогенераторов в качестве источников электропитания, главным образом для автономных систем - в космосе, в труднодоступных районах суши и моря, для имплантируемых кардиостимуляторов и т. п. Термоэлектрические холодильники и термостаты применяются в приборостроении, СВЧ-электронике, ИК-технике, медицине, биологии, бытовой технике. Широк также спектр применения термоэлектрических приборов в измерительной технике, термометрии, калориметрии, пирометрии, электроизмерениях и т. д.

Многие задачи, которые практика ставит перед разработчиками термоэлектрических устройств, могут быть успешно решены с применением пленочных термоэлементов (ПТЭ) и пленочных термобатарей (ПТБ). Очевидное достоинство ПТБ - возможность принципиально увеличить число элементов при сохранении объема преобразователя, а при необходимости - создавать микроминиатюрные устройства. На основе ПТБ могут быть изготовлены малогабаритные источники питания, слаботочные микрохолодиль-лики и термостаты, высокочувствительные и достаточно малоинер-дионные датчики температуры и теплового потока и т. п. Вакуумная технология существенно упрощает процесс сборки и сокращает длительность изготовления термобатарей, позволяет сочетать в единой конструкции и изготавливать в едином технологическом цикле элементы и схемы радио- и оптоэлектроники с термоэлектрическими устройствами. ПТЭ и ПТБ уже довольно давно -и успешно используются в термометрии, пиро- и актинометрии 12], однако до недавнего времени эффективность преобразования энер-



гии в пленочных батареях существенно (на порядки) уступала уровню эффективности, достигнутому в объемных преобразователях.

В 70-е годы в результате интенсивных физических и технологических исследований, конструкторских разработок были достигнуты значительные успехи в области пленочных термоэлектрических преобразователей. К настоящему времени доказана принципиальная возможность создания ПТБ с энергетическими характеристиками, близкими к характеристикам объемных, разработана технология массового их изготовления, создан ряд приборов на их основе. Новые термоэлектрические датчики температуры и лучистого потока обладают на порядок более высокой чувствительностью, чем описанные в [2]. Уже нашли применение в технике миниатюрные пленочные термогенераторы. Вполне реальным стало использование в недалеком будущем слаботочных микрохолодильников.

Успехи, достигнутые в создании высокоэффективных ПТЭ и ПТБ, несомненно приведут к широкому их техническому применению, что в свою очередь потребует дальнейшего развития физических и технологических исследований, расширения фронта конструкторских разработок. В этой связи представляется необходимым и своевременным систематизировать результаты предыдущих исследований, обобщить накопленный за последнее десятилетие опыт, обсудить специфические проблемы построения ПТЭ, перспективные направления и методы физических исследований эффективность тех или иных технологических приемов, конструктивных решений. Рассмотрим некоторые из этих вопросов.

, 1. Рабочим веществом в современных термоэлектрических преобразователях служат полупроводники, выбор и оптимизация свойств которых базируются на теории, развитой академиком А. Ф. Иоффе. Качество материала характеризуется термоэлектрической эффективностью

где а - коэффициент термо-ЭДС, аих -- удельные электро-и теплопроводности.

Чем выше значение безразмерного параметра zT {Т - рабочая температура), тем больше КПД термогенератора, холодильный коэффициент или предельный перепад температур теплового насоса, обнаружительная способность приемника излучения. На основе теории Иоффе и предложенных им методов повышения параметра Z его сотрудниками и учениками в 40-60-е годы были созданы материалы, обеспечившие энергетическое использование термоэлектрических устройств и их разнообразное применение в технике. В настоящее время для диапазона рабочих температур 200-600 К используются халькогениды элементов V группы (BigTeg и твердые растворы на его основе), для 600-900 К - халькогениды элементов IV группы (РЬТе, GeTe, твердые растворы), для 900-1350 К - сплавы Si-Ge. При температу-



[ 0 ] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

0.0018