EP0976163A1 - Elektrische spannungsquelle für halbleiterbauelemente - Google Patents

Elektrische spannungsquelle für halbleiterbauelemente

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Publication number
EP0976163A1
EP0976163A1 EP98928154A EP98928154A EP0976163A1 EP 0976163 A1 EP0976163 A1 EP 0976163A1 EP 98928154 A EP98928154 A EP 98928154A EP 98928154 A EP98928154 A EP 98928154A EP 0976163 A1 EP0976163 A1 EP 0976163A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
semiconductor
doped
thermally conductive
doped layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP98928154A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Aigner
Christofer Hierold
Frank Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0976163A1 publication Critical patent/EP0976163A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/58—Structural electrical arrangements for semiconductor devices not otherwise provided for, e.g. in combination with batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/85—Thermoelectric active materials
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor component as a thermocouple or Peltier element which, using the thermoelectric effect (Seebeck-Peltier effect), converts temperature differences into electrical potential differences and vice versa.
  • Sensors that can be queried telemetrically are superior to conventional systems in a large number of applications.
  • the cost share of signal transmission with telemetric sensors can be significantly reduced.
  • Passive telemetric sensors do not require energy storage on the actual sensor, but they are limited in functionality and range.
  • Active telemetric sensors based on CMOS technology allow the construction of intelligent systems with low costs per measuring point.
  • a disadvantage so far has been the need for a battery as an energy source in every sensor. The battery incurs costs, limits the useful life and must then be disposed of separately.
  • the power required to operate the sensor is very low in modern low-power circuits; only slightly higher power is required for the signal transmission for a short time.
  • Peltier elements enable the direct conversion of thermal into electrical energy.
  • the removal of thermal energy is always possible if heat reservoirs are available at different temperatures.
  • a body with an elevated temperature and its temperature gradient towards the surroundings is sufficient to generate electrical energy.
  • the power flow in a thermocouple depends on material and geometry parameters as well as on the electrical current in the transition.
  • the Seebeck coefficient S (measured in V / K) describes the contact voltage per Kelvin of a material with respect to a reference material.
  • the Peltier coefficient ⁇ pn (measured in W / A) describes the heat transport caused by electrical current. If two different materials with different doping (p, n) are joined, the contact voltage per Kelvin is calculated from the difference between the two Seebeck coefficients. The heat transfer corresponds to this difference multiplied by the temperature T (measured in K) of the respective transition.
  • a Peltier element usually consists of a number m of transitions, which are thermally connected in parallel but electrically in series.
  • the warm (H) and cold (L) transitions are not ideally thermally insulated from each other, there is a thermal conductivity K t hH which causes a loss because the relevant amount of heat for the conversion is lost. Further losses arise because the electrical current in the transitions and the areas in between generates ohmic power loss. This power loss I 2 e ⁇ R_ . can be divided symmetrically between (H) and (L).
  • the heat flow in the two heat flow sources is as follows:
  • the electrical internal resistance results from the specific resistances p p , p n of the materials, the geometry and the number of elements m.
  • the thermal conductivity K thH L follows accordingly from the specific thermal conductivities ⁇ p , ⁇ n and the geometry.
  • the output voltage of the Peltier element is:
  • the output power of the Peltier element is the output power of the Peltier element.
  • Low-Voltage circuits require a supply voltage of at least 1 .. 1.5 V. Optimal are 3 .. 5 V, which can then be converted to DC voltage with high efficiency as required. By connecting a large number of thermal transitions in series, sufficient voltage can be generated even with small temperature differences, but this increases the internal resistance of the thermal generator considerably and ultimately limits the output power.
  • the target design must be composed of the smallest possible unit cells in order to ensure sufficient degrees of freedom to adapt the output voltage.
  • the price of the thermal generator is proportional to the chip area.
  • the achievable performance depends on the chip area, the thermal conditions and material parameters.
  • a small button cell (1.5 V) has a capacity of approximately 50 mAh and an energy content of less than 0.1 J. If you assume an operating time of only one year, an average power consumption of only 3 nW is permissible.
  • a lithium photo battery with 3 V has a capacity of 1.3 Ah and an energy content of 4 J. With an operating time of one year, the permissible average power consumption is 0.13 ⁇ W.
  • the average power requirement of circuits in which batteries are to be replaced by thermogenerators is therefore very low. While batteries can easily deliver higher power for a short time, a thermal generator (depending on the design) must be supplemented with an energy store for these cases. In addition to the average power, the short-term power required is also a dimensioning criterion.
  • the object of the present invention is to provide an electrical voltage source which is adapted to the operation of semiconductor components and which permits network-independent operation, in particular of telemetric sensor systems.
  • thermocouple arrangement has a layer of semiconductor material which is doped alternately in regions for electrical conductivity of different signs.
  • This layer is arranged perpendicular to the layer surface between thermally conductive layers in such a way that the transitions between two successive areas of different electrical conductivities are electrically insulated from the outside and alternately in thermal contact with one of the thermally conductive layers and against the other thermally conductive layer Layer are thermally insulated.
  • Load carrier transport only takes place internally half of the doped layer instead.
  • the transitions of the electrical conductivity in one direction from plus to minus are z.
  • thermoelectric voltage series Electrical temperature differences m of the doped layer are therefore caused by the temperature differences between the pn transitions and the np transitions.
  • thermoelectrically generated potential differences m of the doped layer add up, since the pn transitions and np transitions m of the layer m follow one another.
  • a greater potential difference can therefore be tapped on the outer sides of the doped layer than if only a pn or np junction is present which functions as a thermocouple with the connection contacts applied to the doped layer.
  • the component according to the invention can also be used as a Peltier element in order to generate a temperature difference between the thermally conductive layers by applying an electrical voltage to the sides of the doped layer.
  • thermocouple is a component that has a plurality of individual thermocouples
  • semiconductor thermocouple arrangement is used.
  • the component according to the invention can preferably be produced in the context of a CMOS process; however, the production is not based on this process
  • the specification of the preferred production is not to be regarded as a restriction of the exemplary embodiments of the component which are to be regarded as in accordance with the invention.
  • Figure 1 shows a section of a cross section through an inventive component.
  • Figure 2 shows an equivalent circuit of the above
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram for the overall system.
  • the cross section shown in FIG. 1 of a component according to the invention is to be understood as a typical and currently preferred embodiment.
  • the structure shown is the same in each coplanar cross-section of the component in front of or behind the plane of the drawing.
  • the spatial structure of the component therefore essentially results from a displacement of the cross section shown perpendicular to the plane of the drawing.
  • the expansion of the unit cell perpendicular to the image plane can be varied depending on the number of elements required.
  • the thermoelectrically active areas form tracks to ensure electrical insulation.
  • the gap between the webs is at least 1 ⁇ wide. With a web width of z. B. 3 ⁇ m is the area of an elementary cell 4 ⁇ m x 4 ⁇ m, in this case 62500 elementary cells can be integrated per square millimeter of chip area.
  • the doped layer is polysilicon and in the figure it is identified by plus and minus signs which mark the differently doped regions.
  • the thermally conductive layers are Formation by a substrate, which is preferably silicon here, and a double layer of a further polysilicon layer facing the doped layer and an aluminum layer applied thereon. Instead of this double layer, only one layer consisting of a semiconductor material or a metal can be present.
  • the thin layers are made of silicon oxide (LOCOS, locally oxidized silicon) and made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) between the doped layer and one of the thermally conductive layers.
  • LOCS silicon oxide
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • the material and the thickness of these electrical insulations are chosen so that there is sufficient thermal conductivity through these layers. If the thermally conductive layers are electrically insulating to a sufficient extent, the additional electrically insulating layers (LOCOS, Si nitride in FIG. 1) can be omitted.
  • the locations of the doped layer at which the p-doping (+) changes from left to right in FIG. 1 and are referred to as pn-junctions in the following are thermal with the substrate Contact and are separated from the upper thermally conductive double layer by thermally insulating intermediate areas, which are preferably designed as cavities.
  • the locations of the doped layer at which the n-doping (-) reads from left to right in the figure and changes to the p-doping (+), hereinafter referred to as np junctions, are with the upper thermally conductive double layer in thermal contact and are separated from the substrate by thermally insulating intermediate areas, which are also preferably formed as cavities. There is a partial vacuum in the cavities with a correspondingly low thermal conductivity; compared to the solid-state heat conduction of the thermoactive poly areas, the conductivity of the cavity is negligible.
  • cavities are e.g. B. produced in such a way that a sacrificial layer is applied from a selectively etchable material with respect to the material of the layers provided and structured according to the shape of the cavities to be produced.
  • a provided layer is applied to the sacrificial layer and the sacrificial layer is then selectively etched away from the layer through lateral openings or through etching openings made in the provided layer.
  • the same procedure is used for each level of cavities to be produced.
  • the corrugated structure of the doped layer continues to the left and right accordingly. Contacts are provided on the left and right sides of the doped layer, from which an electrical voltage can be tapped.
  • the doped layer can also be flat or less strongly corrugated if the thermally conductive layers are structured sufficiently strongly.
  • the upper (double) layer can e.g. B. be more wavy, while the top of the substrate facing the doped layer is not flat as shown in Figure 1, but is also wavy. The dimensions entered are only to be understood as typical examples.
  • the component according to the invention can be used as a voltage source for an active semiconductor component, ie. H. a component to be operated with an applied electrical voltage or an injected current. It can be integrated together with semiconductor components.
  • an active semiconductor component ie. H. a component to be operated with an applied electrical voltage or an injected current. It can be integrated together with semiconductor components.
  • FIG. 3 shows a thermal equivalent circuit diagram of the overall system.
  • the thermal conditions in the overall system are decisive for how high the temperature difference at the Peltier element and thus the maximum output power is.
  • Heat source Kthsub thermal conductivity through substrate thickness
  • KthHcond thermal conductivity (solid)
  • KthHair thermal conductance (gas) between (H) and (L)
  • K th ⁇ thermal conductance of (L) for
  • Kthll thermal parallel conductance between source and (L), all measured in W / K.
  • Kthcontact 1 W / K (assumption: thermal grease or adhesive)
  • Kt h ⁇ 0.08 W / K (e.g. IC heat sink for DIL24)
  • K th ll 0.1 W / K (assumption: same order of magnitude as K ⁇ h ⁇ )
  • the Seebeck coefficient can be determined from the electron concentrations in the contact materials.
  • the electron concentrations n p , n n are dependent on the dopants N D and N A.
  • Internal resistance is about 30 ⁇ wide.
  • the width is inversely proportional to the number of elements on a chip.
  • the total internal resistance of a thermal generator with a chip size of 4 mm x 4 mm results in:

Abstract

Ein Halbleiterbauelement weist eine Schicht aus Halbleitermaterial auf, die bereichsweise abwechselnd für elektrische Leitfähigkeit unterschiedlichen Vorzeichens dotiert ist. Diese Schicht ist senkrecht zur Schichtfläche zwischen thermischleitenden Schichten so angeordnet, dass die Übergänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bereichen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeiten nach aussen elektrisch isoliert sind und abwechselnd mit einer der thermisch leitenden Schichten in thermischem Kontakt und gegen die jeweils andere thermischleitende Schicht thermisch isoliert sind.

Description

Beschreibung
Elektrische Spannungsquelle für Halbleiterbauelemente
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement als Thermoelement oder Peltierelement, das unter Ausnutzung des thermoelektrischen Effektes (Seebeck-Peltier-Effekt) Temperaturdifferenzen in elektrische Potentialdifferenzen umwan- delt und umgekehrt.
Telemetrisch abfragbare Sensoren sind in einer Vielzahl von Anwendungen herkömmlichen Systemen überlegen. In Systemen mit einer großen Zahl von Sensoren, schwer zugänglichen oder sehr kleinen Meßstellen kann der Kostenanteil der Signalübertragung mit telemetrischen Sensoren entscheidend verringert werden. Passive telemetrische Sensoren benötigen keinen Energiespeicher auf dem eigentlichen Sensor, sie sind aber in Funktionalität und Reichweite beschränkt. Aktive telemetrische Sensoren auf Basis von CMOS-Technologie erlauben den Aufbau intelligenter Systeme mit niedrigen Kosten pro Meßstelle. Ein Nachteil ist bislang die Notwendigkeit einer Batterie als Energiequelle in jedem Sensor. Die Batterie verursacht Kosten, beschränkt die Nutzungsdauer und muß danach getrennt entsorgt werden. Die benötigte Leistung für den Betrieb des Sensors ist in modernen Low-Power-Schaltungen sehr gering, lediglich für die Signalübertragung ist kurzzeitig etwas höhere Leistung notwendig.
Peltier-Ele ente ermöglichen die direkte Wandlung von thermischer in elektrische Energie. Die Entnahme thermischer Energie ist immer dann möglich, wenn Wärmereservoirs auf verschiedener Temperatur verfügbar sind. Beispielsweise reicht ein Körper mit erhöhter Temperatur und dessen Temperaturgra- dient zur Umgebung hin aus, um elektrische Energie zu gewinnen. Der Leistungsfluß in einem Thermoelement hängt von Material- und Geometrieparametern sowie vom elektrischen Strom im Übergang ab.
Der Seebeck-Koeffizient S (gemessen in V/K) beschreibt die Kontaktspannung pro Kelvin eines Materials bezüglich eines Referenzmaterials .
Der Peltier-Koeffizient πpn (gemessen in W/A) beschreibt den durch elektrischen Strom hervorgerufenen Wärmetransport. Werden zwei verschiedene Materialien unterschiedlicher Dotierung (p, n) zusammengefügt, so errechnet sich die Kontaktspannung pro Kelvin aus der Differenz der beiden Seebeck-Koeffizienten. Der Wärmetransport entspricht dieser Differenz multipliziert mit der Temperatur T (gemessen in K) des jeweiligen Übergangs .
Kpn = T(S - S„) (GI. ι.ι:
Ein Peltier-Element besteht üblicherweise aus einer Anzahl m von Übergängen, die thermisch parallel aber elektrisch in Se- rie geschaltet sind. Die warmen (H) und kalten (L) Übergänge sind thermisch nicht ideal voneinander isoliert, es existiert ein Wärmeleitwert KthH der einen Verlust bewirkt, da die betreffende Wärmemenge für die Wandlung verloren ist. Weitere Verluste entstehen, da der elektrische Strom in den Übergän- gen und den dazwischen liegenden Bereichen ohmsche Verlustleistung erzeugt. Diese Verlustleistung I2 eι R_. kann symmetrisch auf (H) und (L) aufgeteilt werden.
Der Wärmefluß in den beiden Wärmestromquellen ergibt sich folgendermaßen :
PL = -™spn τL ιeI + ( GI . 1 . 3 : Die LeerlaufSpannung an den Klemmen (Iel = 0) hängt linear vom Temperaturunterschied zwischen (H) und (L) ab.
U0 = mSpn (TH - TL) ;GI. 1.4
Der elektrische Innenwiderstand ergibt sich aus den spezifischen Widerständen pp, pn der Materialien, der Geometrie sowie der Elementzahl m.
Darin: Ap, An = Querschnittsfläche des Einzelelements in m2, lp, ln = Länge zwischen (H) und (L) in m.
Der Wärmeleitwert KthHL folgt entsprechend aus den spezifischen Wärmeleitfähigkeiten λp,λn und der Geometrie.
Die Ausgangsspannung des Peltier-Elements ist:
Die Ausgangsleistung des Peltier-Elements ist
Pout = mSpn {TH - TL)Iel - Rj Ii (Gl. 1
Die maximale Ausgangsleistung eines Peltier-Elements (mit idealen Wärmesenken Kt__ι, Kth2 — ∞) ergibt sich zu:
Als "figure of merit" wird folgender Ausdruck herangezogen
Z = p— (GI. 1.10: x, κ, thHL
Durch Substitution von (1.5) und (1.6) und Optimierung der Geometrie erhalt man:
Sind die Wärmeleitfähigkeiten und spezifischen Widerstände der Materialien gleich, ist Z unabhängig von der Geometrie. Technisch interessante Peltier-Element haben Z > 10"3 K-1.
Die erwarteten Temperaturdiffenzen an den Thermoubergangen sind klein. Trotz Fortschritten m der Schaltungstechnik
( "Low-Voltage" ) brauchen Schaltungen eine Versorgungsspannung von zumindest 1 .. 1,5 V. Optimal sind 3 .. 5 V, diese können dann mit hohem Wirkungsgrad nach Bedarf gleichspannungs- gewandelt werden. Durch Serienschaltung einer hohen Anzahl von Thermoubergangen kann selbst bei geringen Temperaturdifferenzen eine ausreichende Spannung erzeugt werden, allerdings erhöht dies den Innenwiderstand des Thermogenerators erheblich und beschrankt letztlich die Ausgangsleistung. Das Zieldesign muß aus möglichst kleinen Elementarzellen zusam- mengesetzt werden, um ausreichende Freiheitsgrade zur Anpassung der Ausgangsspannung zu gewahrleisten.
Der Preis des Thermogenerators ist proportional zur Chipfla- che . Die erzielbare Leistung hangt von der Chipflache, den thermischen Verhältnissen und Materialparametern ab. Um einen Richtwert für die gewünschte Leistung zu bestimmen, soll folgende Betrachtung angestellt werden: Eine kleine Knopfzelle (1,5 V) hat eine Kapazität von etwa 50 mAh und einen Energieinhalt von weniger als 0,1 J. Nimmt man eine Betriebsdauer von nur einem Jahr an, so ist eine mittlere Leistungsentnahme von nur 3 nW zulässig. Eine Lithium- Foto-Batterie mit 3 V hat eine Kapazität von 1,3 Ah und einen Energieinhalt von 4 J. Bei einer Betriebsdauer von einem Jahr ergibt sich eine zulässige mittlere Leistungsentnahme von 0,13 μW. Der mittlere Leistungsbedarf von Schaltungen, in denen Batterien durch Thermogeneratoren ersetzt werden sollen, ist also sehr gering. Während Batterien problemlos kurzzeitig höhere Leistung abgeben können, muß ein Thermogenerator (je nach Auslegung) für diese Fälle um einen Energiespeicher ergänzt werden. Neben der mittleren Leistung ist also auch die kurzzeitig notwendige Leistung ein Dimensionierungskriterium.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Spannungsquelle anzugeben, die an den Betrieb von Halbleiterbauelementen angepaßt ist und einen netzunabhängigen Betrieb insbesondere von telemetrischen Sensorsystemen erlaubt.
Diese Aufgabe wird mit der Halbleiter-Thermoelementanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. mit der Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Thermoelementanordnung weist eine Schicht aus Halbleitermaterial auf, die bereichsweise abwechselnd für elektrische Leitfähigkeit unterschiedlichen Vorzeichens dotiert ist. Diese Schicht ist senkrecht zur Schicht- fläche zwischen thermisch leitenden Schichten so angeordnet, daß die Übergänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bereichen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeiten nach außen elektrisch isoliert sind und abwechselnd mit einer der thermisch leitenden Schichten in thermischem Kontakt und ge- gen die jeweils andere thermisch leitende Schicht thermisch isoliert sind. Ladungsträgertransport findet also nur inner- halb der dotierten Schicht statt. Die Übergänge der elektrischen Leitfähigkeit m einer Richtung jeweils von plus nach minus sind z. B. mit einem Substrat aus Halbleitermaterial m thermischem Kontakt; die Übergange m dieser Richtung von mi- nus nach plus sind gegen das Substrat thermisch und elektrisch isoliert und stehen mit einer auf der von dem Substrat abgewandten Seite aufgebrachten thermisch leitenden Schicht (z. B. aus Metall oder Halbleitermaterial) in thermischem Kontakt. Eine Temperaturdifferenz zwischen den thermisch lei- tenden Schichten bewirkt daher, daß die (in einer bestimmten Richtung gesehen) pn-Übergange jeweils eine höhere oder niedrigere Temperatur besitzen als die np-Übergange . Die aneman- dergrenzenden dotierten Bereiche besitzen thermoelektrische Eigenschaften, die dem Zusammenfugen unterschiedlicher Mate- rialien einer thermoelektrischen Spannungsreihe entsprechen. Es werden daher durch die Temperaturdifferenzen zwischen den pn-Ubergangen und den np-Übergangen elektrische Potentialdif- ferenzen m der dotierten Schicht hervorgerufen. Wenn mehrere entgegengesetzt zueinander dotierte Bereich aufemanderfol- gen, addieren sich die thermoelektrisch erzeugten Potential- differenzen m der dotierten Schicht, da die pn-Ubergange und np-Übergange m der Schicht m Reihe aufeinanderfolgen. An den äußeren Seiten der dotierten Schicht kann daher eine größere Potentlaidifferenz abgegriffen werden, als wenn nur ein pn- oder np-Übergang vorhanden ist, der mit den auf der dotierten Schicht aufgebrachten Anschlußkontakten als Thermoelement fungiert. Das erfmdungsgemaße Bauelement kann auch als Peltierelement verwendet werden, um durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Seiten der dotierten Schicht ei- ne Temperaturdifferenz zwischen den thermisch leitenden Schichten zu erzeugen.
Es folgt eine genauere Erläuterung des erfmdungsgemaßen Bauelementes anhand der beigefugten Figuren. Es wird mit „Pel- tier-Element" ein Bauelement bezeichnet, das eine Mehrzahl einzelner Thermoelemente aufweist. In den Ansprüchen wurde als gemeinsamer Oberbegriff für ein erfmdungsgemaßes Bauelement, das einen oder mehrere als Thermoelement fungierende Teile aufweist, die Bezeichnung „Halbleiter-Thermoelement- anordnung" verwendet. Das erfmdungsgemäße Bauelement ist bevorzugt im Rahmen eines CMOS-Prozesses herstellbar; die Herstellung ist aber nicht auf diesen Prozeß beschrankt. Die Angabe der bevorzugten Herstellung ist nicht als Einschränkung der als erfmdungsgemaß anzusehenden Ausfuhrungsbeispiele des Bauelementes anzusehen.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch ein erfmdungsgemaßes Bauelement. Figur 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des eingangs erläuterten
Peltier-Elementes . Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für das Gesamtsystem.
Der m Figur 1 dargestellte Querschnitt eines erfmdungsgema- ßen Bauelementes ist als eine typische und derzeit bevorzugte Ausfuhrungsform aufzufassen. Die gezeigte Struktur ist in _je- dem koplanaren Querschnitt des Bauelementes vor oder hinter der Zeichenebene gleich. Die raumliche Struktur des Bauelementes ergibt sich daher im wesentlichen durch eine Verschiebung des dargestellten Querschnittes senkrecht zur Zeichenebene. Die Ausdehnung der Elementarzelle senkrecht zur Bild- ebene kann j e nach notwendiger Elementzahl variiert werden. In der Draufsicht bilden die thermoelektrisch aktiven Bereiche Bahnen, um elektrische Isolation zu gewährleisten. Der Spalt zwischen den Bahnen ist mindestens 1 μ breit. Bei einer Bahnbreite von z. B. 3 μm ist die Flache einer Elementar- zelle 4 μm x 4 μm, pro Quadratmillimeter Chipflache können m diesem Fall 62500 Elementarzellen integriert werden.
Die dotierte Schicht ist bei diesem Beispiel Polysilizium und in der Figur durch Plus- und Minuszeichen, die die unter- schiedlich dotierten Bereiche markieren, gekennzeichnet. Die thermisch leitenden Schichten sind bei der gezeigten Ausfuh- rungsform durch ein Substrat, das hier vorzugsweise Silizium ist, und eine Doppelschicht aus einer der dotierten Schicht zugewandten weiteren Polysiliziumschicht und einer darauf aufgebrachten Aluminiumschicht. Statt dieser Doppelschicht kann nur eine aus einem Halbleitermaterial oder aus einem Metall bestehende Schicht vorhanden sein.
Zum Zweck einer elektrischen Isolation der pn- ■ und np-Über- gänge, d. h. um ein Kurzschließen der pn- und np-Übergänge durch die angrenzenden thermisch leitenden Schichten zu verhindern, sind die dünnen Schichten aus Siliziumoxid (LOCOS, locally oxidized Silicon) und aus Siliziumnitrid (Si3N4) zwischen der dotierten Schicht und je einer der thermisch leitenden Schichten vorhanden. Das Material und die Dicke dieser elektrischen Isolationen werden so gewählt, daß eine ausreichende thermische Leitfähigkeit durch diese Schichten hindurch gegeben ist. Wenn die thermisch leitenden Schichten in ausreichendem Maß elektrisch isolieren, können die zusätzlichen, elektrisch isolierenden Schichten (LOCOS, Si-Nitrid in Figur 1) weggelassen sein.
Die Stellen der dotierten Schicht, an denen in der Figur 1 von links nach rechts gelesen die p-Dotierung (+) in die n- Dotierung (-) übergeht, im folgenden als pn-Übergänge be- zeichnet, stehen mit dem Substrat in thermischem Kontakt und sind von der oberen thermisch leitenden Doppelschicht durch thermisch isolierende Zwischenbereiche getrennt, die vorzugsweise als Hohlräume ausgebildet sind. Die Stellen der dotierten Schicht, an denen in der Figur von links nach rechts ge- lesen die n-Dotierung (-) in die p-Dotierung (+) übergeht, im folgenden als np-Übergänge bezeichnet, stehen mit der oberen thermisch leitenden Doppelschicht in thermischem Kontakt und sind von dem Substrat durch thermisch isolierende Zwischenbereiche getrennt, die ebenfalls vorzugsweise als Hohlräume ausgebildet sind. In den Hohlräumen befindet sich Teilvakuum mit entsprechend geringer Wärmeleitfähigkeit; verglichen mit der Festkörperwärmeleitung der thermoaktiven Poly-Bereiche ist die Leitfähigkeit des Hohlraums vernachlässigbar.
Diese Hohlräume werden z. B. in der Weise hergestellt, daß jeweils eine Opferschicht (sacrificial layer) aus einem bezüglich des Materials der vorgesehenen Schichten selektiv ätzbaren Material aufgebracht und entsprechend der Form der herzustellenden Hohlräume strukturiert wird. Eine vorgesehene Schicht wird auf die Opferschicht aufgebracht und die Opfer- schicht dann selektiv zu der Schicht durch seitliche Öffnungen oder durch in der vorgesehenen Schicht hergestellte Ätzöffnungen weggeätzt. Entsprechend wird bei jeder Ebene herzustellender Hohlräume verfahren. Die gewellte Struktur der dotierten Schicht setzt sich nach links und rechts ent- sprechend fort. An den linken und rechten Seiten der dotierten Schicht sind Kontakte vorgesehen, an denen eine elektrische Spannung abgegriffen werden kann. Die dotierte Schicht kann im Prinzip auch eben oder weniger stark gewellt sein, wenn die thermisch leitenden Schichten ausreichend stark strukturiert sind. Die obere (Doppel-) Schicht kann z. B. stärker gewellt sein, während die der dotierten Schicht zugewandte Oberseite des Substrates nicht wie in der Figur 1 gezeigt eben, sondern ebenfalls gewellt ist. Die eingetragenen Abmessungen sind nur als typische Beispiele zu verstehen.
Das erfindungsgemäße Bauelement kann als Spannungsquelle für ein aktives Halbleiterbauelement, d. h. ein mit einer angelegten elektrischen Spannung oder einem injizierten Strom zu betreibendes Bauelement, verwendet werden. Es kann zusammen mit Halbleiterbauelementen integriert werden.
Figur 3 zeigt ein thermisches Ersatzschaltbild des Gesamtsystems. Die thermischen Verhältnisse im Gesamtsystem sind entscheidend dafür, wie hoch die Temperaturdifferenz am Peltier- Element und damit die maximale Ausgangsleistung ist. In Figur 3 werden folgende Abkürzungen verwendet: Kthcontat = thermischer Kontaktleitwert zur
Wärmequelle Kthsub = thermischer Leitwert durch Substratdicke KthHcond = thermischer Leitwert (Festkörper) zwischen
(H) und (L) , KthHair = thermischer Leitwert (Gas) zwischen (H) und (L) , Kth∞ = thermischer Leitwert von (L) zur
Umgebung hin, Kthll = thermischer Parallelleitwert zwischen Quelle und (L) , alle gemessen in W/K.
Aus Materialwerten können diese Leitwerte grob abgeschätzt werden. Beispielsweise erhalt man für eine Chipflache von 4 mm x 4 mm und eine Poly-Dicke von 0, 8 um:
Kthcontact = 1 W/ K (Annahme : Warmeleitpaste oder -kleber )
Kthsub = 4 W /K (λSl,mθno = 150 W/ (m K) )
KthHLcond = 8 0 W/ K (λsι,Poiy = 40 W/ (m K) , Flachenanteil der
Thermoschenkel = 25 % der Zelle) KthHLaxr = 5 W/K (λLuft = 0,026 W/ (m'K) , vernachlassigbar)
Kth∞ = 0 , 08 W/K (z. B. IC-Kuhlkorper für DIL24) Kthl l = 0 , 1 W / K (Annahme: gleiche Größenordnung wie K^h∞)
Der Seebeck-Koeffizient kann aus den Elektronenkonzentrationen in den Kontaktwerkstoffen bestimmt werden. Bei den verwendeten Halbleitern sind die Elektronenkonzentrationen np, nn von den Dotierungen ND und NA abhangig.
_ k . nn k ND NA
( Gl . 2 . 1 ' e np e nx
k = Boltzmann-Konstante = 1 , 38 10"" J/K, e = Elementarladung = 1 , 6' 10-19 As , n_. = Eigenladungsträgerdichte von Si = 1,5'1010 cm"3.
Mit ND = NA = 1019 cm"3 ergibt sich :
Spn = 3 , 5 - 10"3 V/K .
Mit hoch dotiertem Poly-Si (Dotierungshöhe > 1019 cm"3) ergibt sich ein RsqUa_e von 10 ... 20 Ω. Der Innenwiderstand der Elementarzelle ist umgekehrt proportional zu der Breite (die Länge ist durch die Technologie festgelegt) . Bei minimaler
Breite ist der Innenwiderstand etwa 30 Ω. Die Breite ist umgekehrt proportional zur Elementzahl auf einem Chip. Der gesamte Innenwiderstand eines Thermogenerators mit der Chipgröße 4 mm x 4 mm ergibt sich zu:
R1 ( 4mm x 4mm) ≡ irt 30Ω/ 106 (Gl . 2 . 2 )
Für die minimale Zellengröße (m = 106) ergibt sich R_ =
30 MΩ . Die " figure of merit" aus ( Gl . 1 . 10 ) erhält man als
Z = ^-^- = 5- 10-3 R, KthHL
Die erzielbare Leistung ist extrem von den Kühlbedingungen abhängig. Bei sehr vorsichtiger Schätzung mit kleinen Kühl- körpern (20 mm x 10 mm x 10 mm) und einem Chip mit 4 mm x 4 mm ergeben sich mit den abgeschätzten thermischen und elektrischen Eigenschaften Ausgangsleistungen im Bereich von 60 μW und Ausgangsspannungen einstellbar von 1 V bis 10 V.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiter-Thermoelementanordnung, bei dem eine dotierte Schicht aus Halbleitermaterial vorhan- den ist, bei dem auf der ersten und zweiten Seite dieser dotierten Schicht in Bezug auf die Richtung senkrecht zur flächigen Ausdehnung der Schicht thermisch leitende Schichten angeordnet sind, bei dem die dotierte Schicht bereichsweise abwechselnd für elektrische Leitfähigkeiten unterschiedlicher Vorzeichen dotiert ist, bei dem Stellen der dotierten Schicht, an denen in einer vorgegebenen Richtung Übergänge von p-dotierten Bereichen zu n- dotierten Bereichen vorhanden sind, mit der thermisch leitenden Schicht auf der ersten Seite in einem thermischen Kontakt, der elektrisch isolierend bewirkt ist, sind und gegen die thermisch leitende Schicht auf der zweiten Seite thermisch isoliert sind, bei dem Stellen der dotierten Schicht, an denen in dieser
Richtung Übergänge von n-dotierten Bereichen zu p-dotierten Bereichen vorhanden sind, mit der thermisch leitenden Schicht auf der zweiten Seite in einem thermischen Kontakt, der elektrisch isolierend bewirkt ist, sind und gegen die thermisch leitende Schicht auf der ersten Seite thermisch isoliert sind und bei dem Kontakte für elektrischen Anschluß auf der dotierten Schicht aufgebracht sind.
2. Halbleiter-Thermoelementanordnung nach Anspruch 1, bei dem die dotierte Schicht Polysilizium ist.
3. Halbleiter-Thermoelementanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine der thermisch leitenden Schichten durch ein Substrat aus Halbleitermaterial gebildet ist.
4. Halbleiter-Thermoelementanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die bezeichneten Stellen der dotierten Schicht gegen jeweils eine thermisch leitende Schicht mittels Hohlräumen zwischen den Schichten thermisch isoliert sind.
5. Halbleiter-Thermoelementanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die dotierte Schicht eine gewellte Struktur aufweist.
6. Anordnung mit mindestens einem aktiven Halbleiterbauelement und einer für den Betrieb dieses Halbleiterbauelementes vorgesehenen elektrischen Spannungsquelle, bei der die Spannungsquelle eine Anordnung aus einem oder mehreren Halbleiter-Thermoelementen ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, bei der ein aktives Halbleiterbauelement und eine Anordnung aus einem oder mehreren Halbleiter-Thermoelementen in einem Substrat integriert und elektrisch leitend miteinander verbunden sind derart, daß das aktive Halbleiterbauelement betrieben werden kann, indem eine Temperaturdifferenz vorgegebener Größe an das oder die Halbleiter-Thermoelemente angelegt wird.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, bei der die Halbleiter-Thermoelementanordnung die Merkmale nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
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