WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 4 Радиационное охлаждение в условиях магнитоконцентрационного эффекта © А.И. Липтуга, В.К. Малютенко, В.И. Пипа, Л.В. Леваш Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252650 Киев, Украина Институт физики Национальной академии наук Украины, 252028 Киев, Украина (Получена 12 мая 1996 г. Принята к печати 26 июня 1996 г.) Представлены результаты теоретического и экспериментального исследования временных зависимостей эффекта радиационного охлаждения, вызываемого импульсным полупроводниковым источником отрицательной межзонной люминесценции. Изучена кинетика охлаждения и последующая температурная релаксация пассивного элемента, зависящие от мощности и длительности импульса люминесценции. Показано, что использованный метод возбуждения люминесценции (магнитоконцентрационный эффект) дает возможность как радиационного охлаждения, так и нагревания пассивного элемента, что перспективно для практического применения. Результаты теоретического исследования качественно согласуются с экспериментальными данными. Максимальное охлаждение, достигнутое в эксперименте при комнатной температуре, равно 0.62 K.

Одним из проявлений отрицательной люминесценции Проведенный в [3] анализ эффекта основывался на предполупроводников [1,2] является эффект радиационного положении, что изменение температуры охлаждаемого охлаждения (ЭРО) [3]. Суть эффекта в следующем. слоя пропорционально мощности люминесценции, что Если концентрации неравновесных электронов и ды- справедливо без учета джоулевого нагрева активного элемента. Теоретическое исследование основных законорок поддерживаются каким-либо способом меньшими мерностей ЭРО с учетом теплового излучения нагретого равновесных значений, то интенсивность излучательной рекомбинации становится ниже интенсивности равно- током охлаждающего элемента проведено в работе [5].

Настоящая работа посвящена экспериментальному и весного излучения [4]. В результате в спектральной теоретическому исследованию временных и полевых области > Eg/ (Eg — ширина запрещенной зоны) зависимостей ЭРО, вызываемого полупроводниками в процесс поглощения доминирует над излучением, т. е.

условиях магнитоконцентрационного эффекта. Изучаетвозникает поток энергии излучения извне к поверхности ся кинетика охлаждения и последующей температурной полупроводника. Таким образом, полупроводник поглорелаксации охлаждаемого слоя. Обсуждаются возможнощает тепловое излучение окружающих тел в этой части сти практического использования исследуемого радиаспектра и тем самым может понижать их температуру.

ционного эффекта, позволяющего как охлаждать, так и Впервые ЭРО был обнаружен в работе [3]. В качестве нагревать пассивный элемент.

охлаждающего (активного) элемента использовался кристалл InSb в условиях магнитоконцентрационного эффекта, являющегося одним из наиболее эффективных и 1. Методика экспериментальных хорошо изученных способов возбуждения отрицательной исследований люминесценции. Он реализуется в полупроводниковой пластине, помещенной в магнитное поле H и в перИсследования ЭРО проводились при T = 300 K с пендикулярное к нему тянущее электрическое поле E.

использованием в качестве активного элемента полуПри этом возле одной из широких граней пластины, проводниковых кристаллов InSb и CdHgTe. Кристалпараллельной H и E, характеризующейся малой скоролы были выполнены в виде тонких пластин (размеры стью поверхностной рекомбинации, возникает биполяр(0.015-0.02) 3 8мм3), снабженных омическими ное обеднение и, следовательно, подавляется излучение контактами. Полупроводник приклеивался на подложс этом грани в спектральной области > Eg/. При ку, которая с помощью теплопроводящей пасты креизменении полярности управляющего напряжения эта пилась на медном радиаторе. Последний был встроен поверхность обогащается неравновесными носителями, в корпус вакуумной капсулы таким образом, что та что приводит к избыточному излучению.

его часть, к которой крепился полупроводниковый криТак как охлаждающий элемент при прохождении тока сталл, находилась внутри капсулы. В капсуле, в непонагревается, его тепловое излучение в остальной ча- средственной близости от поверхности полупроводника сти спектра ( < Eg/ ) увеличивается, что само по с малой скоростью поверхностной рекомбинации (на себе ведет к нагреву оптически сопряженного с ним расстоянии 1.5мм), располагался охлаждаемый элеохлаждаемого (пассивного) элемента. Поэтому величина мент. Между охлаждающим и охлажаемым элементами ЭРО зависит не только от мощности отрицательной помещался оптический фильтр. Измеритальная капсула люминесценции, но и от длительности ее импульса. располагалась между полюсами магнита, магнитное поле Радиационное охлаждение в условиях магнитоконцентрационного эффекта можно было регулировать в пределах от 0 до 20 кЭ. R — коэффициент отражения излучения от поверхДлительность импульсов управляющего электрического ности полупроводника, усредненный по всему спектру поля ti изменялась от 30 до 500 мс. (0 < ), P — мощность отрицательной люмиВыбор полупроводниковых материалов, используемых несценции. Выражение для приведено для случая, сов качестве активного элемента, диктуется в первую ответствующего условиям эксперимента, когда передняя очередь возможностью получения большой мощности (обращенная к полупроводнику) поверхность зачернена, отрицательной люминесценции. Последняя при одинако- а задняя металлизирована.

вом биполярном обеднении полупроводника тем больше, Время t1, за которое создается дефицит фотонов, чем меньше ширина запрещенной зоны. Максималь- можно оценить как время биполярного обеднения прино возможная величина модулируемого потока излуче- поверхностного слоя полупроводника толщиной порядния P0 достигается при полном биполярном истоще- ка -1 ( — коэффициент межзонного поглощения).

нии приповерхностной области полупроводника. Соглас- При магнитоконцентрационном эффекте t1 (V)-1, но [2], P0 с уменьшением Eg увеличивается по закону где V = µnµpHF/c — скорость поперечного дрейфа Eg exp(-Eg/kT ) при Eg > kT. электронно-дырочных пар, µn, µp — подвижности элекВ качестве охлаждаемого элемента использовался мо- тронов и дырок, c — скорость света. После выключения нокристалл танталата лития, представляющий собой тон- напряжения рекомбинационное излучение восстанавликую пластину (0.015 3 8мм3) с нанесенными на ши- вается до равновесного значения за время t2 порядрокие грани металлическими электродами. С помощью ка времени рекомбинации. В условиях эксперимента тонких контактных проволочек пластина удерживалась в t 10-9 c, t2 10-8 с, а тепловые постоянные, фиксированном положении, не касаясь других элемен- s t1, t2 ( 1с, а s, по нашим оценкам, в тов капсулы. Одна из широких граней охлаждаемого зависимости от управляющего напряжения изменялось в элемента (обращенная к полупроводниковой пластине) пределах 100–1000 с), поэтому импульс люминесценции подвергалась чернению. Охлаждаемый пироэлектриче- можно рассматривать как прямоугольный.

ский элемент, служащий датчиком температуры, обладал Для T = T - T0 из (1) при t ti получаем высокой температурной чувствительностью (на уровне T = (W + T0/e)(e-t/ - 1) +T0t/s. (3) 0.01 K) и включался в усилительную схему с высокоомным входом [6].

После выключения управляющего напряжения температура охлаждаемого элемента начинает понижаться главным образом из-за контакта с подложкой. Для малого 2. Результаты и их обсуждение интервала времени после t = ti, за которое происходит релаксация температуры тонкого охлаждаемого слоя, Изменение температуры охлаждаемого слоя T(t) в изменением температуры полупроводника можно преусловиях, когда длительность импульса люминесценции небречь. В этом случае температура T(t) описывается ti значительно превышает характерное время охлаждения слоя, рассчитывалось в [5]. Исследуем здесь зависи- уравнением (1), в котором правая часть теперь равна T0ti/ s. Решение при t ti имеет вид мость T (t) для импульса конечной длительности. При 0 < t < ti температура охлаждаемого элемента T (t) T = (W + T0/s) e-t/ - e(ti-t)/ + T0ti/s. (4) описывается уравнением dT T - T0 T0t Экспериментальные зависимости температуры T(t) + = -W. (1) dt s от величины управляющего напряжения и длительности импульса (осциллограммы) представлены соответственЗдесь T0 = T(0) — начальная температура охлаждаемого но на рис. 1, a, b. Теоретические зависимости T(t), элемента и охлаждающего полупроводника (состояние рассчитанные при различных значениях мощности и длиравновесия), — время охлаждения слоя, обусловлентельности импульса люминесценции, иллюстрируются ного его тепловым излучением, 0 — постоянная, опрена рис. 2, a, b. Для расчета использовалось значение деляющая джоулев нагрев полупроводника (предполага = 0.74 c, которое получается из формулы (2) при ется, что его температура Ts увеличивается по закону значениях параметров танталата лития [7] = 7.3г/см3, Ts = T0(1 + t/s), где s I-2 для полупроводника C = 0.42 Дж/г · K, при T = 300 K и R = 0.36. Параметр с однородным по перечному сечению током I), W — джоулевого нагрева полупроводника s оценивался по величина, пропорциональная мощности отрицательной температурной релаксации пассивного элемента после люминесценции.

выключения импульса отрицательной люминесценции.

Согласно [4], При изменении мощности люминесценции W, которая линейно зависит от приложенного напряжения U, исCd P =, W =, (2) пользовалась зависимость s(U) U-2.

4T03(1 - R) Cd Особенности экспериментальных наблюдений ЭРО где, C и d — плотность, удельная теплоемкость и связаны с тем, что при приложении управляющего натолщина слоя, — постоянная Стефана–Больцмана, пряжения к охлаждающему элементу его температура 8 Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 500 А.И. Липтуга, В.К. Малютенко, В.И. Пипа, Л.В. Леваш Рис. 1. Осциллограммы электрического сигнала пассивного элемента (температура элемента). Напряженность магнитного поля H = 15 кЭ; a — длительности импульсов отрицательной люминесценции 300 мс, напряжение, B: 0.4, 0.8, 1.2, 1.6 (осциллограммы сверху вниз), охлаждающий элемент — InSb; b — напряжение 3.2 B, длительности импульсов отрицательной люминесценции, мс:

100, 200, 300, 400 (осциллограммы слева направо), охлаждающий элемент — Cd0.19Hg0.81Te.

всегда повышалась (джоулев нагрев). Увеличение тем- ни соответствовало переднему фронту управляющего пературы полупроводника зависело от длительности и импульса, тепловой же поток, исходящий из активного амплитуды управляющего напряжения, а также количе- элемента, возрастал по мере нагрева полупроводника ства энергии, теряемой кристаллом за счет теплоотвода проходящим током.

в подложку. В результате в течение времени, соответ- Между полупроводниковым кристаллом и охлаждаествующего длительности импульса, конкурировали два мым элементом устанавливался массивный поглощаюпроцесса — отрицательная люминесценция (спектраль- щий фильтр, пропускающий излучение в спектральном ный диапазон Eg/ < <, охлажение) и неравно- диапазоне > Eg/. Это позволило в значительвесное тепловое излучение (диапазон 0 < < Eg/, ной степени уменьшить влияние теплового излучения нагрев). Естественно, воздействие отрицательной люми- активного элемента на охлаждаемый, хотя полностью несценции должно приводить к понижению температуры исключить его не удалось. Предельное понижение темохлаждаемого элемента, а увеличение интенсивности пературы охлаждаемого элемента в условиях эксперитеплового излучения к его нагреву, т. е. охлаждающий мента зависело также от тепла, поступающего на этот элемент совмещал свойства радиационного холодильни- элемент за счет теплопроводности через металлические ка и нагревателя одновременно. Отметим, что начало контакты–держатели (капсула вакуумирована, конвекция воздействия отрицательной люминесценции во време- отсутствовала).

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Радиационное охлаждение в условиях магнитоконцентрационного эффекта Рис. 2. Кинетика температуры охлаждаемого элемента (теория) в зависимости от мощности (a) и длительности (b) импульсов отрицательной люминесценции; a — (P, Вт/см2, s, c): (0.0016, 800), (0.0026, 550), (0.0046, 360), (0.006, 300) (кривые сверху вниз), = 0.74 с; b — P = 0.01 Вт/см2, s = 100 с, = 0.74 с. ti, мс: 100, 200, 300, 400 (кривые слева направо).

На рис. 3 представлена зависимость изменения (мак- доля теплового излучения полупроводника проникает через фильтр), что приводит к сублинейности кривых симальное значение, достигаемое за время импульса) температуры охлаждаемого элемента от величины на- охлаждения (3–6) и сверхлинейности кривых нагревания (3 –6 ). Увеличение напряжения (рис. 1, a) и длительнопряжения, прикладываемого к активному элементу (кристи импульса (рис. 1, b) ведет к заметной конкуренции сталл InSb). Параметром кривых является длительность теплового излучения и отрицательной люминесценции, в импульса электрического поля ti. Видно, что при марезультате охлаждаемый элемент в течение некоторого лой длительности импульса (кривые 1, 1, 2, 2 ) зависипериода времени охлаждается, затем начинает нагремость изменения температуры пассивного элемента от ваться. После выключения управляющего напряжения напряжения близка к линейной. При больших длительи, соответственно, в отсутствие отрицательной люминостях сказывается нагрев решетки InSb (небольшая несценции скорость возрастания температуры охлаждаемого элемента тем больше, чем больше амплитуда или длительность импульса напряжения.

При использованных значениях управляющих полей мощность люминесценции зависит от напряжения U линейно. В случае коротких импульсов (ti ) из (3) следует, что T -Wti, т. е. не зависит от параметра нагрева охлаждающего элемента s и T линейно увеличивается с ростом напряжения, что и наблюдается в эксперименте (рис. 3, кривые 1, 1 ). Для длинных импульсов T(t) достигает минимума при tmin < ti (см.

нижние кривые на рис. 1, b или 2, b). Из (3) находим, что Tmin определяется выражением Tmin Ws Ws = - - ln 1 +. (5) T0 s T0 TОтсюда при Ws/T0 1 получаем Tmin -W2s/2T0. (6) Таким образом, при W U и s U-2 зависимость Tmin(U) стремится к насыщению. Тенденция к этому видна на кривых 5, 6 (рис. 3), которые соответствуют Рис. 3. Экспериментальная полевая зависимость температуры самым длинным импульсам.

охлаждения (1–6) и нагревания (1 –6 ) охлаждаемого элемента Длительность и амплитуду управляющего импульса при различных длительностях импульсов люминесценции, мс:

1, 1 — 30; 2, 2 — 100; 3, 3 — 200; 4, 4 — 300; 5, 5 — 400; можно подобрать таким образом, чтобы после выклю6, 6 — 500. H = 20 кЭ, охлаждающий элемент — InSb.

чения напряжения температура охлажденного элемента Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 502 А.И. Липтуга, В.К. Малютенко, В.И. Пипа, Л.В. Леваш не поднималась выше равновесного значения (рис. 1, a). Radiative cooling under the Последнее обстоятельство весьма важно в случае пракmagneto–concentration effect тического применения описываемого эффекта.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.