Лекция 13

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОНИКА

Функциональная теплоэлектроника является одним из направлений в функциональной электронике, в котором изучаются процессы генерации, распространения и детектирования динамических неоднородностей тепловой природы, а также возможность создания приборов на их основе.

План

1 Физические основы функциональной теплоэлектроники

2 Элементы приборов функциональной теплоэлектроники

Литература

1.Функціональна мікроелектроніка. Прилади із зарядовими зв’язками, циліндричні магнітні домени, давачі: Навчальний посібник / За ред.. Гордієнка Ю.О. – К. ІСДЩ, 1996. – 216 с.

2. Щука А.А. Функциональная электроника: Учебник для вузов: - М.: МИРЭА, 1998.

8.1 Физические основы

Теплота или тепловое движение представляет собой беспорядочное движение частиц (молекул, атомов, электронов и т. п.), образующих тело определенного агрегатного состояния.

Энергия теплового движения входит составной частью во внутреннюю энергию системы. Теплота также является одной из форм обмена энергией между телами, при которой часть внутренней энергии тела передается телам с меньшей температурой (энергией). Эта часть изменения внутренней энергии тела называется количеством теплоты Q. Для определения Q необходимо знать процесс изменения состояния или все промежуточные состояния.

В функциональной теплоэлектронике чаще используются процессы преобразования тепловой энергии в динамические неоднородности электрической (электромагнитной) природы в твердых телах. Использовать тепловые волны или импульсы весьма затруднительно, прежде всего, из-за их большой инерционности.

Большое значение тепловой постоянной времени позволяет использовать приборы теплоэлектроники в области сверхнизких частот (СНЧ). Другая проблема заключается в невысокой стабильности таких приборов и устройств, зависящей от температуры и других параметров внешней среды.

8.1.1 Элементы приборов

В генераторах динамических неоднородностей процессы преобразования условно можно разделить на три этапа.

На первом этапе происходит преобразование тепловой энергии X_вх=X(Q), падающей на (в) континуальную среду, во входное тепловое воздействие Y₁(Q) с коэффициентом K₁, т.е. Y=K₁Х_вх.

На втором этапе тепловое воздействие на среду преобразуется в температуру T_KC с коэффициентом К₂, другими словами T_KC=K₂Y.

На третьем этапе происходят процессы, приводящие к формированию динамических неоднородностей, которые могут иметь различную физическую природу. Так, если используется температурный удар, тепловая волна, тепловой импульс, то его выходное значение X_вых может быть записано в виде Х_вых=К₃Т_KC, где К₃ - коэффициент преобразования на третьем этапе. В общем случае можно записать:

X_вых=K₁K₂K₃X_вх (3)

Другими словами, выходной сигнал является сложной функцией входного.

Такая цепочка преобразований энергии определяет низкий коэффициент полезного действия и поэтому теплоэлектронные приборы и устройства не нашли широкого применения. Однако есть весьма интересные перспективы применения некоторых из них.

Функция (3) может быть линейной или нелинейной и чаще всего зависит от типа используемых физических явлений и эффектов. Поэтому генерируемые динамические неоднородности, имея тепловую природу, по-разному взаимодействуют с континуальной средой и различными физическими полями.

Термоэлектрические эффекты. При использовании термоэлектрических эффектов можно получить линейный эффект преобразования. Так, при нагревании контакта двух проводников в соответствии с эффектом Пельтье возникает ток I, пропорциональный количеству теплоты Q:

Q_П = ПI,

где П=ТΔα. - коэффициент Пельтье, Т - абсолютная температура, Δα — разность термоэлектрических коэффициентов проводников.

На основе контактов двух металлических или металлической и полупроводниковой сред, тепловыми импульсами можно генерировать динамические неоднородности электрической природы.

Если проводники разнородны, то дифференцируя тепловое воздействие на их контакты, можно возбудить динамические неоднородности в виде токовых импульсов (в соответствии с эффектом Зеебека).

Генерация зарядовых пакетов в пироэлектриках. В пироэлектриках под действием теплового импульса происходит генерация зарядовых пакетов. Как известно, пироэлектрики обладают спонтанной поляризацией и при изменении температуры ΔT происходит их поляризация.

В результате на противоположных сторонах пироэлектрика возникает разноименные зарядовые пакеты

σ=ρΔТ,

где ρ=ρ'+ρ" - пироэлектрический коэффициент, ρ' = - первичный пироэффект, связанный только с изменением температуры, ρ"= =lα – вторичный пироэффект, связанный с пьезоэлектрической поляризацией при линейном изменении параметров кристалла, α - температурный коэффициент расширения (dx/dT), l= .

Таким образом, в пьезодиэлектриках, обладающих пироэлектрическим эффектом, тепловым импульсом легко возбуждаются динамические неоднородности в виде связанных зарядовых пакетов на противоположных сторонах континуальной среды.

Изменение проводимости твердого тела под воздействием тепловых полей.

Под воздействием тепловых полей начинается с увеличения электрической проводимости, затем возникает токовый импульс с последующим падением напряжения и истощением запасенной электростатической энергии и, наконец, этап восстановления, возвращающий континуальную среду в исходное состояние.

Вольтамперные характеристики процессов переключения имеют вид S- образных кривых, обладающих отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС), имеющие скачки или разрывы.

Процесс переключения может развиваться как в целом образце, так и ограничиваться неким проводящим каналом. Как правило, в образцах с S -образной характеристикой формируются токовые шнуры, которые и являются динамическими неоднородностями в таких континуальных средах.

Динамическая тепловая неустойчивость возникает вследствие джоулева разогрева, а также в результате диэлектрических потерь, наблюдаемых в изоляторах и полупроводниках при приложении к ним напряжения.

Основные уравнения теплопроводности и непрерывности тока имеют вид:

div(σE)=0

где Т - температура среды, С - удельная теплоемкость, λ - коэффициент теплопроводности, σ - электрическая проводимость, Е - напряженность электрического поля, t - время.

В стационарном случае , а в области сильных полей σ является сложной функцией от Т и Е.

σ=b·exp(aT+αE)

где а, b, α - константы.

Совместное решение этих трех уравнений для плоского и цилиндрического образцов графически представлено на рис. 2 .в.

Полученная нормированная ВАХ имеет S-образную характеристику с областью ОДП. Видно, что сопротивление образца в процессе переключения может уменьшаться на несколько порядков, что сопровождается повышением температуры на несколько сотен градусов.

Рисунок 2 – Схема элементов с тепловым процессом переключения для плоского (а) и цилиндрического (б) образцов и расчетные ВАХ (в)

Генерация динамических неоднородностей с повторяющимися пространственно-временными характеристиками возможна только в случае формирования тепловых импульсов с хорошо воспроизводимыми параметрами. Для этих целей используется лазерное излучение.

Лазер, достаточно хорошо воспроизводит импульсы излучения, энергетические и временные характеристики которых могут быть точно измерены, используется как выносной тепловой источник, служит генератором динамических неоднородностей.

При воздействии лазерного излучения на континуальную среду могут быть сгенерированы динамические неоднородности различной природы. Так, например, при действии лазерного излучения на металлы генерируются зарядовые пакеты электронов.

Различают несколько механизмов генерации зарядовых пакетов.

Если зарядовые пакеты зависят от поляризации и их генерация безинерционна, то основным механизмом является многоквантовый фотоэффект.

Если же зарядовые пакеты не зависят от плоскости поляризации излучения, а также имеет место запаздывание тока эмиссии электронов по отношению к излучению, то в основе лежит механизм термоэлектронной эмиссии. На рис. 3.а представлены осциллограммы термоэмиссии зарядовых пакетов с поверхности вольфрама, предварительно очищенной лазерным излучением. Видно запаздывание во времени тока эмиссии по отношению к лазерному импульсу (t_зап).

Рисунок 3 – Возбуждение тока термоэмиссии лазерным излучением: 1 - гигантский импульс; 2 - пички в режиме модулированной добротности, а - лазерный импульс; б - импульс тока термоэмиссии с фронтальной стороны; в - импульс тока эмиссии с тыльной стороны мишени

Обычно под процессом распространения тепла понимают медленный диффузионный процесс, связанный с многократным рассеянием упругих волн. В этом случае тепловую энергию переносит некоторая совокупность некогерентных акустических фононов с функцией распределения по энергии, зависящей от температуры. При импульсном нагреве создаются когерентные акустические фононы, которые могут распространяться свободно, без рассеяния в континуальной среде. Такой режим называется баллистическим. Скорость распространения тепловых импульсов в баллистическом режиме равна скорости звука. В отличие от диффузионного режима распространения тепла, баллистический режим анизотропен и зависит от свойств континуальной среды. В экспериментах с облучением тонких сред (фольг) наблюдался баллистический режим распространения тепловых импульсов с последующей эмиссией зарядовых пакетов электронов с тыльной стороны мишени (рис. 3. б). Таким образом, фононные потоки или пакеты, переносящие информационный сигнал, также являются динамическими неоднородностями тепловой природы.

Существуют режимы облучения поверхности, при которых происходит эмиссия одно- и многозарядных ионов. Этот режим интересен тем, что с его помощью можно формировать многозарядовые пакеты. Анализ таких зарядовых пакетов позволяет получать информацию о поэлементном составе облучаемого вещества.