InGaAs/InGaAsP超晶格微制冷器纳米结构中的热传导效率及温度场模拟

摘要

热电制冷主要是利用不同导电材料相互接触时电子在外部电压的驱动下从能态低的材料迁移到能态高的材料时电子吸收接合面的晶格热能,从而实现热量的定向输运——制冷。热电子制冷是利用电子的势垒穿越,在冷端获得足够动能的电子将热量输运到热端。与金属热传导机制基本相仿,电子是热电/热电子制冷过程中热量的载荷子。 热电制冷器突出的优点是没有运动部件,工作可靠性高,还可以逆向工作,将热量转换为电流。但是由于制冷效率低下,热电制冷逐步让位于蒸汽压缩式制冷,吸收吸附式制冷等方式。影响热电/热电子制冷器的制冷效率的主要因素可以用热电制冷器的品质因数(figure-of-merit)ZT=S2σT/β表示。ZT是一个无量纲的系数,表示了某种材料制冷能力的好坏。S是塞贝克系数,σ是电导率,β是热导率,T是温度。传统热电制冷器制冷效率低下主要是三个系数之间的矛盾,在提高塞贝克系数的同时,热导率也随之升高,电导率下降。 近年来,随着以纳米技术为代表的先进半导体技术的发展,热电/热电子制冷又重新吸引了研究者的兴趣。通过分子束外延法、金属有机物气相沉积法得到的超晶格材料可以得到人工形成的热传导不连续界面,热传导的界面效应将有效降低热导率,与此同时,通过控制势垒厚度、晶格周期、势垒高度、掺杂浓度等方法可以有效提高塞贝克系数和电导率,进而提高ZT值。研究表明,具体调制方法需要在超晶格材料中电子输运机制和声子传播机制基础上,对材料选择、势垒厚度、晶格周期等因素进行协调、选择才能得到比较好的制冷效果。本文就以上因素,对最新的研究成果进行了归纳和总结。 此外,影响制冷器制冷效果的因素还有制冷器面积、基底尺寸、接触电阻、制冷器本身电阻等因素。本文建立了基于InGaAs/InGaAsP超晶格异质结构制冷器进行研究,建立了传热模型,进行了一维、二维和三维模拟分析。在此基础上,从制冷器的几何参数入手进行了优化分析和设计。相应的研究结果表明,通过适当优化设计,可以大幅度提高制冷效果,减小体积。为今后与作为热源的光电微电子电路集成的热分析和优化提供了模拟分析依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2热电/热电子制冷

1.3热电/热电子制冷技术的应用

1.3.1传统热电制冷器的缺陷

1.4热电/热电子制冷技术的进展及研究现状

1.4.1超晶格

1.4.2颗粒和点结构

1.4.3纳米线和量子阱

1.4.4其它微结构的改进

1.5有限元法

1.5.1 ANSYS程序

1.5.2温度场模拟的必要性

1.6本论文的主要工作

第二章晶体热传导

2.1晶体

2.1.1晶体结合分类

2.2晶格振动与晶体的热学性质

2.2.1一维晶格振动

2.2.2一维双原子晶格

2.2.3三维晶格振动

2.3简正坐标与声子

2.4晶格热传导

2.4.1气体系统的热导率

2.4.2绝缘晶体的热传导与非谐效应

2.4.3声子-声子碰撞

2.4.4杂质和边界散射

2.5电导与热导

2.5.1金属的电导与热导

2.5.2 半导体的热导与电导

2.5.3起晶格

2.5.4超晶格的声子输运

2.6热导率

2.7电导率

2.8本章小结

第三章热电/热电子制冷的基本原理及微观机制

3.1热电制冷

3.1.1塞贝克(Seebeck)效应

3.1.2帕帖尔(Pellier)效应

3.1.3汤姆生(Thomson)效应

3.1.4塞贝克效应和帕帖尔效应之间的关系

3.1.5热电制冷原理

3.2热电子发射制冷

3.3传统提高ZT值方法

3.4热电现象和热电子发射制冷物理机制分析

3.5势垒的主要参数对制冷效果的影响

3.5.1基于能带理论的热电子制冷表达式

3.5.2势垒厚度

3.5.3晶格周期

3.5.4高势垒器件

3.5.5制冷效率

3.6 Seebeck系数

3.7本章小结

第四章InGaAs/InGaAsP超晶格微制冷器

4.1微制冷器结构

4.2 InGaAsP/InGaAs超晶格制作流程

4.3 InGaAsP/InGaAs超晶格微制冷器的制造工艺流程

4.4封装

4.5品质因数的影响因素

4.5.1分析模型

4.5.2超晶格周期

4.5.3制冷器面积与电流密度

4.5.4环境温度

4.5.5封装

4.5.6基底热阻

4.6制冷器制冷分析

4.6.1热阻和电阻

4.6.2制冷分析

4.7本章小结

第五章InGaAs/InGaAsP超晶格微制冷器的制冷分析

5.1热传导有限元分析概述

5.2二维模型温度场分析

5.2.1单元选择

5.2.2 几何模型

5.2.3主要参数

5.2.4边界条件

5.2.5分析流程

5.3模拟结果

5.3.1不考虑自身电阻和接触电阻生热

5.3.2考虑自身电阻和接触电阻生热

5.3.3多个制冷器垂直叠加时的温度场

5.4三维温度场分析

5.5本章小结

第六章INGaAs/InGaAsP超晶格微制冷器优化分析

6.1非线性优化方法

6.2迭代过程的终止准则

6.2.1点距准则

6.2.2函数值下降准则

6.2.3梯度准则

6.3 InGaAs/InGaAsP超晶格微制冷器共轭梯度法优化数学模型

6.3.1面积优化流程

6.4优化分析

6.4.1 ANSYS优化分析过程

6.4.2超晶格微制冷器优化设计

6.4.3参数化模型

6.4.4设计序列结果

6.5优化结果

6.6本章小结

第七章总结和展望

7.1总结

7.2展望

7.2.1材料科学的进步

7.2.2制冷器的集成应用

7.2.3真空热电子制冷器

7.2.4热电转换

参考文献

作者简介及论文目录

致 谢