Фізичні моделі оптико-електронних систем іч діапазону спектру з термоелектричним охолодженням (огляд)
Ключові слова:
оптико-електронна система, ІЧ пристрій, термоелектричний охолоджувач, фізична модельАнотація
В роботі розглянуті основні фізичні моделі оптико-електронних систем ІЧ діапазону спектру з термоелектричним охолодженням. Проаналізовані особливості і переваги цих моделей. Встановлено, що найпростішою і такою, що практично застосовується в промислових зразках ІЧ пристроїв, є модель вбудованого в металічний корпус термоелектричного модуля з фоточутливими елементами, які охолоджуються. Така модель з каскадними термоелектричними охолоджувачами (ТЕО) з матеріалів на основі Bi2Te3 забезпечує рівень робочих температур ІЧ пристроїв до 195 К. Показано, що розширення діапазону охолодження до температур 140 – 150 К можливе шляхом застосування для ТЕО функціонально-градієнтних матеріалів і додаткових каскадів з низькотемпературних термоелектричних матеріалів, наприклад, з матеріалів на основі BiSb. Встановлено, що енергетична ефективність ТЕО суттєво залежить від оптимізації його конструкції, яка повинна враховувати електричні і теплові опори контактів, комутаційних та ізоляційних пластин, а також вплив теплових опорів корпусу ІЧ приймача, його з’єднань з ТЕО, радіаторів і теплообмінників, які застосовуються в системі для відводу тепла від ТЕО. Отже проєктування ТЕО має враховувати всі компоненти системи і вибір фізичної моделі оптико-електронної системи з ТЕО має важливе значення.
The paper considers the main physical models of optical-electronic systems in the IR spectrum range with thermoelectric cooling. The features and advantages of these models are analyzed. It was established that the simplest and the one that is practically used in industrial samples of IR devices is a model of a thermoelectric module built into a metal case with photosensitive elements that are cooled. Such a model with cascade thermoelectric coolers (TEC) made of materials based on Bi2 Te3 ensures the level of operating temperatures of IR devices up to 195 K. It has been shown that expanding the cooling range to temperatures of 140-150 K is possible by using functionally graded materials and additional stages of low-temperature thermoelectric materials, for example BiSb-based materials, for TEC. It has been established that the energy efficiency of a TEC significantly depends on the optimization of its design, which should take into account the electrical and thermal resistance of contacts, interconnect and insulation plates, as well as the influence of the thermal resistance of the IR detector case, its connections with the TEC, heat sinks and heat exchangers used in the system for heat removal from TEC. Therefore, the TEC design must take into account all system components, and the choice of the physical model of the optical-electronic system with TEC is important.
Посилання
1. Rogalski A. (2012). Progress in focal plane arrays technologies. Progress in Quantum Electronics, 36, 2 – 3, 342 – 473.
2. Veprik A., Zehtzer S., Vilenchik H. and Pundak N. (2010) Micro-miniature split Stirling linear cryocooler. AIP Conf. Proc. 1218, p. 363 – 370.
3. Kinch M.A. (2000). Fundamental physics of infrared detector materials. J. of Electronic Materials, 29 (6), 809 – 817.
4. Shtrichman Itay, Aronov Daniel, ben Ezra Michael, et al. (2012). High operating temperature InSb and XBn-InAsSb photodetectors. Proceedings of SPIE Volume 8353, Infrared Technology and Applications XXXVIII, 83532Y, May 1, 2012.
5. Piotrowski A., Piotrowski J., Gawron W., Pawluczyk J. and Pedzinska M. (2009). Extension of usable spectral range of Peltier cooled photodetectors. ACTA Physica Polonica A, 116, s-52 – s-55.
6. Vigo Photonics https://vigophotonics.com/ (25 August 2023).
7. Crane D., Madigan B., Bell L. (2022). Path to higher SWaP-C for cooled IR through thermoelectrics with distributed transport properties, Proc. SPIE 11982 (2022).
8. Müller R., Gramich V, Wauro M., Niemasz J. et al. (2019). High operating temperature InAs/GaSb type-II superlattice detectors on GaAs substrate for the long wavelength infrared, Infrared Physics & Technology 96, 141 – 144.
9. Molodyk A.V., Smolyar G.A., Lobzin D.V. (2012). Combination of energy transformers as a method for solving the problems of modern instrument making. J. Thermoelectricity, 3, 55 – 64.
10. Mongellaz Francois, Fillot A., Griot R., De Lallee J. (1994). Thermoelectric cooler for infrared detectors. Proc. SPIE 2227, Cryogenic Optical Systems and Instruments VI, (23 June 1994), p. 156 – 165.
11. Zamboni John M. (2003). Integrated thermoelectric cooler/package for infrared detector array temperature stabilization. Proc. SPIE 5209, Materials for Infrared Detectors III, (8 December 2003), p. 173 – 181.
12. Yang R., Chen G., Snyder G.J., Fleurial J.-P. (2002). Multistage thermoelectric micro coolers. IEEE Proc. of Inter Society Conference on Thermal Phenomena, 2002, p. 323 – 329.
13. Salinas M. A. (2000). 3-D thermoelectric cooler analysis. IEEE Proc. of Sixteenth IEEE SEMI-THERMTM Symposium, p. 10 – 18.
14. Semenyuk V.A. (2003). Advances in development of thermoelectric modules for cooling electro-optic components. IEEE Proc. of XXII International Conference on Thermoelectrics, 2003, p. 631 – 636.
15. Semenyuk V.A. (2005). Novel thermoelectric microcoolers compatible with electro-optic components. Proc. of 3rd International Energy Conversion Engineering Conference, 15 – 18 August 2005, San Francisco, California.
16. Semenyuk V.A. (2006). Thermoelectric cooling of electro-optic components, in Thermoelectrics Handbook, Macro to Nano. Edited by D.M. Rowe, CRC Taylor&Francis, 2006, p. 58-1 – 58-20.
17. Semenyuk. V.A. (2014). Comparison of performance characteristics of multistage thermoelectric coolers based on different ceramic substrates. J. of Electronic Materials, 43, 1539 – 1547.
18. Semenyuk V. (2019). Effect of electrical contact resistance on the performance of cascade thermoelectric coolers. J. of Electronic Materials, 48 (4), 1870 – 1876.
19. Agaev Z.F., Abdinov D.Sh. (2007). Photodetector with thermoelectric cooler. Proc. of SPIE, 6636, p. 66360F-1 – 66360F-7.
20. Wurtz H.P. (1980). Design guidelines for thermoelectrically cooled infrared detectors, Proc. SPIE 0246, Contemporary Infrared Sensors and Instruments, (3 December 1980), p. 15 – 21.
21. Patent US 4 833 889. Thermoelectric refrigeration apparatus. R.W. Harwell, W.M. Simon, 1989.
22. Patent US 4 990 782. Radiation shield for thermoelectrically cooled infrared detectors. W.H. Wellman, R.D. Granneman, 1991.
23. Vuillermet M., Tribolet P. (2010). Operating temperature: a challenge for cooled IR technologies. Proc. of SPIE, Vol. 7660, 2010.
24. Klipstein P., Klin O., Grossman S., Snapi N. et al. (2012). High operating temperature XBn-InAsSb bariode detectors. Proc. of SPIE, Vol. 8268, 2012.
25. Tsao S., Lim H., Zhang W., and Razeghi M. (2007). High operating temperature 320 x 256 middle-wavelength infrared focal plane array imaging based on an InAs/InGaAs/InAlAs/InP quantum dot infrared photodetector. Applied Physics Letters, 90, 201109-1 – 201109-3.
26. Anatychuk L.I., Vikhor L.N. (2012). Thermoelectricity, volume IV. Functionally Graded Thermoelectric Materials. Institute of Thermoelectricity, Chernivtsi, 2012, 180 p.
27. Anatychuk L.I., Vikhor L.N. (2013). Boundaries of thermoelectric cooling for photodetectors. J. Thermoelectricity, 5, 58 – 63.
28. Crane D., Madigan B., Bell L. (2022). Path to higher SWaP-C for cooled IR through thermoelectrics with distributed transport properties. Proc. SPIE 11982 (2022) Components and Packaging for Laser Systems VIII, p.1198207-1 – 1198207-9.
29. Gradauskas J., Dzundza B, Chernyak L., Dashevsky Z. (2021). Two-color infrared sensor on the PbTe: In p-n junction. Sensors, 21,1195 1 – 9.
30. Parashchuk T., Sidorenko N., Ivantsov L., et al. (2021). Development of a solid-state multi-stage thermoelectric cooler. Journal of Power Sources, 496, 229821-1 – 9.
31. Sidorenko N., Parashchuk T., Maksymuk M., Dashevsky Z. (2020). Development of cryogenic cooler based on n-type Bi-Sb thermoelectric and HTSC. Cryogenics, 112 (2020 Dec) p. 103197.
32. Sidorenko N.A., Dashevsky Z.M. (2019). Cryogenic thermoelectric cooler for operating temperatures below 90 K. Semiconductors 53 (6) (2019 Jun 10), 752 – 755.
