Simulation of thermoelectric devices

Abstract

Thermoelektrische Generatoren sind Bauteile zur direkten Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Ihre herausragende Ausfallsicherheit beruhend auf einem Aufbau ohne beweglicher Teile macht sie zu attraktiven Kandidaten für eine Reihe von Anwendungen,jedoch ist die Verwendung heutiger Thermogeneratoren durch ihre niedrige Effizienz und hohe Kosten auf spezielle Nischen eingeschränkt. Die Optimierung thermoelektrischer Bauelemente für thermische und geometrische Gegebenheiten benötigt eine physikalisch basierte Simulationsumgebung.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung und Anwendung der Halbleiter–Bauelementsimulation auf thermoelektrische Strukturen.In einem theoretischen Teil wird die Beschreibung des Ladungsträgertransports entwickelt. Modelle,die auf verschiedenen Näherungen des Streuoperators der Boltzmann–Gleichung beruhen werden systematisch mit Hilfe der Momentenmethode hergeleitet und mit einem phänomenologischen Zugang verglichen. Der theoretische Seebeckkoeffizient, der eine bedeutende Rolle in thermoelektrischen Bauteilen spielt, wird diskutiert und mit Messdaten verglichen.Nachfolgend sind im materialspezifischen Teil der Arbeit wichtige Eigenschaften thermoelektrischer Materialien sowie mögliche Ansätze zur Optimierung aufgezeigt. Nach einem Überblick der wichtigsten thermoelektrischen Materialien sowie deren Eigenschaften steht Bleitellurid im Mittelpunkt des Interesses, welches ein interessantes Material für den mittleren Temperaturbereich darstellt. Weiters werden detaillierte physikalische Modelle für alle simulationsrelevanten Grössen ausgeführt.Der praktische Teil beinhaltet Fallstudien für konventionelle Thermogeneratoren sowie für eine neuartige Diodenstruktur. Simulationsergebnisse von Strukturen basierend auf Silizium sowie Bleitellurid werden mit Messdaten verglichen, wobei exzellente Übereinstimmung erreicht wird.In einer ausführlichen Simulationsstudie werden die Einflüsse verschiedener Entwurfsparameter wie Geometrie, Materialzusammensetzung und Dotierprofil auf das Bauteilverhalten untersucht.Weiters ist das Verhalten unter nicht-idealen thermischen Umgebungsbedingungen Gegenstand der Untersuchung. Die neuartige Diodenstruktur weist eine hohe Flexibilität bei der Anpassungan vorgegebene Bedingungen auf.

Thermoelectric Generators are devices for direct conversion of heat into electricity.Their outstanding reliability due to the lack of moving parts makes them attractive candidates for a series of applications. However, today’s thermoelectric devices are limited by their low efficiency and high costs. Thus, their operation is restricted to highly specialized niches.Optimization of thermoelectric devices to given thermal and geometrical constraints depends ona physics–based simulation framework. This work focuses on the extension and application of semiconductor device simulation, which is a well established tool in mainstream microelectronics to thermoelectrics.In the theoretical part, proper transport description for thermoelectric devices is developed.Models based on different approximations of the scattering operator within Boltzmann’s equation are systematically derived by the method of moments and compared to a phenomenological approach based on the principles of irreversible thermodynamics. Models for the Seebeckcoefficient, which play a major role in thermoelectric devices are discussed and compared to measurement data.A material related part highlights important properties of thermoelectric materials as well as mechanisms for possible optimization. After an overview of the most important thermoelectricmaterials and their attributes, the focus is put on lead telluride, which serves as a thermoelectricmaterial in the intermediate temperature range. A detailed discussion on the physical modeling of several simulation–relevant material properties is carried out.The practical part in corporates case studies of both conventional thermoelectric devices as wellas a novel structure containing a large scale pn–junction. Simulation results for both siliconand lead telluride structures are compared to measurement data, where by excellent agreementis achieved. In a detailed simulation study, the influences of several design parameters like geometry, material composition, and doping profiles on the device performance of thermoelectricgenerators are assessed. Furthermore, the device behavior is discussed within non–ideal thermalenvironments. The novel structure incorporating a large scale pn–junction turns out to be highly adaptable to given environmental conditions.