Preliminary investigations on Thermal Electric Devices

Abstract

A study of the possibilities and developments of the electronic thermal devices is presented. Mainly, it is focused on the review of the principles and previous investigations on the thermal integrated switches based on the novel vanadium dioxide material, that presents a semiconductor to metal state phase transition around 68ºC. In order to prove the viability of the thermal integrated logic circuits, basically consisting on thermal logic gates made of phonsistors, it has been experimentally tested, using a heating plate and a source meter, a single SMT (Semiconductor to Metal Transition) switch and a thermal logic gate structure, based on a platinum contacts geometry deposited on a VO2 thin film over a silicon substrate. The experiments revealed the correct operation of the VO2 switch, proving the previous studied theories, as the resistance change and the reason that produce the transition activation. Also, the NOR logic function was proved on the thermal logic structure, using current driven inputs and a pull-up resistor in the output. The results acquired present the possibility of creating thermal logic gates and electronic circuits based on the phonsistor scheme. Further investigations building nanoscale structures, which would improve the performance, could be done to test the minimum switching times and the power consumption that would have the thermal logic technology.

Se muestra un estudio acerca de las posibilidades de desarrollo de los dispositivos electrónicos térmicos. Principalmente, centrado en los principios y las investigaciones previamente realizadas en los conmutadores integrados térmicos, basados en el novedoso material Dióxido de Vanadio, que presenta una transición de fase del estado de semiconducción al metálico en torno a los 68ºC. Para probar la posibilidad de realizar los circuitos integrados lógicos térmicos, consistentes principalmente en puertas lógicas hechas con “phonsistors”, ha sido probado experimentalmente un conmutador SMT (Transición de Metal a Semiconductor) y una estructura de puerta lógica térmica, basada en una estructura de contactos de platino depositada en una capa fina de VO2 sobre un sustrato de silicio. Los experimentos realizados, mostraron la correcta operación del conmutador VO2, probando las teorías presentadas con anterioridad, como el cambio de la resistencia y las causas que provocan la activación. Además, la función de la puerta lógica NOR es probada en una estructura de lógica térmica, usando entradas activadas por corriente y una salida con una resistencia de pull-up. Los resultados obtenidos presentan la posibilidad de crear puertas lógicas térmicas y circuitos basados en el esquema de los “phonsistors”. Posteriores investigaciones para construir estructuras a tamaño nano, que podrían mejorar las prestaciones del sistema, podrían ser llevadas a cabo para probar los tiempos mínimos de switch de las puertas y el consumo de potencia que tendría la tecnología de lógica térmica.