專(zhuān)利名稱(chēng)：熱電元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有改善的穩(wěn)定性和熱電效率的熱電元件。
背景技術(shù)：
由于化石燃料能源使用的快速增長(zhǎng)，因此全球變暖和現(xiàn)有能源供應(yīng)的枯竭受到關(guān) 注。這提高了在熱電(TE)元件上的關(guān)注。TE元件用作代替導(dǎo)致空氣污染的氟利昂(freon) 氣體等的制冷器件。此外，TE元件廣泛地用作利用塞貝克(Seebeck)效應(yīng)的小型發(fā)電機(jī)。 具體地講，當(dāng)以半導(dǎo)體(TE半導(dǎo)體)為介質(zhì)通過(guò)金屬相互連接形成回路并且電流通過(guò)該回 路時(shí)，通過(guò)費(fèi)米能差異產(chǎn)生電勢(shì)差。這時(shí)，電子消耗從一個(gè)金屬表面移動(dòng)到另一個(gè)金屬表面 必需的能量，導(dǎo)致制冷效果(吸熱)。相反，于電子攜帶的能量等效的能量在另一個(gè)金屬表 面中放出，導(dǎo)致加熱效果(散熱)。這就是所稱(chēng)的珀?duì)柼?Peltier)效應(yīng)，珀?duì)柼?yīng)是通 過(guò)利用TE元件運(yùn)行制冷器件的原理。這里，基于半導(dǎo)體的類(lèi)型和電流的方向確定吸熱位置 和放熱位置，并且半導(dǎo)體材料的改變導(dǎo)致不同的效果。圖1是示出TE元件一般結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。在典型的TE元件10中，n-型TE 半導(dǎo)體11和p-型TE半導(dǎo)體12通過(guò)金屬層15電連接。如果通過(guò)直流電，則在吸熱層13 上發(fā)生吸熱且在放熱層14上發(fā)生放熱。在這種情況下，如上所描述，吸熱和放熱各自的位 置可根據(jù)電流的方向而改變。n-型TE半導(dǎo)體11和p-型TE半導(dǎo)體12中每個(gè)TE半導(dǎo)體 設(shè)置為多個(gè)。多個(gè)n-型TE半導(dǎo)體11和多個(gè)p-型TE半導(dǎo)體12交替地布置并且串聯(lián)電連 接。在串聯(lián)連接的情況下，如果TE半導(dǎo)體或金屬層之一有問(wèn)題，則整個(gè)元件不會(huì)以最佳的 方式運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一方面提供了一種具有改善的穩(wěn)定性和熱電效率的熱電(TE)元件，在 該TE元件中，即使在一部分組件未電性運(yùn)行的情況下，也沒(méi)有不利地影響整個(gè)元件的運(yùn) 行。根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種TE元件，該TE元件包括多個(gè)pn結(jié)，每個(gè)pn結(jié) 通過(guò)結(jié)合n-型TE半導(dǎo)體和p-型TE半導(dǎo)體及設(shè)置在它們之間的金屬層來(lái)形成；第一電極 和第二電極，第一電極電連接到n-型TE半導(dǎo)體，第二電極電連接到p-型TE半導(dǎo)體。多個(gè) pn結(jié)與設(shè)置在其間的絕緣層層疊且彼此并聯(lián)電連接。多個(gè)pn結(jié)中的至少一個(gè)pn結(jié)的n_型TE半導(dǎo)體和p_型TE半導(dǎo)體可以由具有不 同于另一個(gè)pn結(jié)的導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱率的材料形成。在這種情況下，n-型TE半導(dǎo)體和p_型TE半導(dǎo)體的材料的導(dǎo)熱率可以對(duì)應(yīng)于多 個(gè)pn結(jié)的層疊方向從上部到下部增加。
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多個(gè)pn結(jié)的層疊方向可以與TE元件中的熱流的方向一致。金屬層可以由與第一電極和第二電極相同的材料形成。第一電極可以是多個(gè)pn結(jié)中的每個(gè)pn結(jié)中的n-型TE半導(dǎo)體的共電極。第二電極可以是多個(gè)pn結(jié)中的每個(gè)pn結(jié)中的P-型TE半導(dǎo)體的共電極?？梢匝匕ǘ鄠€(gè)pn結(jié)的結(jié)構(gòu)的橫向方向布置第一電極和第二電極。在這種情況下，第一電極和第二電極可以彼此面對(duì)布置。n-型TE半導(dǎo)體可以與第一電極接觸，p-型TE半導(dǎo)體可以與第二電極接觸，n_型 TE半導(dǎo)體可以被布置為與第二電極隔開(kāi)，p-型TE半導(dǎo)體可以被布置為與第一電極隔開(kāi)。在這種情況下，TE元件還可以包括分別形成在n-型TE半導(dǎo)體和第二電極之間及 P-型TE半導(dǎo)體和第一電極之間的絕緣材料。TE元件還可以包括對(duì)應(yīng)于多個(gè)pn結(jié)的層疊方向在位于多個(gè)pn結(jié)的頂部的pn結(jié) 的上表面上順序形成的陶瓷層和吸熱層。在這種情況下，包含在陶瓷層中的陶瓷材料可以是氧化鋁。TE元件還可以包括對(duì)應(yīng)于多個(gè)pn結(jié)的層疊方向在位于多個(gè)pn結(jié)的底部的pn結(jié) 的下表面上形成的散熱器。TE元件還可以包括連接到第一電極和第二電極以形成電路的電源。電源使電流流 過(guò)多個(gè)pn結(jié)，使得從多個(gè)pn結(jié)的一側(cè)吸收的熱沿著多個(gè)pn結(jié)的層疊方向傳遞。TE元件還可以包括連接到第一電極和第二電極以形成電路的電阻器件。在這種情 況下，通過(guò)從多個(gè)pn結(jié)的一側(cè)吸收的熱量使得電流可以流過(guò)多個(gè)pn結(jié)和電阻器件。絕緣層可以由陶瓷材料形成。


通過(guò)下面結(jié)合附圖進(jìn)行的具體描述，本發(fā)明的上述和其他方面、特征和其他優(yōu)點(diǎn) 將會(huì)更加清楚地理解，附圖中圖1是示出熱電(TE)元件一般結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的TE元件的示意性剖視圖。圖3是示出在圖2的示例性實(shí)施例中pn結(jié)的并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4是示出使用圖2的TE元件作為T(mén)E制冷機(jī)的示例的示意圖。圖5是示出使用圖2的TE元件作為T(mén)E發(fā)電機(jī)的示例的示意圖。圖6是示出應(yīng)用于對(duì)圖2的示例性實(shí)施例進(jìn)行修改的另一個(gè)實(shí)施例的pn結(jié)的示 意性剖視圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參照附圖具體地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以以很多不同的形式實(shí)施并且不應(yīng)解釋為局限于在這里所提出的 實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例使得本公開(kāi)將是徹底和完全的，并將本發(fā)明的范圍充分地傳 達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖中，為了清晰起見(jiàn)，會(huì)夸大形狀和尺寸，且始終使用相同的標(biāo) 號(hào)代表相同或相似的組件。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的熱電元件的示意性剖視圖。本實(shí)施例的熱電(TE)元件100包括n-型TE半導(dǎo)體101和p-型TE半導(dǎo)體102，n_型TE半導(dǎo)體101和 P-型TE半導(dǎo)體102形成pn結(jié)，其中，金屬層103設(shè)置在n_型TE半導(dǎo)體101和p-型TE半 導(dǎo)體102之間；絕緣層104，設(shè)置在pn結(jié)之間，用于pn結(jié)的并聯(lián)連接；第一電極105和第二 電極106 ；陶瓷層107和陶瓷層109 ；吸熱層108 ；散熱器110。n-型TE半導(dǎo)體101和p-型TE半導(dǎo)體102可以使用本技術(shù)領(lǐng)域通常使用及適當(dāng) 摻雜的材料，例如，TE材料如BiTe類(lèi)材料和PbTe類(lèi)材料。金屬層103可以使用具有高導(dǎo) 電率的材料(如銅)以使電流流暢地流過(guò)。通過(guò)使熱根據(jù)當(dāng)將電壓施加到n-型TE半導(dǎo)體 101和p-型TE半導(dǎo)體102時(shí)產(chǎn)生的電流而從一側(cè)傳遞到另一側(cè)，可以將TE元件100用作 制冷機(jī)。此外，在具有n-型TE半導(dǎo)體101和p-型TE半導(dǎo)體102的結(jié)構(gòu)中，可以通過(guò)使用 使一側(cè)的溫度不同于另一側(cè)的溫度產(chǎn)生的能量來(lái)產(chǎn)生電流。n-型TE半導(dǎo)體101、金屬層103和p-型TE半導(dǎo)體102包括在執(zhí)行TE功能的單 個(gè)單元結(jié)構(gòu)中，在下文中稱(chēng)作“pn結(jié)”。設(shè)置了層疊的多個(gè)pn結(jié)。在本實(shí)施例中，一個(gè)pn結(jié) 并聯(lián)電連接到另一個(gè)pn結(jié)，這不同于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)串聯(lián)連接的pn結(jié)。圖3是示出該pn結(jié) 的并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的示意圖。這樣的并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)提供了這樣的優(yōu)點(diǎn)，即，即使在部分pn結(jié) 中有一些缺陷，這樣的缺陷也不影響整個(gè)元件的運(yùn)行。為了并聯(lián)連接，將絕緣層104設(shè)置在 pn結(jié)之間。絕緣層104可以由陶瓷材料(如氧化鋁)形成。如上面所描述的，TE元件100能通過(guò)層疊有pn結(jié)的結(jié)構(gòu)(下文稱(chēng)為“層疊結(jié)構(gòu)”) 在一側(cè)吸熱且在另一側(cè)放熱。在層疊結(jié)構(gòu)中，吸熱層108和散熱器110適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合，從而能 執(zhí)行TE功能。根據(jù)參照?qǐng)D2的層疊結(jié)構(gòu)，吸熱層108形成在位于層疊結(jié)構(gòu)的頂部的pn結(jié) 的上表面上，散熱器110形成在位于層疊結(jié)構(gòu)的底部的pn結(jié)的下表面上。此外，與n-型TE 半導(dǎo)體101接觸的第一電極105和與p-型TE半導(dǎo)體102接觸的第二電極106可以連接到 電源、電阻器件等以形成電路。在這種情況下，吸熱層108和散熱器110可以由具有高導(dǎo)熱 率的金屬形成，且如圖2中所示的，吸熱層108通過(guò)陶瓷層107連接到層疊結(jié)構(gòu)，散熱器110 通過(guò)陶瓷層109連接到層疊結(jié)構(gòu)。陶瓷層107和陶瓷層109包括如氧化鋁等的材料，由于 它們不是不可缺少的元件，因此根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例可以省略它們。另外，如在本示例性實(shí)施例中所描述的，pn結(jié)沿一個(gè)方向?qū)盈B，從而使熱沿pn結(jié) 的層疊方向流動(dòng)。也就是，在n-型TE半導(dǎo)體101連接到正極且p-型TE半導(dǎo)體102連接 到負(fù)極的情況下，電流使吸熱層108的熱通過(guò)pn結(jié)散發(fā)到散熱器110。在本示例性實(shí)施例 中，pn結(jié)串聯(lián)熱連接并且并聯(lián)電連接。這顛倒了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)在TE元件中pn結(jié)并聯(lián)熱連 接且串聯(lián)電連接的連接。在根據(jù)該示例性實(shí)施例的具有層疊結(jié)構(gòu)的TE元件中，考慮到使熱沿層疊方向流 動(dòng)，n-型TE半導(dǎo)體101和p-型TE半導(dǎo)體102可以根據(jù)層疊方向而由不同材料形成。具體 地講，在與位于低溫部分的pn結(jié)相比位于高溫部分的pn結(jié)由用于較高溫度的TE材料(例 如，導(dǎo)熱率較低的材料)形成的情況下，能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的TE性能。即，參照?qǐng)D2，如果上部是高 溫部分，下部是低溫部分，則形成pn結(jié)的n-型TE半導(dǎo)體101和p-型TE半導(dǎo)體102的材 料的導(dǎo)熱率可以從上部到下部增加。多個(gè)pn結(jié)中的至少一個(gè)pn結(jié)的n-型TE半導(dǎo)體101 和p-型TE半導(dǎo)體102由具有不同于另一個(gè)pn結(jié)的導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱率的材料形成。如上面所描述的，在按不同的導(dǎo)熱率層疊pn結(jié)的情況下，在層疊結(jié)構(gòu)中，溫度分 布成具有從高溫部分到低溫部分的不同的溫度梯度。相反，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的TE元件表現(xiàn)出從高溫部分到低溫部分的幾乎不變的溫度梯度。作為使用有限元法((Finite Element Method)FEM)在導(dǎo)熱效率方面比較并聯(lián)連接設(shè)計(jì)(按不同導(dǎo)熱率層疊pn結(jié)的層疊結(jié)構(gòu))與 串聯(lián)連接設(shè)計(jì)(在圖1中示出的結(jié)構(gòu))的結(jié)果，并聯(lián)連接設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱率比串聯(lián)連接設(shè)計(jì)的 導(dǎo)熱率顯著地提高。即，當(dāng)給出lOOW/m2的熱量時(shí)，結(jié)果是在并聯(lián)連接設(shè)計(jì)中高溫部分和低 溫部分之間的溫度差異高出0. 1°C。如通過(guò)該結(jié)果所證明的，通過(guò)并聯(lián)連接pn結(jié)能獲得電 學(xué)穩(wěn)定性，并且通過(guò)沿著熱流方向?qū)盈Bpn結(jié)及適當(dāng)?shù)剡x擇TE材料能提高TE效率。同時(shí)，第一電極105可以接觸n-型TE半導(dǎo)體101，第二電極106可以接觸p-型 TE半導(dǎo)體102，且第一電極105和第二電極106可由與金屬層103相同的材料形成。第一 電極105是多個(gè)pn結(jié)中的每個(gè)pn結(jié)中的n-型TE半導(dǎo)體101的共電極且第二電極106是 多個(gè)pn結(jié)中的每個(gè)pn結(jié)中的p-型TE半導(dǎo)體102的共電極。在這種情況下，為了獲得有 效的接觸結(jié)構(gòu)，第一電極105和第二電極106可以沿pn結(jié)的層疊結(jié)構(gòu)的橫向方向布置且彼 此面對(duì)。第一電極105和p-型TE半導(dǎo)體102相互隔開(kāi)，彼此不接觸。同樣，第二電極106 和n-型TE半導(dǎo)體101相互隔開(kāi)，彼此不接觸。在這種情況下，如在圖6中所示，絕緣材料 111可以分別地設(shè)置在n-型TE半導(dǎo)體101和第二電極106之間及p-型TE半導(dǎo)體102和 第一電極105之間。圖4是示出使用圖2的TE元件作為T(mén)E制冷機(jī)的示例的示意圖。另外，圖5是示 出使用圖2的TE元件作為T(mén)E發(fā)電機(jī)的示例的示意圖。因此，雖然省略了具體的結(jié)構(gòu)，但是 圖4和圖5的TE元件100可以認(rèn)為具有與圖2的結(jié)構(gòu)一樣的結(jié)構(gòu)。如圖4中所示，在通過(guò) 將TE元件100連接到電源來(lái)產(chǎn)生電流的情況下，來(lái)自上部(高溫部分)的熱可以散發(fā)到下 部(低溫部分)。在這種情況下，TE元件100可以用作TE制冷機(jī)，且通過(guò)顛倒電源的極性 使得熱可以沿相反的方向流動(dòng)。根據(jù)類(lèi)似的原理，高溫?zé)崮芸僧a(chǎn)生電流，且如在圖5中所示 的TE發(fā)電機(jī)中所看到的，通過(guò)電流使得熱可以從高溫部分散發(fā)到低溫部分。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，即使在一部分組件未電性運(yùn)行的情況下，也沒(méi)有不 利地影響整個(gè)元件的運(yùn)行，從而能提高TE元件的穩(wěn)定性。此外，根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的TE元件能減少對(duì)施加的電壓的依賴(lài)并比以前 更大地提高TE的效率。雖然通過(guò)示例性實(shí)施例描述和示出了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該清楚，在 不脫離由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可做修改和變化。
權(quán)利要求
一種熱電元件，包括多個(gè)pn結(jié)，每個(gè)pn結(jié)通過(guò)結(jié)合n-型熱電半導(dǎo)體和p-型熱電半導(dǎo)體及設(shè)置在n-型熱電半導(dǎo)體和p-型熱電半導(dǎo)體之間的金屬層來(lái)形成；第一電極和第二電極，第一電極電連接到n-型熱電半導(dǎo)體，第二電極電連接到p-型熱電半導(dǎo)體，其中，所述多個(gè)pn結(jié)與設(shè)置在所述多個(gè)pn結(jié)之間的絕緣層層疊，并且所述多個(gè)pn結(jié)彼此并聯(lián)電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，其中，所述多個(gè)pn結(jié)中的至少一個(gè)pn結(jié)的n-型熱 電半導(dǎo)體和p-型熱電半導(dǎo)體由具有不同于另一個(gè)pn結(jié)的導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱率的材料形成。
3.如權(quán)利要求2所述的熱電元件，其中，n-型熱電半導(dǎo)體和p-型熱電半導(dǎo)體的材料的 導(dǎo)熱率對(duì)應(yīng)于所述多個(gè)pn結(jié)的層疊方向從上部到下部增加。
4.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，其中，所述多個(gè)pn結(jié)的層疊方向與熱電元件中的熱 流的方向相同。
5.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，其中，金屬層由與形成第一電極和第二電極的材料 相同的材料形成。
6.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，其中，第一電極是所述多個(gè)pn結(jié)中的每個(gè)pn結(jié)中的 n-型熱電半導(dǎo)體的共電極。
7.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，其中，第二電極是所述多個(gè)pn結(jié)中的每個(gè)pn結(jié)中的 P-型熱電半導(dǎo)體的共電極。
8.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，其中，沿包括所述多個(gè)pn結(jié)的結(jié)構(gòu)的橫向方向布置 第一電極和第二電極。
9.如權(quán)利要求8所述的熱電元件，其中，第一電極和第二電極布置為彼此面對(duì)。
10.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，其中，n-型熱電半導(dǎo)體與第一電極接觸，p-型熱電 半導(dǎo)體與第二電極接觸，且n-型熱電半導(dǎo)體被布置成與第二電極隔開(kāi)，p_型熱電半導(dǎo)體被 布置成與第一電極隔開(kāi)。
11.如權(quán)利要求10所述的熱電元件，所述熱電元件還包括分別形成在n-型熱電半導(dǎo)體 和第二電極之間及P-型熱電半導(dǎo)體和第一電極之間的絕緣材料。
12.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，所述熱電元件還包括對(duì)應(yīng)于所述多個(gè)pn結(jié)的層疊 方向在位于所述多個(gè)pn結(jié)的頂部的pn結(jié)的上表面上順序形成的陶瓷層和吸熱層。
13.如權(quán)利要求12所述的熱電元件，其中，包含在陶瓷層中的陶瓷材料是氧化鋁。
14.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，所述熱電元件還包括對(duì)應(yīng)于所述多個(gè)pn結(jié)的層疊 方向在位于所述多個(gè)pn結(jié)的底部的pn結(jié)的下表面上形成的散熱器。
15.如權(quán)利要求1所述熱電元件，所述熱電元件還包括電源，連接到第一電極和第二電極以形成電路，其中，電源使電流流過(guò)所述多個(gè)pn結(jié)，使從所述多個(gè)pn結(jié)的一側(cè)吸收的熱沿著所述多 個(gè)pn結(jié)的層疊方向傳遞。
16.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，所述熱電元件還包括電阻器件，連接到第一電極和第二電極以形成電路，其中，通過(guò)從所述多個(gè)pn結(jié)的一側(cè)吸收的熱使電流流過(guò)所述多個(gè)pn結(jié)和電阻器件。
17.如權(quán)利要求1所述的熱電元件，其中，絕緣層由陶瓷材料形成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種熱電(TE)元件。該TE元件包括多個(gè)pn結(jié)，每個(gè)pn結(jié)通過(guò)結(jié)合n-型TE半導(dǎo)體和p-型TE半導(dǎo)體及設(shè)置在其間的金屬層來(lái)形成；電連接到n-型TE半導(dǎo)體的第一電極和電連接到p-型TE半導(dǎo)體第二電極。多個(gè)pn結(jié)與設(shè)置在它們之間的絕緣層層疊，并且多個(gè)pn結(jié)彼此并聯(lián)電連接。即使在部分組件未電性運(yùn)行的情況下，也沒(méi)有不利地影響整個(gè)元件的運(yùn)行，從而能提高TE元件的穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H01L25/00GK101859867SQ20091017314
公開(kāi)日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月13日
發(fā)明者吳龍洙, 李圣鎬, 鄭粲燁 申請(qǐng)人:三星電機(jī)株式會(huì)社