一種將冷端和熱端分離的新型熱電半導體器件制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種將傳統(tǒng)的熱電半導體器件的冷端和熱端分解成制冷模塊與制熱模塊的全新的熱電半導體器件。冷端模塊由固定片（17）、導電片（18）、N型熱電半導體元件（19）、P型熱電半導體元件（20）構(gòu)成；熱端模塊由固定片（12）、導電片（13）、N型熱電半導體元件（14）、P型熱電半導體元件（15）構(gòu)成；使用線束（16）連接冷端與熱端模塊之間相對應的熱電半導體元件，構(gòu)成冷、熱端之間熱傳導物理結(jié)構(gòu)分離、電氣性能完整的新型熱電半導體器件。
【專利說明】一種將冷端和熱端分離的新型熱電半導體器件制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新型熱電半導體器件的制造技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)熱電半導體器件的基本結(jié)構(gòu)見圖1，由N型熱電半導體元件(I)和P型熱電半導體元件(2)，通過導體(3)、(4)，將N型、P型熱電半導體元件電氣串聯(lián)連接，構(gòu)成一個常見的制冷熱電堆，通常將一對N型、P型熱電半導體元件構(gòu)成的熱電堆稱為一對熱電偶。
[0003]按照圖1的極性連接直流電源后，電流方向由N型熱電半導體元件(I)流向P型熱電半導體元件(2)，導體(3)連接的P、N元件結(jié)合面處的溫度下降并吸熱，構(gòu)成熱電堆的冷端。在同一熱電元件的另一端，電流方向是P型熱電半導體元件(2)經(jīng)過電源流向N型熱電半導體元件(1)，導體(4)連接的P、N元件結(jié)合面處的溫度上升并放熱，構(gòu)成熱電堆的熱端。(如果將直流電源的極性反接，則熱電堆的冷端與熱端也會調(diào)換)。借助熱交換設(shè)備等各種傳熱手段，將熱電堆的熱端不斷散熱并保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到需要降溫的工作環(huán)境中去吸熱降溫，構(gòu)成熱電制冷的基本工作原理。
[0004]由于一對P/N熱電半導體制冷熱電元件的制冷量很小，實際應用的熱電堆是將多對P/N熱電半導體制冷熱電元件電氣串聯(lián)或并聯(lián)起來，封裝成一個整體，滿足不同的應用需求，圖2是熱電半導體元件串聯(lián)示意圖，按照圖2中標示的電源極性，(5)是冷端，(6)是熱端。圖3是多對熱電半導體元件對串聯(lián)的熱電堆封裝成產(chǎn)品的示意圖。
[0005]傳統(tǒng)熱電半導體器件的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，導致了熱電半導體器件工作時，器件(A)面及(B)面的兩個工作面(見圖3)，一面制熱，一面制冷(由流過P/N串聯(lián)的熱電半導體元件的電流的方向決定)。由于熱電半導體材料固有的物理特性，例如:材料的熱傳導系數(shù)、材料的體積電阻率，導致了熱電半導體元件內(nèi)部的熱交換機制難以克服，這些材料固有的熱傳導物理特性產(chǎn)生的內(nèi)部熱交換，抵消了熱電半導體材料自身物理效應(帕爾貼效應)產(chǎn)生的制熱及制冷的性能，也就是說，熱電半導體器件顯示的外部的冷端與熱端的溫度差指標是熱電元件材料內(nèi)部熱交換(冷、熱抵消)平衡以后的結(jié)果。
[0006]顯然，熱電半導體元件內(nèi)部熱交換機制限制了熱電半導體器件的綜合性能，因此，自上世紀50年代以來，國內(nèi)外對熱電半導體器件性能改善所做的努力，基本上都是針對降低熱電半導體材料的熱傳導性能展開的，例如:調(diào)整材料配方、調(diào)整材料摻雜濃度、改變材料晶胞結(jié)構(gòu)、改變材料晶粒尺寸、改變材料聲子散射特性、調(diào)整載流子濃度、使用納米材料、超晶格薄膜制備技術(shù)等等，但是收效甚微，均無法在實質(zhì)上改善熱電半導體材料內(nèi)部熱傳導導致的性能不良。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的，是提供一種將傳統(tǒng)熱電半導體器件的冷端和熱端分解成制冷模塊與制熱模塊的全新的熱電半導體器件。[0009]本發(fā)明是根據(jù)產(chǎn)生熱電效應的基礎(chǔ)理論:塞貝克效應及帕爾貼效應的理論基礎(chǔ)得出的，見圖4:在兩種不同材料(導體I)與(導體2)構(gòu)成的回路中，如果(結(jié)點I)處的溫度(T +AT)與(結(jié)點2)處的溫度(T)不同(存在溫差AT)，回路中會產(chǎn)生溫差電動勢Λ U，稱為塞貝克電動勢。
[0010]如果在回路中加上直流電流，(結(jié)點I)與(結(jié)點2)上將根據(jù)電流流過的方向分別產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象，稱為帕爾貼效應。
[0011]上述物理效應都是在兩種材料的結(jié)合(結(jié)點)處產(chǎn)生，與兩個結(jié)點之間的電流傳輸通道無關(guān)，因此，在兩個結(jié)點之間引入第三種材料，不會改變電路特性及結(jié)點處的物理效應。
[0012]根據(jù)上述結(jié)論，本發(fā)明提出的解決方案是，在構(gòu)成熱電效應回路冷端和熱端的P/N結(jié)之間的同類熱電半導體材料中引入第三種材料(相對于熱電半導體材料，電阻率更小的金屬導線)，由于純金屬的熱電勢很低，金屬與熱電半導體材料之間(連接點)的塞貝克電動勢可以忽略不計(相對于熱電半導體材料之間)，因此，可以在不改變電路特性及熱電半導體材料模塊的物理效應的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)增大冷端和熱端的距離，切斷材料內(nèi)部的熱交換的目的。
[0013]具體做法見圖5，將圖1所示的傳統(tǒng)熱電半導體器件中的N型熱電半導體元件(I)分割成圖5所示的(8-1)、(8-2)兩部分，將圖1所示的傳統(tǒng)熱電半導體器件中的P型熱電半導體元件(2)分割成圖5所示的(9-1)、(9-2)兩部分，分別制成冷端(7)與熱端(11)，構(gòu)成獨立的制冷模塊與制熱模塊。冷端(7)與熱端(11)模塊之間相對應的各個熱電元件(N型材料(8-1)、(8-2)，Ρ型材料(9-1)、(9-2))之間，用一種不影響熱電半導體材料性能指標的金屬導線(10)(例如:銅質(zhì)導線)過渡，起到電氣連接、載流子輸送、物理結(jié)構(gòu)上隔離內(nèi)部熱傳導的目的。
[0014]由于熱電效應只在Ρ/Ν結(jié)點處發(fā)生，因此將上述分割的N型及P型熱電元件用薄膜生成工藝制成薄膜形式，不會影響器件的熱電效應性能。
[0015]本發(fā)明提出的冷、熱端分離的熱電半導體器件的工作原理如下:
按照圖5描述的冷、熱端分離的熱電半導體器件，在電源端加上直流電流后，冷端模塊的電流方向是由N型熱電半導體元件(8-1)流向P型熱電半導體元件(9-1)，因此該處Ρ/Ν結(jié)點是制冷工況；熱端模塊的電流方向是由P型熱電半導體元件(9-2)通過電源流向N型熱電半導體元件(8-2)，因此該處Ρ/Ν結(jié)點是制熱工況；采用足夠長(冷端與熱端之間的各類熱傳導、熱交換可以忽略的距離)的金屬導線(10)將冷端模塊和熱端模塊相對應的熱電半導體元件(8-1、8-2)、(9-1、9-2)進行電氣連接保證載流子傳導、同時實現(xiàn)內(nèi)部熱傳導在物理結(jié)構(gòu)上的隔離，消除內(nèi)部熱傳導導致的性能下降。
[0016]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1、熱電半導體原理不意圖；
圖2、熱電半導體元件串聯(lián)示意圖；
圖3、多對熱電半導體對串聯(lián)的熱電堆封裝成產(chǎn)品示意圖；
圖4、兩種材料結(jié)點處熱電效應示意圖；
圖5、在熱電半導體元件之間引入導線示意圖；
圖6、冷端與熱端分離的熱電半導體結(jié)構(gòu)示意圖。[0017]【具體實施方式】
實施方式一:
按照傳統(tǒng)方法分別制備N型與P型熱電半導體元件，然后按照圖6示意的方法，分別將N型與P型熱電半導體元件、導電片，按照冷端與熱端的布置排列(串聯(lián))方式，分別焊接到固定基片上，制成冷端模塊和熱端模塊。
[0018]其中，冷端模塊由固定片(17)、導電片(18)4型熱電半導體元件(19)1型熱電半導體元件(20)構(gòu)成；
熱端模塊由固定片(12)、導電片(13)、N型熱電半導體元件(14)、P型熱電半導體元件
(15)構(gòu)成；
通過過渡金屬導線(16)連接相對應的熱電半導體元件，構(gòu)成冷、熱端相對應的熱電半導體元件之間的內(nèi)部熱傳導在物理結(jié)構(gòu)上分離、電氣性能完整的熱電半導體器件。
[0019]可以使用焊接、彈性接觸、接插件等方式，將合適長度的金屬導線(16)分別連接到冷、熱端相對應的熱電半導體元件的端面，構(gòu)成電氣性能完整的、內(nèi)部熱傳導物理結(jié)構(gòu)分離的新型熱電半導體器件。
[0020]實施方式二:
由于熱電效應產(chǎn)生在P/N結(jié)點處，因此實施方案一的熱電半導體元件可以用薄膜制造工藝生成，可以減少熱電半導體材料的使用量及器件體積。
【權(quán)利要求】
1.一種將冷端和熱端分離的新型熱電半導體器件，其特征是:將傳統(tǒng)的熱電半導體器件分解成冷端模塊與熱端模塊，用金屬導線分別連接冷端及熱端模塊中相對應的熱電半導體元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷端和熱端分離的新型熱電半導體器件，其特征是:將傳統(tǒng)熱電半導體器件內(nèi)部的N型及P型熱電半導體元件分解成兩部分，其中:N型熱電半導體元件分解成(19)與(14) ；P型熱電半導體元件分解成(20)、(15)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷端和熱端分離的新型熱電半導體器件，及權(quán)利要求2所述，其特征是:在分解成兩部分的N型熱電半導體元件(19、14)、P型熱電半導體元件(20、15)之間引入金屬導線(16)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷端和熱端分離的新型熱電半導體器件，其特征是:冷端模塊由固定片(17)、導電片(18)、N型熱電半導體元件(19)、P型熱電半導體元件(20)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷端和熱端分離的新型熱電半導體器件，其特征是:熱端模塊由固定片(12)、導電片(13)、N型熱電半導體元件(14)、P型熱電半導體元件(15)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷端和熱端分離的新型熱電半導體器件，其特征是:N型熱電半導體元件與P型熱電半導體元件通過導電片串聯(lián)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷端和熱端分離的新型熱電半導體器件，其特征是:N型熱電半導體元件與P型熱電半導體元件可以制成薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷端和熱端分離的新型熱電半導體器件，其特征是:使用金屬導電線束(16)通過焊接、彈性接觸、接插件等方式，將合適長度的金屬導線分別連接到冷、熱模塊相對應的熱電半導體元件的端面。
【文檔編號】H01L35/34GK103811652SQ201410029093
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】杜效中 申請人:杜效中