CN101859867A

CN101859867A - 热电元件

Info

Publication number: CN101859867A
Application number: CN200910173146A
Authority: CN
Inventors: 李圣镐; 吴龙洙; 郑粲烨
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2010-10-13
Also published as: US20100258155A1; KR20100113289A; JP2010251692A; KR100997994B1

Abstract

本发明提供了一种热电(TE)元件。该TE元件包括：多个pn结，每个pn结通过结合n-型TE半导体和p-型TE半导体及设置在其间的金属层来形成；电连接到n-型TE半导体的第一电极和电连接到p-型TE半导体第二电极。多个pn结与设置在它们之间的绝缘层层叠，并且多个pn结彼此并联电连接。即使在部分组件未电性运行的情况下，也没有不利地影响整个元件的运行，从而能提高TE元件的稳定性。

Description

热电元件

本申请要求于2009年4月13日提交到韩国知识产权局的第2009-0031784号韩国专利申请的优先权，其公开通过引用包含于此。

技术领域

本发明涉及一种具有改善的稳定性和热电效率的热电元件。

背景技术

由于化石燃料能源使用的快速增长，因此全球变暖和现有能源供应的枯竭受到关注。这提高了在热电(TE)元件上的关注。TE元件用作代替导致空气污染的氟利昂(freon)气体等的制冷器件。此外，TE元件广泛地用作利用塞贝克(Seebeck)效应的小型发电机。具体地讲，当以半导体(TE半导体)为介质通过金属相互连接形成回路并且电流通过该回路时，通过费米能差异产生电势差。这时，电子消耗从一个金属表面移动到另一个金属表面必需的能量，导致制冷效果(吸热)。相反，于电子携带的能量等效的能量在另一个金属表面中放出，导致加热效果(散热)。这就是所称的珀尔帖(Peltier)效应，珀尔帖效应是通过利用TE元件运行制冷器件的原理。这里，基于半导体的类型和电流的方向确定吸热位置和放热位置，并且半导体材料的改变导致不同的效果。

图1是示出TE元件一般结构的示意性剖视图。在典型的TE元件10中，n-型TE半导体11和p-型TE半导体12通过金属层15电连接。如果通过直流电，则在吸热层13上发生吸热且在放热层14上发生放热。在这种情况下，如上所描述，吸热和放热各自的位置可根据电流的方向而改变。n-型TE半导体11和p-型TE半导体12中每个TE半导体设置为多个。多个n-型TE半导体11和多个p-型TE半导体12交替地布置并且串联电连接。在串联连接的情况下，如果TE半导体或金属层之一有问题，则整个元件不会以最佳的方式运行。

发明内容

本发明的一方面提供了一种具有改善的稳定性和热电效率的热电(TE)元件，在该TE元件中，即使在一部分组件未电性运行的情况下，也没有不利地影响整个元件的运行。

根据本发明的一方面，提供了一种TE元件，该TE元件包括：多个pn结，每个pn结通过结合n-型TE半导体和p-型TE半导体及设置在它们之间的金属层来形成；第一电极和第二电极，第一电极电连接到n-型TE半导体，第二电极电连接到p-型TE半导体。多个pn结与设置在其间的绝缘层层叠且彼此并联电连接。

多个pn结中的至少一个pn结的n-型TE半导体和p-型TE半导体可以由具有不同于另一个pn结的导热率的导热率的材料形成。

在这种情况下，n-型TE半导体和p-型TE半导体的材料的导热率可以对应于多个pn结的层叠方向从上部到下部增加。

多个pn结的层叠方向可以与TE元件中的热流的方向一致。

金属层可以由与第一电极和第二电极相同的材料形成。

第一电极可以是多个pn结中的每个pn结中的n-型TE半导体的共电极。

第二电极可以是多个pn结中的每个pn结中的p-型TE半导体的共电极。

可以沿包括多个pn结的结构的横向方向布置第一电极和第二电极。

在这种情况下，第一电极和第二电极可以彼此面对布置。

n-型TE半导体可以与第一电极接触，p-型TE半导体可以与第二电极接触，n-型TE半导体可以被布置为与第二电极隔开，p-型TE半导体可以被布置为与第一电极隔开。

在这种情况下，TE元件还可以包括分别形成在n-型TE半导体和第二电极之间及p-型TE半导体和第一电极之间的绝缘材料。

TE元件还可以包括对应于多个pn结的层叠方向在位于多个pn结的顶部的pn结的上表面上顺序形成的陶瓷层和吸热层。

在这种情况下，包含在陶瓷层中的陶瓷材料可以是氧化铝。

TE元件还可以包括对应于多个pn结的层叠方向在位于多个pn结的底部的pn结的下表面上形成的散热器。

TE元件还可以包括连接到第一电极和第二电极以形成电路的电源。电源使电流流过多个pn结，使得从多个pn结的一侧吸收的热沿着多个pn结的层叠方向传递。

TE元件还可以包括连接到第一电极和第二电极以形成电路的电阻器件。在这种情况下，通过从多个pn结的一侧吸收的热量使得电流可以流过多个pn结和电阻器件。

绝缘层可以由陶瓷材料形成。

附图说明

通过下面结合附图进行的具体描述，本发明的上述和其他方面、特征和其他优点将会更加清楚地理解，附图中：

图1是示出热电(TE)元件一般结构的示意性剖视图。

图2是示出根据本发明示例性实施例的TE元件的示意性剖视图。

图3是示出在图2的示例性实施例中pn结的并联连接结构的示意图。

图4是示出使用图2的TE元件作为TE制冷机的示例的示意图。

图5是示出使用图2的TE元件作为TE发电机的示例的示意图。

图6是示出应用于对图2的示例性实施例进行修改的另一个实施例的pn结的示意性剖视图。

具体实施方式

现在将参照附图具体地描述本发明的示例性实施例。

然而，本发明可以以很多不同的形式实施并且不应解释为局限于在这里所提出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。在附图中，为了清晰起见，会夸大形状和尺寸，且始终使用相同的标号代表相同或相似的组件。

图2是示出根据本发明示例性实施例的热电元件的示意性剖视图。本实施例的热电(TE)元件100包括：n-型TE半导体101和p-型TE半导体102，n-型TE半导体101和p-型TE半导体102形成pn结，其中，金属层103设置在n-型TE半导体101和p-型TE半导体102之间；绝缘层104，设置在pn结之间，用于pn结的并联连接；第一电极105和第二电极106；陶瓷层107和陶瓷层109；吸热层108；散热器110。

n-型TE半导体101和p-型TE半导体102可以使用本技术领域通常使用及适当掺杂的材料，例如，TE材料如BiTe类材料和PbTe类材料。金属层103可以使用具有高导电率的材料(如铜)以使电流流畅地流过。通过使热根据当将电压施加到n-型TE半导体101和p-型TE半导体102时产生的电流而从一侧传递到另一侧，可以将TE元件100用作制冷机。此外，在具有n-型TE半导体101和p-型TE半导体102的结构中，可以通过使用使一侧的温度不同于另一侧的温度产生的能量来产生电流。

n-型TE半导体101、金属层103和p-型TE半导体102包括在执行TE功能的单个单元结构中，在下文中称作“pn结”。设置了层叠的多个pn结。在本实施例中，一个pn结并联电连接到另一个pn结，这不同于根据现有技术串联连接的pn结。图3是示出该pn结的并联连接结构的示意图。这样的并联连接结构提供了这样的优点，即，即使在部分pn结中有一些缺陷，这样的缺陷也不影响整个元件的运行。为了并联连接，将绝缘层104设置在pn结之间。绝缘层104可以由陶瓷材料(如氧化铝)形成。

如上面所描述的，TE元件100能通过层叠有pn结的结构(下文称为“层叠结构”)在一侧吸热且在另一侧放热。在层叠结构中，吸热层108和散热器110适当地结合，从而能执行TE功能。根据参照图2的层叠结构，吸热层108形成在位于层叠结构的顶部的pn结的上表面上，散热器110形成在位于层叠结构的底部的pn结的下表面上。此外，与n-型TE半导体101接触的第一电极105和与p-型TE半导体102接触的第二电极106可以连接到电源、电阻器件等以形成电路。在这种情况下，吸热层108和散热器110可以由具有高导热率的金属形成，且如图2中所示的，吸热层108通过陶瓷层107连接到层叠结构，散热器110通过陶瓷层109连接到层叠结构。陶瓷层107和陶瓷层109包括如氧化铝等的材料，由于它们不是不可缺少的元件，因此根据本发明示例性实施例可以省略它们。

另外，如在本示例性实施例中所描述的，pn结沿一个方向层叠，从而使热沿pn结的层叠方向流动。也就是，在n-型TE半导体101连接到正极且p-型TE半导体102连接到负极的情况下，电流使吸热层108的热通过pn结散发到散热器110。在本示例性实施例中，pn结串联热连接并且并联电连接。这颠倒了根据现有技术在TE元件中pn结并联热连接且串联电连接的连接。

在根据该示例性实施例的具有层叠结构的TE元件中，考虑到使热沿层叠方向流动，n-型TE半导体101和p-型TE半导体102可以根据层叠方向而由不同材料形成。具体地讲，在与位于低温部分的pn结相比位于高温部分的pn结由用于较高温度的TE材料(例如，导热率较低的材料)形成的情况下，能实现增强的TE性能。即，参照图2，如果上部是高温部分，下部是低温部分，则形成pn结的n-型TE半导体101和p-型TE半导体102的材料的导热率可以从上部到下部增加。多个pn结中的至少一个pn结的n-型TE半导体101和p-型TE半导体102由具有不同于另一个pn结的导热率的导热率的材料形成。

如上面所描述的，在按不同的导热率层叠pn结的情况下，在层叠结构中，温度分布成具有从高温部分到低温部分的不同的温度梯度。相反，根据现有技术的TE元件表现出从高温部分到低温部分的几乎不变的温度梯度。作为使用有限元法((Finite Element Method)FEM)在导热效率方面比较并联连接设计(按不同导热率层叠pn结的层叠结构)与串联连接设计(在图1中示出的结构)的结果，并联连接设计的导热率比串联连接设计的导热率显著地提高。即，当给出100W/m²的热量时，结果是在并联连接设计中高温部分和低温部分之间的温度差异高出0.1℃。如通过该结果所证明的，通过并联连接pn结能获得电学稳定性，并且通过沿着热流方向层叠pn结及适当地选择TE材料能提高TE效率。

同时，第一电极105可以接触n-型TE半导体101，第二电极106可以接触p-型TE半导体102，且第一电极105和第二电极106可由与金属层103相同的材料形成。第一电极105是多个pn结中的每个pn结中的n-型TE半导体101的共电极且第二电极106是多个pn结中的每个pn结中的p-型TE半导体102的共电极。在这种情况下，为了获得有效的接触结构，第一电极105和第二电极106可以沿pn结的层叠结构的横向方向布置且彼此面对。第一电极105和p-型TE半导体102相互隔开，彼此不接触。同样，第二电极106和n-型TE半导体101相互隔开，彼此不接触。在这种情况下，如在图6中所示，绝缘材料111可以分别地设置在n-型TE半导体101和第二电极106之间及p-型TE半导体102和第一电极105之间。

图4是示出使用图2的TE元件作为TE制冷机的示例的示意图。另外，图5是示出使用图2的TE元件作为TE发电机的示例的示意图。因此，虽然省略了具体的结构，但是图4和图5的TE元件100可以认为具有与图2的结构一样的结构。如图4中所示，在通过将TE元件100连接到电源来产生电流的情况下，来自上部(高温部分)的热可以散发到下部(低温部分)。在这种情况下，TE元件100可以用作TE制冷机，且通过颠倒电源的极性使得热可以沿相反的方向流动。根据类似的原理，高温热能可产生电流，且如在图5中所示的TE发电机中所看到的，通过电流使得热可以从高温部分散发到低温部分。

根据本发明的示例性实施例，即使在一部分组件未电性运行的情况下，也没有不利地影响整个元件的运行，从而能提高TE元件的稳定性。

此外，根据本发明示例性实施例的TE元件能减少对施加的电压的依赖并比以前更大地提高TE的效率。

虽然通过示例性实施例描述和示出了本发明，但本领域的技术人员应该清楚，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可做修改和变化。

Claims

1.一种热电元件，包括：

多个pn结，每个pn结通过结合n-型热电半导体和p-型热电半导体及设置在n-型热电半导体和p-型热电半导体之间的金属层来形成；

第一电极和第二电极，第一电极电连接到n-型热电半导体，第二电极电连接到p-型热电半导体，

其中，所述多个pn结与设置在所述多个pn结之间的绝缘层层叠，并且所述多个pn结彼此并联电连接。

2.如权利要求1所述的热电元件，其中，所述多个pn结中的至少一个pn结的n-型热电半导体和p-型热电半导体由具有不同于另一个pn结的导热率的导热率的材料形成。

3.如权利要求2所述的热电元件，其中，n-型热电半导体和p-型热电半导体的材料的导热率对应于所述多个pn结的层叠方向从上部到下部增加。

4.如权利要求1所述的热电元件，其中，所述多个pn结的层叠方向与热电元件中的热流的方向相同。

5.如权利要求1所述的热电元件，其中，金属层由与形成第一电极和第二电极的材料相同的材料形成。

6.如权利要求1所述的热电元件，其中，第一电极是所述多个pn结中的每个pn结中的n-型热电半导体的共电极。

7.如权利要求1所述的热电元件，其中，第二电极是所述多个pn结中的每个pn结中的p-型热电半导体的共电极。

8.如权利要求1所述的热电元件，其中，沿包括所述多个pn结的结构的横向方向布置第一电极和第二电极。

9.如权利要求8所述的热电元件，其中，第一电极和第二电极布置为彼此面对。

10.如权利要求1所述的热电元件，其中，n-型热电半导体与第一电极接触，p-型热电半导体与第二电极接触，且n-型热电半导体被布置成与第二电极隔开，p-型热电半导体被布置成与第一电极隔开。

11.如权利要求10所述的热电元件，所述热电元件还包括分别形成在n-型热电半导体和第二电极之间及p-型热电半导体和第一电极之间的绝缘材料。

12.如权利要求1所述的热电元件，所述热电元件还包括对应于所述多个pn结的层叠方向在位于所述多个pn结的顶部的pn结的上表面上顺序形成的陶瓷层和吸热层。

13.如权利要求12所述的热电元件，其中，包含在陶瓷层中的陶瓷材料是氧化铝。

14.如权利要求1所述的热电元件，所述热电元件还包括对应于所述多个pn结的层叠方向在位于所述多个pn结的底部的pn结的下表面上形成的散热器。

15.如权利要求1所述热电元件，所述热电元件还包括：

电源，连接到第一电极和第二电极以形成电路，

其中，电源使电流流过所述多个pn结，使从所述多个pn结的一侧吸收的热沿着所述多个pn结的层叠方向传递。

16.如权利要求1所述的热电元件，所述热电元件还包括：

电阻器件，连接到第一电极和第二电极以形成电路，

其中，通过从所述多个pn结的一侧吸收的热使电流流过所述多个pn结和电阻器件。

17.如权利要求1所述的热电元件，其中，绝缘层由陶瓷材料形成。