[发明专利]热电装置

说明书

本发明涉及一种热电装置(1)。为了提供用于有效的热电冷却的手段，本发明提供热电装置(1)具有沟道部(50)，该沟道部(50)包括由拓扑绝缘体材料制成并且具有带有至少一个沟槽(12)的顶表面(11)的至少一个沟道层(10)，其中每个沟槽(12)的每个侧表面(12.1)包括带有一对拓扑保护的一维电子沟道(15)的导电区(14)，每个沟道层(10)包括配置用于类似电子传导的至少一个n区域(10.3)和配置用于类似空穴传导的至少一个p区域(10.4)，所述n区域(10.3)和p区域(10.4)交替地设置并从沟道层(10)的第一端(10.1)延伸至第二端(10.2)，每个n区域(10.3)包括从第一端(10.1)处的第一电极(16，17，18)延伸至第二端(10.2)处的第二电极(19)的至少一个n沟槽(12.3)，并且每个p区域(10.4)包括从第二电极(19)延伸至第一电极(17，18，19)的至少一个p沟槽(12.5)，其中第一电极(16，17，18)和第二电极(19)交替地设置以连接相邻区域(10.3，10.4)的p沟槽(12.5)和n沟槽(12.3)，由此串联连接所有的p沟槽(12.5)和n沟槽(12.3)。

技术领域

本发明涉及一种热电装置以及涉及一种包括这种热电装置的集成电路。

背景技术

基于珀耳帖(Peltier)效应的热电冷却装置允许冷却到低于环境温度并且比可比较的冷却系统更紧凑和更便宜。此外，它们没有移动零件并且不要求任何维护。然而，一个主要缺点是现状的热电冷却器的冷却效率相当低，并且它们耗散大量热量，这显著降低总体性能。

热电模块的性能和效率可以直接与其热电品质因素zT以及与其温度梯度ΔT相关，温度梯度ΔT由分别在模块的热侧和冷侧处的两个温度T_h和T_c限定。热电品质因素，其描述材料将热量转化为电力的能力，由下式给出：

其中S是塞贝克系数(Seebeck coefficient)，σ是电导率，T是绝对温度，并且κ是热导率。总热导率κ分别由电子和晶格热导率κ_e和κ_l的贡献之和组成。从而，可以通过最大化所谓的功率因数S²·σ或通过最小化热导率κ＝κ_e+κ_l来增加热电模块的性能。从而，为了实现高zT，系统应该对于电子是良好的导体但是对于声子是不良导体。后者还意味着贯穿材料较大的ΔT，因为大的热导率会使热回路短路。

用于冷却目的的现有技术热电模块展现出相当低的效率，具有位于单位值(unity)附近的品质因素zT。原因在于塞贝克系数和电导率以这样的方式相关：如果试图通过增加电荷载流子密度来增加电导率，例如通过用适当的元素重掺杂材料，则塞贝克系数降低。因此，提高热电材料中的品质因数zT仍然是材料科学中的一大挑战，阻碍新颖的、更有效的热电冷却装置的发展。

宏观地，标准热电冷却器中的传热由从装置的一侧驱动到另一侧的电流I控制。除了低品质因数之外，现状的热电材料中的传热还由于在升高的操作电流I下的散热而相当低效，使得热电冷却器比其有效传输消耗更多的功率。实际的冷却模块大致消耗在它们传输(以热量的形式)时两倍的能量(以电力的形式)。由此，通过与焦耳加热形式的电阻以及热导率相关联的损耗大大减少了有效冷却。前者通过I²R损耗造成内部加热。这是一个非常关键的问题，因为其在散热器上施加多很多的热量来冷却。因此，冷却器的连接到散热器的热侧上的温度较高，使得通过冷却过程实现的由ΔT＝T_h-T_C给出的在冷侧T_C处的有效冷却温度也较高。