[发明专利]半导体热电器件

说明书

本发明涉及一种半导体热电器件。

热电器件利用电流通过半导体时的帕尔贴效应直接致冷。半导体热电致冷器构造简单，没有工质循环，没有机械运动，无噪声，无污染，小而轻，在空间技术、海洋开发、电子、医疗以及许多家用电器上应用广泛，尤其适合于制作小型制冷装置。但是热电器件对于较大功率的应用，如大宗的冰箱和空调器，其推广还受成本高和效率低的限制。造成热电器件成本高的主要因素是热电材料以及器件制造工艺复杂，成品率低。

迄今工业生产的典型热电器件的结构如图1所示，其基本单元是半导体温差电偶，电偶的一个热偶臂P用p型半导体材料制作，另一个热偶臂N用n型半导体材料制作，两个热偶臂P、N用金属导电条B、C连接，如图示极性加上直流电压后，在与金属条B的接点处吸热，在与金属条C的接点处放热，A、D为导热绝缘板，通过板A吸热致冷，通过板D将产生的热放出。其中关键部分是p型热偶臂P和n型热偶臂N，它们的性能决定热电器件工作的效率。传统的热电臂都是方截面柱体，尺寸约为1-3mm，热电臂材料主要是铋-碲系合金。目前工业上实用的制造这种热电材料的方法主要分为两类，即晶体生长法和粉末烧结法，先制成晶锭，然后切割成热电臂形状，这两种方法存在一系列缺点。

这两种方法制得的都是晶锭，要做成热电臂还必需将晶锭切割成小块。从热电器件工艺原理可知，对于一定量的材料，要获得较大的单位制冷量，热电臂尺寸应尽量小，但制造小的热电臂受到切割损耗的限制，目前技术上可行的下限是1mm边长的立方体，采用目前的切割技术，若切割0.5mm边长的立方体，仅刀缝损失就达到80％，再由于表面的切割损伤层，材料的可利用率更低，技术上已不可行，因此用目前工艺制造的热电器件其制冷能力受到限制。

总之，现有制造热电材料的方法工序多，损耗大，质量控制难，器件的单位制冷量小，成本高，不利于较大功率制冷的应用。

本发明目的在于改进热电器件的结构，提出有关半导体材料的制造方法与设备，从而简化工艺、减少损耗、改善性能并降低成本。具体地说，提出一种新结构的热电器件，其中的半导体热电臂为球形，即p型半导体晶球和n型半导体晶球，使热电器件具有更强的制冷能力，较高的机械强度和优越的工艺性。

为实现本发明的目的采用以下技术措施是：常规热电器件中方柱形半导体热电臂采用半导体晶球取代，这种新型结构热电器件具有比常规器件更优的致冷生能，同时具有较高的强度，较好的工艺性。

根据热电器件原理，器件在最大致冷效率状态下的产冷量 Qo = α 2 M ( Th - Tc ) ( MTc - Th ) R ( M - 1 ) 2 ( M + 1 ) - - - ( 1 ) ]]>

其中，

          M＝[1+Z(Th+Tc)/2]^1/2

式中α-温差电动势率，Th-热结点温度，Tc-冷结点温度，

     R-热电偶电阻，Z-材料的优值系数。

为了在较高效率下获得尽量大的产冷量，由(1)式可知热电偶电阻R应尽量小。对于单位量的热电材料，方形热电臂的总电阻为：

               R＝ρ*L²

其中，ρ-材料的电阻率，L-方形热电臂的边长。