[发明专利]热电式冷却装置所用半导体的制备方法

说明书

本申请是发明专利申请CN94105222.2的分案申请。

本发明涉及一种热电(温差)式冷却装置，特别是涉及一种用于热电式冷冻机的热电式冷却装置。本发明还涉及一种适用于该热电式冷却装置的半导体的制备方法及使用了该热电式冷却装置的热电式冷冻机。

在热电式冷却装置中，那种在输入电能后即可将所需物体致冷的冷却装置称作珀尔帖装置或热电式冷却装置，并被用于如小型冷却箱之类装置中。作为无须使用如“氟里昂(Freon)”或“氟伦(Flon)”等含氯氟烃的任何冷却介质的冷却装置，上述装置日益引起人们关注。

通常的热电式冷却装置的结构如图35所示。即，在用氧化铝之类材料制成的吸热侧绝缘衬底100上，通过一吸热侧焊锡层101形成一个吸热侧电极102。在该吸热侧电极102上，同时形成一P型半导体层103和一个n型半导体层104。

散热侧电极105使得该P型半导体层103和该n型半导体层104互相连接。在该散热侧电极105之上，通过散热侧焊锡层106形成了一个由氧化铝之类材料制成的散热侧绝缘衬底107。

许多个这种P型半导体层103和n型半导体层104交替地间置于上述的吸热侧的绝缘衬底100和散热侧的绝缘衬底107之间，并作串联电连接。

对该热电式冷却装置通以一预定电流，就可使吸热侧绝缘衬底100一侧发生热的吸收，从而，在该吸热侧绝缘衬底100四周发生冷却。另一方面，在散热侧绝缘衬底107四周发生散热。再通过散热片之类装置向外部散发热量就导致热传递。

上述热电式冷却装置的泵热能以下式(ⅰ)表示：

Q_ab=nSTcI-(1/2)I²R-KΔT       (ⅰ)式中，

Q：泵热能力(W)

n：半导体元件数(片)

S：塞贝克系数V(V/K)

Tc：半导体的冷侧温度(K)

I：通入热电式冷却装置的电流值(A)

R：热电式冷却装置的内电阻(Ω)

K：经该温差式冷却装置的热传导系数(W/K)

不过，上式是从定性的考虑作出的，其概念是基于这样的假设；即，该装置内的温度分布是线性的。而且，这只是一完全针对温差式冷却装置的热计算，因而，无法评估包括该热电式冷却装置在内的整个系统(例如，一个热电式冷冻机)的性质。

另外，该热电式冷却装置的品质因数(Z)和有效系数最大值φmax之间的关系由下式(ⅱ)定义：

φ_max=1/T_c(T_c/2-ΔT/Z/T_c)     (ⅱ)其中

φmax：有效系数最大值，

Tc：该半导体冷侧温度(K)

Z：该半导体的品质因数

Z=S²σ/K

S：塞贝克系数

σ：电导率

K：热导率

ΔT：该半导体的冷侧和热侧之间的热电差(K)

根据式(ⅱ)，在图36中按有效系数(Cop)此较了热电冷却系统与其它冷却系统的差异〔参见Technical Report(Ⅱ)of Electricsociety of Japan,No.43〕。在该图中，在假定其它系统的冷凝温度和蒸发温度与热电式冷却装置的热接点和冷接点处的温度相同的情况下，比较了压缩制冷、吸热制冷系统以及直接驱动热泵(DDHP)式制冷系统的有效系数。

但是，该图仅显示了当热电式冷却装置可看作单独的装置时，亦即以无限的热交换为前提时，有效系数理论值的上限。该图无法评估包括该热电冷却装置在内的整个系统的性能。

在通常的热电式冷却装置中，绝缘衬底100和107本身即具有大的热阻，因为，如上所述，它是由氧化铝之类制得。