[发明专利]一种将冷端和热端分离的新型热电半导体器件制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型热电半导体器件的制造技术。 

背景技术

传统热电半导体器件的基本结构见图1，由N型热电半导体元件（1）和P型热电半导体元件（2），通过导体（3）、（4），将N型、P型热电半导体元件电气串联连接，构成一个常见的制冷热电堆，通常将一对N型、P型热电半导体元件构成的热电堆称为一对热电偶。 

按照图1的极性连接直流电源后，电流方向由N型热电半导体元件（1）流向P型热电半导体元件（2），导体（3）连接的P、N元件结合面处的温度下降并吸热，构成热电堆的冷端。在同一热电元件的另一端，电流方向是P型热电半导体元件（2）经过电源流向N型热电半导体元件（1），导体（4）连接的P、N元件结合面处的温度上升并放热，构成热电堆的热端。（如果将直流电源的极性反接，则热电堆的冷端与热端也会调换）。借助热交换设备等各种传热手段，将热电堆的热端不断散热并保持一定的温度，把热电堆的冷端放到需要降温的工作环境中去吸热降温，构成热电制冷的基本工作原理。 

由于一对P/N热电半导体制冷热电元件的制冷量很小，实际应用的热电堆是将多对P/N热电半导体制冷热电元件电气串联或并联起来，封装成一个整体，满足不同的应用需求，图2是热电半导体元件串联示意图，按照图2中标示的电源极性，（5）是冷端，（6）是热端。图3是多对热电半导体元件对串联的热电堆封装成产品的示意图。 

传统热电半导体器件的基本结构及工作原理，导致了热电半导体器件工作时，器件（A）面及（B）面的两个工作面（见图3），一面制热，一面制冷（由流过P/N串联的热电半导体元件的电流的方向决定）。由于热电半导体材料固有的物理特性，例如：材料的热传导系数、材料的体积电阻率，导致了热电半导体元件内部的热交换机制难以克服，这些材料固有的热传导物理特性产生的内部热交换，抵消了热电半导体材料自身物理效应（帕尔贴效应）产生的制热及制冷的性能，也就是说，热电半导体器件显示的外部的冷端与热端的温度差指标是热电元件材料内部热交换（冷、热抵消）平衡以后的结果。 

显然，热电半导体元件内部热交换机制限制了热电半导体器件的综合性能，因此，自上世纪50年代以来，国内外对热电半导体器件性能改善所做的努力，基本上都是针对降低热电半导体材料的热传导性能展开的，例如：调整材料配方、调整材料掺杂浓度、改变材料晶胞结构、改变材料晶粒尺寸、改变材料声子散射特性、调整载流子浓度、使用纳米材料、超晶格薄膜制备技术等等，但是收效甚微，均无法在实质上改善热电半导体材料内部热传导导致的性能不良。 

  

发明内容

本发明的目的，是提供一种将传统热电半导体器件的冷端和热端分解成制冷模块与制热模块的全新的热电半导体器件。 

本发明是根据产生热电效应的基础理论：塞贝克效应及帕尔贴效应的理论基础得出的，见图4：在两种不同材料（导体1）与（导体2）构成的回路中，如果（结点1）处的温度（T +ΔT）与（结点2）处的温度（T）不同（存在温差ΔT），回路中会产生温差电动势ΔU，称为塞贝克电动势。 

如果在回路中加上直流电流，（结点1）与（结点2）上将根据电流流过的方向分别产生吸热或放热的现象，称为帕尔贴效应。 

上述物理效应都是在两种材料的结合（结点）处产生，与两个结点之间的电流传输通道无关，因此，在两个结点之间引入第三种材料，不会改变电路特性及结点处的物理效应。 

根据上述结论，本发明提出的解决方案是，在构成热电效应回路冷端和热端的P/N结之间的同类热电半导体材料中引入第三种材料（相对于热电半导体材料，电阻率更小的金属导线），由于纯金属的热电势很低，金属与热电半导体材料之间（连接点）的塞贝克电动势可以忽略不计（相对于热电半导体材料之间），因此，可以在不改变电路特性及热电半导体材料模块的物理效应的基础上，实现增大冷端和热端的距离，切断材料内部的热交换的目的。 

具体做法见图5，将图1所示的传统热电半导体器件中的N型热电半导体元件（1）分割成图5所示的（8-1）、（8-2）两部分，将图1所示的传统热电半导体器件中的P型热电半导体元件（2）分割成图5所示的（9-1）、（9-2）两部分，分别制成冷端（7）与热端（11），构成独立的制冷模块与制热模块。冷端（7）与热端（11）模块之间相对应的各个热电元件（N型材料（8-1）、（8-2），P型材料（9-1）、（9-2））之间，用一种不影响热电半导体材料性能指标的金属导线（10）（例如：铜质导线）过渡，起到电气连接、载流子输送、物理结构上隔离内部热传导的目的。