JPH0669549A - 熱電装置 - Google Patents
熱電装置Info
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- JPH0669549A JPH0669549A JP4216749A JP21674992A JPH0669549A JP H0669549 A JPH0669549 A JP H0669549A JP 4216749 A JP4216749 A JP 4216749A JP 21674992 A JP21674992 A JP 21674992A JP H0669549 A JPH0669549 A JP H0669549A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 熱電装置の性能の改善を目的とする。
【構成】 ゼーベック効果（ペルチェ効果）を生ずる半
導体９の表面に電気絶縁体１０を設け、絶縁体１０を介
して半導体９に電圧を印加するという構成をもつ。 【効果】 外部電圧によってゼーベック係数（ペルチェ
係数）を本来の材料物性とは異なる値とすることができ
るので、最適化によって著しく高い熱電特性を実現でき
る。つまり本発明により著しく性能の高い熱電装置を実
現できる。
導体９の表面に電気絶縁体１０を設け、絶縁体１０を介
して半導体９に電圧を印加するという構成をもつ。 【効果】 外部電圧によってゼーベック係数（ペルチェ
係数）を本来の材料物性とは異なる値とすることができ
るので、最適化によって著しく高い熱電特性を実現でき
る。つまり本発明により著しく性能の高い熱電装置を実
現できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はペルチェ効果により電気
的に冷却もしくは加熱を行い、あるいはゼーベック効果
により温度差を用いて発電を行う熱電装置の改良に関す
る。
的に冷却もしくは加熱を行い、あるいはゼーベック効果
により温度差を用いて発電を行う熱電装置の改良に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、熱を電気に変換し、もしくは電気
を熱に変換する熱電装置は、図４の従来例に示す様に金
属板１、及び金属板２によってＰ型半導体４、もしくは
Ｎ型の半導体３を挟み込む構成を有し、両側の金属の温
度差により発電を行い、もしくは電圧を与え電流を通ず
ることにより冷却を行うものである。
を熱に変換する熱電装置は、図４の従来例に示す様に金
属板１、及び金属板２によってＰ型半導体４、もしくは
Ｎ型の半導体３を挟み込む構成を有し、両側の金属の温
度差により発電を行い、もしくは電圧を与え電流を通ず
ることにより冷却を行うものである。
【０００３】図４の従来例はＮ型の半導体３とＰ型の半
導体４を交互に直列的に配列した熱電装置であり端子５
と端子６間に電位を与えると、金属板の一方が冷却さ
れ、他方が加熱される。
導体４を交互に直列的に配列した熱電装置であり端子５
と端子６間に電位を与えると、金属板の一方が冷却さ
れ、他方が加熱される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、半導体材料の特性によってこのような熱
電装置の性能が決定され、飛躍的に特性の高い材料が見
いだせない限り、現在市販されているものを著しく凌駕
する性能を有する熱電装置は期待できない。
うな構成では、半導体材料の特性によってこのような熱
電装置の性能が決定され、飛躍的に特性の高い材料が見
いだせない限り、現在市販されているものを著しく凌駕
する性能を有する熱電装置は期待できない。
【０００５】本発明は上記問題点に鑑み、現在熱電装置
に用いられている程度の特性を有する半導体材料であっ
ても、能動的な方法によってその特性の改善を行うこと
ができる手段を提供することを目的とするものである。
に用いられている程度の特性を有する半導体材料であっ
ても、能動的な方法によってその特性の改善を行うこと
ができる手段を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の熱電装置は、熱電装置を構成する半導体に
絶縁層を介して電圧を印加するという方法、およびその
電圧を半導体内を流通する電流方向に変化させて印加す
るという構成を備えたものである。
めに本発明の熱電装置は、熱電装置を構成する半導体に
絶縁層を介して電圧を印加するという方法、およびその
電圧を半導体内を流通する電流方向に変化させて印加す
るという構成を備えたものである。
【０００７】
【作用】本発明は上記した構成によって、絶縁層を介し
半導体に加えられる外部の電圧によって一種のコンデン
サーが形成され、半導体の比較的表面近傍に電子もしく
は、正孔がトラップされる。そのため電流の方向と直角
方向の導電バンドの歪みを生じる。ｎ型半導体では、ゼ
ーベック係数はフェルミ準位と導電準位のエネルギー差
により影響をうける。この差を外部電圧によって変化さ
せ、ゼーベック係数もしくはペルチェ係数を向上させよ
うとするものである。また外部電圧によって、見かけの
キャリアーを増加させることができるため、導電率が向
上しジュール発熱による損失が低下する。このようにし
て熱電装置の性能は飛躍的に向上する。つまり、本発明
によって本来の材料の熱電特性とは異なる著しく高い特
性の熱電装置を得ることができるのである。
半導体に加えられる外部の電圧によって一種のコンデン
サーが形成され、半導体の比較的表面近傍に電子もしく
は、正孔がトラップされる。そのため電流の方向と直角
方向の導電バンドの歪みを生じる。ｎ型半導体では、ゼ
ーベック係数はフェルミ準位と導電準位のエネルギー差
により影響をうける。この差を外部電圧によって変化さ
せ、ゼーベック係数もしくはペルチェ係数を向上させよ
うとするものである。また外部電圧によって、見かけの
キャリアーを増加させることができるため、導電率が向
上しジュール発熱による損失が低下する。このようにし
て熱電装置の性能は飛躍的に向上する。つまり、本発明
によって本来の材料の熱電特性とは異なる著しく高い特
性の熱電装置を得ることができるのである。
【０００８】
【実施例】以下本発明の第１の実施例の熱電装置につい
て、図面を参照しながら説明する。
て、図面を参照しながら説明する。
【０００９】図１は、本実施例熱電装置の構成を電気結
線と共に示した断面図である。図１において、８、８’
は電極、９はＮ型半導体、１０は電気絶縁体、１１は導
電体、１２、１３はバイアス電源である。
線と共に示した断面図である。図１において、８、８’
は電極、９はＮ型半導体、１０は電気絶縁体、１１は導
電体、１２、１３はバイアス電源である。
【００１０】以下本実施例装置を冷却装置としてもちい
た場合の例について説明する。つまり、バイアス電源１
２によって駆動される電子流は、金属の電極８’からＮ
型半導体９に流れ込み、フェルミ準位よりも高いエネル
ギー準位にある半導体導電バンドに飛び移る際に、熱を
奪い電極８’近傍を冷却する。電子は半導体９の導電バ
ンド内を通過した後、金属の電極８のフェルミ準位に移
る。
た場合の例について説明する。つまり、バイアス電源１
２によって駆動される電子流は、金属の電極８’からＮ
型半導体９に流れ込み、フェルミ準位よりも高いエネル
ギー準位にある半導体導電バンドに飛び移る際に、熱を
奪い電極８’近傍を冷却する。電子は半導体９の導電バ
ンド内を通過した後、金属の電極８のフェルミ準位に移
る。
【００１１】その際、電子は、導電バンド内で有してい
たエネルギを熱として放出するため、電極８近傍は加熱
され昇温する。半導体９の表面には、電気絶縁体１０を
介して、導電体１１が接触しており、導電体１１にはバ
イアス１３が印加されている。バイアス１３が印加され
ていない場合には、この熱電装置の冷却性能は、幾何学
的形状と用いている材料とによってきめられる。
たエネルギを熱として放出するため、電極８近傍は加熱
され昇温する。半導体９の表面には、電気絶縁体１０を
介して、導電体１１が接触しており、導電体１１にはバ
イアス１３が印加されている。バイアス１３が印加され
ていない場合には、この熱電装置の冷却性能は、幾何学
的形状と用いている材料とによってきめられる。
【００１２】一般にテルル、ビスマス系の材料を用いた
場合には、高温低温の温度差にもよるが、温度差が４０
〜５０度程度で冷却効率は３０〜４０％程度である。し
かしながら、本発明のごとく適当なバイアス１３を導電
体１１に印加すると、半導体９と導電体１１がコンデン
サーを形成して、電子または正孔が電気絶縁層１１近傍
の半導体９に蓄積される。
場合には、高温低温の温度差にもよるが、温度差が４０
〜５０度程度で冷却効率は３０〜４０％程度である。し
かしながら、本発明のごとく適当なバイアス１３を導電
体１１に印加すると、半導体９と導電体１１がコンデン
サーを形成して、電子または正孔が電気絶縁層１１近傍
の半導体９に蓄積される。
【００１３】本実施例では、導電体１１に印加される電
圧が、バイアス１２の電圧より高くとっている。そのた
め半導体１１の内部は蓄積状態となりキャリアが増加す
る。また逆に、バイアス１３をバイアス１２の電圧より
も低くとっても良い。
圧が、バイアス１２の電圧より高くとっている。そのた
め半導体１１の内部は蓄積状態となりキャリアが増加す
る。また逆に、バイアス１３をバイアス１２の電圧より
も低くとっても良い。
【００１４】しかしながら、この場合バイアス１３とバ
イアス１２の差が小さいと、半導体内部に空乏層が形成
され、逆に抵抗が増加し効率が低下する。そのためこの
様な場合には、反転状態となるまで、バイアス１３の電
圧を高める必要がある。
イアス１２の差が小さいと、半導体内部に空乏層が形成
され、逆に抵抗が増加し効率が低下する。そのためこの
様な場合には、反転状態となるまで、バイアス１３の電
圧を高める必要がある。
【００１５】このようにバイアス１３を適当に制御する
と、ゼーベック係数の増加と抵抗の減少が実現できるの
で、熱電性能を飛躍的に向上させることができる。
と、ゼーベック係数の増加と抵抗の減少が実現できるの
で、熱電性能を飛躍的に向上させることができる。
【００１６】次に、本発明の第２の実施例について図面
を参照しながら説明する。図２は本発明の第２の実施例
の熱電装置の構成を、電気結線とともに示した断面図で
ある。
を参照しながら説明する。図２は本発明の第２の実施例
の熱電装置の構成を、電気結線とともに示した断面図で
ある。
【００１７】同図において、１４、１４’は電極膜、１
５はＮ型半導体膜、１６は基板、１７は電気絶縁体膜、
１８は導電体膜、２０、２１はバイアスである。
５はＮ型半導体膜、１６は基板、１７は電気絶縁体膜、
１８は導電体膜、２０、２１はバイアスである。
【００１８】本実施例においては、その作用において、
第１の実施例とほぼ同じである。つまり、電極膜１４’
から入った電子は、半導体膜１５に流入する際に外部か
ら熱を奪い、冷却効果を生じる。また半導体膜１５から
電極膜１４へ電子が流出する際には熱を放出し加熱効果
を生じる。
第１の実施例とほぼ同じである。つまり、電極膜１４’
から入った電子は、半導体膜１５に流入する際に外部か
ら熱を奪い、冷却効果を生じる。また半導体膜１５から
電極膜１４へ電子が流出する際には熱を放出し加熱効果
を生じる。
【００１９】しかし、本実施例では次の２点で第一の実
施例と異なる。 （１）電極、半導体、絶縁体、導電体を蒸着もしくは溶
射により膜状に形成して熱電装置としている点。各部を
薄膜化することによって、従来のような、バルク材料か
ら微細な部材を切り出し、接合すると言う工程上の煩雑
さがなくなり、歩留の向上、スループットの向上による
コストダウンが図れる。つまり、本実施例のごとき構造
では、マスクパターンの上から成膜するだけで各部の形
成と接合がなされ熱電装置構成が容易に実現できるので
ある。
施例と異なる。 （１）電極、半導体、絶縁体、導電体を蒸着もしくは溶
射により膜状に形成して熱電装置としている点。各部を
薄膜化することによって、従来のような、バルク材料か
ら微細な部材を切り出し、接合すると言う工程上の煩雑
さがなくなり、歩留の向上、スループットの向上による
コストダウンが図れる。つまり、本実施例のごとき構造
では、マスクパターンの上から成膜するだけで各部の形
成と接合がなされ熱電装置構成が容易に実現できるので
ある。
【００２０】（２）導電膜１８を高抵抗とし、バイアス
１９によって導電膜１８内に電流を導通させている点。
このように導電膜１８内で電圧降下をもたせることで、
Ｎ型半導体１５の内部に蓄積される電子の量に変化が生
じ、蓄積電子数に応じたゼーベック係数（ペルチェ係
数）の変化が生じる。そこで、高温側と低温側の温度変
化と放熱量に適したゼーベック係数の勾配を外部電圧に
よって制御することによって、著しく高い熱電性能を得
ることができる。
１９によって導電膜１８内に電流を導通させている点。
このように導電膜１８内で電圧降下をもたせることで、
Ｎ型半導体１５の内部に蓄積される電子の量に変化が生
じ、蓄積電子数に応じたゼーベック係数（ペルチェ係
数）の変化が生じる。そこで、高温側と低温側の温度変
化と放熱量に適したゼーベック係数の勾配を外部電圧に
よって制御することによって、著しく高い熱電性能を得
ることができる。
【００２１】次に本発明による第３の実施例について説
明する。図３（ａ）は、本発明の第３の実施例の熱電装
置の構造を示す断面図であり、同図（ｂ）はその正面図
である。基本的にその構成は第２の実施例と同じである
が、導電体膜１８の抵抗値を増加させるために膜に切込
みをいれ蛇行状に電流通路を構成した点が異なる。低比
抵抗な導電体膜材料でも高抵抗値を実現できる利点があ
る
明する。図３（ａ）は、本発明の第３の実施例の熱電装
置の構造を示す断面図であり、同図（ｂ）はその正面図
である。基本的にその構成は第２の実施例と同じである
が、導電体膜１８の抵抗値を増加させるために膜に切込
みをいれ蛇行状に電流通路を構成した点が異なる。低比
抵抗な導電体膜材料でも高抵抗値を実現できる利点があ
る
【００２２】
【発明の効果】以上のように本発明はゼーベック効果
（ペルチェ効果）を生ずる半導体材料の表面に電気絶縁
体を設け、絶縁体を介して半導体に電圧を印加するとい
う特徴ををもつ。この電圧によってゼーベック係数（ペ
ルチェ係数）を本来の材料物性とは異なる値とすること
ができるという効果を生じる。そして印加する電圧の値
を最適化することで、著しく高い熱電特性を実現でき
る。つまり本発明を実施することで著しく性能の高い熱
電装置を実現できるという効果を奏するものである。
（ペルチェ効果）を生ずる半導体材料の表面に電気絶縁
体を設け、絶縁体を介して半導体に電圧を印加するとい
う特徴ををもつ。この電圧によってゼーベック係数（ペ
ルチェ係数）を本来の材料物性とは異なる値とすること
ができるという効果を生じる。そして印加する電圧の値
を最適化することで、著しく高い熱電特性を実現でき
る。つまり本発明を実施することで著しく性能の高い熱
電装置を実現できるという効果を奏するものである。
【図１】本発明の熱電装置の第１の実施例装置の構成を
示す断面図
示す断面図
【図２】本発明の第２の実施例装置の構成を示す断面図
【図３】（ａ）は、本発明の第３の実施例装置の構成を
示す断面図 （ｂ）は、同実施例装置の正面図
示す断面図 （ｂ）は、同実施例装置の正面図
【図４】従来の熱電装置の概略図
９ 半導体 １０ 電気絶縁体 １１ 導電体 １２ バイアス電源
Claims (5)
- 【請求項１】半導体を用いたペルチェ効果もしくはゼー
ベック効果を利用する素子において、前記半導体に絶縁
層を介して電圧を印加することを特徴とする熱電装置。 - 【請求項２】半導体を用いたペルチェ効果もしくはゼー
ベック効果を利用する素子において、前記半導体に絶縁
層を介して電圧を印加し、かつ前記電圧が前記半導体内
部を流通する電流方向に変化していることを特徴とする
熱電装置。 - 【請求項３】半導体を用いたペルチェ効果もしくはゼー
ベック効果を利用する素子において、前記半導体部を薄
膜で形成し、前記薄膜半導体表面に薄膜の電気絶縁体膜
を堆積し、かつ前記薄膜電気絶縁体膜の表面に電気導電
体膜を前記半導体膜に接することなく構成をした熱電装
置。 - 【請求項４】半導体を用いたペルチェ効果もしくはゼー
ベック効果を利用する素子において、前記半導体部を薄
膜で形成し、前記半導体膜表面に薄膜の電気絶縁体膜を
堆積し、かつ前記薄膜電気絶縁体膜の表面に電気導電体
膜を前記半導体膜に前記半導体膜に導通させるべく構成
された電極間に半導体に接触することなく堆積させると
共に、前記電気導電体膜を高抵抗の膜となし、前記電気
導電体膜に電流を導通させることを特徴とする熱電装
置。 - 【請求項５】高抵抗な電気導電体膜を蛇行状に絶縁体膜
上に構成したことを特徴とする請求項４記載の熱電装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4216749A JPH0669549A (ja) | 1992-08-14 | 1992-08-14 | 熱電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4216749A JPH0669549A (ja) | 1992-08-14 | 1992-08-14 | 熱電装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0669549A true JPH0669549A (ja) | 1994-03-11 |
Family
ID=16693324
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4216749A Pending JPH0669549A (ja) | 1992-08-14 | 1992-08-14 | 熱電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0669549A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100445317B1 (ko) * | 1999-02-24 | 2004-08-18 | 조창제 | 열 운동 전자 정류 장치 및 이를 이용하여 물체 열을 전기에너지로 전환하는 방법 |
| JP2009117430A (ja) * | 2007-11-02 | 2009-05-28 | Toyota Central R&D Labs Inc | 熱電素子 |
| JP2011003620A (ja) * | 2009-06-16 | 2011-01-06 | Toyota Central R&D Labs Inc | 電磁気素子用絶縁膜及び電界効果素子 |
| JP2011220503A (ja) * | 2010-04-14 | 2011-11-04 | Panasonic Corp | 流通路切換装置 |
| JP2012138539A (ja) * | 2010-12-28 | 2012-07-19 | Hitachi Ltd | 熱電変換材料と電界印加型熱電変換素子 |
| JP2015527037A (ja) * | 2012-07-30 | 2015-09-10 | コーエン・ヨアフCOHEN, Yoav | 熱エネルギーから有用なエネルギーを生成する方法 |
-
1992
- 1992-08-14 JP JP4216749A patent/JPH0669549A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100445317B1 (ko) * | 1999-02-24 | 2004-08-18 | 조창제 | 열 운동 전자 정류 장치 및 이를 이용하여 물체 열을 전기에너지로 전환하는 방법 |
| JP2009117430A (ja) * | 2007-11-02 | 2009-05-28 | Toyota Central R&D Labs Inc | 熱電素子 |
| JP2011003620A (ja) * | 2009-06-16 | 2011-01-06 | Toyota Central R&D Labs Inc | 電磁気素子用絶縁膜及び電界効果素子 |
| JP2011220503A (ja) * | 2010-04-14 | 2011-11-04 | Panasonic Corp | 流通路切換装置 |
| JP2012138539A (ja) * | 2010-12-28 | 2012-07-19 | Hitachi Ltd | 熱電変換材料と電界印加型熱電変換素子 |
| US9559280B2 (en) | 2010-12-28 | 2017-01-31 | Hitachi, Ltd. | Thermoelectric conversion device |
| JP2015527037A (ja) * | 2012-07-30 | 2015-09-10 | コーエン・ヨアフCOHEN, Yoav | 熱エネルギーから有用なエネルギーを生成する方法 |
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