DE3818192A1 - Thermoelectric arrangement having tunnel contacts - Google Patents
Thermoelectric arrangement having tunnel contactsInfo
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Abstract
Description
Die Patentanmeldung betrifft eine thermoelektrische Anordnung zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie und zum reversiblen Pumpen von Wärme mit großem thermodynamischem Wirkungsgrad. Durch das deutsche Patent 25 47 262 ist bekannt, daß höhere Wirkungsgrade bei thermoelektrischen Anordnungen erreicht werden können, wenn in jedem Thermoelement der Wärmestrom über mindestens eine Stelle mit Temperaturgradienten größer als 104° K/cm fließt. Durch die deut sche Offenlegungsschrift DE 34 04 137 A1 ist ferner bekannt, daß die Stelle mit dem Temperaturgradienten <104° K/cm ein Kontaktwider stand mit Fremdschicht sein kann. Das Material, aus welchem die Fremdschicht besteht, hat einen makroskopischen elektrischen Wi derstand größer als 1 Ωcm. Wegen seiner Dicke kleiner als 1×10-6 cm ist der spez. elektrische Widerstand - als Folge des Tunneleffek tes - auf unter 1 Ωcm verkleinert. Wenn thermoelektrisches Material mit hoher Thermokraft für die Fremdschicht im Kontakt verwendet wird, kann über den Tunneleffekt die Effektivität des thermoelek trischen Materials vergrößert werden.The patent application relates to a thermoelectric arrangement for converting heat into electrical energy and for reversibly pumping heat with great thermodynamic efficiency. It is known from German patent 25 47 262 that higher efficiencies can be achieved in thermoelectric arrangements if the heat flow in each thermocouple flows through at least one point with temperature gradients greater than 10 4 ° K / cm. Through the German publication DE 34 04 137 A1 it is also known that the point with the temperature gradient <10 4 ° K / cm was a contact resistance with foreign layer. The material from which the foreign layer is made has a macroscopic electrical resistance greater than 1 Ωcm. Because of its thickness less than 1 × 10 -6 cm, the spec. electrical resistance - as a result of the tunnel effect - reduced to below 1 Ωcm. If thermoelectric material with high thermal force is used for the foreign layer in contact, the effectiveness of the thermoelectric material can be increased via the tunnel effect.
Durch die deutsche Offenlegungsschrift DE 34 04 138 A1 ist ferner be kannt, daß die Stelle mit dem Temperaturgradienten < 104° K/cm zwischen den beiden ungleich temperierten Teilen des Thermoschen kels ein elektrischer und thermischer Engewiderstand ohne Fremd schicht sein kann, und daß der Durchmesser dieses Engewiderstan des kleiner ist als die Diffusionslänge oder die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger.From the German patent application DE 34 04 138 A1 it is also known that the point with the temperature gradient <10 4 ° K / cm between the two unequal temperature parts of the thermos angle an electrical and thermal resistance can be without foreign layer, and that the Diameter of this resistance is smaller than the diffusion length or the mean free path of the charge carriers.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls eine Weiterbildung des deutschen Patents 25 47 262 dar. Auch bei ihr besteht ein Thermo schenkel aus zwei getrennten und ungleich temperierten Teilen, welche sich an mindestens einer Stelle stationär berühren. Auch die Berührungsstellen sind so ausgebildet, daß sie mit Hilfe von mecha nischem Druck erzeugte thermische und elektrische Kontakte mit durchtunnelbarer Potentialbarriere sind, durch welche ein Wärme strom mit einem Temperaturgradienten < 104° K/cm fließt. Die vor liegende "Thermoelektrische Anordnung mit Tunnelkontakten" ist zu sätzlich jedoch dadurch gekennzeichnet, daß die ungleich temperier ten Teile des Thermoschenkels aus n-leitendem oder p-leitendem ein kristallinem, polykristallinem oder amorphem Halbleitermaterial be stehen, daß dieses Halbleitermaterial mindestens an seiner Oberfläche eine so hohe Konzentration von Elektronen oder Defektelektronen auf weist, daß dort das Fermi-Niveau bei Raumtemperatur einen Abstand vom Leitungsband bzw. vom Valenzband hat, welcher höchstens ein Zehntel des Halbleiter-Bandabstandes beträgt, daß auf diese Halbleiterober fläche eine Deckschicht aus Metall, aus einer Metall-Legierung, aus einer metallisch leitenden Verbindung oder aus einem Supraleiter auf gebracht ist, so daß die Druck-Kontakte zwischen den beiden ungleich temperierten Teilen des Thermoschenkels Tunnelkontakte zwischen me tallisch leitendem oder supraleitendem Material sind, und daß die Dic ke der Deckschicht kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der Ma joritätsladungsträger im Halbleitermaterial, aus welchem die bei den ungleich temperierten Teile des Thermoschenkels bestehen.The present invention also represents a further development of the German patent 25 47 262. Also in her a thermal leg consists of two separate and unequal temperature parts, which touch at least one point stationary. The contact points are designed so that they are generated with the help of mechanical pressure, thermal and electrical contacts with tunnelable potential barrier through which a heat current flows with a temperature gradient <10 4 ° K / cm. The existing "thermoelectric arrangement with tunnel contacts" is additionally characterized, however, in that the unevenly tempered parts of the thermocouple made of n-type or p-type are a crystalline, polycrystalline or amorphous semiconductor material that this semiconductor material has at least on its surface so high concentration of electrons or defect electrons that the Fermi level at room temperature is at a distance from the conduction band or from the valence band, which is at most one tenth of the semiconductor bandgap, that on this semiconductor surface a cover layer made of metal, from a Metal alloy, is brought from a metallic conductive connection or from a superconductor, so that the pressure contacts between the two unequally tempered parts of the thermocouple are tunnel contacts between metallic conductive or superconducting material, and that the thickness of the cover layer is smaller as the Average free path length of the majority charge carriers in the semiconductor material, from which the parts of the thermal limb which are at different temperatures are made.
Es ist die Lehre der vorliegenden Erfindung, daß die Thermokraft des Thermoschenkels durch die Thermokraft des verwendeten Halblei termaterials bestimmt wird, wenn die Dicke der Deckschicht kleiner ist als die freie Weglänge der Majoritätsladungsträger im Halblei termaterial. Wenn außerdem noch die Oberflächenschicht mit großer Elektronen- oder Defektelektronenkonzentration sich auf höherohmi gem Halbleitermaterial befindet und wenn ihre Dicke kleiner ist als die freie Weglänge der Majoritätsladungsträger im höherohmigen Halb leitermaterial, dann wird die Thermokraft des Thermoschenkels durch die Thermokraft des höherohmigen Halbleitermaterials bestimmt. Es findet dann durch die Oberflächenschichten und Deckschichten in den Druck-Kontakten hindurch ein ballistischer Transport der Ladungs träger zwischen den beiden ungleich temperierten Halbleiter-Tei len des Thermoschenkels statt. Da andererseits die Druck-Kontakte Tunnelkontakte zwischen metallischem oder supraleitendem Material sind, kann das Verhältnis von elektrischem zum Wärmewiderstand des Thermoschenkels einen Minimalwert erreichen. Zur Vermeidung von thermischen Nebenschlüssen ist der Zwischenraum zwischen den beiden ungleich temperierten Teilen des Thermoschenkels in der Umgebung der Druck-Kontakte evakuiert. Außerdem ist der mitt lere Durchmesser der Druck-Kontakte so klein, daß die Größe des Ge samtwärmewiderstandes der thermoelektrischen Anordnung durch die Tunnelkontakte zwischen den beiden ungleich temperierten Teilen des Thermoschenkels bestimmt wird. Wenn die beiden Teile des Thermoschenkels z. B. aus zwei Halbleiterscheiben bestehen, von denen wenigstens eine an ihrer Oberfläche so strukturiert ist, daß die Berührung unter Druck zwischen den beiden Halbleiterschei ben eine Vielzahl etwa gleich großer Druck-Kontakte erzeugt, dann genügt ein mittlerer Kontakt-Durchmesser von etwa 1×10-4 cm, da mit der Wärmewiderstand der Druck-Kontakte den Wärmewiderstand des Thermoschenkels bestimmt. Wenn die Druck-Kontakte außerdem auch noch den elektrischen Widerstand des Thermoschenkels bestimmen, dann verbindet die thermoelektrische Anordnung der Erfindung die hohen Thermokräfte des Halbleitermaterials mit einem niedrigen Verhältnis von elektrischem zum Wärmewiderstand in den Druck-Kon takten zwischen metallisch leitendem oder supraleitendem Material.It is the teaching of the present invention that the thermal force of the thermal leg is determined by the thermal force of the semiconductor material used if the thickness of the cover layer is less than the free path length of the majority charge carriers in the semiconductor material. If, in addition, the surface layer with a large electron or defect electron concentration is on higher ohmic semiconductor material and if its thickness is less than the free path length of the majority charge carriers in the higher ohmic semiconductor material, then the thermal force of the thermal leg is determined by the thermal force of the higher ohmic semiconductor material. It then takes place through the surface layers and cover layers in the pressure contacts through a ballistic transport of the charge carrier between the two unequal temperature semiconductor parts of the thermocouple takes place. On the other hand, since the pressure contacts are tunnel contacts between metallic or superconducting material, the ratio of electrical to thermal resistance of the thermal leg can reach a minimum value. In order to avoid thermal shunts, the space between the two parts of the thermocouple at different temperatures in the vicinity of the pressure contacts is evacuated. In addition, the mean diameter of the pressure contacts is so small that the size of the Ge total thermal resistance of the thermoelectric arrangement is determined by the tunnel contacts between the two unequal temperature parts of the thermocouple. If the two parts of the thermal leg z. B. consist of two semiconductor wafers, of which at least one is structured on its surface so that the contact under pressure between the two semiconductor wafers ben generates a plurality of approximately equal pressure contacts, then an average contact diameter of about 1 × 10 is sufficient -4 cm, since the thermal resistance of the pressure contacts determines the thermal resistance of the thermal leg. If the pressure contacts also determine the electrical resistance of the thermocouple, then the thermoelectric arrangement of the invention combines the high thermal forces of the semiconductor material with a low ratio of electrical to thermal resistance in the pressure contacts between metallic conductive or superconducting material.
Die Folge davon ist ein hoher thermodynamischer Wirkungsgrad von Peltierkühlern oder Thermogeneratoren, die mit Hilfe der thermo elektrischen Anordnung der Erfindung aufgebaut sind.The consequence of this is a high thermodynamic efficiency of Peltier coolers or thermogenerators, which with the help of thermo electrical arrangement of the invention are constructed.
Die Oberflächenschicht mit der hohen Konzentration von Elektronen oder Defektelektronen kann durch Erzeugung einer Anreicherungs- Randschicht oder durch Einbau einer entsprechend hohen Konzentra tion von Donatoren oder Akzeptoren in an sich bekannter Weise z. B. mit Hilfe von influenzierter Ladung oder mit Hilfe von Eindif fusion, lonenimplantation oder Einlegieren von Dotierungsmaterial in die Halbleiteroberfläche erzeugt sein. Die Deckschicht aus Metall, einer Metall-Legierung, einer metallisch leitenden Ver bindung oder aus Supraleiter kann in ebenfalls an sich bekannter Weise auf die hochdotierte Halbleiteroberfläche aufgebracht sein. Geeignete Verfahren sind z. B. das Aufsputtern, das Aufdampfen im Hochvakuum und das pyrolytische oder elektrochemische Abschei den. Als Metalle eignen sich vor allem die Metalle der IV- bis VIl-Gruppe des Periodischen Systems der Elemente sowie die Ei sen- und Platin-Metalle. Unter den metallisch leitenden Verbin dungen sind besonders die Silizide, Carbide, Nitride und Boride geeignet. Als Supraleiter sind die klassischen Tieftemperatursup raleiter und aber auch die oxidischen Supraleiter - z. B. auf der Ba sis Kupferoxid - mit Vorteil verwendbar. Als Halbleitermaterialien für die beiden ungleich temperierten Teile eines Thermoschenkels eignen sich Element-Halbleiter wie z. B. Silizium oder Germanium oder auch Verbindungshalbleiter wie z. B. SiC, III/V-Verbindungen oder II/IV-Verbindungen.The surface layer with the high concentration of electrons or defect electrons can by producing an enrichment boundary layer or by incorporating a correspondingly high concentration of donors or acceptors in a manner known per se, for. B. with the help of influenced charge or with the help of diffusion, ion implantation or alloying of doping material into the semiconductor surface. The cover layer made of metal, a metal alloy, a metallically conductive compound or superconductor can also be applied to the highly doped semiconductor surface in a manner known per se. Suitable methods are e.g. B. sputtering, vapor deposition in a high vacuum and pyrolytic or electrochemical deposition. Particularly suitable as metals are the metals of the IV to VIl group of the Periodic Table of the Elements as well as the iron and platinum metals. Among the metallically conductive compounds, the silicides, carbides, nitrides and borides are particularly suitable. As a superconductor, the classic low-temperature super conductors and also the oxide superconductors - e.g. B. based on copper oxide - usable with advantage. Element semiconductors, such as, for example, are suitable as semiconductor materials for the two parts of a thermal leg which are at different temperatures. B. silicon or germanium or compound semiconductors such. B. SiC, III / V compounds or II / IV compounds.
Zur Reduzierung der Wärmeverluste durch Strahlung und zur besseren Anpassung an die Verhältnisse bei großen Temperaturdifferenzen kann eine thermoelektrische Anordnung auch aus zwei oder mehreren Thermoschenkeln aus je zwei getrennten und ungleich temperierten Teilen thermisch und elektrisch in Serie zu einem segmentierten Thermoschenkel zusammengesetzt sein.To reduce heat loss through radiation and for better Adaptation to the conditions with large temperature differences A thermoelectric arrangement can also consist of two or more Thermos legs made of two separate and unequally tempered Parts thermally and electrically in series to a segmented Thermos legs are composed.
Der mechanische Druck auf die Berührungsstellen zwischen den bei den Teilen des Thermoschenkels kann mit Hilfe eines Magnetfeldes erzeugt sein. Der mechanische Druck auf die Berührungsstellen kann aber auch aus der Druck-Differenz zwischen dem Vakuum in der Umgebung der Druck-Kontakte und der umgebenden Atmosphäre erzeugt sein.The mechanical pressure on the points of contact between the the parts of the thermocouple can be created using a magnetic field be generated. The mechanical pressure on the contact points can also from the pressure difference between the vacuum in the Environment of the pressure contacts and the surrounding atmosphere be.
Ein Thermoschenkel kann gemäß der Erfindung in einem eigenen Vaku umgefäß untergebracht sein. Es können sich jedoch auch ein n-Schen kel und ein p-Schenkel als Seebeck-Element oder als Peltier-Element in einem gemeinsamen Vakuumgehäuse befinden. Auch mehrere Seebeck- Elemente und Peltier-Elemente können in einem gemeinsamen Vakuumge häuse untergebracht sein. Die thermoelektrische Anordnung der Er findung kann auch zusammen mit einem Supraleiter oder mit einer supraleitenden Anordnung eine Funktionseinheit bilden. Auch als Funktionseinheit von Thermogenerator und Wärmepumpe kann die ther moelektrische Anordnung mit Vorteil benutzt werden.A thermal leg can according to the invention in its own vacuum be housed. However, it can also be a n-shen kel and a p-leg as a Seebeck element or as a Peltier element are in a common vacuum housing. Also several Seebeck Elements and Peltier elements can be in a common vacuum be housed. The thermoelectric arrangement of the Er can also be used together with a superconductor or with a superconducting arrangement form a functional unit. Also as Functional unit of thermogenerator and heat pump can ther Moelectric arrangement can be used with advantage.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen nachstehend näher erläu tert werden. Embodiments of the invention will be explained in more detail below be tert.
In der Zeichnung zeigt:The drawing shows:
Fig. 1 im Querschnitt einen Druck-Kontakt zwischen den beiden un gleich temperierten Teilen eines thermoelektrischen p-Schenkels, Fig. 1 in cross section a pressure-contact between the two un-tempered equal parts of a thermoelectric p-leg,
Fig. 2 schematisch im Querschnitt ein Peltier-Element mit einem p/p- und einem n/n-Druck-Kontakt mit Deckschichten aus einem Su praleiter. Fig. 2 shows schematically in cross section a Peltier element with a p / p and an n / n pressure contact with cover layers from a Su praleiter.
Fig. 3 schematisch im Querschnitt ein Seebeck-Element mit je einem Ausschnitt aus einem segmentierten p-Schenkel und einem segmentier ten n-Schenkel, Fig. 3 shows schematically in cross section a Seebeck element each with a section of a segmented p-leg and a segmenting th n-leg,
Fig. 4 zeigt im Querschnitt einen p-Schenkel im eigenen Vakuumge häuse mit magnetisch erzeugtem Druck zwischen den beiden Teilen des p-Schenkels, Fig. 4 shows in cross-section, a p-leg in its own housing with Vakuumge magnetically generated pressure between the two parts of the p-leg,
Fig. 5 zeigt einen p-Schenkel und einen n-Schenkel in einem ge meinsamen Vakuumgehäuse, Fig. 5 shows a p-leg and a leg in a n-ge common vacuum housing,
Fig. 6 zeigt im Querschnitt die Funktionseinheit eines Peltier kühlers mit einer supraleitenden Anordnung. Fig. 6 shows in cross section the functional unit of a Peltier cooler with a superconducting arrangement.
In Fig. 1 ist das thermoelektrische p-Material 1 eine Silizium scheibe mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ωcm. Die Siliziumscheibe hat als Folge eines Vakuum-Temperprozesses eine p- leitende Oberflächenschicht 2 in Form einer Anreicherungs-Rand schicht, welche an der Oberfläche eine Defektelektronenkonzentra tion von < 1×1019 /cm3 aufweist. Als Folge dieser hohen Konzen tration liegt das Fermi-Niveau sehr nahe am Valenzband. Die Dic ke dieser Oberflächenschicht 2 ist kleiner als die freie Weglänge 5 der Defektelektronen in der p-leitenden Silizium-Scheibe 1 mit einem spez. elektrischen Widerstand von 0,01 Ωcm. Auf diese Oberflächen schicht 2 ist in an sich bekannter Weise eine metallisch leitende Schicht 3 von Platinsilizid aufgebracht worden, welche die Ober flächenschicht 2 sperrfrei kontaktiert. Die Dicke dieser metal lisch leitenden Platinsilizidschicht 3 ist etwa 5×10-7 cm. Die beiden Siliziumscheiben 1 mit den Oberflächenschichten 2 und den metallisch leitenden Schichten 3 gehören zu den beiden getrenn ten Teilen eines thermoelektrischen p-Schenkels, welche sich auf den Temperaturen T 1 und T 2 befinden. Sie berühren sich unter me chanischem Druck mit ihren beiden metallisch leitenden Platin- Silizid-Schichten 3. Dadurch entsteht ein elektrischer und ther mischer Druck-Kontakt mit dem Tunnelspalt 4. Eine elektrische Potentialdifferenz (+, -) zwischen den beiden Teilen bewirkt ei nen stark eingeschnürten und damit quantisierten ballistischen Transport von Nichtgleichgewichts-Defektelektronen von der rech ten zur linken Seite des Kontaktes. Die mittlere freie Weglänge 5 der Defektelektronen ist größer als die Dicke der Oberflächen schichten 2 und der Deckschichten 3. Der Druck-Kontakt ist von Vakuum 6 mit einem Restdruck ≦ 1×10-4 Torr umgeben.In Fig. 1, the thermoelectric p-material 1 is a silicon wafer with a specific resistance of 0.01 Ωcm. As a result of a vacuum annealing process, the silicon wafer has a p-type surface layer 2 in the form of an enrichment edge, which has a defect electron concentration of <1 × 10 19 / cm 3 on the surface. As a result of this high concentration, the Fermi level is very close to the valence band. The thickness of this surface layer 2 is smaller than the free path length 5 of the defect electrons in the p-type silicon wafer 1 with a spec. electrical resistance of 0.01 Ωcm. On these surfaces layer 2 , a metallically conductive layer 3 of platinum silicide has been applied in a manner known per se, which contacts the upper surface layer 2 without blocking. The thickness of this metallic platinum silicide layer 3 is about 5 × 10 -7 cm. The two silicon wafers 1 with the surface layers 2 and the metallically conductive layers 3 belong to the two separate parts of a thermoelectric p-leg, which are at the temperatures T 1 and T 2 . They touch under mechanical pressure with their two metallically conductive platinum silicide layers 3 . This creates an electrical and thermal pressure contact with the tunnel gap 4 . An electrical potential difference (+, -) between the two parts causes a constricted and thus quantized ballistic transport of non-equilibrium defect electrons from the right to the left side of the contact. The mean free path length 5 of the defect electrons is greater than the thickness of the surface layers 2 and the cover layers 3 . The pressure contact is surrounded by vacuum 6 with a residual pressure ≦ 1 × 10 -4 Torr.
In Fig. 2 sind 1 und 7 die jeweils getrennten Teile des p-Schen kels und des n-Schenkels eines Peltierelements. 1 besteht aus p- leitendem und 7 aus n-leitendem einkristallinem Galliumarsenid mit 0,3 Ωcm bzw. 0,1 Ωcm spez. elektrischem Widerstand. 2 ist eine Oberflächenschicht, welche ebenso wie 8 in an sich be kannter Weise mit Hilfe von Ionenimplantation von Akzeptoren bzw. Donatoren mit anschließendem Ausheilen der Gitterdefekte erzeugt wurde. Die Ionenimplantation wurde durch eine 40 Å dicke Barium titanatschicht (auf dem Galliumarsenid 1 und 7) hindurch durchge führt.In Fig. 2, 1 and 7 are the separate parts of the p-leg and the n-leg of a Peltier element. 1 consists of p-type and 7 of n-type monocrystalline gallium arsenide with 0.3 Ωcm or 0.1 Ωcm spec. electrical resistance. 2 is a surface layer which, like FIG. 8, was produced in a manner known per se with the aid of ion implantation of acceptors or donors with subsequent healing of the lattice defects. The ion implantation was performed through a 40 Å thick barium titanate layer (on the gallium arsenide 1 and 7 ).
Auf die Oberflächenschichten 2 und 8 ist jeweils eine 2×10-6 cm dicke Deck-Schicht 3 aus SrBiCaCu2O6 in an sich bekannter Weise aufgebracht und mit LASER-Puls annealed. Die beiden getrennten Teile des p-Schenkels und die beiden getrennten Teile des n-Schen kels berühren sich in den Druck-Kontakten mit den Deck-Schichten 3 aus SrBiCaCu2O6 über die Tunnelspalte 4. Die sperrfreien Anschlüs se 13 und 14 an dem p-Schenkel und dem n-Schenkel sind auf einer Temperatur T < 90° K festgehalten. Dadurch sind die Deckschich ten 3 aus SrBiCaCu2O6 auf den Oberflächenschichten 2 und 8 supra leitende Schichten. Da diese - ebenso wie die Oberflächenschich ten 2 und 8 - dünner sind als die freie Weglänge der Defektelek tronen im p-GaAs und der Elektronen im n-GaAs fließt der Peltier strom 12 durch die supraleitenden Druck-Kontakte als ballistischer Transport von Defektelektronen und Elektronen. In den supraleiten den Kontakten gibt es keine Kontaktwiderstände, aber der Wärmewi derstand des p-Schenkels und des n-Schenkels sind vergrößert um die Wärme-Querwiderstände der supraleitenden Deck-Schichten 3 in den Druck-Kontakten. Das Peltierelement ist von Vakuum 6 umgeben. Der Peltierstrom 12 fließt im Außenkreis über den Widerstand 11 und die Spannungsquelle 10. Als Folge des Peltierstromes 12 kühlt sich die leitende Brücke 9 zwischen dem p-Schenkel und dem n- Schenkel auf die Temperatur T 1 ab.A 2 × 10 -6 cm thick cover layer 3 made of SrBiCaCu 2 O 6 is applied to the surface layers 2 and 8 in a manner known per se and annealed with LASER pulse. The two separate parts of the p-leg and the two separate parts of the n-leg touch in the pressure contacts with the cover layers 3 made of SrBiCaCu 2 O 6 via the tunnel column 4 . The lock-free connections 13 and 14 on the p-leg and the n-leg are held at a temperature T <90 ° K. As a result, the covering layers 3 made of SrBiCaCu 2 O 6 on the surface layers 2 and 8 are superconducting layers. Since these - like the surface layers 2 and 8 - are thinner than the free path length of the defect electrons in the p-GaAs and the electrons in the n-GaAs, the Peltier current 12 flows through the superconducting pressure contacts as a ballistic transport of defect electrons and electrons . There are no contact resistances in the superconducting contacts, but the thermal resistance of the p-leg and the n-leg are increased by the thermal transverse resistances of the superconducting cover layers 3 in the pressure contacts. The Peltier element is surrounded by vacuum 6 . The Peltier current 12 flows in the outer circuit via the resistor 11 and the voltage source 10 . As a result of the Peltier current 12 , the conductive bridge 9 cools between the p-leg and the n-leg to the temperature T 1 .
In Fig. 3 bilden vier p-Silizium-Scheiben 1 von 0.01 Ωcm mit drei elektrisch und thermisch in Serie geschalteten Druck-Kontakten den p-Schenkel. Der n-Schenkel besteht aus vier n-Silizium-Scheiben 7 von 0,02 Ωcm mit drei elektrisch und thermisch in Serie geschalte ten Druck-Kontakten. Die innere p-Scheibe 1 und die innere n-Schei be 7 sind sperrfrei mit der elektrisch leitenden Brücke 9 verbun den. Die äußere p-Scheibe 1 ist sperrfrei mit dem Anschluß 13 und die äußere n-Scheibe 7 mit dem Anschluß 14 sperrfrei verbunden. Die Druckkontakte zwischen den p-Scheiben 1, die mit den Ober flächenschichten 2 und den Deckschichten 3 aus Iridiumsilizid über zogen sind, erzeugen über die Tunnelspalte 4 elektrische und ther mische Verbindungen. Ebenso sind die n-Scheiben 7 mit den Ober flächenschichten 8 und den Deckschichten 3 aus Tantalsilizid über Tunnelspalte 4 elektrisch und thermisch verbunden. 6 ist das um gebende Vakuum. Die elektrisch leitende Brücke 9 ist durch Wärme zufuhr von außen auf der Temperatur T 1=700° K festgehalten. Die Anschlüsse 13 und 14 sind auf 30°C gekühlt. Der Generator strom 15 fließt über den Verbraucherwiderstand 11. In Fig. 3, four p-silicon wafers 1 of 0.01 Ωcm with three electrically and thermally connected pressure contacts form the p-leg. The n-leg consists of four n-silicon wafers 7 of 0.02 Ωcm with three electrically and thermally connected pressure contacts. The inner p-disk 1 and the inner n-disk 7 are lock-free with the electrically conductive bridge 9 verbun the. The outer p-plate 1 is connected to the connection 13 without blocking and the outer n-plate 7 is connected to the connection 14 without blocking. The pressure contacts between the p-disks 1 , which are covered with the upper surface layers 2 and the outer layers 3 made of iridium silicide, generate electrical and thermal connections via the tunnel gaps 4 . Likewise, the n-type disks 7 are electrically and thermally connected to the upper surface layers 8 and the cover layers 3 made of tantalum silicide via tunnel gaps 4 . 6 is the surrounding vacuum. The electrically conductive bridge 9 is held by supplying heat from the outside to the temperature T 1 = 700 ° K. The connections 13 and 14 are cooled to 30 ° C. The generator current 15 flows through the consumer resistor 11 .
In Fig. 4 sind zwei p-leitende Halbleiterscheiben 1 aus Silizium carbid über die sperrfreien Kontakte 16 und 17 mit dem ferromagne tischen Träger 18 und dem Magneten 19 verbunden. Die Siliziumcar bid-Scheiben 1 werden durch die Anziehungskraft zwischen dem Mag neten 19 und dem ferromagnetischen Träger 18 zusammengepreßt. Da durch entstehen Druck-Kontakte zwischen den beiden Siliziumcarbid scheiben 1. Die Druck-Kontakt-Seiten der Siliziumcarbidscheiben 1 haben Oberflächenschichten 2, auf welche Deckschichten 3 aus Tan talcarbid mit einer Dicke < 1×10-6 cm aufgebracht sind. Die Druckkontakte zwischen den beiden Scheiben 1 sind dadurch Tunnel kontakte 4 zwischen Tantal-Carbid-Oberflächen 3. 20 ist ein Kera mik-Gehäuse, welches evakuiert 6 ist.In FIG. 4, two p-type semiconductor wafer 1 made of silicon carbide on the lockless-contacts 16 and 17 with the ferromagnetic tables carrier 18 and the magnet 19 are connected. The silicon car bid-wafers 1 are pressed together by the attractive force between the magnet 19 and the ferromagnetic carrier 18 . As this creates pressure contacts between the two silicon carbide disks 1 . The pressure-contact sides of the silicon carbide wafers 1 have surface layers 2 , onto which cover layers 3 of tan carbide with a thickness of <1 × 10 -6 cm are applied. The pressure contacts between the two disks 1 are tunnel contacts 4 between tantalum carbide surfaces 3 . 20 is a ceramic mic housing which is evacuated 6 .
In Fig. 5 sind zwei p-leitende Halbleiterscheiben 1 und zwei n-lei tende Halbleiterscheiben 7 in einem Vakuumgehäuse 6 aufgebaut. Eine p-Scheibe 1 und eine n-Scheibe 7 sind sperrfrei auf die metallisch leitende Brücke 9 legiert. Die andere p-Scheibe 1 und die andere n- Scheibe 7 ist ebenfalls sperrfrei mit dem elektrischen Anschluß 13 bzw. 14 verbunden. Die Anschlüsse 13 und 14 sind auf der Tempera tur T 2 festgehalten. Zu diesem Zweck sind sie über die Federn 21 elektrisch und thermisch gut leitend mit den beiden voneinander isolierten Bodenplatten 23 und 24 des Glasgehäuses 20 verbunden. Die Federn 21 können über die beiden Schrauben 22 zusammengedrückt werden. Damit wird der Kontaktdruck zwischen den beiden Teilen der Thermoschenkel eingestellt. Über den Kontaktdruck ist die maximale Leistungsabgabe - bei Betrieb als Seebeck-Element - oder die maxi male Leistungsaufnahme (Kühlleistung) - bei Betrieb als Peltier- Element - einstellbar. Auf den Kontaktseiten tragen die beiden Halbleiterscheiben 1 bzw. 7 Oberflächenschichten 2 bzw. 8 und je eine metallische Deckschicht 3. Die Druckkontakte leiten über die Tunnelspalte 4. In Fig. 5 are constructed in a vacuum housing 6, two p-type semiconductor wafers 1 and two n-lei tend semiconductor discs 7. A p-disk 1 and an n-disk 7 are alloyed onto the metallically conductive bridge 9 without blocking. The other p-disk 1 and the other n-disk 7 are also connected to the electrical connection 13 and 14 without blocking. The connections 13 and 14 are recorded on the temperature T 2 . For this purpose, they are electrically and thermally conductively connected to the two mutually insulated base plates 23 and 24 of the glass housing 20 via the springs 21 . The springs 21 can be compressed using the two screws 22 . This sets the contact pressure between the two parts of the thermocouple. The maximum power output - when operating as a Seebeck element - or the maximum power consumption (cooling capacity) - when operating as a Peltier element - can be set via the contact pressure. The two semiconductor wafers 1 and 7 have surface layers 2 and 8 and a metallic cover layer 3 on the contact sides. The pressure contacts lead through the tunnel column 4 .
Fig. 6 zeigt schematisch eine supraleitende Anordnung 28, welche mit ihren elektrischen Anschlüssen 29 in dem Keramikrohr 25 auf gebaut ist. Die leitenden Brücken 9 eines Peltier-Kühlers sind im Wärmekontakt mit dem Keramikrohr 25. Sie kühlen dieses auf die Temperatur T 1 für den supraleitenden Betrieb von 28. Die Schenkel des Peltierkühlers bestehen aus p-Silizium-Epitax-Scheiben 1 mit einem spez. el. Widerstand der Epitax-Schicht von 3-4 Ωcm und n-Silizium-Epitax-Scheiben 7 mit einem spez. el. Widerstand der Epitax-Schicht von 0,8-1,2 Ωcm. Diese Scheiben 1 und 7 sind einseitig mit den leitenden Brücken 9 bzw. 26 oder mit den elek trischen Anschlüssen 13 bzw. 14 sperrfrei verbunden. Die leiten den Brücken 26 und die Anschlüsse 13 und 14 sind auf der Tempera tur T 2 festgehalten. Zwischen den paarweisen Epitaxscheiben 1 und 7, die jeweils einseitig strukturiert sind, gibt es eine Vielzahl geometrisch gleich großer Druck-Kontakte mit Durchmessern < 1×10-4 cm. Außerdem haben die Silizium-Epitaxscheiben 1 und 7 jeweils eine Oberflächenschicht 2 bzw. 8 mit einer Ladungsträgerkonzentra tion < 5×1019 /cm3. Auf den Oberflächenschichten 2 bzw. 8 befinden sich metallische Deckschichten 3. Der Peltierstrom fließt als bal listische Trägerinjektion durch die Tunnelspalte 4 und die metal lischen Deckschichten 3 sowie durch die Oberflächenschichten 2 bzw. 8. Da die Tunnelkontakte ein Verhältnis von elektrischem zum Wärmewiderstand haben, welches dem Gesetz von Wiedemann-Franz- Lorenz gehorcht (wie bei Metallen) und andererseits der Peltier- Kühler die hohe Thermospannung der Silizium-Epitax-Zonen auf weist, wird eine Kühltemperatur T 1 erreicht, bei welcher die su praleitende Anordnung 28 arbeitet. 20 ist das Glasgehäuse des Peltier-Kühlers, welches evakuiert 6 ist. Fig. 6 shows schematically a superconducting arrangement 28 , which is built with its electrical connections 29 in the ceramic tube 25 . The conductive bridges 9 of a Peltier cooler are in thermal contact with the ceramic tube 25 . They cool it to the temperature T 1 for the superconducting operation of 28 . The legs of the Peltier cooler consist of p-silicon epitaxial wafers 1 with a spec. el. resistance of the epitax layer of 3-4 Ωcm and n-silicon epitax disks 7 with a spec. el. resistance of the epitaxial layer of 0.8-1.2 Ωcm. These disks 1 and 7 are connected on one side with the conductive bridges 9 and 26 or with the electrical connections 13 and 14 without blocking. The conduct the bridges 26 and the connections 13 and 14 are recorded on the temperature T 2 . Between the paired epitaxial disks 1 and 7 , which are each structured on one side, there are a large number of geometrically identical pressure contacts with diameters <1 × 10 -4 cm. In addition, the silicon epitaxial wafers 1 and 7 each have a surface layer 2 or 8 with a charge carrier concentration <5 × 10 19 / cm 3 . Metallic cover layers 3 are located on the surface layers 2 and 8 . The Peltier current flows as a balistic carrier injection through the tunnel gaps 4 and the metallic cover layers 3 and through the surface layers 2 and 8 . Since the tunnel contacts have a ratio of electrical to thermal resistance, which obeys the law of Wiedemann-Franz-Lorenz (as with metals) and, on the other hand, the Peltier cooler has the high thermal voltage of the silicon epitax zones, a cooling temperature T 1 is reached , in which the su praleitende arrangement 28 operates. 20 is the glass housing of the Peltier cooler, which is evacuated 6 .
BezugszeichenlisteReference symbol list
1 p-Halbleiter
2 Oberflächenschicht mit hoher Defektelektronen-
Konzentration
3 metallisch leitende oder supraleitende Deckschicht
4 Tunnelspalt zwischen den Deckschichten 3
5 mittlere freie Weglänge
6 Vakuum
7 n-Halbleiter
8 Oberflächenschicht mit hoher Elektronen-
Konzentration
9 metallische Brücke zwischen dem p- und dem
n-Schenkel
10 Stromquelle
11 elektrischer Widerstand
12 Peltier-Strom
13 elektrischer Anschluß des p-Schenkels auf der
konstanten Temperatur T₂
14 elektrischer Anschluß des n-Schenkels auf der
konstanten Temperatur T₂
15 Seebeck-Strom
16 sperrfreier Kontakt zwischen dem ferromagnetischen
Träger 18 und dem p-Schenkel
17 sperrfreier Kontakt zwischen dem Magneten 19 und
dem p-Schenkel
18 ferromagnetischer Träger
19 Magnet
20 Glasgehäuse
21 Druckfeder
22 Schraube
23 Bodenplatte des p-Schenkels
24 Bodenplatte des n-Schenkels
25 Keramik-Rohr
26 metallische Brücke zwischen dem p-Schenkel und dem
n-Schenkel auf der Temperatur T₂
27 elektrischer Anschluß des Peltier-Kühlers
28 supraleitende Anordnung
29 elektrischer Anschluß an 28 1 p semiconductor
2 surface layer with high defect electron
concentration
3 metallically conductive or superconducting cover layer
4 Tunnel gap between the cover layers 3
5 mean free path
6 vacuum
7 n semiconductors
8 surface layer with high electron
concentration
9 metallic bridge between the p and the
n-leg
10 power source
11 electrical resistance
12 Peltier stream
13 electrical connection of the p-leg on the
constant temperature T ₂
14 electrical connection of the n-leg on the
constant temperature T ₂
15 Seebeck electricity
16 lock-free contact between the ferromagnetic
Carrier 18 and the p-leg
17 free contact between the magnet 19 and
the p-leg
18 ferromagnetic carrier
19 magnet
20 glass housing
21 compression spring
22 screw
23 base plate of the p-leg
24 base plate of the n-leg
25 ceramic tube
26 metallic bridge between the p-leg and the
n-leg at the temperature T ₂
27 electrical connection of the Peltier cooler
28 superconducting arrangement
29 electrical connection to 28
Claims (13)
Priority Applications (1)
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