JPH0629581A - 熱電素子 - Google Patents

熱電素子

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JPH0629581A
JPH0629581A JP4182156A JP18215692A JPH0629581A JP H0629581 A JPH0629581 A JP H0629581A JP 4182156 A JP4182156 A JP 4182156A JP 18215692 A JP18215692 A JP 18215692A JP H0629581 A JPH0629581 A JP H0629581A
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JP
Japan
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thin film
substrate
type semiconductor
thermoelectric element
semiconductor thin
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Application number
JP4182156A
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English (en)
Inventor
Yasushi Nakagiri
康司 中桐
Hisaaki Gyoten
久朗 行天
Yoshiaki Yamamoto
義明 山本
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】基板の表面または裏面のいずれかの一方の面に
電極と直列接続したP型半導体薄膜と、前記基板の他方
の面に前記電極と直列接続したN型半導体薄膜を備える
ことにより、歩留りを高くし製造コストの低い熱電素子
とする。 【構成】P型半導体薄膜15とN型半導体薄膜16によ
り金属電極部14を挟みこみながら前記P型半導体薄膜
と前記N型半導体薄膜が直列接続するように配置された
熱電素子とすることにより、簡便で量産可能な熱電素子
を得る。また、薄膜熱電素子を金属電極に直接的に付着
することができるので熱ロスの少ない熱電素子を作製す
ることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、薄膜熱電半導体を用い
た熱電素子に関する。さらに詳しくは、ペルチェ効果を
利用し電気的に冷房もしくは暖房を行う空調装置、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発
電装置等に有用な熱電素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、熱を電気に変換、あるいは電気を
熱に変換する熱電素子は、図5の従来例に示すように金
属板1および金属板2によってN型半導体エレメント3
およびP型半導体エレメント4を挟み込み、交互に電気
的に直列して配列した後、金属板1または2、もしくは
その両方に電気絶縁性基板5を張り付けて熱電素子を保
持するといった構成を有していた。上記の構成におい
て、電極端子6と電極端子7間に直流電流を通ずること
により、金属板と半導体エレメントの接触する面で吸熱
または発熱が起こり、金属板の一方が冷却され他方が加
熱され、熱電素子の表裏に温度差をつけていた。また、
逆に両側の金属板に温度差を与えることにより発電を行
っていた。
【0003】このような熱電素子の製造方法は以下のよ
うに行われている。まず、P型およびN型半導体エレメ
ントを製造するために、2種類または3種類の金属また
は半金属にドープ元素を混入し、溶製または焼結法を用
いて、所定の形状に成形する。このようにして得られた
半導体エレメント3または4の両面に金属板1および2
を一つ一つ半田付けし、交互に直列的に配列することに
よって製造されている。その後、セラミック等の電気絶
縁性基板5の上に装着することにより、機械的強度を保
っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の構成および製造方法では、多数の半導体エレ
メントや金属板を単独で用意し、それぞれを手作業によ
り1個1個金属片に半田付け等で組み合わせて製造する
ことになり、しかもその場合にP型及びN型の半導体エ
レメントを交互に誤りなく一定間隔を保って整列させな
ければならず、このような組立作業が煩雑であり、なお
かつ、非常に時間がかかる。このため生産性が低く量産
化が出来ないため、熱電素子の製造コストが高くなると
いう問題を有していた。また、半田により熱電半導体部
と金属部の接触を確保するので、そこでの熱ロスが生
じ、熱電半導体の持つ性質を最大限に発揮できていない
といった問題もあった。
【0005】本発明は、上前記従来技術の問題を解決す
るため、熱電素子の製造コストを大幅に低減し、熱ロス
も低減することができる新規な熱電素子を提供すること
を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の第1発明の熱電素子は、複数の電極がそれ
ぞれ絶縁性を保ち、表裏に電気的に導通するように設け
られた基板と、前記基板の表面または裏面のいずれかの
一方の面に前記電極と直列接続したP型半導体薄膜と、
前記基板の他方の面に前記電極と直列接続したN型半導
体薄膜という構成を備えたものである。前記構成におい
ては、電極と薄膜半導体の接触面で起こる発熱または吸
熱に対して放熱または冷却を行なうためのフィンを取り
付けることが好ましい。
【0007】次に本発明の第2発明の熱電素子は、P型
半導体薄膜が基板の表面に点在し、前記P型半導体薄膜
に隣接して穴の開いている第1の基板と、N型半導体薄
膜が基板の表面に点在し、前記N型半導体薄膜に隣接し
て穴の開いている第2の基板とを少なくとも備え、第1
の基板および第2の基板の穴より一部が露出する位置で
前記P型半導体薄膜と前記N型半導体薄膜を直列接続す
るように配置された電極を備えたことを特徴とする。
【0008】前記構成においては、複数の電極がそれぞ
れ絶縁性を保ちながら表裏に電気的に導通するように点
在して設置されている基板を用いることが好ましい。ま
た、前記構成においては、電極と薄膜半導体の接触面で
起こる発熱または吸熱に対して放熱または冷却を行なう
ためのフィンを取り付けることが好ましい。
【0009】
【作用】前記した本発明の第1発明の構成によれば、真
空蒸着による熱電半導体薄膜の一括製膜といった簡便な
製造方法を用いることができるので歩留りを高くするこ
とができる。また、薄膜熱電素子を金属電極に直接的に
付着することができるので、熱ロスの少ない熱電素子を
作製することが可能となる。
【0010】また、本発明の第2発明の構成によれば、
第1発明の作用に加えて、P型半導体薄膜用の穴開き基
板、N型半導体薄膜用の穴開き基板、及び金属電極付き
基板をそれぞれ独立に製造し、それらを組み合わせるこ
とにより、熱電素子を組み立てる製造方法をとることが
できるので、より一層の製造コストの低減を行なうこと
が可能となる。
【0011】
【実施例】以下本発明による熱電素子の一実施例を図面
により説明する。 実施例1 図1は本発明による熱電素子の一実施例の斜視図であ
る。電極端子8および電極端子9が熱電素子板10に設
置されており、熱電素子板10の表裏には、放熱または
冷却用のフィン11とフィン12が設置されている。フ
ィン11とフィン12はそれぞれ熱電素子板10に表裏
で互い違いに接触するように構成されている。熱電素子
板10の構造を図2で示す。図2(a)は電極付き基板
13の平面図であり、図2(b)は熱電素子板10の平
面図である。図2(a)に示す電極付き基板13には金
属電極14がそれぞれ絶縁されて埋め込まれており、金
属電極14は、表裏に電気的に導通している。図2
(b)に示す熱電素子10には、図2(a)に示した電
極付き基板13の表面にP型半導体薄膜15が、裏面に
N型半導体薄膜16がマスクを用いた真空蒸着により、
直接的に付着されている。P型半導体薄膜15およびN
型半導体薄膜16はそれぞれ格子状に金属電極14に接
触するように付着され、[−(P型半導体15−金属電
極14−N型半導体16−金属電極14)−]の繰り返
しで、電気的に直列接続をするように配置している。こ
の場合の熱電半導体薄膜の材料および蒸着方法として
は、(Bi,Sb)−(Te,Se)系材料をそれぞれ
P型、N型半導体となるように所定の組成比で混合した
ものを、組成を変化させずに蒸着するフラッシュ蒸着法
を使用した。
【0012】このような構成において、図1における電
極端子8と電極端子9間に直流電流を流すことにより、
熱電素子板10の表裏面においては、金属電極14と半
導体薄膜の接触している界面で発熱または冷却が起こる
ので、金属電極14は、電流の流れる方向に交互に発
熱、冷却が起こっていることになる。フィン11は、発
熱(または冷却)が起こっている金属電極14の部分で
熱電素子板10と接触しているのでフィン11は、放熱
(または冷却)のみを行うことができる。一方、フィン
12は冷却(または発熱)が起こっている金属電極14
の部分で熱電素子板10と接触しているのでフィン12
は、冷却(または放熱)のみを行うことができる。つま
り、このような構成で薄膜熱電半導体を用いることによ
り、表裏に温度差を与えることが可能となる。もちろ
ん、逆に熱電素子の表裏に温度差をつけることにより発
電を行うことも可能である。
【0013】次に前記熱電素子の製造方法を説明する。
まず、複数の電極付き基板13を用意して、同時にすべ
ての電極付き基板13の片面にP型(もしくはN型)半
導体のみをマスク蒸着し、続いて、再び同時にすべての
電極付き基板13のもう一方の面にN型(もしくはP
型)半導体薄膜のみをマスク蒸着するといった製造方法
を取ることができる。すなわち、P型、N型の設置ミス
を避けることができ、熱電半導体を一つづつ半田付けす
るというような煩雑な手間が不必要となり、一括で必要
な部分にP型およびN型半導体を設置することができる
簡便な製造方法を用いることができる。さらに、この方
式は一度に大量の素子をつくる量産も可能となる。ま
た、薄膜熱電半導体を直接的に金属電極部に付着させて
いるので、接触界面での熱ロスを抑えて、熱電半導体の
性能を有効に利用することができ、素子自身の性能を高
めることが可能となる。
【0014】実施例2 図3は、本発明による熱電素子の他の実施例の斜視図で
ある。電極端子17と電極端子18が電極付き基板13
に設置されている。この電極付き基板13は、図2に示
した電極付き基板13と同様のものである。そして、電
極付き基板13の表裏には、穴開き基板19および穴開
き基板20が設置されている。さらに、穴開き基板1
9、20に開けられている貫通穴を通って電極付き基板
13と接触している放熱または冷却用のフィン21、2
2が設置されている。穴開き基板19、20の構造を図
4で示す。図4(a)、(b)は、それぞれ穴開き基板
19、20の平面図である。図4(a)において電気絶
縁性基板23には、線状の貫通穴24が開いている。ま
た、電気絶縁性基板23の裏面には、P型半導体薄膜2
5がマスク蒸着により格子状に直接的に付着されてい
る。また、図4(b)において電気絶縁性基板26に
は、線状の貫通穴27が開いており、電気絶縁性基板2
6の表面には、N型半導体薄膜28がマスク蒸着により
格子状に直接的に付着されている。これらの熱電半導体
薄膜の材料および製造方法は、実施例1同様に(Bi,
Sb)−(Te,Se)系材料をフラッシュ蒸着する方
法が使用できる。
【0015】そして上記の基板を図3に示すように、穴
開き基板19、電極付き基板13、穴開き基板20の順
番でそれぞれ積層して、密着固定させることにより、穴
開き基板19のP型半導体薄膜25と、穴開き基板20
のN型半導体薄膜28を、電極付き基板13の金属電極
14を介して交互に電気的に直列接続させる。この時
に、電気的接触が悪い場合には、電気的接触を確保する
ために、金属−半導体界面に導電性ペースト(図示せ
ず)を挟み込むこともできる。さらに、フィン21、2
2が実施例1で示したのと同様の部分で、それぞれ穴開
き基板19、20に開いている貫通穴24、27を通過
して、電極付き基板13と接触している。
【0016】上記のような構成において、電極端子17
と電極端子18の間に直流電流を流すことにより、実施
例1で述べたのと同様な動作を行い、フィン21、22
により、放熱および冷却を行い、熱電素子の表裏に温度
差を与えることができる。もちろん、温度差を与えるこ
とにより、発電を行なうことも可能である。
【0017】上記のような構成では、実施例1で説明し
た効果に加えて、P型半導体薄膜25用の穴開き基板1
9、N型半導体薄膜28用の穴開き基板20、そして金
属電極付き基板13をそれぞれ独立に製造し、それらを
組み合わせることにより、熱電素子を組み立てる製造方
法をとることができるので、より一層の製造コストの低
減を行なうことが可能となる。
【0018】なお実施例1及び実施例2では、熱電半導
体として(Bi,Sb)−(Te,Se)系材料を使用
したが、もちろんその他の熱電半導体材料、例えばZn
−Sb系材料、Si−Ge系材料、金属珪化物等の材料
を使用しても同様の効果が得られることはいうまでもな
い。また、薄膜製造方法としても、今回使用したフラッ
シュ蒸着方法のみならず多元素同時蒸着法、スパッタ
法、CVD法等の真空蒸着法や、印刷、常圧CVD等の
常圧製膜といった他の製造方法を使用することもでき
る。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明による熱電素
子を用いることにより、簡便な製造方法を用いて歩留ま
りや生産性が高くなり、製造コストを低減することがで
きる。また、熱ロスを避けて熱電素子の性能向上が図れ
るという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱電素子の一実施例を示す斜視図であ
る。
【図2】本発明の熱電素子の一実施例の一部の電極付き
基板および熱電素子板を示す平面図である。
【図3】本発明の熱電素子の他の実施例を示す斜視図で
ある。
【図4】本発明の熱電素子の他の実施例の一部を構成す
る穴開き基板を示す平面図である。
【図5】従来の熱電素子の斜視図である。
【符号の説明】
8,9,17,18 電極端子 10 熱電素子板 11,12,21,22 フィン 13 電極付き基板 14 金属電極部 15,25 P型半導体薄膜 16,28 N型半導体薄膜 19,20 穴開き基板 23,26 電気絶縁性基板 24,27 貫通穴

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の電極がそれぞれ絶縁性を保ち、表
    裏に電気的に導通するように設けられた基板と、前記基
    板の表面または裏面のいずれかの一方の面に前記電極と
    直列接続したP型半導体薄膜と、前記基板の他方の面に
    前記電極と直列接続したN型半導体薄膜を備えた熱電素
    子。
  2. 【請求項2】 電極と薄膜半導体の接触面で起こる発熱
    または吸熱に対して放熱または冷却を行なうためのフィ
    ンを取り付けた請求項1に記載の熱電素子。
  3. 【請求項3】 P型半導体薄膜が基板の表面に点在し、
    前記P型半導体薄膜に隣接して穴の開いている第1の基
    板と、N型半導体薄膜が基板の表面に点在し、前記N型
    半導体薄膜に隣接して穴の開いている第2の基板とを少
    なくとも備え、第1の基板および第2の基板の穴より一
    部が露出する位置で前記P型半導体薄膜と前記N型半導
    体薄膜を直列接続するように配置された電極を備えたこ
    とを特徴とする熱電素子。
  4. 【請求項4】 複数の電極がそれぞれ絶縁性を保ちなが
    ら表裏に電気的に導通するように点在して設置されてい
    る基板を用いる請求項3に記載の熱電素子。
  5. 【請求項5】 電極と薄膜半導体の接触面で起こる発熱
    または吸熱に対して放熱または冷却を行なうためのフィ
    ンを取り付けた請求項3に記載の熱電素子。
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