阅读说明：本技术 一种隔热的半导体热电/电热转换元件 (Heat-insulating semiconductor thermoelectric/electrothermal conversion element ) 是由 孙志宏 刘宗锴 赵昌健 赵伯诚 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种隔热的半导体热电/电热转换元件,包括由上下两片端绝缘体和封装组成的空间,两片端绝缘体的内壁上均紧贴有多个外电极,其特征在于：位于所述的上下两片端绝缘体上的任意相邻两个外电极之间连接有一对上下设置的N型半导体或P型半导体,每对N型半导体或P型半导体之间均设有一对内电极,每对内电极之间通过内导线连接,N型半导体和P型半导体之间间隔设置,所有的N型半导体和P型半导体通过外电极形成串联结构。本发明的空间阻断了热量从温度较高的端绝缘体往温度较低的端绝缘体的传递路径,提高了电热转换的效率。(The invention provides a heat-insulating semiconductor thermoelectric/electrothermal conversion element, which comprises a space consisting of an upper insulator and a lower insulator and a package, wherein a plurality of external electrodes are tightly attached to the inner walls of the two insulators, and the heat-insulating semiconductor thermoelectric/electrothermal conversion element is characterized in that: a pair of N-type semiconductors or P-type semiconductors which are arranged up and down is connected between any two adjacent outer electrodes on the upper and lower piece of end insulators, a pair of inner electrodes are arranged between each pair of N-type semiconductors or P-type semiconductors, each pair of inner electrodes are connected through inner leads, the N-type semiconductors and the P-type semiconductors are arranged at intervals, and all the N-type semiconductors and the P-type semiconductors form a series structure through the outer electrodes. The space of the invention blocks the transfer path of heat from the end insulator with higher temperature to the end insulator with lower temperature, thus improving the efficiency of electric-heat conversion.)

一种隔热的半导体热电/电热转换元件

技术领域

本发明涉及一种隔热的半导体热电/电热转换元件，是一种基于帕尔贴效应和塞贝克效应的半导体热电/电热转换元件，属于半导体材料和电子元器件技术领域。

背景技术

珀耳帖效应是指当有电流通过不同材料的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同材料的导体的接头处，随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。这是J.C.A.珀耳帖在1834年发现的。简单地说，就是在外加电场作用下，电子发生定向运动，将一部分内能带到电场另一端。图1所示的就是利用这一原理，用P型和N型半导体为主要材料制成的半导体制冷或制热装置。

塞贝克效应是珀耳帖效应的逆过程。塞贝克效应又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。这是托马斯·约翰·塞贝克在1821年发现的。对于半导体材料，简单地说，就是在温度梯度下半导体内的载流子从热端向冷端运动，直到与内部电场达到动态平衡时，半导体两端形成稳定的温差电动势。图2所示的就是利用这一原理，用P型和N型半导体为主要材料制成的半导体温差发电装置。

目前，用P型和N型半导体为主要材料制成的半导体制冷或制热装置或者温差发电装置的效率都不高。其中一个主要的原因就是热量的传导损失。图1所示的用P型和N型半导体为主要材料制成的半导体制冷或制热装置中，两个大箭头表示有效的热量传递。在通电后，作为热端的下部端绝缘体1的温度高于作为冷端的上部端绝缘体1的温度，一部分热量就从热端逆向传递到了冷端，或者说是一部分冷量就从冷端逆向传递到了热端，浪费了帕尔贴效应产生的温差，降低了半导体制冷或制热装置的效率。图2所示的用P型和N型半导体为主要材料制成的半导体温差发电装置也存在同样的问题。两个大箭头表示有效的热量流动产生温差的过程。吸收周围热源的热量，下部端绝缘体1的温度高；向周围冷源散热，上部端绝缘体1的温度低，因为塞贝克效应，上下两个端绝缘体1之间的温差在半导体温差发电装置中形成稳定的电动势。但是同时一部分热量则直接通过半导体温差发电装置从热源直接传递到了冷源，这不仅浪费了热量，而且减小了热端与冷端的温差，导致温差电动势降低和半导体温差发电装置的效率低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：如何减少半导体热电/电热转换元件内部的热传导，提高用P型和N型半导体为主要材料制成的半导体制冷/制热装置或者温差发电装置的效率。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种隔热的半导体热电/电热转换元件，包括由上下两片端绝缘体和封装组成的空间，两片端绝缘体的内壁上均紧贴有多个外电极，其特征在于：位于所述的上下两片端绝缘体上的任意相邻两个外电极之间连接有一对上下设置的N型半导体或P型半导体，每对N型半导体或P型半导体之间均设有一对内电极，每对内电极之间通过内导线连接，N型半导体和P型半导体之间间隔设置，所有的N型半导体和P型半导体通过外电极形成串联结构。

优选地，每对所述的N型半导体均由两个上下对齐设置的N型半导体组成；每对所述的P型半导体均由两个上下对齐设置的P型半导体组成。

优选地，所述的空间是真空状态。

优选地，每对所述的内电极之间设有隔热绝缘层，隔热绝缘层内部设有多个过孔，每个过孔内设有用于连接上下两个内电极的内导线。

本发明通过最大限度地减少上下两片端绝缘体之间最窄处的连通面积，最大限度地减少了有温差的上下两片端绝缘体之间通过固体材料的热传导，提高用P型和N型半导体为主要材料制成的半导体制冷/制热装置或者温差发电装置的效率。本发明还用真空状态的空间阻断了有温差的上下两片端绝缘体之间通过气体的热传导，进一步提高了用P型和N型半导体为主要材料制成的半导体制冷/制热装置或者温差发电装置的效率。同时为了方便这种半导体热电/电热转换元件的制作，本发明还提出了用有内导线的隔热绝缘层连接和支撑每对上下设置的N型半导体和P型半导体的技术。

本发明的优点在于：因为在外电极之间，原先一根完整的P型半导体被分成了两段，中间由内电极和内导线连接起来，原先一根完整的N型半导体也被分成了两段，中间由内电极和内导线连接起来。内导线很细而且有一定的长度，热阻很大，抽成真空的空间根本不传热，这样做成的半导体热电/电热转换元件没有热传导。所以本发明公开的这种半导体热电/电热相互转换的元件是隔热的，热电/电热相互转换效率高。同时，本发明的优点还在于：用一层内导线预制在其中的隔热绝缘层，同时把上下对齐的每对P型半导体和上下对齐的每对N型半导体各自连成一体，既保持了本发明公开的这种半导体热电/电热相互转换的元件隔热效果，又方便了这种半导体热电/电热转换元件的制作。

附图说明

图1是基于珀耳帖效应的半导体制冷/制热装置的示意图；

图2是基于塞贝克效应的半导体温差发电装置的示意图；

图3是本发明的一种隔热的半导体热电/电热转换元件的示意图；

图4是本发明的一种隔热的半导体热电/电热转换元件的示意图(中间有隔热绝缘层)；

图5是用本发明的一种隔热的半导体热电/电热转换元件制作的半导体制冷/制热装置的示意图；

图6是用本发明的一种隔热的半导体热电/电热转换元件制作的半导体温差发电装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

如图3所示，本发明公开的一种隔热的半导体热电/电热转换元件的核心是P型半导体6和N型半导体7组成的在一个平面内均匀排布的阵列，其中上下对齐的每对P型半导体6通过内电极4和内导线5连成一体，起到一个P型半导体的功能，上下对齐的每对N型半导体7通过内电极4和内导线5连成一体，起到一个N型半导体的功能。上下两组外电极3把这样构成的N型半导体和P型半导体串联起来。一对端绝缘体1紧贴在上下两组外电极3的表面，与封装2一起把已经串联起来的的N半导体和P型半导体做成一个整体，成为一种隔热的半导体热电/电热转换元件。为了进一步提高这种隔热的半导体热电/电热转换元件的隔热效果，空间8可以做成并维持真空状态。

图5是用本发明的一种隔热的半导体热电/电热转换元件制作的半导体制冷/制热装置的示意图。按照帕尔贴效应，上层的外电极3把电子从P型半导体导向N型半导体，同时通过上层的端绝缘体1从周围吸收热量，降低上层的端绝缘体1本身和周围的温度；下层的外电极3把电子从N型半导体导向P型半导体，同时通过下层的端绝缘体1向周围放出热量，升高下层的端绝缘体1本身和周围的温度。其中真空的空间8阻断了热量从下部温度较高的端绝缘体1往上部温度较低的端绝缘体1的传递路径，提高了电热转换的效率。

图6是用本发明的一种隔热的半导体热电/电热转换元件制作的半导体温差发电装置的示意图。这个装置上部冷，下部热，按照塞贝克效应，下部热的端绝缘体1和上部冷的端绝缘体1在下部的外电极3和上部的外电极3之间形成温度梯度，把N型半导体内的载流子(自由电子)从下层外电极3通过内电极4和内导线5推向上层外电极3，形成一个下面是正极上面是负极的电动势；同时也把P型半导体内的载流子(空穴)从下部外电极3通过内电极4和内导线5推向上部外电极3，形成一个下面是负极上面是正极的电动势。上下两组外电极3把有电动势的N型半导体和P型半导体依次串联起来，形成稳定的温差电动势，利用上部与下部的温差发电。其中真空的空间8阻断了热量从下部温度较高的端绝缘体1往上部温度较低的端绝缘体1的传递路径，提高了热电转换的效率。

实施例2

本实施例中，为了方便这种隔热的半导体热电/电热转换元件的生产和制作，可以增加一层有过孔10的隔热绝缘层9，如图4所示。隔热绝缘层9内部设有多个过孔10，每个过孔10内设有用于连接上下两个内电极4的内导线5。

其他与实施例1相同。