热电制冷器件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体器件技术领域，提供了一种热电制冷器件，包括p型热电偶臂、n型热电偶臂、第一电极以及第二电极，p型热电偶臂的p型半导体和n型热电偶臂的n型半导体电连接，电连接的部位为可发热且发光的热端；第一电极与p型半导体电连接的部位为可制冷的第一冷端；第二电极与n型半导体电连接的部位为可制冷的第二冷端。还提供一种热电制冷器件的制备方法，包括S1和S2两个步骤。本发明专利技术通过将p型半导体和n型半导体直接电连接以得到能够发热且发光的热端，不仅能通过现有的散热手段将热量散出，还可以通过光能的形式散出，可使热端向冷端的传热量大大减小，可极大地提升热电制冷器件的制冷能力和制冷效率。

Thermoelectric refrigeration devices and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
热电制冷器件及其制备方法
本专利技术涉及半导体器件
，具体为一种热电制冷器件及其制备方法。
技术介绍
热电制冷技术是利用帕尔贴(Peltier)效应的一种制冷方法，帕尔贴效应的基本原理是在外电场作用下半导体材料中载流子由制冷端向发热端迁移，将热量从制冷端带到发热端而实现制冷。从目前研究来看，热电制冷器件的基本结构单元一般是由金属将n型和p型热电偶臂串联成π型结构，这种传统的制冷器件一般表现为热端发热冷端制冷。热电制冷技术具有结构简单、可靠性高、无运动部件和体积小等优点。目前，基于帕尔贴效应的热电制冷器件的设计以及应用的研究工作得到了科研人员很大的重视。CN108511590A的专利申请公开了一种由镀覆于开有通孔的绝缘绝热基板上的p型/n型半导体热电材料构成的热电偶对，热电偶对之间通过金属导电材料相连接，其可以减少热端的热向冷端传递。CN108131862A的专利申请公开了一种在散热端设有降温装置的微型热电制冷器，其能够快速降低热端散热片鳍片的温度，保证了半导体制冷片的正常使用。CN107462335A的专利申请公开了一种用于单光子探测的热电制冷系统，通过将热电制冷片热端的一部分热量传导至另一片热电制冷片，用于制造温差进行发电，采用该电能驱动风机等散热器，提高了散热段的散热效率。CN108733185A的专利申请公开了一种用于刀片服务器中央处理器的热电散热装置，采用热电制冷器件对冷却块进行制冷，可使冷却块迅速吸收热管内的热量，快速充分排放CPU芯片产生的热量，提高了散热效率。从目前的研究来看，热电制冷器件的n型和p型热电偶臂之间仍然全部由金属相连接，对于热电制冷器件的研究主要集中在利用外在设施增大热端散热量和减小热端向冷端的传热系数等，但是热电制冷器件依然存在制冷能力不足、制冷效率偏低等问题。造成这种问题的原因之一是热端发热量较大，有部分传递到了制冷端而未完全扩散出去，而制约了热电制冷器件的制冷能力和制冷效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种热电制冷器件及其制备方法，一方面通过将p型半导体和n型半导体直接电连接以得到能够发热且发光的热端，不仅能通过现有的散热手段将热量散出，还可以通过光能的形式散出，可使热端向冷端的传热量大大减小，可极大地提升热电制冷器件的制冷能力和制冷效率。为实现上述目的，本专利技术实施例提供如下技术方案：一种热电制冷器件，包括由至少一个p型半导体组成的p型热电偶臂以及由至少一个n型半导体组成的n型热电偶臂，所述p型热电偶臂的p型半导体和所述n型热电偶臂的n型半导体电连接，所述电连接的部位为可发热且发光的热端；所述p型热电偶臂的p型半导体远离所述热端的一端电连接有第一电极，所述第一电极与所述p型半导体电连接的部位为可制冷的第一冷端；所述n型热电偶臂的n型半导体远离所述热端的一端电连接有第二电极，所述第二电极与所述n型半导体电连接的部位为可制冷的第二冷端。进一步，所述p型半导体和所述n型半导体的数量均有多个，所述所述p型热电偶臂和所述n型热电偶臂以其电连接的部位为对称轴对称设置，各所述p型半导体以所述对称轴为起点朝背离所述n型热电偶臂方向依次电连接，各所述n型半导体以所述对称轴为起点朝背离所述p型热电偶臂方向依次电连接，靠近所述对称轴的所述p型半导体和靠近所述对称轴的所述n型半导体电连接，以形成所述热端，远离所述对称轴的所述p型半导体与所述第一电极电连接，以形成所述第一冷端，远离所述对称轴的所述n型半导体与所述第二电极电连接，以形成所述第二冷端。进一步，任一一组相邻的两个所述p型半导体电连接的部位均为可制冷的第三冷端，任一一组相邻的两个所述n型半导体电连接的部位均为可制冷的第四冷端。进一步，所述p型热电偶臂中的各所述p型半导体的价带能级沿靠近所述对称轴的方向逐个增加；所述n型热电偶臂中的各所述n型半导体的导带能级沿靠近所述对称轴的方向逐个增加。进一步，在靠近所述对称轴的所述p型半导体和靠近所述对称轴的所述n型半导体中，至少一个半导体的禁带宽度所对应的所述热端所释放的光子可不被晶体完全吸收。进一步，还包括电源，所述电源的正极、所述第一电极、所述p型热电偶臂、所述n型热电偶臂、所述第二电极以及所述电源的负极依次串联形成回路。进一步，所述p型半导体内具有若干空穴，所述n型半导体内具有若干电子，所述p型半导体内的空穴以及所述n型半导体内的电子在所述热端复合以形成光子。进一步，所述p型半导体和所述n型半导体均包括Bi2Te3基半导体、MgAgSb基半导体、β-Zn4Sb3基半导体、Mg3Sb2基半导体、PbX(X＝S,Se,Te)基半导体、SiGe合金半导体、Mg2X(X＝Si,Ge,Sn)基半导体、β-FeSi2基半导体、CoSb3基半导体、(Ti,Zr,Hf)CoSb基半导体、(Ti,Zr,Hf)NiSn基半导体、GaAs基半导体、GaP基半导体、GaN基半导体、GaAsP基半导体、AlGaInP基半导体、GaInN基半导体、AlGaAs基半导体材料中的一种或多种。进一步，所述第一电极和所述第二电极所采用的材料均与其相连的半导体所采用的材料的膨胀系数接近、界面结合强度高、接触电阻低以及接触热阻低。本专利技术实施例提供另一种技术方案：一种热电制冷器件的制备方法，包括如下步骤：S1，将由至少一个p型半导体组成的p型热电偶臂和由至少一个n型半导体组成的n型热电偶臂接触，使所述p型半导体和所述n型半导体电连接，以获得可发热且发光的热端；S2，在所述p型半导体远离所述热端的一端电连接第一电极，以获得可制冷的第一冷端，并在所述n型半导体远离所述热端的一端电连接第二电极，以获得可制冷的第二冷端。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：一方面通过将p型半导体和n型半导体直接电连接以得到能够发热且发光的热端，不仅能通过现有的散热手段将热量散出，还可以通过光能的形式散出，可使热端向冷端的传热量大大减小，可极大地提升热电制冷器件的制冷能力和制冷效率。附图说明图1为本专利技术实施例一提供的一种热电制冷器件的结构示意图；图2为本专利技术实施例一提供的一种热电制冷器件在通入电流的情况下，p型半导体与第一电极接触的能带图；图3为本专利技术实施例一提供的一种热电制冷器件在通入电流的情况下，n型半导体与第二电极接触的能带图；图4为本专利技术实施例一提供的一种热电制冷器件在通入电流的情况下，p型半导体与n型半导体接触的能带图；图5为本专利技术实施例一提供的一种热电制冷器件的热端温度与发光效率和电流的关系；图6为本专利技术实施例一提供的一种热电制冷器件的冷端温度与发光效率和电流的关系；图7为本专利技术实施例一提供的一种热电制冷器件的制冷效率与发光效率和电流的关系；1-p型热电偶臂；10-p型半导体；2-n型热电偶臂；20-n型半导体；3-热端；4-第一冷端；5-第二冷端；6-对称轴。具体实施方式实施例一：下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1-7，本专利技术实施例提供一种热电制冷器件，包括由至少一个p型半导体10组成的p型热电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热电制冷器件，包括由至少一个p型半导体组成的p型热电偶臂以及由至少一个n型半导体组成的n型热电偶臂，其特征在于：所述p型热电偶臂的p型半导体和所述n型热电偶臂的n型半导体电连接，所述电连接的部位为可发热且发光的热端；所述p型热电偶臂的p型半导体远离所述热端的一端电连接有第一电极，所述第一电极与所述p型半导体电连接的部位为可制冷的第一冷端；所述n型热电偶臂的n型半导体远离所述热端的一端电连接有第二电极，所述第二电极与所述n型半导体电连接的部位为可制冷的第二冷端。

【技术特征摘要】
1.一种热电制冷器件，包括由至少一个p型半导体组成的p型热电偶臂以及由至少一个n型半导体组成的n型热电偶臂，其特征在于：所述p型热电偶臂的p型半导体和所述n型热电偶臂的n型半导体电连接，所述电连接的部位为可发热且发光的热端；所述p型热电偶臂的p型半导体远离所述热端的一端电连接有第一电极，所述第一电极与所述p型半导体电连接的部位为可制冷的第一冷端；所述n型热电偶臂的n型半导体远离所述热端的一端电连接有第二电极，所述第二电极与所述n型半导体电连接的部位为可制冷的第二冷端。2.如权利要求1所述的热电制冷器件，其特征在于：所述p型半导体和所述n型半导体的数量均有多个，所述p型热电偶臂和所述n型热电偶臂以其电连接的部位为对称轴对称设置，各所述p型半导体以所述对称轴为起点朝背离所述n型热电偶臂方向依次电连接，各所述n型半导体以所述对称轴为起点朝背离所述p型热电偶臂方向依次电连接，靠近所述对称轴的所述p型半导体和靠近所述对称轴的所述n型半导体电连接，以形成所述热端，远离所述对称轴的所述p型半导体与所述第一电极电连接，以形成所述第一冷端，远离所述对称轴的所述n型半导体与所述第二电极电连接，以形成所述第二冷端。3.如权利要求2所述的热电制冷器件，其特征在于：任一一组相邻的两个所述p型半导体电连接的部位均为可制冷的第三冷端，任一一组相邻的两个所述n型半导体电连接的部位均为可制冷的第四冷端。4.如权利要求2所述的热电制冷器件，其特征在于：所述p型热电偶臂中的各所述p型半导体的价带能级沿靠近所述对称轴的方向逐个增加；所述n型热电偶臂中的各所述n型半导体的导带能级沿靠近所述对称轴的方向逐个增加。5.如权利要求2所述的热电制冷器件，其特征在于：在靠近所述对称轴的所述p型半导体和靠近所述对称轴的所述n型半导体中，至少一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙志刚，杨振，何雄，何斌，赵文俞，张清杰，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42