CN103180986A - 用在热电模块中的由热电材料构成的半导体元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由热电材料（4）构成的半导体元件（1），该半导体元件具有至少一个缺口（7）并且包括第一端面（2）和相对设置的第二端面（3）。与第一端面（2）或第二端面（3）平行地穿过热电材料（4）并穿过缺口（7）的横截面（8）形成一比第一端面（2）大至多20%的面积（10），该横截面同时形成比第二端面（3）小的面积（10）。

Description

用在热电模块中的由热电材料构成的半导体元件

技术领域

本发明涉及一种用在热电模块中的由热电材料构成/制成的半导体材料。热电模块用于借助发电机例如由机动车内燃机的排气产生电能。因此，这特别是涉及用于将排气的热能转换成电能的发电机，即所谓的热电发电机。

背景技术

来自机动车内燃机的排气含有热能，该热能可借助于热电发电机转化成电能，以例如对电池或蓄能器充电或者直接给耗电装置输送所需能量。由此，机动车以改善的能量效率运行且更多的能量可被用于使机动车运行。

这种热电发电机具有至少一个热电模块。热电材料是一种能有效地将热能转化成电能（塞贝克效应）和将电能转化成热能（珀耳帖效应）的材料。这种热电模块优选具有多个热电元件，这些热电元件设置在所谓的热侧和所谓的冷侧之间。热电元件包括至少两个半导体元件（p型掺杂和n型掺杂），所述半导体元件在其上侧和下侧上朝向热侧和冷侧交替地设有导电桥。陶瓷板或陶瓷层和/或类似材料用于使金属桥相对于包围热电模块的壳体绝缘，因而优选设置在金属桥与壳体之间。如果在半导体元件的两侧提供温度降，则在半导体元件的端部之间形成电势。在较热侧上的带电粒子由于较高的温度而增强地被激励到导电带中。由于在此情况下在导电带中产生的浓度差，带电粒子扩散到半导体元件的较冷侧，由此产生电势差。在热电模块中，特别是使大量的半导体元件电串联。为了确保串联半导体元件中所产生的电势差不会彼此抵消，总是交替地使带有不同优势带电粒子（n型掺杂和p型掺杂）的半导体元件直接电接触。借助于一连接的负载电阻可以使电路闭合并从而输出电功率。

已经作出努力来提供应用在机动车、特别是乘用车中的合适的热电发电机。但其制造大多非常昂贵并且具有效率低的特点。因此仍不能实现大批量生产。

发明内容

基于此本发明的目的在于，至少部分地解决参照现有技术描述的技术问题。特别是希望提供一种半导体元件，该半导体元件在考虑高成本半导体材料的引入量的同时实现在所提供的热能到电能的转换方面实现改善的效率。

该目的通过具有权利要求1、4或6的特征的半导体元件来实现。根据本发明的半导体元件以及该半导体元件在上级结构单元中的集成的有利实施方案在从属权利要求中给出。应当指出的是，在权利要求中单独列出的特征可以用任意的、技术上合理的方式彼此组合并且得出本发明的其它实施方案。说明书特别是与附图相结合地对本发明作出进一步的说明并且给出了本发明的其它的实施例。

根据本发明的第一方面，该半导体元件由热电材料构成并带有至少一个缺口并且包括第一端面和相对设置的第二端面。与第一端面或第二端面平行地穿过热电材料并穿过缺口的横截面在此形成一比第一端面大至多20%的面积。同时该横截面具有比第二端面小的面积。

半导体元件是特别是n型掺杂的或p型掺杂的半导体元件并因此适用于形成热电元件，该热电元件可以用在热电模块中，该热电模块用于从例如排气的热能产生电能。在此，第一端面和相对设置的第二端面被分别分配给热侧和冷侧，从而热流能穿过半导体材料从第一端面流到第二端面或者从第二端面流到第一端面。由于该热流而在相应电连接的热电元件内部产生电流，从而一电流流过热电元件并且能在为此设置的触点上被导出。

根据本发明的半导体元件在此时具有尺寸不同的端面。这种半导体元件例如作为圆环形的半导体元件被插入到管状的热电模块中，其中一个端面由圆环形半导体元件的外周面形成，而另一端面由圆环形半导体元件的内周面形成。该外周面在此一般大于内周面。由热电材料构成的半导体元件的电流产生与被热流穿流过的横截面大致成比例。因此，在圆环形的半导体元件中在外周面附近存在热电材料过剩，因为该较大的横截面对于该（有限的）热流不是必需的。通过提供（多个）缺口，允许与该有限的热流相匹配，从而在此情况下实际上在（几乎）每个横截面中对于（有限的）热流/所产生的电流有效地提供基本上相同的热电材料。换言之，由此通过减少内部存在的热电材料来补偿朝向热侧和朝向冷侧的端面的外形的变化。

因此，为了节省因此不必要的热电材料而提出：提供具有至少一个缺口的半导体元件。特别是提供和/或形成（多个）缺口，使得由此基本上补偿沿径向方向或者沿半导体元件的高度方向的横截面增大。特别优选地，至少在半导体元件的在第一端面和第二端面之间延伸的高度的至少60%（或者甚至至少80%）的分量上是这样的。由此，与无缺口的同样大小的半导体元件相比可以节省例如至少20%或甚至至少40%的热电材料，而不会由此明显地不利影响效率和/或功能性。这导致显著的成本节约——其在当前昂贵的热电材料和希望大批量生产这种发电机方面是特别重要的。

根据半导体元件的一特别有利的实施方案，所述横截面至少与第一端面相当。换言之这意味着，热电材料中的横截面不应当小于两个端面中较小的一个，从而该半导体元件在内部不具有瓶颈部。该“瓶颈部”使热流或者所产生的电流受到半导体元件的相应的在第一端面和第二端面之间的至少部分变窄的限制，从而使所用的热电材料量不被有效地利用。

根据一特别有利的实施方案，所述至少一个缺口与第一端面和第二端面间隔开。由此实现了：面对热侧或者冷侧的端面是尽可能大面积的，从而使得每个半导体元件使用的热电材料都被有效地利用。这同时确保了：该半导体元件具有高结构稳定性（例如框架形式），因为该缺口位于半导体元件内部并因此能避免半导体元件——特别是在热电模块组装期间——被损坏。

根据本发明的第二方面，所述目的还通过一圆弧段状的半导体元件实现，该半导体元件由热电材料构成并具有外周面和内周面以及沿周向方向延伸的前侧和相对设置的后侧。前侧和后侧沿径向方向朝向外周面彼此接近，其中平行于外周面或内周面地穿过热电材料的多个横截面分别具有如下的面积：该面积是内周面的至多120%。

在圆弧段状的半导体元件中，在维持相同目标的情况下一无缺口的实施方案也可以实现与上文中参照本发明第一效果所述的情况相同的效果。在内周面和外周面之间的横截面的减小在此特别是通过圆弧段状的半导体元件沿径向方向或者在其高度上的连续缩减/收缩来实现。由此，圆弧段状的半导体元件沿轴向方向的厚度在外周面上比在内周面上小。另外，圆弧段状的半导体元件沿周向方向的延展尺寸可以设计成，使得外周面沿周向方向比内周面沿周向方向窄。圆弧段状的半导体元件的这种设计方案同样是根据本发明的，并且导致平行于外周面或内周面地穿过热电材料的多个横截面分别具有如下的面积：该面积是内周面的至多120%。

显然也可能是，前侧和后侧的接近还阶梯式地和/或局部地设置。此外还可以在上述意义上附加地设置至少一个缺口。

半导体元件沿径向方向的该减小在此优选基本上匹配于周长或者周向横截面的扩大，从而还以此方式根据“短且厚”的内周面而为热流或者电流提供相应的“长且细”的周向横截面或者最终一相应的“最长且最细”的外周面。另外与恒定厚度的半导体元件相比由此可以节省例如至少20%或甚至至少40%的热电材料，而不会明显地不利影响效率和/或功能性。

根据半导体元件的另一特别的实施方案，所述横截面至少相当于内周面。由此另外实现了：在外周面和内周面之间不产生所谓的瓶颈部，该瓶颈部使半导体元件在由穿流过它的热流产生电流方面的效率受到限制。

根据本发明的第三方面，上述目的也通过热电材料的半导体元件实现，该半导体元件具有一端面和相对设置的第二端面、前侧和相对设置的后侧、第一侧和相对设置的第二侧。前侧和后侧沿从第一端面朝向第二端面的方向彼此接近，且第一侧和第二侧沿所述方向彼此远离。由此，与第一端面或第二端面平行地穿过热电材料的多个横截面各自包括具有如下尺寸的面积，这些尺寸至多仅改变5%。

特别是，第一端面和第二端面大小相同，但具有不同的几何形状，从而第一端面的几何形状通过不彼此平行的前侧和后侧以及第一侧和第二侧与第二端面的几何形状相连接。特别是，在第一端面和第二端面之间的该形状过渡中同样不产生所谓的瓶颈部，也就是说，在端面尺寸相同的情况下在第一端面和第二端面之间的横截面的面积的大小同样不发生变化。在端面的尺寸不同的情况下，相应地在其间叠置的横截面应当连续地从较小的面积改变到较大面积尺寸的较大的面积。在较小面积与较大面积之间的该过渡特别是线性地进行，从而在所观察的横截面距离相同的情况下，横截面尺寸的增大是恒定的。

显然地，通过为热流/电流提供基本恒定的横截面也可以附加地设置至少一个缺口和/或（局部的）缩减。

根据另一特别有利的实施方案，提供一热电模块，该热电模块具有至少两个根据本发明的半导体元件，所述半导体元件特别是n型掺杂的或p型掺杂的并且由此共同形成热电元件。为了具体地实施这种模块，特别是参照在上文中的说明以及对附图的说明。

本发明特别是应用在具有相应热电模块的机动车中，该热电模块具有根据本发明的半导体元件。在此热电模块特别是集成在热电发电机中，该热电发电机优选具有多个热电模块。该热电发电机将由机动车的发动机的排气获得的电能输入机动车的负载或电池。

附图说明

下面参照附图更详细地说明本发明以及技术领域。应当指出的是，附图示出本发明的特别优选的变型实施方案，但本发明不限于此。附图示意性地示出：

图1：半导体元件的第一变型实施方案；

图2：半导体元件的另一第一变型实施方案；

图3：半导体元件的第二变型实施方案；

图4：根据图3的半导体元件的俯视图；

图5：半导体元件的第三变型实施方案；

图6：根据图5的半导体元件的侧视图；

图7：图5和图6的半导体元件的第一横截面；

图8：图5和图6的半导体元件的第二横截面；和

图9：带有根据第二变型实施方案的本发明半导体元件的热电模块。

具体实施方式

图1示出半导体元件1的第一变型实施方案，该半导体元件具有较小的第一端面2和较大的第二端面3且由热电材料4构成。第一端面与第二端面3间隔一高度32。半导体元件1另外具有一缺口7，该缺口在热电材料4内部穿过半导体元件1延伸。在热电模块中的安装状态下，该缺口7特别是被填充以空气、真空、保护气、陶瓷或云母材料。一横截面8与第一端面2或第二端面3平行地设置且还还与缺口7相交。横截面8的面积10比第一端面大至多20%并且同时比第二端面3小。在此情况下，横截面8仅包括与热电材料4相交的区域。也就是说，横截面8不包括与缺口7相交的区域。

图2示出半导体元件1的另外的第一变型实施方案。该半导体元件1实施成圆环形并且相应地具有内周面12和外周面11，所述内周面12和外周面11向内和向外限定半导体元件1。另外半导体元件具有一前侧13和一在此未示出的后侧。在前侧13上可见缺口7，该缺口设置在半导体元件1内部。一横截面8在此实施成与第一端面（内周面12）和第二端面（外周面11）平行，其中横截面8的面积比内周面12大至多20%并且同时该横截面8的面积比外周面11小。半导体元件1的邻近外周面11设置的热电材料4由于沿径向方向6向外在周向方向5中变得更宽的缺口7而相应地减少。由此可以节省热电材料4而不会使半导体元件1在运行中、即在安装在热电模块中的情况下的效率降低。

图3示出半导体元件1的第二变型实施方案的剖视侧视图。该圆环形的半导体元件1具有外周面11和内周面12并且在侧向通过前侧13和后侧14限定，所述外周面11和内周面12彼此间的距离限定一高度32。在半导体元件1内部设有多个横截面8，所述多个横截面与外周面11或内周面12平行地分别具有面积10，所述面积至多为内周面12的120%。半导体元件1的由前侧13和后侧14彼此间的距离限定的并且沿轴向方向31延伸的厚度在径向方向6上从内周面12起朝向外周面11降低，从而满足用于半导体元件1的前述条件。

图4示出根据图3的半导体元件1的俯视图，从而在此前侧13可见地位于图纸平面中，而后侧14被覆盖。圆环形的半导体元件1在外部通过其外周面11限定并且在内部通过其内周面12限定，并且具有沿周向方向5延伸并且沿径向方向6相继设置的横截面8，所述横截面与外周面11平行地或沿周面12与半导体元件1相交。

图5示出半导体元件1的第三变型实施方案。该半导体元件具有第一端面2和第二端面3，所述第一端面2和第二端面3彼此间隔开一高度32，该半导体元件还具有前侧13和后侧14以及位于图纸平面中的第一侧15和在图5中被覆盖住的第二侧16。具有热电材料4的半导体元件1在此具有第一、第二横截面8，所述第一、第二横截面彼此叠置且与第一端面2或第二端面3平行地与热电材料4相交。

图6以转过90°后的视图示出图5的半导体元件1，从而在此除第一端面2和第二端面3和前侧13以及第一侧15外，第二侧16也是可见的。在图6中，第一侧15和第二侧16沿从第一端面2起朝向第二端面3的方向20彼此远离，而在图5中前侧13和后侧14沿从第一端面2起朝向第二端面3的方向20彼此接近。在图6中也示出第一和第二横截面8。

图7示出图5和6所示的上部横截面8，该上部横截面穿过热电材料4在前侧13、后侧14、第一侧15和第二侧16之间延伸。该横截面8的面积10的尺寸9与第一端面2和第二端面3相比仅相差至多5%。

相应地，图8示出图5和6的半导体元件1的第二下部横截面8。该横截面8同样由前侧13、后侧14、第一侧面15和第二侧面16限定。横截面8与热电材料相交并且相应地具有面积10，该面积10的尺寸9同样与第一端面2和第二端面3相差至多5%。

图9示出热电模块17，该热电模块具有多个根据第二变型实施方案的圆环形半导体元件1。该半导体元件环形地围绕一内管22设置在一外管21内部，其中内管22形成一通道23，该通道被热介质26穿流过并且从而沿一中央轴线24被穿流过并且形成热侧27。冷介质25流过外管21从而在此形成冷侧28。半导体元件1因此在由外管21形成的冷侧28与由内管22形成的热侧27之间延伸。半导体元件1形成成对的热电元件18并且相应地依次地沿中央轴线24设置在内管22上。朝向外管变大的半导体元件1之间的距离被绝缘材料30填充，所述绝缘材料可以包括例如空气、真空、保护气、陶瓷或还包括云母材料。半导体元件1交替地在外管21侧上或者在内管22侧上通过金属桥29彼此连接，从而由热介质26的热能产生电流并且该电流可流过热电模块17。热电模块17设置在机动车19内部、特别是热电发电机内部。

附图标记列表

1   半导体元件

2   第一端面

3   第二端面

4   热电材料

5   周向方向

6   径向方向

7   缺口

8   横截面

9   尺寸

10  面积

11  外周面

12  内周面

13  前侧

14  后侧

15  第一侧

16  第二侧

17  热电模块

18  热电元件

19  机动车

20  方向

21  外管

22  内管

23  通道

24  中央轴线

25  冷介质

26  热介质

27  热侧

28  冷侧

29  金属桥

30  绝缘材料

31  轴向方向

32  高度

Claims (7)

1.一种由热电材料（4）构成的半导体元件（1），该半导体元件具有至少一个缺口（7）并且包括第一端面（2）和相对设置的第二端面（3），其中与所述第一端面（2）或所述第二端面（3）平行地穿过所述热电材料（4）并且穿过所述缺口（7）的横截面（8）形成一比所述第一端面（2）大至多20%的面积（10），该横截面同时形成比所述第二端面（3）小的面积（10）。

2.按照权利要求1所述的半导体元件（1），其特征在于，所述横截面（8）至少与所述第一端面（2）相当。

3.按照权利要求1或2所述的半导体元件（1），其特征在于，所述至少一个缺口（7）与所述第一端面（2）和所述第二端面（3）间隔开。

4.一种圆弧段状的半导体元件（1），该半导体元件具有外周面（11）和内周面（12）以及沿周向方向（5）延伸的前侧（13）和相对设置的后侧（14）并且具有设置在它们之间的热电材料（4），所述前侧和所述后侧沿径向方向（6）朝向所述外周面（11）彼此接近，其中与所述外周面（11）或所述内周面（12）平行地穿过所述热电材料（4）的多个横截面（8）各自具有如下的面积（10）：该面积是所述内周面（12）的至多120%。

5.按照权利要求4所述的半导体元件（1），其特征在于，所述横截面（8）至少与所述内周面（12）相当。

6.一种半导体元件（1），该半导体元件具有第一端面（2）和相对设置的第二端面（3）、前侧（13）和相对设置的后侧（14）、第一侧（15）和相对设置的第二侧（16）、以及设置在它们之间的热电材料（4），其中所述前侧（13）和所述后侧（14）沿从所述第一端面（2）朝向所述第二端面（3）的方向（20）彼此接近，且所述第一侧（15）和所述第二侧（16）沿所述方向（20）彼此远离，并且其中与所述第一端面（2）或所述第二端面（3）平行地穿过所述热电材料（4）的多个横截面（8）各自包括具有尺寸（9）的面积（10），所述尺寸（9）仅改变至多5%。

7.一种热电模块（17），该热电模块具有至少两个根据上述权利要求中任一项所述的半导体元件（1），所述半导体元件共同形成热电元件（18）。

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