DE1181762B - Den Seebeck- oder den Peltier-Effekt ausnutzende Halbleiteranordnung - Google Patents

Den Seebeck- oder den Peltier-Effekt ausnutzende Halbleiteranordnung

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DE1181762B
DE1181762B DEW33928A DEW0033928A DE1181762B DE 1181762 B DE1181762 B DE 1181762B DE W33928 A DEW33928 A DE W33928A DE W0033928 A DEW0033928 A DE W0033928A DE 1181762 B DE1181762 B DE 1181762B
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DE
Germany
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lead
alloy
zinc
seebeck
tellurium
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Pending
Application number
DEW33928A
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English (en)
Inventor
Abner B Turner
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CBS Corp
Original Assignee
Westinghouse Electric Corp
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Publication date
Application filed by Westinghouse Electric Corp filed Critical Westinghouse Electric Corp
Publication of DE1181762B publication Critical patent/DE1181762B/de
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/852Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Description

  • Den Seebeck- oder den Peltier-Effekt ausnutzende Halbleiteranordnung Als n-leitende Materialien für thermoelektrische Halbleiteranordnungen sind Legierungen aus Blei, Tellur und Selen und aus Blei, Tellur und Zinn bekanntgeworden. Sie haben den Nachteil, daß ihre mechanische Festigkeit nur gering ist und daß sie daher bei der starken Beanspruchung in einem Thermoelement auf Grund der unterschiedlichen Wärineausdehnung leicht zerbrechen. Auch verändem sich ihre elektrischen Eigenschaften während eines längeren Betriebes. Legierungen anderer Zusammensetzung mit besseren Eigenschaften sind daher von besonderer Bedeutung.
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine den Seebeck-oder den Peltier-Effekt ausnutzeride Halbleiteranordnung aus mindestens je einem Schenkel aus p-leitendem und n-leitendem Material, von denen das n-leitende Material aus einer Legierung besteht, die Blei, Tellur und einen dritten Legierungspartner enthält.
  • Die Erfindung besteht darin, daß als dritter Partner Zink dient und daß die Zusammensetzung der Legierung durch die folgende Formel Pb" Te(1 Zn bestimmt ist mit der Nebenbedingung 0,42 < x < 0,66.
  • Die obere Bleigrenze richtet sich notwendigerweise nach der Sintertemperatur der Substanz, durch die bei Vorliegen einer übermäßigen Bleimenge eine Abscheidung des Bleis aus der Legierung verursacht werden kann. Die untere Grenze dagegen wird durch diejenige Menge an Dotiersubstanz bestimmt, welche erforderlich ist, um eine stark telluridhaltige Legierung in eine n-leitende Substanz umzuwandeln, ohne daß dabei irgendwelche elektrischen oder mechanischen Eigenschaften verlorengehen. Keinesfalls darf die Legierung jedoch so reich an Tellur werden, daß bei der Sintertemperatur eine Zerlegung der Legierung in einzelne Teile hervorgerufen wird, die dann keineswegs mehr homogen sind. Die besten Ergebnisse werden bei solchen Blei-Tellur-Anteilen erhalten, bei denen x zwischen 0,60 und 0,51 variiert. Der Zinkanteil beträgt vorzugsweise mindestens 0,25 und höchstens 0,75 Gewichtsprozent des Bleis und Tellurs. Es hat sich gezeigt, daß ein Zinkanteil von 0,75 Gewichtsprozent von besonderem Vorteil ist.
  • An Hand der Zeichnung und einiger Ausführungsbeispiele wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt # F i g. 1 eine thermoelektrische Anordnung gemäß der Erfindung im Schnitt, F i g. 2 eine graphische Darstellung der Abhängig4 keit des spezifischen Widerstandes und des Seebebk," Koeffizienten vom Zinkanteil.
  • Zum Herstellen der Legierung für den n-leitenden Schenkel wird folgendermaßen verfahren: Die AÜL teile von Zink, Blei und Tellur werden zusammen! in einem Schwingofen so weit erhitzt, daß alle Bestand#-teile schmelzen. Die Bestandteile werden dann; ih schmelzflüssigem Zustand in eine hin- und. hergehende Schwingbewegung versetzt, um eine innigt Vermischung und Dispersion der genannten Substaffi zen zu erzielen. Im nachfolgenden Beispiel wird, d#A Verfahren noch besser verdeutlicht. ; iA 1 Beispiel 1 Die Einwaage besteht aus 62,23 1%, Blei, 37,42e/ö Tellur, 0,25 1/o Zink. Die Substanzen werden annä;-hernd 2 Stunden lang in eine hin- und hergehehde Schwingbewegung versetzt und auf eine Temperatür von mindestens 1000' C erhitzt. Anschließend wird das Gemisch gelöscht, d. h., es wird aus dem Ofen genommen und unter der Einwirkung von Luft od6r Wasser gekühlt. Im Anschluß hieran wird das g& kühlte Material so weit zu einem Pulver zerkleineh, daß seine Korngröße annähernd 0,044 bis 0,3 mm beträgt und hierauf mit einem Druck von annäherüd 2 bis 6 t/cm2 zu Pillen der gewünschten Form ünd Größe und einer Dichte zwischen 7,95 und 8,05 g/cÜis verpreßt. Liegt die Dichte wesentlich niedriger als bei 7,95, so wird ein Material erhalten, das einen unerwünscht hohen spezifischen elektrischen Widerstand besitzt. Ein überschreiten eines Dichtewertes von annähernd 8,05 g/cm3 hat zur Folge, daß das Material während des Sintervorganges schichtweise Inigt. Der so erhaltene Festkörper wird s -pr' anschließend etwa 3 Stunden lang unter Vakuum bei einer Temperatur von annähernd 600' C gesintert.
  • Beim Sintern der Pille werden die einzelnen Teilchen derart zusammengeschmolzen, daß eine kontinuierliche Legierungsphase erhalten wird. Die so erzeugte Pille ist hart, bruchfest und besitzt auch genügend Kohäsionskraft, um ein Brechen während des Wärmezyklus, d. h. also während der periodischen Erhitzung und Abkühlung des Materials, durch die das Material starken Innenbeanspruchungen ausgesetzt wird, zu verhindern.
  • In der F i g. 1 ist eine Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung im Schnitt dargestellt. Mit 12 ist die gesamte Anordnung bezeichnet. In einem elektrisch isolierenden Körper 14 sind öffnungen vorgesehen, durch die die Schenkel der Anordnung hindurchgeführt sind. Mit 10 ist der n-leitende Schenkel und mit 18 der p-leitende Schenkel bezeichnet. Der p-leitende Schenkel kann z. B. aus mit Wismut dotiertem Germanium-Tellurid bestehen und der n-leitende Schenkel aus der Legierung gemäß der Erfindung. Ein aus einem Metall, beispielsweise Kupfer, Silber od. dgl. bestehender elektrisch leitender Streifen 20 wird innerhalb der durch den Körper 14 gebildeten Kammer derart auf der Stirnfläche 22 des Schenkels 18 und auf der Stimfläche 24 des Schenkels 10 angebracht, daß ein guter elektrischer und thermischer Kontakt damit hergestellt wird. Die Stirnflächen 22 und 24 können ihrerseits z. B. im Wege der Vakuumaufdampfung oder der Ultraschall-Lötung mit einer dünnen Metallschicht überzogen werden, so daß ein guter elektrischer Kontakt erzielt wird. Der aus Kupfer, Silber od. dgl. bestehende Metallstreifen 20 kann auf die mit dem Metallüberzug versehenen Stimflächen 22 und 24 im Hart- oder Weichlötverfahren aufgebracht werden. Des weiteren können an dem -Metallstreifen 20 geeignete Verrippungen od. dgl. angebracht sein, mit deren Hilfe diesem Streifen die Wärme aus der Kammer zugeführt wird, in der sich der Streifen befindet.
  • - An dem auf der Außenseite der Begrenzungswand 14 befindlichen Ende des Schenkels 18 ist eine Metallplatte oder ein Metallstreifen 26 in der gleichen Weise wie der Streifen 20 an der Stirnfläche 22 durch Hart- oder Weichlot befestigt. In ähnlicher Weise kann ein Metallstreifen oder eine Platte 28 am anderen Ende des Schenkels 10 befestigt sein. Die Platten 26 und 28 können ihrerseits mit Wärmeverteilungsrippen oder anderen Kühlmitteln versehen sein, welche dazu dienen, die an dieser Stelle erzeugte Wärme wieder abzuführen. An den Stirnplatten 26 und 28 ist außerdem ein elektrischer Leiter 30 angeschlossen, der zu dem Arbeitswiderstand 32 führt. hi die Leitung 30 ist ein Schalter 34 eingeschaltet, mit dessen Hilfe der elektrische Strom unterbrochen oder zum Fließen gebracht werden kann.
  • , , Die Anordnung eignet sich z. B. zur Erzeugung elektrischen Stromes, die in der Weise vor sich geht, ,daß ein heißes Gas oder ein anderes Wärmemittel .dber den elektrisch gut leitenden Streifen 20 strömt. ,,- Im Betrieb strömt ein heißes Gas oder ein anderes Wärinemittel in der durch die Pfeile 36 angezeigten Richtung und erhitzt damit den Streifen 20. An den Streifen 26 und 28 fließt ein Kühlmittel, z. B. ein Wasser- oder Kaltluftstrom, in der durch die Pfeile 38 angezeigten Richtung entlang, wodurch diese Teile auf einer Temperatur gehalten werden, welche niedriger ist als die Temperatur der Schenkel bei 22 und 24. Dadurch wird proportional zur Temperaturdifferenz ein elektrischer Gleichstrom erzeugt. Selbstverständlich kann auch eine Vielzahl von je zwei einander zugeordneten Thermoelementen gegebenenfalls in Reihe zusammengeschaltet werden, um auf diese Weise eine entsprechend hohe Spannung zu erhalten. Durch Reihenschaltung einer beliebigen Anzahl von je paarweise zusammengehörigen Elementen kann also ein Gleichstrom jeder beliebigen Spannung erzeugt werden.
  • Der Seebeck-Koeffizient des n-leitenden Schenkels, der aus einer Legierung, wie sie im Beispiel I beschrieben ist, aufgebaut ist, wurde bei einer zu beiden Seiten des Körpers 14 vorliegenden Temperaturdifferenz von 400 bis 150' C mit -285 Mikrovolt/' C ermittelt. Der spezifische elektrische Widerstand beträgt 13,0 - 10-3 (Ohm - cm), der errechnete Gütefaktor 0,62. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung seien noch folgende Beispiele angegeben: Beispiel II Eine n-leitende Legierung mit dem gleichen Blei-Tellur-Anteil wie im BeispielI wurde mit 0,50Gewichtsprozent Zink dotiert und anschließend in der ebenfalls im Beispiel I beschriebenen Weise zu einem n-leitenden Schenkel geformt. Beim Zusammenbau mit einem p-leitenden Schenkel der Zusammensetzung Geo.935 Bi "",Te zu einer Anordnung entsprechend der F i g. 1 wurden der Gütefaktor des ii-leitenden zinkdotierten Blei-Tellurid-Schenkels für eine Temperaturdifferenz von 400 bis 150' C sowie der Seebeck-Koeffizient und der spezifische elektrische Widerstand ermittelt. Die entsprechenden Werte sind den Kurven in F i g. 2 zu entnehmen.
  • Beispiel 111 Eine n-leitende Legierung mit den gleichen Anteilen an Blei und Tellur, wie bei den vorhergehenden Beispielen, wurde mit 0,75 Gewichtsprozent Zink dotiert und anschließend in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise zu einem n-leitenden Schenkel geformt. Nach dem Zusammenbau mit einem p-leitenden Schenkel zu einer Anordnung entsprechend F i g. 1 wurden der Seebeck-Koeffizient und der spezifische elektrische Widerstand über einen Temperaturbereich von 400 bis 150' C ermittelt. Die entsprechenden Werte sind den Kurven in F i g. 2 zu entnehmen.
  • In F i g. 2 ist in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes und des Seebeck-Koeffizienten von zinkdotierten Blei-Tellurid-Legierungen dargestellt. Auf der Abszisse sind die Gewichtsprozente an Zink, auf der rechten Ordinate der spezifische elektrische Widerstand p und auf der linken Ordinate der Seebeck-Koeffizient oc aufgetragen. Die durchgehend gezeichnete Kurve zeigt die Abhängigkeit des Seebeck-Koeffizienten von der Zinkmenge. Die gestrichelt gezeichnete Kurve zeigt die Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von der vorgegebenen Zinkmenge. Aus den Kurven ist ersichtlich, daß die größten Vorteile der Zinkdotierang dann erzielt werden, wenn das Zink etwa 0,75 Gewichtsprozent des thermoelektrischen Materials ausmacht. In dem Maße, wie die Zinkmenge auf etwa 0,25 Gewichtsprozent der thermoelektrischen Substanz oder auf weniger absinkt, erfolgt eine plötzliche Zunahme des elektrischen spezifischen Widerstandes, und in den Fällen, in denen die thermoelektrische Substanz im wesentlichen weniger als 0,25 Gewichtsprozent Zink enthält, können keinerlei wesentliche Vorteile mehr erzielt werden.

Claims (1)

  1. Patentansprüche: 1. Den Seebeck- oder den Peltier-Effekt ausnutzende Halbleiteranordnung, bestehend aus mindestens je einem Schenkel aus p-leitendem und n-leitendem Material, von denen das n-leitende Material aus einer Legierung besteht, die Blei, Tellur und einen dritten Legierungspartner enthält, dadurch gekennzeichnet, daß als dritter Legierungspartner Zink dient und daß die Zusammensetzung der Legierung dÜrch die Formel Pb.,Te(,-.)Zn bestimmt ist mit der Nebenbedingung 0,42:#g x:##_ 0,66. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Zinkanteil mindestens 0,25 und höchstens 0,75 Gewichtsprozent des Bleis und TeRurs beträgt. 3. Anordnung nach Anspnwä 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbältnis des Bleianteils zum Telhiranteil durchdie'Bedüigung 0,51::5#- x < 0,60 gegeben ist und daß der jinl#-anteil 0,75 ID/o des Blei-Tellur-Gewichtes beträgt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1049 4,52; »Physica status solidi«, 1961, S. K 117; »Comp. Rendus«, Bd. 249 (1959), S. 1872 bis 1874.
DEW33928A 1962-02-26 1963-02-19 Den Seebeck- oder den Peltier-Effekt ausnutzende Halbleiteranordnung Pending DE1181762B (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3027461A1 (de) * 1980-07-19 1982-02-18 Ernst Leitz Wetzlar Gmbh, 6330 Wetzlar Verstellvorrichtung fuer den objekttisch eines optischen instruments

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1049452B (de) * 1954-07-12

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