DE1464073A1 - Semiconductor thermocouple - Google Patents
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Description
Halbleiter-ThermoelementSemiconductor thermocouple
PB-Hr. 25 52QPB-Mr. 25 52Q
(Es wird die Priorität vom 3· Januar 1961 aus der britischen Patentanmeldung Application Nr. 229/61, Case A-HIi 819 beansprucht)(It becomes the priority of January 3, 1961 from the British Patent application Application No. 229/61, Case A-HIi 819 claimed)
Die vorliegende Erfindung bezieht eich auf Halbleiterstoffe mit verbesserten elektrischen Eigenschaften zur Verwendung in thermoelektrische^ Geräten·The present invention relates to semiconductor materials with improved electrical properties for use in thermoelectric devices
Gewisse Halbleiterstoffe haben in letzter Zeit aufgrund ihrer im Vergleich zu Metallen hohen thermo elektrischen Kraft zunehmende Bedeutung als Material für !hermoelemente erlangt. Thermoelektrische Halbleitergeräte bestehen im allgemeinen aus zwei Körpern einer intermetallischen Halbleiterverbindung mit unterschiedlichem LeitungsCharakter, die an einem Ende durch eine Metallplatte verbunden sind und an ihren anderen Enden getrennte Metallplatten aufweisen. Sie beiden Körper können von gleichem oder unterschiedlichem Halbleitermaterial sein. In einem typischen Thermoelement bildet die den beiden Körpern gemeinsame Metallplatte die heiße Kontaktstelle, wobei die relativen, hohen und tiefen Temperaturen der Kontaktstellen einen entscheidenden faktor für den Wirkungsgrad dee Thermoelements darstellen,,Certain semiconductor materials have recently had a high thermoelectric power compared to metals Gaining increasing importance as a material for thermocouples. Semiconductor thermoelectric devices generally consist of two bodies of semiconductor intermetallic compound with different leadership character, which at one end are connected by a metal plate and have separate metal plates at their other ends. You two bodies can be of the same or different semiconductor material. In a typical thermocouple, this forms the two Body common metal plate the hot contact point, with the relative, high and low temperatures of the contact points a decisive factor for the efficiency of the thermocouple represent,,
Bei der praktischen Anwendung thermoelektrisoher Erscheinungen der Halbleiter hat es sich herausgestellt, daß die gleich« zeitige Anwesenheit von Löchern und Elektronen unzweckmäßig ist, wenn Löcher- und Elektronenbeweglichkeit ungefähr gleich sind. Überdies ist es von Vorteil, Halbleiter mit hoher elektrischerIn the practical application of thermoelectric phenomena the semiconductor it turned out that the same « the early presence of holes and electrons is inexpedient when hole and electron mobility are approximately equal. Moreover, it is advantageous to have semiconductors with high electrical
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Leitfähigkeit & zu verwenden» Beide Forderungen werden erfüllt« indem Verunreinigungen in den Halbleiter eingeführt werden, die entweder freie Elektronen oder Löcher in dem Material erzeugen· Auf diese Weise wird eine Verbesserung der thermoelektrisehen Eigenschaften der Halbleiter erreicht· Sie thermoelektrische Kraft eines Halbleiters (besogen auf die erzeugte Thermo-SSK) variiert stark mit der Reinheit und der Vollkommenheit der Probe und hängt also von der !Prägerkonzentration ab, von welcher wie« derum die leitfähigkeit abhängt. Zu den von einem Halbleiterstoff, der für thermoelektrische Anwendungen Verwendung finden soll, geforderten iöigenschaften gehört nicht nur eine hohe thermoelektrische Kraft, sondern auch ein möglichst geringer Widerstand und eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit. Das gewünschte Material soll also einen niedrigen Wert der Lorens-Zahl Xi » K/#T (wobei 1S die Temperatur des Materials/°K, K die thermische Leitfähigkeit undC^ die elektrische Leitfähigkeit ist) aufweisen· üJine dimensionslose GrößeConductivity & to use "Both requirements are met" by introducing impurities into the semiconductor, which either generate free electrons or holes in the material · In this way an improvement in the thermoelectric properties of the semiconductor is achieved · The thermoelectric power of a semiconductor (sucked on The thermal SSK produced varies greatly with the purity and perfection of the sample and therefore depends on the concentration of the imprinting agent, on which in turn the conductivity depends. The properties required of a semiconductor material which is to be used for thermoelectric applications include not only a high thermoelectric force, but also the lowest possible resistance and the lowest possible thermal conductivity. The desired material should therefore have a low Lorens number Xi >> K / # T (where 1 S is the temperature of the material / ° K, K is the thermal conductivity and C ^ is the electrical conductivity)
Ui s S2At d.ho <Sää m- S%T/K - S2T. Ui s S 2 At d.ho <Sää m- S% T / K - S 2 T.
kann daher so hoch wie möglich sein, wobei der spezifische Widerstand des Materials und S dsr Seebeckkoeffizisnt (im Material erzeugte Thermo-EMK/BinlrvSit Temperaturöifferenz/°O) ein Maß der thermoelektrische^, K;.:&ft ist. Die sogenannte Gütezahl«^ ist ein entscheidet©^ Pakt or für öen Wirkungsgrad des Thermoelements und hat selbstverständlich (bei gegebanem Störstellenniveau oder gegebener Störstellenträgerkonz©ni;ration im Material) seinen höchstes Wert nur bei einer ganz bestimmten Temperatur· Überdies sind ganz allgemein bei einem Thermoelement das als theraoelektrischer Generator wirkt größere Temperaturdifferen&en erforderlich als bei einem Thermoelement für thermoelektrische Kühlung: und daher kann die Temperaturabhangigkttt der entsprechenden Parameter (K, ®* und S) Ass theraoeltktrieohan Materials nicht vernachlässigt werden» In einer Situation, wo Temperatürdifferenzen von mehreren Hundert Grad betrachtet werden« wird es nicht immer möglichcan therefore be as high as possible, whereby the specific resistance of the material and S dsr Seebeckkoeffizisnt (thermal EMF generated in the material / BinlrvSit Temperaturöifferenz / ° O) a measure of the thermoelectric ^, K ;. : & ft is. The so-called figure of merit is a decisive factor for the efficiency of the thermocouple and of course has its highest value only at a very specific temperature Thermocouple that acts as a theraoelectric generator requires greater temperature differences than with a thermocouple for thermoelectric cooling: and therefore the temperature dependency of the corresponding parameters (K, ® * and S) as theraoeltktrieohan materials cannot be neglected »In a situation where temperature differences of several hundred degrees being viewed «it is not always possible
3 809901/0426 ^omaiHAL 3 809901/0426 ^ omaiHAL
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•ein. ein einzelnes Material im Thermoelement zu verwenden, da die iSigenleitung die gewünschten mit dem Material erreichten höchsten Gütezahlen verhindern kann.•a. to use a single material in the thermocouple because the iSigenleitung achieved the desired with the material can prevent highest figures of merit.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Halbleiter-Thermoelement, in dem gegenüber tem Bekennten höhere vierte der Gütezahl erreicht werden.The present invention is a semiconductor thermocouple, higher fourth of the figure of merit in the opposite of the confessed can be achieved.
Gemäß vorliegender Erfindung wird in einem Halbleiter- Thermoelement, in dem die Leitfähigkeit vorzugsweise vom n- oder p-Iyp ist, das Störstellenniveau progressiv so abgestuft, daß die maximale Gütezahl des Materials entsprechend der unter den Betriebsbedingungen im Körper erstellten Temperaturverteilung bleibt.According to the present invention, in a semiconductor thermocouple, in which the conductivity is preferably of the n- or p-Iyp, the level of impurities progressively graded so that the maximum figure of merit of the material corresponding to that of the Operating conditions in the body created temperature distribution remain.
Sie theoretische Bestimmung der optimalen Verteilung des Störstellenniveaus im Thermoelement erscheint auf dem ersten Blick schwierig, da die Temperaturverteilung nicht von der gewählten Störstellenverteilung abhängt. Sind jedoch die optimalen Werte vom Seebeckkoeffizienten S, vom elektrischen Widerstand f und von der thermischen leitfähigkeit E über lern Temperaturbereich, in dem das* Thermo element betrieben wird bekannt, so ist das Problem der Bestimmung der erforderlichen Verteilung nur eiine numerische) BBrechnuiig.The theoretical determination of the optimal distribution of the impurity level in the thermocouple appears difficult at first glance, since the temperature distribution does not depend on the chosen impurity distribution. If, however, the optimum values of the Seebeck coefficient S, of the electrical resistance f and of the thermal conductivity E are known over the temperature range in which the thermocouple is operated, then the problem of determining the required distribution is only a numerical one.
Aus einer Betrachtung der einfachen Theorie theπαοelektrischer Geräte kann gezeigt werden, daß der Seebeckkoeffiztent S für die maximale (Kiteza&l bei einer gegebenen Temperatur im Thermoelement duroh folgende Glelehung, gegeben, ists 2From a consideration of the simple theory theπαοelectric Devices can be shown that the Seebeck coefficient S for the maximum (Kiteza & l at a given temperature in the thermocouple given the following equation, it is 2
dabei istis there
k die Boltzmaiine 2hö Komstantek the Boltzmaiine 2hö Komstante
K^ die thermische G-it-terleitfähigkeit eK ^ the thermal conductivity of G-it e
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Wenn aleo K-J&C ^t* so *B* der rfer* Von s aahesu konstant, wit immer auch die Betriebsbedingungen sein mögen, wenn die Gütezahl auf jeder Stelle des Thermoelements auf ihrem optimalen Wert sein soll. Nimmt man S als genau konstant an, eo erfordert die obige Bedingung, daß die Trägerkonzentration n, d.h. dae Störstellenniveau so variiert, daß η er T , wobei I die Betriebstemperatur iet. Da überdies im störstellenarman Leitungszustand, entsprechend der gesättigt en n- oder p-Leitfähigkeit die Trägerkonzentration η mit der Temperatur nicht variiert, kann die Gleichung des Wärmeflusses entlang dem Thermoelement im stabilen Zustand If aleo KJ&C ^ t * so * B * der rfer * Von s aahesu constant, wit always be the operating conditions, if the figure of merit should be at its optimal value at every point of the thermocouple. If S is assumed to be exactly constant, the above condition requires that the carrier concentration n, ie the level of the impurity, varies such that η er T, where I is the operating temperature. Furthermore, since the carrier concentration η does not vary with the temperature in the conduction state with little interference, corresponding to the saturated n or p conductivity, the equation of the heat flow along the thermocouple in the stable state can be used
di* (K grad T) + j2/cf » 0 .....·.«.(2)di * (K degrees T) + j 2 / cf »0 ..... ·.«. (2)
(wobei ;} die Dichte des elektrischen stromes ist) in ihrem eindimensionalen Bereich integriert werden, eo daß die relative Verteilung von Donatoren und Akzeptoren in und/oder entlang dem Thermoelement erhalten wird· -aus der Lösung dieser Gleichung kann bei Einführung der entsprechenden Grenäbedingungen und folgender Vereinfachung ein Ausdruck für die Temperaturverteilung entlang dem Thermoelement erhalten wtirden. Da nCf3/2f fcaan aie gewünschte Verteilung freier Elektronen oder löcher entlang dem Leiter mathematisch mit folgender Gleichung errechnet werden:(where;} is the density of the electric current) can be integrated in its one-dimensional range, eo that the relative distribution of donors and acceptors in and / or along the thermocouple is obtained The following simplification would give an expression for the temperature distribution along the thermocouple. Since nCf3 / 2 f fcaan ai e desired distribution of free electrons or holes along the conductor can be calculated mathematically with the following equation:
n/n0 n / n 0
£ die Länge des Thermoelements T die Temperatur in einer .Entfernung χ vom kalten £ the length of the thermocouple T the temperature at a .distance χ from the cold
Ende des Thermoelements T* die Temperatur bei χ « ^f T die Temperatur bei χ = ο η die Trägerkonzentration :ui einer -uJntferaiingEnd of the thermocouple T * the temperature at χ «^ f T the temperature at χ = ο η the carrier concentration: ui an -uJntferaiing
x vom kalten finde des Thermoelements und n0 die Trägerkonzentration bei 2: « c x from the cold find of the thermocouple and n 0 the carrier concentration at 2: «c
0 9 9 0 1/042 60 9 9 0 1/042 6
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der oberenthe upper one
eine funktion der Gütezahl&>-jt die zur Temperatur T-, eren Grenze des Wirkungsgrades^ ( ) des Thermoelemente £- (^1-I0)A1J und T1A0* das eine modifierzierte Gütezahla function of the figure of merit &> - j t the temperature T-, eren limit of the efficiency ^ () of the thermocouple £ - (^ 1 -I 0 ) A 1 J and T 1 A 0 * that a modified figure of merit
darstelltrepresents
(B -ο* O)1 da Τ—^ T0)(B -ο * O) 1 da Τ— ^ T 0 )
gehört (Cp0 ist dabei die der oberen Grenze des Wirkungsgrades λ entsprechende Gütezahl)belongs (Cp 0 is the figure of merit corresponding to the upper limit of the efficiency λ)
ft.2 ft. 2
Nun ist bei hoher Temperatur die thermische Gitterleitfähigkeit K^gewöhnlich umgekehrt proportional der Temperatur» und so ist K^ - AAf wobei λ eine Konstante ist; Ke wird vernachlässigt, in der Annahme» daß S konstant ist· ·*■Now at high temperature the thermal conductivity of the lattice K ^ is usually inversely proportional to the temperature » and so K ^ - AAf where λ is a constant; Ke will neglected, on the assumption »that S is constant · · * ■
wird also<3TT wenn S konstant ist·becomes <3TT if S is constant
Als Beispiel sei ein spezifischer fall betrachtet: Ee . sei S » 120O0K, T0 « 3000K unaω^ (Gütezahl bei der Temperatur T1) * 1Oo DaßxrT2, ist iuQ (entsprechend T0) gleich 0,6251 was nahe an den Wert für Wismuttellurid Bi2Te5 bei 30O0KAs an example, consider a specific case: Ee. let S "120O 0 K, T 0 " 300 0 K unaω ^ (figure of merit at temperature T 1 ) * 10o DaßxrT 2 , iu Q (corresponding to T 0 ) is equal to 0.6251 which is close to the value for bismuth telluride Bi 2 Te 5 at 30O 0 K herankommt. Bi2Te^ ist eine schwere intermetallische Verbindung, die aufgrund ihrer niedrigen thermischen Leitfähigkeit und hohen thermoelektriechen Kraft als Halbleitermaterial für thermoelektrische Anwendungen Bedeutung gewonnen hat· In der Praxis jedoch ist die Leistung dee Bi3Te5 aufgrund seines kleinen verbotenen Bandes und des niedrigen Schmelzpunktes begrenzt; das obige Beispiel soll daher veranschaulichen» wie sich der Stoff verhalten kann, wenn er nicht so begrenzt ist. Sie entsprechenden Variationen von T und g entlang demcomes up. Bi 2 Te ^ is a heavy intermetallic compound that has gained importance as a semiconductor material for thermoelectric applications due to its low thermal conductivity and high thermoelectric power.In practice, however, the performance is dee Bi 3 Te 5 due to its small forbidden band and low melting point limited; the above example is therefore intended to illustrate “how matter can behave when it is not so limited. They correspond to variations of T and g along the
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Thermoelement Bind für Bi3Te5 in Abbildung 1 der beiliegenden Zeichnung dargestellt.Thermocouple Bind for Bi 3 Te 5 shown in Figure 1 of the accompanying drawing.
Der Wirkungsgrad eines derartig abgestuften thermoelektrisohen Generators (Bi2Te5) ist in Abbildung 2 als Funktion der oberen Gütezahl^, bei einer Temperatur S1 (^1 = S2T1 <T/K) graphisch dargestellt* Ist6O1 = 10» so beträgt h ■ 36# , Obgleich ein Wirkungsgrad dieser Größenordnung sehr wünschenswert wäre, insbesondere wenn ein derartiger Wirkungsgrad bis zu einer Temperatur von 12000K aufrechterhalten werden könnte, ist es unwahrscheinlich, daß ein Halbleitermaterial den vom Bi2Te, bei tiefen Temperaturen gezeigten wirkungsgrad auch in diesen Temperaturen aufweist· Mn solches Material wäre für thermoelektrische Anwendungen besonders geeignet. Im allgemeinen liegt der Wirkungsgrad von Halbleiter-Thermoelementen sswischen 10 undThe efficiency of such a graduated thermoelectric generator (Bi 2 Te 5 ) is shown graphically in Figure 2 as a function of the upper figure of merit ^, at a temperature S 1 (^ 1 = S 2 T 1 <T / K) * Ist6O 1 = 10 » so h · 36 #, Although an efficiency of this order of magnitude would be very desirable, especially if such an efficiency could be maintained up to a temperature of 1200 ° K, it is unlikely that a semiconductor material like that shown by Bi 2 Te, at low temperatures has efficiency even at these temperatures · Mn such a material would be particularly suitable for thermoelectric applications. In general, the efficiency of semiconductor thermocouples between 10 and 10
In der Praxis ist es außerdem wahrscheinlich, daß das Thermoelement aus mindestens zwei verschiedenen Halbleitern hergestellt wirdο Da jedoch S immer noch annähernd konstant wäre, könnte die obige allgemeine Theorie noch bei der Bestimmung der erforderlichen Variation des Störstellenniveaus verwendet werden, wenn die Integration von Gleichung (2) in Teilen durchgeführt wird.In practice, it is also likely that the thermocouple is made from at least two different semiconductors o However, since S would still be approximately constant, the above general theory could still be used in determining the required variation in impurity level when the integration of equation (2) is performed in parts.
Das obige Verfahren ist deshalb von Interesse, da es veranschaulicht, vie eine bestimmte Temperatur- und Trägerkonzentrations-Verteilung entlang dem Thermoelement erreicht werden kann. Es kann jedoch gezeigt werden, daß die Bedingung, daß S konstant sein soll, eine ungebUhrliohe Einengung darstellt, und daß diese Bedingung nur für den Fall gilt, bei dem die Gütezahl einen niedrigen Wert hat· Ist S nicht konstant, so können die optimalen Werte aller in der tfärmefluß-Gleichung auftretenden Pari*meter als Funktion der Temperatur immer noch bestimmt werden· Die Wäraefluß-Gleichung hat dann dieThe above method is of interest because it illustrates how a particular temperature and carrier concentration distribution can be achieved across the thermocouple. It however, it can be shown that the condition that S is constant should be, represents an undue restriction, and that this Condition only applies to the case in which the figure of merit has a low value · If S is not constant, the optimal Values of all parameters appearing in the heat flow equation can still be determined as a function of temperature · The heat flow equation then has the
d/dx (κö dT/dx) + j2/e-o - js—P- SSL . 0 .(4)d / dx (κ ö dT / dx) + j 2 / e- o - js-P- SSL. 0. (4)
■ dT dx■ dT dx
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für den SqJLI9 da© Kf ^*«A S t&re fcftiaalen rferte S^ ^ % halsen. Da die letzteren Funktionen der temperatur $ sind, kann diese Gleichung numerisch geiget werten, wenn die Grenzbedingungen gewählt werden, Me Grenzoedingungen sind die beiden Temperaturen TQ (bei χ = 0) und SJ1 (bei x =<£) zwischen denön das Tharmoelement arbeiten soll, wobei T1 größer als $0 und die Itänge des Thermoelementes £, ist. Die Temperatur- und Trägerkonzentrations-Verteilungen entlang dem Thermoelement können dann für eine gegebene Stromdichte % errechnet werden.for the SqJLI 9 da © K f ^ * «AS t & re fcftiaalen rferte S ^ ^ % halsen. Since the latter are functions of the temperature $, this equation can be evaluated numerically if the boundary conditions are chosen, Me boundary conditions are the two temperatures T Q (at χ = 0) and SJ 1 (at x = <£) between the Tharmocouple should work, where T 1 is greater than $ 0 and the length of the thermocouple £ is. The temperature and carrier concentration distributions along the thermocouple can then be calculated for a given current density%.
Der Wirkungegrad wird aus der absorbierten Wärme t bei einer Temperatur T1 und bei der TQ abgestoßenen Wärme, sowie der aus ihrer Differenz bestimmten, geleisteten Arbeit Φ errechnet* Der Wirkungsgrad ist dann £ = ^Vq1» was eine Funktion der Stromdichte J (oder aber die äußere Belastung) darstellt.Dieser Wert j wird dann so gewählt, daß rt sein Maximum behält.The efficiency is calculated from the absorbed heat t at a temperature T 1 and the heat repelled at T Q , as well as the work Φ determined from their difference * The efficiency is then £ = ^ Vq 1 »which is a function of the current density J ( or the external load). This value j is then chosen so that rt remains at its maximum.
Aus der entsprechenden Temperaturverteilung kann die Variation von S,€Tund K entlang dem Thermoelement sowohl bei den Betriebsbedingungen, unter denen das Thermoelement arbeiten soll, als auch bei Zimmertemperatur errechnet werden. So kann also die Variation des Störstellenniveaua entlang dem Thermoelement für einen maximalen Wirkangegrad erhalten werden. In der Praxis würde diese erforderliche Variation des Storstellenniveaus das Thermoelemente in der Weise vorgenommen werden, daß eines der bekannten Verfahren zur Variation des Störstellenniveaus eines Halbleiterkristalls verwendet wird.The variation can be determined from the corresponding temperature distribution of S, € T and K along the thermocouple both under the operating conditions under which the thermocouple is to operate and can also be calculated at room temperature. So the variation of the impurity level along the thermocouple for a maximum degree of effectiveness can be obtained. In practice would this required variation in the level of the storage location the thermocouples are made in such a way that one the known method for varying the impurity level of a semiconductor crystal is used.
Außerdem kann es wünschenswert sein, den Querschnitt des Thermoelements abzustufen, um die maximale Gütezahl entsprechend der im Thermoelement erstellten Temperaturverteilung zu erhal-te-n. Ea hat sich herausgestellt, daß durch Abstufung des QuerscBÄitte's in dem Fall, wo die Ilaterialparameter konstant sind, nichts gewonnen wird; dies braucht jedoch nicht zuzutreffen, wenn die Parameter nicht konstant sind.It may also be desirable to measure the cross-section of the Graduating the thermocouple in order to obtain the maximum figure of merit according to the temperature distribution created in the thermocouple. It has been found that by grading the crosswise order in the case where the material parameters are constant, nothing is won; however, this need not apply if the Parameters are not constant.
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