DE1639502B1 - Thermoelektrische Anordnung - Google Patents

Thermoelektrische Anordnung

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DE1639502B1
DE1639502B1 DE19621639502D DE1639502DA DE1639502B1 DE 1639502 B1 DE1639502 B1 DE 1639502B1 DE 19621639502 D DE19621639502 D DE 19621639502D DE 1639502D A DE1639502D A DE 1639502DA DE 1639502 B1 DE1639502 B1 DE 1639502B1
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Dr Joachim Rupprecht
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
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    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/46—Sulfur-, selenium- or tellurium-containing compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/80—Constructional details
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Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Anordnung mit p- und η-leitenden Thermoelementschenkeln, bei der als η-leitender Thermoelementschenkel ein η-leitender Mischkristall des Systems Bi2Te3ZBi2Se3 vorgesehen ist, der mit 0,015 bis 0,06 Gewichtsprozent Brom dotiert ist.
Zur Anwendung in der Peltier-Kühltechnik werden in bekannter Weise Thermoelementschenkel benutzt, die n- bzw. p-leitend sind. Die Eignung eines Halbleiters für diese Anwendung ist durch eine möglichst große thermoelektrische Effektivität
ζ —
charakterisiert, wobei α die Thermokraft, ,a die elektrische und k die thermische Leitfähigkeit bedeutet. Für die Anwendung eines Halbleiters als Thermoelementschenkel ist aber auch besonders wichtig die Temperaturabhängigkeit der Effektivität ζ im Arbeitsbereich, der im allgemeinen von +40° C bis zu möglichst tiefen Temperaturen reicht. Die Qualität eines Peltierelementes kann durch die maximale Temperaturdifferenz \Tmax bezeichnet werden, die ein p- und ein η-Schenkel in einem Kühlversuch von etwa +400C abwärts erreicht. Es gilt dabei die Beziehung
T2
IT =
1 * max
Tk ist hierbei die Temperatur der kalten Lötstellen.
Ein guter thermoelektrisch wirksamer Halbleiter soll deshalb nicht nur bei Zimmertemperatur eine sehr hohe Effektivität haben, sondern diese soll auch im gesamten Arbeitsbereich so groß wie möglich sein.
Es ist bekannt, für den n-Ieitenden Thermoelementschenkel thermoelektrischer Anordnungen Mischkristalle des Systems Bi2Te3/Bi2Se3 zu verwenden. Nach der Theorie wird, wie z.B. von U. Birkholz in Z. Naturforsch., 13a (1958), S. 780 bis 792, und »Halbleiterprobleme«, Bd. VI (1961), S. 228/229, ausgeführt, die Zusammensetzung 80 Molprozent Bi2Te3 und 20 Molprozent Bi2Se3 als besonders geeignet betrachtet, da die Mischkristallreihe bei dieser Zusammensetzung ein Minimum ihrer Gitterwärmeleitfähigkeit besitzt, woraus eine hohe Effektivität ζ resultiert. Die Effektivität dieser Zusammensetzung 80 Molprozent Bi2Te3 und 20 Molprozent Bi2Se3 beträgt bei Zimmertemperatur, gemessen nach der Methode Diesselhorst,
ζ = 2,6 · 1030C"1 .
Experimentell bestätigt wird die Theorie beispielsweise durch die Veröffentlichungen von G. N. Gord i a k ο ν a u. a. in Journal of Technical Physics, VoLXXyill (1958), Nr. 1, S. 3 bis 17, Leningrad, Akademie der Wissenschaft der UdSSR, und »Sowjet. Physik-Techn. Physik«, 1 (1957), S. 2318 und 2319. In diesen Veröffentlichungen wird der Zusammen-Setzungsbereich 0 bis 100 Molprozent Bi2Te3, Rest Bi2Se3, bzw. 70 bis 90 Molprozent Bi2Te3, Rest Bi2Se3, untersucht. Als Dotierung sind unter anderem Kupferbromid mit 0,04 bis 0,15 Gewichtsprozent oder ein Halogen, speziell Jod, verwendet. Für Halogene sind keine Gewichtsangaben enthalten. In beiden Veröffentlichungen wird die Zusammensetzung 80 Molprozent Bi2Te3 und 20 Molprozent Bi2Se3 ebenfalls bezüglich der Effektivität ζ als optimal angesehen, und es sind zum Vergleich die z-Werte für Zusammensetzungen mit 75 Molprozent, 85 Molprozent, 95 Molprozent und 100 Molprozent Bi2Te3 angegeben.
Es besteht die Aufgabe, bei einer thermoelektrischen Anordnung der eingangs genannten Art die thermoelektrische Effektivität ζ des η-leitenden Thermoelementschenkels zu optimieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Mischkristall aus 90 Molprozent Bi2Te3 und 10 Molprozent Bi2Se3 aufgebaut und mit 0,0278 Gewichtsprozent Brom dotiert ist.
Es ist überraschend, daß in diesem Zusammensetz'ingsbereich mit der angegebenen Dotierung einerseits bei Zimmertemperatur ein hoher Wert der Effektivität erreicht und andererseits im Arbeitsbereich von +40'"1C abwärts größere maximale Temperaturdifferenzen erreicht werden als bei der bis jetzt als optimal angesehenen 80-Molprozent-Bi2Te3-20-Molprozent-Bi2 Se3-Legierung.
Der gemäß der Erfindung zusammengesetzte n-leitende Halbleiterkörper ergibt in Kombination mit einem p-leitenden Schenkel der Zusammensetzung 70 Molprozent Sb2Te3 und 30 Molprozent Bi2Te3 den in der nachfolgenden Tabelle 1 unter II angeführten Wert für die maximal erreichbare Temperaturabsenkung Tmax und für die thermoelektrische Effektivität z.
Tabelle 1
Halbleiter 69 2·1(Γ3[ C1]
I 72
. 68		 2,6
II
III		 2,8
2,5
Die Temperatur der warmen Lötstellen lag bei Messung der Temperaturabsenkung 7Ji10, in allen Fällen bei +40C.
Diese maximal erreichbare Temperaturabsenkung im Arbeitsbereich des erfindungsgemäß zusammengesetzten Halbleiterkörpers ist größer als diejenige der bekannten Legierung 80 Molprozent Bi2Te3 und 20 Molprozent Bi2Se3.
Die Zusammensetzungen der Halbleiter I, II und III sind nachstehend genannt:
Halbleiter I:
93 Molprozent Bi2Te3 .
7 Molprozent Bi2Se3
+0,05 Gewichtsprozent CuBr
Halbleitern:
90 Molprozent Bi2Te3
10 Molprozent Bi2Se3
+0,0278 Gewichtsprozent Br
Halbleiter III:
85 Molprozent Bi2Te3
15 Molprozent Bi2Se3
+0,04 Gewichtsprozent CuBr
In Tabelle 2 sind die thermoelektrischen Eigenschaften des Halbleiters II, gemessen nach der Methode Diesselhorst, angegeben:
Tabelle 2
Thermokraft
a [aV/Grad]		 Elektrische
Leitfähigkeit σ
[ίΓι «η"1]		 Wärmeleitfähig
keit k ■ 102
[W/cm · Grad]		 Thermo
elektrische
Effektivität
z-103CGrBd-1]
-192 1270 1,66 2,8
Die Einwaagen für die obengenannten Halbleiterkörper sind in der Tabelle 3 aufgeführt.
Tabelle 3
Halb
leiter		 Te[g] Bi [g] Se[R] CuBr [g] Br [g]
I
II
III		 22,5162
21,9111
20,8878		 26,4351
26,5824
26,8314		 1,0486
1,5065
2,2808		 0,0250
0,0200		 0,0139
Zur Herstellung des Mischkristalls gemäß der Erfindung wird dieser zunächst in einem evakuierten Quarzrohr bei 8000C vorlegiert und anschließend dem an sich bekannten Absenkverfahren unterworfen, bei dem die Schmelze aus einer Zone hoher Temperatur in eine Zone tiefer Temperatur über einen scharfen Temperatursprung abgesenkt wird. Dabei beträgt die Temperatur der heißen Zone etwa 7000C, und es wird mit einer Geschwindigkeit von 0,6 cm/h abgesenkt. Es eignet sich ebenfalls das an sich bekannte Zonenschmelzverfahren.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Thermoelektrische Anordnung mit p- und n-leitenden Thermoelementschenkeln, bei der als n-leitender Thermoelementschenkel ein n-leitender Mischkristall des Systems Bi2Te3ZBi2Se3 vorgesehen-ist, der mit 0,015 bis 0,06 Gewichtsprozent Brom dotiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkristall aus 90 Molprozent Bi2Te3 und 10 Molprozent Bi2Se3 aufgebaut und mit 0,0278 Gewichtsprozent Brom dotiert ist.
DE19621639502D 1962-05-12 1962-05-12 Thermoelektrische Anordnung Pending DE1639502B1 (de)

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