DE3906345A1

DE3906345A1 - Thermoelektrisches wandlerelement

Info

Publication number: DE3906345A1
Application number: DE3906345A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Dr Kaufmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1989-02-28
Publication date: 1990-08-30

Description

Die wohl am häufigsten verwendete sekundäre Energie form ist zur Zeit die elektrische Energie. Es wird daher die Umwandlung der verschiedensten primären Energiearten mit möglichst gutem Wirkungsgrad in elektrische Energie versucht. Um Wärmeenergie wirt schaftlich in elektrische Energie umwandeln zu können, war bisher das Vorliegen einer ausreichend großen Temperaturdifferenz notwendig.

Mit der vorliegenden Erfindung soll dagegen auch die jenige Wärmeenergie in elektrische Energie umgeformt werden, die in Form eines einheitlichen Temperatur niveaus, also ohne Vorhandensein einer Temperatur differenz, vorliegt.

Es ist bereits bekannt, mit Hilfe von Photovoltaik- Elementen aus Licht elektrischen Strom zu erzeugen. Bei diesen Photovoltaikelementen handelt es sich bei spielsweise um pn-Dioden etwa auf Siliziumbasis. Dabei weist der Halbleiterkörper aus Siliziumsubstrat drei unterschiedliche Bereiche auf. Die beiden äußeren Bereiche sind p- bzw. n-dotiert, so daß das Silizium dieser beiden Bereiche unterschiedliche Elektronen affinitäten und damit unterschiedliche Redox-potentiale aufweist. Bei Verbindung dieser beiden äußeren Bereiche über einen elektrischen Leiter mit Verbraucher bzw. zu einem geringen Maß auch über eine hochohmige Sperr schicht kommt es zu einem Austausch von Ladungsträgern mit der Tendenz, die unterschiedliche Konzentration von Elektronen bzw. Elektronenfehlstellen auszugleichen. Da durch wird das p- Silizium negativ und das n-Silizium positiv aufgeladen. Da sich zwischen den äußeren Bereichen im mittleren Bereich hochohmiges Silizium befindet, liegt mit diesen drei Bereichen praktisch ein Kondensator vor, so daß der Stromfluß durch den Verbraucher oder aber die Sperrschicht endet, wenn die Aufladung dieses Kondensators beendet ist.

Um den erwünschten Stromfluß durch den Verbraucher R aufrechtzuerhalten, ist also ein ständiges Entladen des Kondensators, der durch die drei Bereiche des Halbleiterelementes gebildet wird, notwendig. Dies geschieht bei den Photodioden dadurch, daß einzelne Atome des im mittleren Bereich ausschließlich vorhande nen Si-Substrates durch das Auftreten von Lichtkorpuskeln sowie der zugehörigen elektromagnetischen Strahlung, den Photonen, ionisiert werden. Die dadurch entstehenden Ladungsträger wandern zu den entgegengesetzt geladenen Kondensatorflächen, also den äußeren beiden Bereichen des p- bzw. n-dotierten Siliziums.

Die Mindestenergie zum Überführen einer Ladung aus dem Valenz- in das Leitungsband beträgt etwa 1,1 eV und wird von den Photonen mit einer Wellenlänge im Bereich das sichtbaren Lichtes und des nahen Infrarots übertroffen.

Die oben angeführten Photovoltaikelemente (photovoltaischen Elemente) weisen nun einen "Dunkelstrom" auf, d.h. daß in einem äußeren Stromkreis auch dann noch ein Strom re gistriert werden kann, wenn sich das Element im Dunkeln befindet.

Dies rührt nun ganz offensichtlich daher, daß die auf das Element einwirkende Wärmeenergie, die physikalisch gesehen aus Schwingungen des Atomgitters (Phononen) und elektro magnetischen Wellen (Photonen) besteht, ebenfalls zu einem gewissen Teil in elektrische Energie umge wandelt wird.

Die Spektralcharakteristik der schwarzen Strahlung ist nämlich so beschaffen, daß bei jeder Temperatur für das Auftreten jeder beliebigen Photonen-/Phononenenergie eine bestimmte Wahrscheinlichkeit angegeben werden kann. So wird ein schwarzer Strahler bei Zimmertemperatur ganz überwiegend Quanten des mittleren und fernen Infrarot emittieren. Daneben treten in geringerer Zahl aber auch Quanten des nahen IR, des sichtbaren Bereiches, und mit einer endlichen Wahrscheinlichkeit, sogar solche des UV-Bereiches auf, die nun alle in der Lage sind, den Bandabstand des Si zu überwinden und damit den o.a. Dunkelstrom zu erzeugen.

Obwohl dieser Dunkelstrom beweist, daß Wärmeenergie prinzipiell in elektrische Energie umgewandelt werden kann, ohne daß dazu eine Temperaturdifferenz nötig wäre, sind diese Ströme zu klein, um wirtschaftlich nutz bar zu sein.

Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Wand lerelement zu schaffen, welches Wärmeenergie in elektrische Energie umwandeln kann, wobei diese Wärme energie durchaus auf einem einheitlichen Temperatur niveau liegen kann.

Dazu wird im Prinzip von einer Si-Solarzelle ausgegangen, deren Grenzwellenlänge durch geeignete Maßnahmen in den langwelligen Bereich verschoben wird.

Da mit diesem Bauelement Wärmeenergie in elektrische Energie umgesetzt werden soll, muß die Grenzwellenlänge Gwl in den Bereich von etwa 10 µm verschoben werden, da hier das Maximum der Wärmestrahlung bei 20°C liegt.

Eine Voraussetzung für das Funktionieren einer solchen Zelle ist natürlich, daß die Ladungserzeugung mittels thermischer Energie nur in der Umgebung der Sperrschicht und nicht in den äußeren p- bzw. n-dotierten Bereichen er folgt, die das elektrische Feld erzeugen. Eine zu große Zahl von Ladungen in diesen Bereichen hätte nämlich ein Zusammenbrechen des intrinsischen elektrischen Feldes zur Folge, das ja für den photovoltaischen Effekt bzw. für die Trennung der in der Sperrschicht erzeugten Ladungspaare unbedingt notwendig ist. Ein solcher Fall tritt z.B. dann auf, wenn pn-Photoelemente, die einheitlich aus einem Halbleitermaterial mit kleinem Bandabstand bestehen (InSb, HgCdTe), bei zu hoher Temperatur betrieben werden.

Die erfindungsgemäßen Zellen dürfen daher keinen einheit lichen Bandabstand aufweisen, insbesondere muß das Di elektrikum, also der mittlere Bereich, einen kleineren Bandabstand aufweisen als die felderzeugenden äußeren Bereiche a und b.

Da die Zahl der im mittleren Bereich erzeugten Ladungen den Strom im äußeren Stromkreis bestimmt, ist eine möglichst hohe Ionisierung bei der gegebenen Temperatur wünschens wert. Während also für die felderzeugenden Bereiche der Einsatz von Materialien einen relativ großen Bandabstand, also hohe Ionisierungsenergie, sinnvoll ist, muß der mittlere Bereich Substanzen oder Strukturen mit einem möglichst geringen Bandabstand, d.h. einer geringen Ionisierungsenergie enthalten. An den Übergängen zwischen mittleren und äußeren Bereichen dürfen dabei selbstver ständlich keine neuen Sperrschichten auftreten, sondern es muß sich um Ohmsche Kontakte handeln, so daß keine oder allenfalls nur eine geringe Richtwirkung vorliegt.

Eine Ladungserzeugung im mittleren Bereich durch geeignete Phononen mit einer Energie auch unter 0,25 eV kann auf die verschiedenen, im folgenden anhand der Fig. 1 dargestellten Arten bzw. deren Kombination erreicht werden.

Fig. 1 zeigt ein Wandlerelement, welches aus drei in Reihe liegenden Bereichen besteht, nämlich den beiden äußeren Bereichen a und b sowie dem dazwischen liegenden Bereich c. Die beiden äußeren Bereiche a und b sind an ihren freien Seiten mit Elektroden versehen, welche über einen Verbraucher R zu einem äußeren Stromkreis miteinander verbunden werden können.

Das erfindungsgemäße Wandlerelement kann zunächst wie eine pn-Diode aufgebaut sein. In diesem Falle würden alle drei Bereiche a, b und c auf dem gleichen Substratmaterial, beispielsweise Silizium, beruhen. Die beiden äußeren Bereiche a und b sind dann p- bzw. n-dotiert, während im mittleren Bereich c das Substrat keine oder allenfalls nur eine schwache Nettodotierung aufweist.

In dem mittleren Bereich c, also dem Dielektrikum, kann nun eine Erzeugung von Ladungen durch Ionisation von Substratatomen bzw. -Molekülen mittels innerer Feldemission erfolgen. Die für diese Ionisierung notwendige Energie hängt jedoch reziprok von der Stärke des zwischen den äußeren Bereichen a und b bestehenden intrinsischen Feldes ab. Deshalb genügt z.B. bei einer Feldstärke ab etwa 10⁶ V/cm bereits die bei Raumtemperatur auftretende thermische Polarisierung der Siliziumatome, um freie La dungen in nennenswerter Zahl zu erzeugen.

Die erforderliche hohe Feldstärke kann entweder durch eine starke Dotierung der p- bzw. n-Bereiche oder eine geringe Dicke der Sperrschicht, also des mittleren Bereiches c oder eine Kombination beider Maßnahmen erreicht werden. Dabei hängt die Wahl der Dicke bzw. der Höhe der Feldstärke als auch die Wahl des als Substrat verwendeten Materials davon ab, wie hoch die Energie der zur Ver fügung stehenden Photonen bzw. Phononen ist. Die erforder liche Feldstärke steigt jedoch mit abnehmender Arbeits temperatur und zunehmendem Bandabstand des verwendeten Substrates an, so daß beispielsweise für den Einsatz bei tiefen Temperaturen insbesondere Materialien mit kleinem Bandabstand geeignet sind, also etwa Ge, GaSb, PbS, InAS, PbTe, InSb, Bi₂Te₃, HgCdTe. Wegen der gut beherrschten Technologie wird auch Si in Betracht zu ziehen sein. Dabei ist bei einer Feldstärke ab etwa 1 MV/cm mit dem Auftreten nennenswerter, aus thermischer Energie erzeugter, Ströme zu rechnen, also etwa einer Zenerspannung von 0,5 Volt und darunter.

Die schwarze Strahlung eines Körpers in Abhängigkeit der Wellenlänge stellt für jede Temperatur eine andere Glocken kurve dar, deren rechte Hälfte (langwelliger, hochenerge tischer Bereich) nur ca 10% der Photonen/Phononen, aber 25% der Systemenergie repräsentiert, aufgrund des hohen Energiegehaltes dieser Photonen/Phononen. Die andere Hälfte stellt die fehlenden 90% der Photonen/Phononen und 75% der Systemenergie dar.

Setzt man (als Berechnungsgrundlage) als Mindestenergie eines Quantes, welches zum Betreiben einer Solarzelle ge eignet ist, gerade den Energiegehalt bzw. die Wellenlänge an, die dem Maximum der Glockenkurve entspricht, so stehen die besagten 25% der Systemenergie zum Betreiben der Solarzelle zur Verfügung.

Wenn diese 25% der Energie der erstmals auftretenden schwarzen Strahlung in elektrischen Strom umgewandelt werden sollen, so sind die aus der folgenden Tabelle angegebenen Feld stärken zwischen den Bereichen a und b des Wandlerelementes notwendig, abhängig von der Wellenlänge d, bei der das Leistungsmaximum der schwarzen Strahlung auftritt und der Arbeitstemperatur der Sperrschicht, also des mittleren Bereiches c.

Zum Dotieren des Substrates in den Bereichen a und b kommen hierbei die, beispielsweise auch bei Tunneldioden verwendeten, im folgenden aufgeführten Stoffe in Frage:

für p-Ge: In/Ga (0,5%)
für n-Ge: Bi/Sn/As
für p-GaAs, GaSb: Sn

ansonsten:

für n-Ge/Si: P, As, Sb, Bi, Li
für p-Ge/Si: B, Al, In, Ga, Tl

Dabei ist zu beachten, daß die innere Feldemission und damit ein Stromfluß durch den Verbraucher R so lange stattfindet, bis die Temperatur im mittleren Bereich c unter einen bestimmten, von der Feldstärke abhängigen Wert gesunken ist. Andererseits darf, beispielsweise bei Verwendung von Materialien als Substrat, die einen geringen Bandabstand aufweisen, die Temperatur in den äußeren Bereichen nicht zu hoch ansteigen, da das Wandlerelement sonst eigen leitend wird und keinen photovoltaischen Effekt mehr aufweist.

Dies bedeutet, daß das Wandlerelement sich immer etwa in dem Temperaturbereich befinden muß, für den es ausgelegt ist, z.B. ein für 0°C ausgelegtes Si-Element zwischen -90°C und +120°C.

Ob sich die durch die Ladungstrennung im mittleren Bereich c stattfindende Abkühlung des Substrates gerade mit der Wärmezufuhr durch das umgebende wärmere Medium bzw. die auftreffenden Phononen die Waage hält oder eine zusätzliche Kühlung des Wandlerelementes notwendig ist, hängt beispiels weise von der Energiedichte des umgebenden Arbeitsmediums ab.

Die dotierten Bereiche a und b des Substrates könnten durch die bekannten Verfahren des Einschmelzens beispielsweise von In oder Ga in n-Ge als Substrat erfolgen, oder bei großflächigen Zellen durch Eindiffundieren und Implantieren etwa von Al oder In in n-Ge oder n-Si als Substrat zur Er zeugung der p-Dotierung. Ebenfalls möglich ist ein epi taxialer Aufbau. Ein derart aufgebautes Wandlerelement hätte den Vorteil eines einfachen Aufbaus, da ein ein heitliches Substrat zugrundeliegt.

Die Ionisation im Bereich c kann jedoch auch dadurch erreicht werden, daß hier zusätzlich zum Substratmaterial Störstellen vorhanden sind, bei denen es sich um Teilchen wie Atome, Ionen, Moleküle etc. aber auch um Kristallfehler und ähnliches handeln kann. Im Gegensatz zur Solarzelle, wo zur Ionisierung lediglich das Material des Substrats zur Verfügung steht, kann im vorliegenden Fall durch gezielte Wahl der einzubringenden Störstellen und der elektrischen Feldstärke die spektrale Empfindlichkeit variiert werden, so daß insbesondere bereits thermische Phononen zur Erzeugung der freien Ladungen ausreichen. Dabei werden die Störstellen so ausgewählt, daß sie energetische Zwischenniveaus in der "verbotenen Zone" des Substratmaterials bilden, also ihre Bandbreite geringer ist als dieses Substratmaterial. Die durch die Störstellen definierten energetischen Zwischenniveaus sollten dabei so gewählt werden, daß die Bandbreite des Substratmateriales in etwa gleich große Teilbereiche unter teilt wird. Damit kann der Übertritt einer Ladung aus dem Valenz- in das Leitungsband über das bzw. die energetischen Zwischenniveaus erfolgen, wenn ein Photon oder Phonon auf trifft, dessen Energiegehalt größer ist als der erforderliche Teilbetrag zwischen den einzelnen Energieniveaus bzw. zwischen dem Valenz- oder Leitungsband und dem am nächsten kommenden Zwischenniveau. Durch das auftretende Photon bzw. Phonon wird ein Elektron aus dem Valenzband auf ein Zwischen niveau angehoben, wobei eine positive Ladung im Valenzband zurückbleibt. Durch das vorhandene elektrische Feld wird die positive Ladung aus dem Dielektrikum entfernt und damit eine Rekombination verhindert.

Beim Auftreten eines weiteren geeigneten Photons oder Phonons wird das Elektron eventuell über weitere vorhandene, höher liegende energetische Zwischenniveaus letztendlich in das Leitungsband angehoben und zum Pluspol des elektrischen Feldes gezogen.

Bei diesen Zellen kann der Bandabstand also durch mehrere nacheinander auftreffende niederenergetische Photonen/ Phononen überwunden werden, wohingegen z.B. eine Solarzelle ein einziges Quant höherer Energie benötigt.

Als Substrat für ein derart ausgebautes Wandlerelement können bekanntermaßen Si, Ge, GaAs oder GaSb verwendet werden. Zur Dotierung der Bereiche a und b, also der felderzeugenden Bereiche, können bei Silizium oder Ger manium als Substratmaterial die bei der ersten Variante genannten Elemente dienen. Bei Gallium-Arsen-Verbindungen oder Gallium-Verbindungen als Substrat können Atome der II. Haupt- und Nebengruppe sowie der VI. Haupt gruppe des Periodensystems der Elemente zum Dotieren in den Bereichen a und b verwendet werden.

Als Störstellenatome im mittleren Bereich c kommen dagegen bei Silizium als Substratmaterial die Elemente Ag, Cd, Mn, Fe, Sn, Pb, Au, Co, Ni oder Cu in Frage, wobei die Auswahl der zu verwendenden Atome gemäß der beispielhaften Tabelle

ausschließlich nach den energetischen Teilbereichen zu erfolgen hat, die von den zu verwertenden Photonen bzw. Phononen noch bewältigt werden können.

Die angegebenen Energieabstände Δ E _max gelten bei fehlender, zusätzlich angelegter Feldstärke und 0°C, bei Anlegen der angegebenen Feldstärken ergeben sich dagegen maximale Energieabstände von 0,117 eV, wobei ersichtlich ist, daß die erforderlichen Feldstärken nunmehr bereits deutlich unterhalb der MV-Grenze liegen. Die Tabellenwerte gelten für 0°C Arbeitstemperatur und etwa 25%iger Ausnutzung der vorhandenen Wärmeenergie.

Bei Germanium als Substratmaterial sind dagegen die Elemente Mn, Co, Ni, Ag, Au, Sn, Pb oder Cu als Störstellenatome geeignet, wobei, wie die Tabelle

zeigt, daß aufgrund der niedrigeren energetischen Teilbeträge auch geringere Feldstärken erforderlich sind. Ein derartiges Wandlerelement könnte beispielsweise durch p-dotiertes Substrat, Silizium oder Germanium, aufgebaut werden, in welches einseitig Kupfer eindiffundiert wird, worauf ein epitaxialer Überbau von n-dotiertem gleichem Substrat aufgebracht wird.

Ein solches Wandlerelement würde zwar einen höheren Herstellungsaufwand bedingen, da sich die Störstellen insbesondere möglichst im Bereich des maximal elektrischen Feldes befinden sollten, jedoch hätte ein derartiges Wandlerelement den Vorteil, daß eine wesentlich geringere elektrische Feldstärke zwischen den Bereichen a und b erforderlich wäre.

Anstelle der Störstellen im mittleren Bereich c eines Substrats mit großem Bandabstand kann der Bereich des maximalen Feldes, also der mittlere Bereich c, auch direkt aus einer Schicht eines leicht ionisierbaren Materials, also insbesondere eines Halbleiters mit geringem Bandab stand, oder eines Materials mit freien Ladungen, also insbesondere eines Metalls, bestehen.

Der Bereich c muß mit den Bereichen a und b durch Kontakte verbunden sein, die energetisch gesehen einen kontinuier lichen Übergang zwischen den jeweiligen Valenzbändern sowie den jeweiligen Leitungsbändern bilden. Die Kontakte sollten daher eine Ohm′sche Charakteristik oder allenfalls eine geringe Richtwirkung aufweisen. Kontakte mit Ohm′scher Charakteristik lassen sich einmal durch Verwendung von Materialien erreichen, die per se Ohm′sche Übergänge bilden, zum anderen dadurch, daß die angrenzenden Halb leiterbezirke (hier a und b) stark bzw. sehr stark dotiert werden (n⁺, n⁺⁺, p⁺, p⁺⁺).

Bei einem solcherart aufgebauten Wandlerelement kommen als Substrat für die Bereiche a und b dieselben Stoffe wie in den vorhergehenden Fällen in Frage, insbesondere auch in stark dotierter Form, während der mittlere Bereich c insbesondere aus Metallen bestehen kann, die mit mindestens einem Bereich einen Ohm′schen Kontakt bilden, wie Au, Au/0,1% Sb, Fe, Rh, Pt, Al, Zn, In, Sn, Pb, sowie außerdem insbesondere Cu, Ag, Cd.

Selbstverständlich muß die Zwischenschicht dabei so dünn sein, daß sie das elektrische Feld zwischen den Bereichen a und b wenigstens nicht vollständig abschirmt.

Für ein derartiges Wandlerelement kommen dieselben Stoffe wie in den vorhergehenden Fällen als Substrate in Frage, während die Zwischenschicht aus Au, einer Au-Sb- Legierung mit etwa 0,1% Sb, aus Fe, Au, Ag, Cd, Pt, Rh, Al, Zn, En, Sn, PB oder Cu bestehen kann. Bei Silizium als Substrat kommen ganz besonders die ersten beiden genannten Stoffe in Frage.

Auch diese Variante könnte durch Aufbringen der leicht ionisierbaren Zwischenschicht auf p-dotiertem Substrat material hergestellt werden, worauf epitaxial nochmals n-dotiertes Substrat aufzubringen wäre. Dem Nachteil dieses relativ hohen Herstellungsaufwandes würden jedoch die Vorteile gegenüberstehen, daß nicht nur gegenüber der ersten Variante geringere Feldstärken zwischen dem Bereich a und dem Bereich b vorhanden sein müssen, sondern auch gegen über der zweiten Variante eine wesentlich größere Zahl ionisierbarer Atome vorhanden ist, und diese Atome zu sätzlich praktisch nicht in die felderzeugenden Bereiche a und b eindringen können.

Claims

1. Thermoelektrisches, halbleitendes Wandlerelement zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärme energie, in Form von atomaren bzw. molekularen Gitter schwingungen (Phononen) bzw. elektromagnetischen Wellen (Photonen), ohne daß eine Temperaturdifferenz vorhanden sein muß,
mit drei in Reihe liegenden, unterschiedlichen Bereichen eines Halbleitersubstrates, wobei die elektrischen An schlüsse an den gegenüberliegenden Enden dieser Reihe liegen, und
wobei in den beiden äußeren Bereichen das Substrat p- bzw. n-dotiert ist, so daß zwischen diesen äußeren Be reichen z.B. beim Verbinden der elektrischen Anschlüsse über einen elektrischen Verbraucher eine Feldstärke im mittleren, dielektrischen Bereich entsteht,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- als Substrat wird Si, Ge, GaSb, PbS, InAs, PbTe, InSb, Bi₂Te₃, HgCdTe, verwendet,
- wobei zur Erzeugung
- - der n-Dotierung in Ge als Substrat die Elemente P, As, Sb, Bi, Li, oder Sn
- - der p-Dotierung in Ge die Elemente B, Al, In, Ga oder Tl
- - der n-Dotierung in Si als Substrat die Elemente P, As, Sb, Bi, Li,
- - der p-Dotierung in Si die Elemente B, Al, In, Ga oder Tl
- - der p-Dotierung in GaAs bzw. GaSb das Element Sn verwendet wird.

2. Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat im p- bzw. n-Bereich, abhängig von der im Betrieb des Wandlerelementes zu erwartenden Sperrschicht Temperatur und der am häufigsten auftretenden Wellenlänge der umzu wandelnden Photonen so stark dotiert ist, daß die aus der Tabelle ersichtliche Feldstärke erreicht wird, wenn ca. 25% der auf das Wandlerelement erstmals einwirkenden Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt werden soll.

3. Thermoelektrisches, halbleitendes Wandlerelement zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärme energie, in Form von atomaren bzw. molekularen Gitter schwingungen (Phononen) bzw. elektromagnetischen Wellen (Photonen), ohne daß eine Temperaturdifferenz vorhanden sein muß,
mit drei in Reihe liegenden, unterschiedlichen Bereichen eines Halbleitersubstrates, wobei die elektrischen An schlüsse an den gegenüberliegenden Enden dieser Reihe liegen, und
wobei in den beiden äußeren Bereichen das Substrat p- bzw. n-dotiert ist, so daß zwischen diesen äußeren Bereichen beim Verbinden der elektrischen Anschlüsse über einen elektrischen Verbraucher eine Feldstärke im mittleren, dielektrischen Bereich entsteht,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

- als Substrat wird GaAs, Si, Ge oder GaSb verwendet,
- wobei zur Erzeugung
- - der n-Dotierung in Ge als Substrat die Elemente P, As, Sb, Bi, Li, oder Sn
- - der p-Dotierung in Ge die Elemente B, Al, In, Ga oder Tl,
- 4- der n-Dotierung in Si als Substrat die Elemente P, As, Sb, Bi, Li,
- - der p-Dotierung in Si die Elemente B, Al, In, Ga oder Tl,
- - der p-Dotierung in GaAs bzw. GaSb Atome aus der zweiten Haupt- und Nebengruppe oder aus der sechsten Haupt gruppe des Periodensystems der Elemente verwendet werden und
- der mittlere Bereich mit Atomen eines oderer mehrerer chemischer Elemente dotiert wird, die so ausgewählt sind, daß die zur Überführung einer Ladung von Valenz- in das Leitungsband erforderliche Energie durch Zwischenniveaus in etwa gleich große Teil beträge unterteilt wird,
bei
- - Si als Substrat im mittleren Bereich mit AG, Cd, Mn, Fe, Ge, Sn, Pb, Au, Co, Ni oder Cu bzw.
- - Ge als Substrat im mittleren Bereich mit Mn, Co, Ni, Ag, Au, Sn, Pb oder Cu dotiert wird und
- wobei die maximalen Energieabstände dieser Dotanten bei den angegebenen Feldstärken, 0,117 eV betragen, ohne Feldstärke und bei Null Grad Celsius und anfangs 25%iger Nutzung der Wärmeenergie bei
- - Si als Substrat wie folgt anzusetzen sind:
- - Ge als Substrat wie folgt anzusetzen sind:

4. Thermoelektrisches, halbleitendes Wandlerelement zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärme energie, in Form von atomaren bzw. molekularen Gitter schwingungen (Phononen) bzw. elektromagnetischen Wellen (Photonen), ohne daß eine Temperaturdifferenz vorhanden sein muß,
wobei in den beiden äußeren Bereichen das Substrat p- bzw. n-dotiert ist, so daß zwischen diesen äußeren Bereichen beim Verbinden der elektrischen Anschlüsse über einen elektrischen Verbraucher eine Feldstärke im mittleren, dielektrischen Bereich entsteht,
gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- als Substrat der äußeren Bereiche wird Si, Ge, GaAs oder GaSb verwendet,
- der mittlere Bereich besteht aus Metall, welches über Ohmsche Kontakte oder Kontakte mit nur geringer Richtwir kung mit den äußeren Bereichen verbunden ist und
- der mittlere Bereich ist so dünn, daß das elektrische Feld zwischen den beiden äußeren Bereichen nicht ganz abgeschirmt wird.

5. Wandlerelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall für den mittleren Bereich Fe, Au, Ag, Cd, Pt, Rh, Al, Zn, En, Sn, Pb oder Cu verwendet wird.

6. Wandlerelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Si als Substrat der äußeren Bereiche als Metall für den mittleren Bereich Au bzw. eine Legierung aus Au und etwa 0,1% Sb verwendet wird.