JPH1022530A - 熱電変換素子 - Google Patents
熱電変換素子Info
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- JPH1022530A JPH1022530A JP8191537A JP19153796A JPH1022530A JP H1022530 A JPH1022530 A JP H1022530A JP 8191537 A JP8191537 A JP 8191537A JP 19153796 A JP19153796 A JP 19153796A JP H1022530 A JPH1022530 A JP H1022530A
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- Japan
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- conversion element
- type
- thermoelectric conversion
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 Ｐ型半導体とＮ型半導体とをＰＮ接合した構
成からなる熱電変換素子において、高い熱起電力と電流
値を発生させることが可能なＰＮ接合の接合部材と接合
構造を有した熱電変換素子の提供。 【解決手段】 ＰＮ接合部を半導体との接合性に優れか
つ酸化され難く、高い電気伝導度を示す貴金属からなる
金属膜を介在させて形成することにより、大気中での加
熱でも酸化され難いことから、貴金属と半導体との間の
界面構造も安定化して熱起電力と電流値が安定して発電
能力（変換効率）を向上させることが可能。
成からなる熱電変換素子において、高い熱起電力と電流
値を発生させることが可能なＰＮ接合の接合部材と接合
構造を有した熱電変換素子の提供。 【解決手段】 ＰＮ接合部を半導体との接合性に優れか
つ酸化され難く、高い電気伝導度を示す貴金属からなる
金属膜を介在させて形成することにより、大気中での加
熱でも酸化され難いことから、貴金属と半導体との間の
界面構造も安定化して熱起電力と電流値が安定して発電
能力（変換効率）を向上させることが可能。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、鉄硅化物（Ｆｅ
Ｓｉ2）を主体とするＰ型半導体とＮ型半導体とをＰＮ
接合した構成からなる熱電変換素子の改良に係り、ＰＮ
接合部を貴金属からなる金属材にて接合形成させて発電
能力（変換効率）を向上させた熱電変換素子に関する。
Ｓｉ2）を主体とするＰ型半導体とＮ型半導体とをＰＮ
接合した構成からなる熱電変換素子の改良に係り、ＰＮ
接合部を貴金属からなる金属材にて接合形成させて発電
能力（変換効率）を向上させた熱電変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｓｉ，Ｇｅに５価元素、３価元素をドー
ブしたＮ型、Ｐ型半導体、あるいは鉄硅化物（ＦｅＳｉ
2）に各々マンガン（Ｍｎ）またはコバルト（Ｃｏ）等
をドープしたＰ型、Ｎ型半導体とを一端側で接合して形
成したＵ字型の熱電変換素子は、温度差を与えるだけで
簡単に起電力を生じることから、熱エネルギーの有効利
用への要求が高まっている今日、実用化が期待されてい
るデバイスである。
ブしたＮ型、Ｐ型半導体、あるいは鉄硅化物（ＦｅＳｉ
2）に各々マンガン（Ｍｎ）またはコバルト（Ｃｏ）等
をドープしたＰ型、Ｎ型半導体とを一端側で接合して形
成したＵ字型の熱電変換素子は、温度差を与えるだけで
簡単に起電力を生じることから、熱エネルギーの有効利
用への要求が高まっている今日、実用化が期待されてい
るデバイスである。
【０００３】このような熱電変換素子の熱起電力は、原
理的には高温側であるＰＮ接合部と低温側である陽極側
および陰極側端部との温度差ΔＴによって決まる。しか
しながら、熱起電力によって生じる電流値は、該接合部
の接合部材と半導体間とＰ型、Ｎ型半導体間の熱による
相互拡散と、酸化により大きく影響される。もちろん、
該半導体中の不純物、異相の混入等によっても熱起電力
特性は影響されるが、該接続部の問題が経時変化の面で
近い将来大きな課題となるものと予想される。
理的には高温側であるＰＮ接合部と低温側である陽極側
および陰極側端部との温度差ΔＴによって決まる。しか
しながら、熱起電力によって生じる電流値は、該接合部
の接合部材と半導体間とＰ型、Ｎ型半導体間の熱による
相互拡散と、酸化により大きく影響される。もちろん、
該半導体中の不純物、異相の混入等によっても熱起電力
特性は影響されるが、該接続部の問題が経時変化の面で
近い将来大きな課題となるものと予想される。
【０００４】現在では、バルク同士の接合の場合には銀
ろう付け、もしくは遷移金属による接合で、また粉末冶
金的に作製する場合には、直接Ｐ型、Ｎ型半導体の粉末
を成形接合する手法が採られているが、接合条件によっ
て熱起電力と電流値は共に大きく変わる。
ろう付け、もしくは遷移金属による接合で、また粉末冶
金的に作製する場合には、直接Ｐ型、Ｎ型半導体の粉末
を成形接合する手法が採られているが、接合条件によっ
て熱起電力と電流値は共に大きく変わる。
【０００５】また、熱電変換素子は激しい温度変化を伴
うため、熱応力によって接合部にクラックが発生した
り、折れたりすることがあるために、この点からも接合
技術は大きな課題であり、今後半導体の材質によっても
接合部材も変えていく必要があると思われる。
うため、熱応力によって接合部にクラックが発生した
り、折れたりすることがあるために、この点からも接合
技術は大きな課題であり、今後半導体の材質によっても
接合部材も変えていく必要があると思われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】Ｐ型とＮ型半導体を粉
末冶金的に直接接合する場合には問題ないが、バルクを
銀ろう等の金属により接合する場合には、金属と半導体
との間の熱電能によって発生する熱起電力は変わる。つ
まり電気伝導度が高くない金属と半導体の間では、熱起
電力は低下するが、これは、半導体自体のゼーベック係
数（温度勾配によって生じた電場をその温度勾配で除し
た値）を金属と半導体との間で生じたショットキーバリ
アーが増幅する効果があるためであり、金属の伝導度が
高いほど顕著に生じ、やはり使用する接合部材によって
熱起電力と電流値は大きく左右される。
末冶金的に直接接合する場合には問題ないが、バルクを
銀ろう等の金属により接合する場合には、金属と半導体
との間の熱電能によって発生する熱起電力は変わる。つ
まり電気伝導度が高くない金属と半導体の間では、熱起
電力は低下するが、これは、半導体自体のゼーベック係
数（温度勾配によって生じた電場をその温度勾配で除し
た値）を金属と半導体との間で生じたショットキーバリ
アーが増幅する効果があるためであり、金属の伝導度が
高いほど顕著に生じ、やはり使用する接合部材によって
熱起電力と電流値は大きく左右される。
【０００７】この発明は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを
ＰＮ接合した構成からなる熱電変換素子において、高い
熱起電力と電流値を発生させることが可能なＰＮ接合の
接合部材と接合構造を有した熱電変換素子の提供を目的
としている。
ＰＮ接合した構成からなる熱電変換素子において、高い
熱起電力と電流値を発生させることが可能なＰＮ接合の
接合部材と接合構造を有した熱電変換素子の提供を目的
としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】発明者らは、ＰＮ接合の
接合部材として種々検討した結果、一般には熱電素子の
熱起電力はＰＮ接合の接合部材の材質によって大きな変
化はないと信じられているが、接合部の接合金属の電子
状態によっても変化し得ることを知見し、さらに、鋭意
検討を加えた結果、電気伝導度の高い貴金属を接合部材
として使用することにより、熱起電力の高い熱電変換素
子を得ることができることを知見し、この発明を完成し
た。
接合部材として種々検討した結果、一般には熱電素子の
熱起電力はＰＮ接合の接合部材の材質によって大きな変
化はないと信じられているが、接合部の接合金属の電子
状態によっても変化し得ることを知見し、さらに、鋭意
検討を加えた結果、電気伝導度の高い貴金属を接合部材
として使用することにより、熱起電力の高い熱電変換素
子を得ることができることを知見し、この発明を完成し
た。
【０００９】すなわち、発明者らは、金や銀は伝導電子
としてそれぞれ５Ｓ、６Ｓ状態のＳ電子のみを有するた
めに高い電気伝導度を示し、半導体との接合性に優れか
つ酸化され難いために接合部材として使用すると、従来
の銀ろうや遷移金属をベースにした金属の接合に比べて
高い熱電力が発生すること、また、貴金属は化学的に安
定であり大気中での加熱でも酸化され難いことから、貴
金属と半導体との間の界面構造も安定化して熱起電力と
電流値が安定することを知見した。
としてそれぞれ５Ｓ、６Ｓ状態のＳ電子のみを有するた
めに高い電気伝導度を示し、半導体との接合性に優れか
つ酸化され難いために接合部材として使用すると、従来
の銀ろうや遷移金属をベースにした金属の接合に比べて
高い熱電力が発生すること、また、貴金属は化学的に安
定であり大気中での加熱でも酸化され難いことから、貴
金属と半導体との間の界面構造も安定化して熱起電力と
電流値が安定することを知見した。
【００１０】すなわち、この発明は、Ｐ型半導体とＮ型
半導体とをその一端側でＰＮ接合を形成する熱電変換素
子において、前記一対の半導体間を貴金属（Ａｇ，Ａ
ｕ）のいずれか１種の金属で接合させた熱電変換素子で
ある。
半導体とをその一端側でＰＮ接合を形成する熱電変換素
子において、前記一対の半導体間を貴金属（Ａｇ，Ａ
ｕ）のいずれか１種の金属で接合させた熱電変換素子で
ある。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１、図２は、この発明の熱電変
換素子の一実施例を示す斜視説明図である。まず、Ｓｉ
あるいは鉄硅化物（ＦｅＳｉ2）を主体とするＰ型半導
体１、Ｎ型半導体３を略Ｌ字型に加工して形成したＰＮ
接合部を構成するための突起部端面２に、貴金属（Ａ
ｇ，Ａｕ）のいずれか１種の金属膜を形成する。金属膜
の形成方法は当該端面に蒸着やスパッタリング法で形成
する他、後述の素子の圧着組立時にＰ型半導体１とＮ型
半導体３の突起部端面２，４間に金属箔を介在させるこ
ともできる。この金属膜あるいは金属箔の厚みは、１μ
ｍ〜２０μｍが好ましい。
換素子の一実施例を示す斜視説明図である。まず、Ｓｉ
あるいは鉄硅化物（ＦｅＳｉ2）を主体とするＰ型半導
体１、Ｎ型半導体３を略Ｌ字型に加工して形成したＰＮ
接合部を構成するための突起部端面２に、貴金属（Ａ
ｇ，Ａｕ）のいずれか１種の金属膜を形成する。金属膜
の形成方法は当該端面に蒸着やスパッタリング法で形成
する他、後述の素子の圧着組立時にＰ型半導体１とＮ型
半導体３の突起部端面２，４間に金属箔を介在させるこ
ともできる。この金属膜あるいは金属箔の厚みは、１μ
ｍ〜２０μｍが好ましい。
【００１２】ＰＮ接合する方法としては、Ｐ型半導体１
とＮ型半導体３の突起部端面２，４間に貴金属の金属膜
５または金属箔を介在させて、真空中あるいは不活性ガ
ス雰囲気で、両半導体１，３をセラミックス製の挟持治
具等で挟持し、圧力５０ｋｇ／ｃｍ2〜２００ｋｇ／ｃ
ｍ2、９００℃〜１０５０℃、５〜２０分間の条件で保
持して、圧着する方法が採用できる。かかる圧着組立後
に、この接合部を高温部にすると共に、Ｐ型、Ｎ型両半
導体１，３の他端部を低温側端子として構成したＵ字型
の熱電変換素子を得ることができる。なお、Ｐ型半導体
１とＮ型半導体３の上端部には電気的接続を形成するリ
ード６，７を設けてある。
とＮ型半導体３の突起部端面２，４間に貴金属の金属膜
５または金属箔を介在させて、真空中あるいは不活性ガ
ス雰囲気で、両半導体１，３をセラミックス製の挟持治
具等で挟持し、圧力５０ｋｇ／ｃｍ2〜２００ｋｇ／ｃ
ｍ2、９００℃〜１０５０℃、５〜２０分間の条件で保
持して、圧着する方法が採用できる。かかる圧着組立後
に、この接合部を高温部にすると共に、Ｐ型、Ｎ型両半
導体１，３の他端部を低温側端子として構成したＵ字型
の熱電変換素子を得ることができる。なお、Ｐ型半導体
１とＮ型半導体３の上端部には電気的接続を形成するリ
ード６，７を設けてある。
【００１３】
実施例１，２ 図２に示す熱電変換素子を作製するため、硅素（Ｓｉ）
にＡｌを０．００３ｗｔ％ドープしたＰ型半導体と硅素
（Ｓｉ）にＰを０．００３ｗｔ％ドープしたＮ型半導体
を用い、各半導体の端面に真空蒸着でＡｕ金属膜、Ａｇ
金属膜を各１０μｍ厚みに成膜し、挟持部材を用いて前
記両半導体を挟持治具で挟持し、表１に示す圧着条件に
て接合した。得られた熱電変換素子の高温部と低温部の
温度差４００℃での熱電素子の熱起電力を測定した。測
定結果を表１に示す。
にＡｌを０．００３ｗｔ％ドープしたＰ型半導体と硅素
（Ｓｉ）にＰを０．００３ｗｔ％ドープしたＮ型半導体
を用い、各半導体の端面に真空蒸着でＡｕ金属膜、Ａｇ
金属膜を各１０μｍ厚みに成膜し、挟持部材を用いて前
記両半導体を挟持治具で挟持し、表１に示す圧着条件に
て接合した。得られた熱電変換素子の高温部と低温部の
温度差４００℃での熱電素子の熱起電力を測定した。測
定結果を表１に示す。
【００１４】なお、熱電変換素子の低温側端子は、測定
用リード線と半田接合した。また、熱電変換素子の熱起
電力の特性は、熱電素子のＰＮ接合部をヒーター加熱
し、Ｕ字状の素子の両端部を送風機により冷却して、高
温部と低温部の温度差ΔＴによって生成される熱起電力
をデジタルマルチメータ一で測定した。
用リード線と半田接合した。また、熱電変換素子の熱起
電力の特性は、熱電素子のＰＮ接合部をヒーター加熱
し、Ｕ字状の素子の両端部を送風機により冷却して、高
温部と低温部の温度差ΔＴによって生成される熱起電力
をデジタルマルチメータ一で測定した。
【００１５】実施例３，４ 図２に示す熱電変換素子を作製するため、鉄硅化物（Ｆ
ｅＳｉ2）にマンガン（Ｍｎ）を３ｗｔ％添加したＰ型
半導体と鉄硅化物にコバルト（Ｃｏ）を１ｗｔ％添加し
たＮ型半導体を用い、各半導体の端面に真空蒸着でＡｕ
金属膜、Ａｇ金属膜を各１０μｍ厚みに成膜し、挟持部
材を用いて前記両半導体を挟持治具で挟持し、表１に示
す圧着条件にて接合した。得られた熱電変換素子の高温
部と低温部の温度差４００℃での熱電素子の熱起電力を
測定した。測定結果を表１に示す。
ｅＳｉ2）にマンガン（Ｍｎ）を３ｗｔ％添加したＰ型
半導体と鉄硅化物にコバルト（Ｃｏ）を１ｗｔ％添加し
たＮ型半導体を用い、各半導体の端面に真空蒸着でＡｕ
金属膜、Ａｇ金属膜を各１０μｍ厚みに成膜し、挟持部
材を用いて前記両半導体を挟持治具で挟持し、表１に示
す圧着条件にて接合した。得られた熱電変換素子の高温
部と低温部の温度差４００℃での熱電素子の熱起電力を
測定した。測定結果を表１に示す。
【００１６】比較例１〜５ 実施例１〜４と同一方法で熱電変換素子を作製する際、
表１に示す従来の金属膜を真空蒸着で成膜して種々の比
較例の熱電変換素子を作製し、実施例と同様に測定した
熱起電力を表１に示す。なお、表１の比較例Ｎｏ．４に
ついては、プレス成形時に直接粉末成形接合した後、焼
結して得られた素子である。比較例Ｎｏ．５は銀ろう接
合したものである。この銀ろうは、銅、亜鉛、カドミウ
ム等を含んでおり、電気抵抗がＡｇより高いため、その
起電力は比較例Ｎｏ．５に示すごとくＡｇに比べて低下
している。
表１に示す従来の金属膜を真空蒸着で成膜して種々の比
較例の熱電変換素子を作製し、実施例と同様に測定した
熱起電力を表１に示す。なお、表１の比較例Ｎｏ．４に
ついては、プレス成形時に直接粉末成形接合した後、焼
結して得られた素子である。比較例Ｎｏ．５は銀ろう接
合したものである。この銀ろうは、銅、亜鉛、カドミウ
ム等を含んでおり、電気抵抗がＡｇより高いため、その
起電力は比較例Ｎｏ．５に示すごとくＡｇに比べて低下
している。
【００１７】
【表１】
【００１８】
【発明の効果】この発明による熱電変換素子は、ＰＮ接
合部を半導体との接合性に優れかつ酸化され難く、高い
電気伝導度を示す貴金属からなる金属膜を介在させて形
成することにより、従来の銀ろうや遷移金属をベースに
した金属の接合に比べて高い熱電力が発生することがで
き、また、貴金属は化学的に安定であり大気中での加熱
でも酸化され難いことから、貴金属と半導体との間の界
面構造も安定化して熱起電力と電流値が安定して発電能
力（変換効率）を向上させることが可能である。
合部を半導体との接合性に優れかつ酸化され難く、高い
電気伝導度を示す貴金属からなる金属膜を介在させて形
成することにより、従来の銀ろうや遷移金属をベースに
した金属の接合に比べて高い熱電力が発生することがで
き、また、貴金属は化学的に安定であり大気中での加熱
でも酸化され難いことから、貴金属と半導体との間の界
面構造も安定化して熱起電力と電流値が安定して発電能
力（変換効率）を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による熱電変換素子の半導体を示す斜
視説明図である。
視説明図である。
【図２】この発明による熱電変換素子を示す斜視説明図
である。
である。
１ Ｐ型半導体 ２，４ 突起部端面 ３ Ｎ型半導体 ５ 金属膜 ６，７ リード
Claims (1)
- 【請求項１】 Ｐ型半導体とＮ型半導体とをその一端側
でＰＮ接合を形成する熱電変換素子において、前記一対
の半導体間を貴金属（Ａｇ，Ａｕ）のいずれか１種の金
属で接合させた熱電変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8191537A JPH1022530A (ja) | 1996-07-01 | 1996-07-01 | 熱電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8191537A JPH1022530A (ja) | 1996-07-01 | 1996-07-01 | 熱電変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1022530A true JPH1022530A (ja) | 1998-01-23 |
Family
ID=16276327
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8191537A Pending JPH1022530A (ja) | 1996-07-01 | 1996-07-01 | 熱電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1022530A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999022410A1 (en) * | 1997-10-24 | 1999-05-06 | Sumitomo Special Metals Co., Ltd. | Thermoelectric transducing material and method of producing the same |
| WO1999034450A1 (fr) * | 1997-12-27 | 1999-07-08 | Sumitomo Special Metals Co., Ltd. | Element thermoelectrique |
| AT410492B (de) * | 2000-05-02 | 2003-05-26 | Span Gerhard Dipl Ing Dr | Thermoelektrisches element mit mindestens einer n-schicht und mindestens einer p-schicht |
| CN100385694C (zh) * | 1999-03-10 | 2008-04-30 | 日立金属株式会社 | 热电转换材料及其制作方法 |
| WO2019170826A1 (en) * | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Rgs Development B.V. | Thermoelectric conversion device and method for manufacturing the same |
| RU2781494C2 (ru) * | 2018-03-07 | 2022-10-12 | Ргс Дивелопмент Б.В. | Устройство термоэлектрического преобразования и способ его изготовления |
-
1996
- 1996-07-01 JP JP8191537A patent/JPH1022530A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999022410A1 (en) * | 1997-10-24 | 1999-05-06 | Sumitomo Special Metals Co., Ltd. | Thermoelectric transducing material and method of producing the same |
| WO1999034450A1 (fr) * | 1997-12-27 | 1999-07-08 | Sumitomo Special Metals Co., Ltd. | Element thermoelectrique |
| US6271460B1 (en) * | 1997-12-27 | 2001-08-07 | Sumitomo Special Metals Co., Ltd. | Thermo-electric element |
| CN100385694C (zh) * | 1999-03-10 | 2008-04-30 | 日立金属株式会社 | 热电转换材料及其制作方法 |
| AT410492B (de) * | 2000-05-02 | 2003-05-26 | Span Gerhard Dipl Ing Dr | Thermoelektrisches element mit mindestens einer n-schicht und mindestens einer p-schicht |
| US6762484B2 (en) | 2000-05-02 | 2004-07-13 | Gerhard Span | Thermoelectric element |
| WO2019170826A1 (en) * | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Rgs Development B.V. | Thermoelectric conversion device and method for manufacturing the same |
| NL2020545B1 (en) * | 2018-03-07 | 2019-09-13 | Rgs Dev B V | Thermoelectric conversion device |
| RU2781494C2 (ru) * | 2018-03-07 | 2022-10-12 | Ргс Дивелопмент Б.В. | Устройство термоэлектрического преобразования и способ его изготовления |
| US11621385B2 (en) | 2018-03-07 | 2023-04-04 | Rgs Development B.V. | Thermoelectric conversion device and method for manufacturing the same |
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