JPH11135846A

JPH11135846A - 半導体を用いた熱電装置

Info

Publication number: JPH11135846A
Application number: JP30071797A
Authority: JP
Inventors: Norio Hidaka; 紀雄日▲高▼
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 1999-05-21
Also published as: US6107645A

Abstract

(57)【要約】【課題】小型、かつ消費電力の少ない冷却装置を提供
する。【解決手段】低温端と高温端とを有する第１の熱電半
導体部材の低温端に第１の部材が接続されている。第１
の部材から第１の熱電半導体部材中に、電子及び正孔の
いずれか一方の第１のキャリアが注入される時に、例え
ばペルチェ効果等による吸熱が生ずる。発光領域が半導
体材料により形成され、第１の熱電半導体部材の高温端
まで輸送された第１のキャリアを捕集し、電子と正孔と
の再結合による発光を生ずる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体を用いた熱
電装置に関し、特にペルチェ吸熱効果を利用した発光装
置、冷却装置、電力抽出装置に関する。

【０００２】大規模半導体集積回路装置（ＬＳＩ）の高
集積化や高速大容量電算機システム等の大規模化ととも
に、その消費電力及び発熱量が増大し、その大量の熱を
吸収する冷却装置も大型化、大容量化している。冷却装
置の大型化が、システム全体の小型化、高性能化、低消
費電力化を困難なものにしている。また、従来の冷却装
置では、ある部分を冷却すると、他の部分で発熱が生ず
る。このため、発熱部分に放熱設備が必要となる。発熱
部分を有しない冷却装置を実現できれば、冷却装置の小
型化、低消費電力化等が期待できる。

【０００３】光エネルギを癌治療や整形外科、歯科の生
体アブレーション等の医療分野、精密機械加工、半導体
製造等の工業分野に活用する研究が進むにつれて、卓上
型の小型で高出力のレーザ装置が要求されるようになっ
た。

【０００４】近年、電力消費量の増大とともに、電力を
創りだす燃料の消費量は増大の一途をたどっており、エ
ネルギ資源の枯渇、炭酸ガスによる地球温暖化、排ガス
による環境汚染といったエネルギ危機から環境破壊まで
の人類生存に係わる問題が叫ばれるようになってきてい
る。この問題を解決するためのエネルギ源の探索、エネ
ルギの抽出方法などが世界的に模索されている。

【０００５】理想的なエネルギ源としては、クリーンで
無尽蔵であることは無論のこと、それを取り出す装置が
小型でしかも大容量かつ高効率であることが望ましい。

【０００６】将来のエネルギ源の一つの候補にあげられ
検討されている太陽エネルギは、クリーンで無尽蔵であ
るが地球への照射電力密度が１ｋＷ／ｍ²と小さく、そ
れを取り出す装置（太陽電池）の変換効率も２０％程度
と低い。改良により現在の２〜３倍は可能との予測もあ
るが、充分な電力を得るためには大型にならざるを得な
い。

【０００７】

【従来の技術】図７は、従来の熱電冷却素子のバンドダ
イヤグラムを示す。この素子はゼーベック係数α、抵抗
ｒ、熱伝導度Ｋをもつ熱電半導体Ｓの両側にそれぞれ金
属Ｍ₁及びＭ₂を接触させて構成されている。低温接合
部には、金属Ｍ₁のフェルミ準位とｎ型熱電半導体Ｓの
伝導帯下端の準位間のエネルギ差ΔＥ_Cのポテンシャル
障壁が形成され、高温接合部には、金属Ｍ₂のフェルミ
準位とｎ型熱電半導体Ｓの伝導帯下端の準位間のエネル
ギ差ΔＥ_Hのポテンシャル障壁が形成されている。

【０００８】なお、より厳密には両接合部の半導体Ｓ側
にスパイク状の空乏層が形成されるが、その厚さは数ｎ
ｍ程度であるため金属Ｍ₁からの電子はトンネル効果に
より熱電半導体Ｓの伝導帯下端に達する。このため電子
に対しては実効的にΔＥ_Cのポテンシャル障壁と考えて
差し支えない。

【０００９】金属Ｍ₁とＭ₂との間に電圧（αΔＴ＋ｒ
Ｉ）が印加されている。αΔＴは熱電半導体Ｓの両端の
温度差をΔＴにするために必要な電圧に相当する。電流
Ｉを流すことによって、低温接合部の金属中の電子がポ
テンシャル障壁ΔＥ_Cを乗り越え、かつエネルギＱ
_PC（ペルチェ吸熱量）を金属Ｍ₁から奪う。このため、
低温接合部が冷却されその温度がＴ_Cに下がる。

【００１０】このペルチェ吸熱量Ｑ_PCは、およそ（ΔＥ
_C＋２ｋＴ）程度のエネルギである。ここで、ｋはボル
ツマン定数、Ｔは温度を表す。より詳細には次のゼーベ
ック係数αに温度を乗じたもので表される。

【００１１】

【数１】α=(k/q)｛ln(N_COND/N_d) ＋2 ｝（Ｖ／Ｋ）ここで、ｋはボルツマン定数、ｑは電気素量、Ｎ_CONDは
伝導帯の有効状態密度、Ｎ_dはドナー濃度を表す。

【００１２】エネルギＱ_PCをもつ電子は半導体Ｓ中を移
動して高温接合部に達し、金属Ｍ₂にエネルギＱ_PH（Ｑ
_PC＋αΔＴ_SＩ：ペルチェ発熱量）を与える。このため
高温接合部は発熱し、その温度がＴ_Hに上昇する。低温
接合部の吸熱量をＱ_C、高温接合部の発熱量をＱ_H、ペ
ルチェ吸熱エネルギをＱ_PC、ペルチェ発熱エネルギをＱ
_PH、ペルチェ吸熱係数をΠ_C、ペルチェ発熱係数を
Π_P、熱電半導体Ｓ内で発生するジュール熱をＰ_r、低
温接合部の温度をＴ_C、高温接合部の温度をＴ_H、外気
温度をＴ_R、高温接合部と低温接合部との温度差をΔ
Ｔ_Sとすると、これらの温度、熱量等の関係等は次式で
表される。

【００１３】

【数２】Ｑ_C＝Ｑ_PC−(1/2) Ｐ_r−ΔＴ_SＫ …（１．１）Ｑ_H＝Ｑ_PH＋(1/2) Ｐ_r−ΔＴ_SＫ …（１．２）Ｑ_H−Ｑ_C＝（Ｑ_PH−Ｑ_PC）＋Ｐ_r …（１．３）＝αΔＴ_SＩ＋Ｐ_r …（１．４）Ｑ_PC＝αＴ_CＩ＝Π_CＩ …（１．５） Π_C＝αＴ_C …（１．６）Ｑ_PH＝αＴ_HＩ＝α（Ｔ_C＋ΔＴ_S）Ｉ …（１．７） Π_P＝αＴ_H …（１．８）Ｐ_r＝ｒＩ² …（１．９） ΔＴ_S＝Ｔ_H−Ｔ_C＝Ｔ_R−Ｔ_C …（１．10）

【００１４】式中の（１／２）Ｐ_rは熱電半導体Ｓの内
部で発生したジュール熱のうち低温接合部に流入する熱
量に相当し、ΔＴ_SＫは高温接合部の発熱量のうち低温
接合部に流入する熱量に相当している。式（１．３）に
示すＱ_H−Ｑ_Cは、この素子に外部から印加される電力
であり常に正の値をとる。これは、素子内で電力が消費
され熱エネルギとして素子内に残ることを意味する。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来のペルチェ素子に
熱絶縁空間において電流を流し続けると、高温接合部か
ら低温接合部への熱流、および高温接合部からの発熱及
び熱蓄積により素子全体の温度が上昇し続ける。同時
に、低温接合部の温度も上昇することになるため、この
素子は冷却機能を失うことになる。従って、この素子を
冷却器として利用する場合は、熱の蓄積による高温接合
部の温度上昇を抑制し一定温度に保持するための放熱器
が不可欠となる。このため冷却素子全体の寸法、消費電
力が大きくなる。

【００１６】本発明の目的は、小型、かつ消費電力の少
ない冷却装置を提供することである。

【００１７】本発明の他の目的は、発熱を抑制すること
ができる発光装置を提供することである。

【００１８】本発明のさらに他の目的は、効率的な電力
抽出装置を提供することである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、低温端と高温端とを有する第１の熱電半導体部材
と、前記第１の熱電半導体部材の低温端に接続された第
１の部材であって、該第１の部材から前記第１の熱電半
導体部材中に、電子及び正孔のいずれか一方の第１のキ
ャリアが注入される時に吸熱が生ずる材料により形成さ
れた第１の部材と、半導体材料により形成され、前記第
１の熱電半導体部材の高温端まで輸送された第１のキャ
リアを捕集し、電子と正孔との再結合による発光を生ず
る発光領域とを有する熱電装置が提供される。

【００２０】低温端で、例えばペルチェ効果等による吸
熱が生ずる。高温端から発光領域に注入されたキャリア
のエネルギが光エネルギに変換される。このため、高温
端における発熱が抑制される。

【００２１】

【発明の実施の形態】本願発明者は、従来のペルチェ素
子の動作原理を詳細に検討した。以下に、その検討内容
を説明する。

【００２２】ペルチェ素子における熱の蓄積および高温
接合部の温度上昇の原因の一つは、電子によって低温接
合部の金属から奪われた熱エネルギが、高温接合部に元
の熱エネルギの形態のまま注入されていることにある。
すなわち、熱エネルギをある箇所で奪い、これを他所に
移動しその箇所を局所的に冷却したとしても、閉じた熱
システムでは熱エネルギが増えることはあっても減ずる
ことはなく（熱力学の第一法則、エネルギ保存の法則に
基づく）、他所で必ず熱の蓄積がおこる。

【００２３】熱エネルギを他のエネルギ形態に変換して
熱システム外に放出することができれば、熱蓄積を抑制
できると考えられる。しかし、熱エネルギは完全に他の
形態のエネルギに変換できない低質のエネルギといわれ
ており、その変換の可能性には疑問が出てくる。反面、
力学エネルギや電気エネルギは、熱エネルギと違って摩
擦や抵抗が無ければ相互に完全に変換できる良質のエネ
ルギといわれる。

【００２４】ペルチェ素子の低温接合部のポテンシャル
障壁を越えた電子は、ポテンシャルエネルギ（ΔＥ_C）
と運動エネルギ（２ｋＴ）の和の状態で高温接合部に輸
送していると考えられる。従って、このエネルギを熱エ
ネルギ以外の形態に変換できる可能性は十分あると予想
される。

【００２５】ペルチェ素子の高温接合部における温度上
昇のもう一つの原因は、エネルギＱ _PCを与えられた電子
が高温接合部の金属Ｍ₂中に注入され、その注入された
電子が金属中の格子と衝突して、その金属に格子振動エ
ネルギを与えることである。

【００２６】従って、問題を解決するための主要な技術
的課題は、高温接合部に注入されるエネルギを熱以外の
良質のエネルギ形態に変えること、及びエネルギを与え
られた電子と金属の格子との衝突を回避することにより
高温接合部における熱エネルギの発生を抑制することで
ある。

【００２７】次に、上記の技術的課題を解決するための
本発明の実施例による熱電装置の動作原理について説明
する。

【００２８】図１Ａは、本発明の実施例による熱電装置
のバンドダイヤグラムを示す。ｎ型熱電半導体Ｓ₁の低
温端（低温接合部）Ｃ_Cに金属Ｍ₁が接続され、高温端
（高温接合部）Ｃ_Hに、電子と正孔とが発光性の再結合
をする半導体（発光領域）Ｓ ₂、半導体Ｓ₂よりも大き
なバンドギャップを有するｐ型半導体Ｓ₃、及び金属Ｍ
₂がこの順番に接続されている。

【００２９】図１Ａに示す冷却装置においては、図７に
示す従来のペルチェ素子の高温接合部の金属Ｍ₂の代わ
りに半導体Ｓ₂を用いている。半導体Ｓ₂を用いると、
低温接合部Ｃ_Cから電子によって輸送されたエネルギを
高温接合部Ｃ_Hで光エネルギに変換することができる。
すなわち、高温接合部Ｃ_Hに輸送された電子のエネルギ
がすべて熱エネルギに変換されるのではなく、バンド間
遷移により光エネルギに変換されるのである。

【００３０】図１Ｂは、図１Ａに示す冷却装置内で生ず
る熱現象を、等価な電気回路を使って表した熱電等価回
路図を示す。この等価回路では、熱エネルギの流れを電
流、温度差を電圧、熱伝導度を電気コンダクタンスに等
価とおいている。低温接合部Ｃ_Cから高温接合部Ｃ_Hま
での等価回路は従来の熱電冷却素子の熱流式から求め
た。また、半導体（発光領域）Ｓ₂の等価回路は発光素
子の光出力エネルギに関する次式から求めた。すなわ
ち、

【００３１】

【数３】Ｑ_L＝（Ｑ_E−Ｐ_d） …（２．１）＝（Ｑ_PH−Ｐ_d） …（２．２）ここで、Ｑ_Lは、出力された光エネルギ、Ｑ_Eは発光領
域Ｓ₂に入力された電気エネルギ、Ｐ_dは熱損失を表
す。発光領域Ｓ₂では、入力される電気エネルギＱ_Eを
ペルチェ発熱エネルギＱ_PHと等価とおいている。

【００３２】低温接合部Ｃ_Cの熱流源Ｑ_Cは外気からの
吸熱量、熱流源Ｑ_PCはペルチェ吸熱エネルギ、（１／
２）Ｐ_rは熱電半導体Ｓ₁中で発生するジュール熱の半
分を表している。すなわち、熱電半導体Ｓ₁中で発生し
たジュール熱のうち半分の熱量が低温接合部Ｃ_Cに輸送
されると仮定している。Ｋ_Sは熱電半導体Ｓ₁の熱伝導
度、ΔＴ_Sは高温接合部Ｃ_Hの温度Ｔ_Hと低温接合部Ｃ
_Cの温度Ｔ_Cとの温度差であり、ΔＴ_SＫ_Sは熱伝導に
より高温接合部Ｃ_Hから低温接合部Ｃ_Cに流入する熱量
を表す。

【００３３】高温接合部Ｃ_Hの熱流源Ｑ_PHはペルチェ発
熱エネルギ、（１／２）Ｐ_rは高温接合部に流入するジ
ュール熱を表している。発光領域Ｓ₂の熱流源Ｑ_PHは発
光領域Ｓ₂に流入するペルチェ発熱エネルギに相当し、
この一部が光エネルギとして放出される。熱流源Ｐ_dは
発光領域Ｓ₂で発生する熱損失を表し、（Ｑ_PH−Ｐ_d)
が光となって素子外に放出されるエネルギとなる。Ｋ_F
は高温接合部Ｃ_Hと外気間の熱伝導度、Ｔ_Rは外気温
度、Ｑ_Hは高温接合部Ｃ_Hから外気に流れる熱量であ
る。

【００３４】図１Ｂの等価回路を基本熱流式で表すと、
以下のようになる。ここで、Ｐ_INは印加電力を表す。

【００３５】

【数４】Ｑ_H＝Ｑ_PH＋(1/2) Ｐ_r−ΔＴ_SＫ_S−（Ｑ_PH−Ｐ_d） …（２．３）Ｑ_C＝Ｑ_PC−(1/2) Ｐ_r−ΔＴ_SＫ_S …（２．４）Ｑ_H−Ｑ_C＝（Ｑ_PH−Ｑ_PC）＋Ｐ_r−（Ｑ_PH−Ｐ_d） …（２．５）＝αΔＴ_SＩ＋Ｐ_r−Ｑ_L …（２．６）Ｐ_IN＝αΔＴ_SＩ＋Ｐ_r …（２．７）Ｐ_r＝ｒＩ² …（２．８） ΔＴ_S＝（Ｔ_R−Ｔ_C）＋（Ｑ_H／Ｋ_F） …（２．９）Ｔ_H＝Ｔ_R＋（Ｑ_H／Ｋ_F） …（２．10）

【００３６】発光領域Ｓ₂の電気光変換効率が高くなっ
て熱損失Ｐ_dが小さくなると、高温接合部Ｃ_Hの発熱量
Ｑ_Hが小さくなる。Ｑ_Hが負になると高温接合部Ｃ_Hの
温度が外気温度より下がる。このとき、外気と高温接合
部Ｃ_Hとの間の熱流Ｑ_Hは逆に外気から素子に向かって
流れることになる。熱損失Ｐ_dが大きく高温接合部Ｃ _H
の発熱量が大きい時は、熱流Ｑ_Hは素子から外気に向か
って流れる。

【００３７】高温接合部Ｃ_Hの発熱量Ｑ_H及び消費電力
Ｑ_H−Ｑ_Cを表す式（２．３）及び（２．５）は、〔−
（Ｑ_PH−Ｐ_d）〕の項を除くと従来素子の式（１．１）
及び（１．３）になる。また、低温接合部Ｃ_Cと高温接
合部Ｃ_Hとの温度差を表す式（２．９）は、熱伝導度Ｋ
_Fを無限大にすると、従来素子の式（１．10）になる。
熱伝導度Ｋ_Fが無限大ということは、外気と高温接合部
Ｃ_H間に温度差がなくなり、高温接合部の温度Ｔ_Hが一
定の外気温度Ｔ_Rに保持されることを意味する。また、
これは、低温接合部Ｃ_Cで奪われる熱量Ｑ_Cと高温接合
部Ｑ_Hで外気に放出される熱量Ｑ_Hが平衡状態にあるこ
とを意味している。

【００３８】式（２．３）の右辺の第４項（Ｑ_PH−
Ｐ_d) は、高温接合部Ｃ_Hに達した電子のエネルギＱ_PH
が光エネルギに変換される量を表している。この（Ｑ_PH
−Ｐ_d)は電気光変換効率η_Lを用いて表すとη_LＱ_PH
となる。負の符号はエネルギの発生を表しており、光エ
ネルギとして高温接合部Ｃ_Hから素子外に取り出されて
いることを意味する。

【００３９】これは、外部から注入される印加電力Ｐ_IN
よりも光として放出される熱量の方が大きくなり得るこ
とを示している。すなわち、高温接合部Ｃ_Hの温度Ｔ_H
が外気温度Ｔ_Rより低くなり得ることを意味する。これ
が従来素子との決定的な違いである。ここで、低温接合
部Ｃ_Cと発光領域Ｓ₂とは直列に接続されているため、
その各部、各層を流れる電流は等しい。従って、低温接
合部Ｃ_Cを流れる電子と発光領域Ｓ₂内で伝導帯から価
電子帯に遷移する電子とにより単位時間、単位面積当た
りに移動するエネルギ量は同じになる。

【００４０】消費電力を表す式（２．５）の右辺の第３
項（Ｑ_PH−Ｐ_d）の負の符号は、式（２．３）の第４項
と同様にエネルギが素子内部で発生していることを意味
している。即ち、入力電力〔（Ｑ_PH−Ｑ_PC）＋Ｐ_r〕を
加えることにより、ペルチェ発熱エネルギＱ_PHの一部が
光エネルギ（Ｑ_PH−Ｐ_d）として取り出され、素子外に
放出されていることを意味する。

【００４１】通常、ペルチェ発熱エネルギＱ_PHは入力電
力よりも大きくすることができるため、消費電力（２．
５）を負にすることが可能になる。すなわち、素子の外
にエネルギを抽出することができる。素子外に抽出され
たエネルギは、素子内で失われたエネルギに相当する。
すなわち、この熱システム（冷却素子と光放出空間を含
む系）の総エネルギ量は変化せず、エネルギ保存の法則
は満たされている。

【００４２】また、冷却装置設計に必要な式は、上式の
基本熱流式（２．３）〜（２．10）に熱電素子パラメー
タを代入して整理し、次のように表すことができる。

【００４３】

【数５】Ｑ_H＝−Π_CＩ〔（Ｅ_G／Π_C）η_L＋（ΔＴ_SＫ_S／Π_CＩ） −｛（ｒＩ／２Π_C）＋（Ｅ_G／Π_C）｝〕 …（３．１）Ｑ_C＝Π_CＩ｛１−（ｒＩ／２Π_C）−（ΔＴ_SＫ_S／Π_CＩ）｝ …（３．２）ここで、Π_Cはペルチェ吸熱係数、Ｅ_Gは発光領域Ｓ₂
のバンドギャップ、η _Lは発光領域Ｓ₂の電気光変換効
率、Ｉは素子を流れる電流である。

【００４４】式（３．１）から、高温接合部Ｃ_Hの発熱
量Ｑ_Hを負にするには、ペルチェ吸熱係数Π_Cを大きく
するとともに、電気光変換効率η_L及び熱伝導率Ｋ_Sを
大きくすることが必要である。一方、熱伝導率Ｋ_Sを大
きくしすぎると、式（３．２）が示すように吸熱量Ｑ_C
が小さくなりすぎて性能が低下する。従来の熱電冷却装
置においては、熱伝導率Ｋ_Sが小さい程、性能が良くな
るが、本実施例による冷却装置では好適な値が存在する
ことが分かる。

【００４５】次に、上記動作原理に基づいた実施例につ
いて説明する。図２は、実施例による熱電装置のバンド
ダイヤグラムを示す。実施例による熱電装置は、ｎ側金
属Ｍ_n、ｎ型ペルチェ積層構造ＰＢ_n、ｎ型半導体から
なる緩衝層Ｓ_n、発光領域Ｓ_t、ｐ型半導体からなる緩
衝層Ｓ_p、ｐ型ペルチェ積層構造ＰＢ_p、ｐ側金属Ｍ_p
がこの順番に積層されて構成される。ｎ側金属Ｍ_nとｎ
型ペルチェ積層構造ＰＢ_nとの接合面、及びｐ側金属Ｍ
_pとｐ型ペルチェ積層構造ＰＢ_pとの接合面が、図１Ａ
に示す低温接合部Ｃ_Cに相当する。また、発光領域Ｓ_t
とｎ型ペルチェ積層構造ＰＢ_nとの接合部及び発光領域
Ｓ_tとｐ型ペルチェ積層構造ＰＢ_pとの接合部が、図１
Ａに示す高温接合部Ｃ_Hに相当する。

【００４６】ｎ型ペルチェ積層構造ＰＢ_nは、ｎ型熱電
半導体層Ｓ_1nと金属層Ｍ_1nが交互に積層されて構成され
る。例えば、１０層のｎ型熱電半導体層Ｓ_1nと９層の金
属層Ｍ_1nにより構成される。ｐ型ペルチェ積層構造ＰＢ
_pは、ｐ型熱電半導体層Ｓ_1pと金属層Ｍ_1pが交互に積層
されて構成される。例えば、１０層のｐ型熱電半導体層
Ｓ_1pと９層の金属層Ｍ_1pにより構成される。

【００４７】ｎ型熱電半導体層Ｓ_1n及びｐ型熱電半導体
層Ｓ_1pは、それぞれ例えば厚さ約５０μｍ、面積１×１
ｍｍ²のｎ型ＰｂＴｅ層及びｐ型ＰｂＴｅ層である。金
属層Ｍ_1n及びＭ_1pは、例えば厚さ５μｍのＡｕ層であ
る。ｎ型緩衝層Ｓ_n及びｐ型緩衝層Ｓ_pは、それぞれ例
えば厚さ約２μｍのｎ型ＩｎＰ層及びｐ型ＩｎＰ層であ
る。発光領域Ｓ_tは、例えばバンドギャップ１．２５ｅ
ＶのＩｎＧａＡｓＰ層である。

【００４８】ｎ型緩衝層Ｓ_nは、ｎ型熱電半導体層Ｓ_1n
のうち最も発光領域Ｓ_t側の層と発光領域Ｓ_tとの間の
格子不整合を緩和する。同様に、ｐ型緩衝層Ｓ_pは、ｐ
型熱電半導体層Ｓ_1pのうち最も発光領域Ｓ_t側の層と発
光領域Ｓ_tとの間の格子不整合を緩和する。緩衝層Ｓ_n
及びＳ_pを設けているために、発光領域Ｓ_tへのキャリ
ア注入効率及び発光領域の発光効率が高くなる。このた
め、高温接合部での熱損失が低減され、発光装置の熱電
性能が高くなる。

【００４９】さらに、ｎ型緩衝層Ｓ_nはｐ型ペルチェ積
層構造ＰＢ_pから発光領域Ｓ_t内へ注入された正孔に対
してポテンシャル障壁を形成し、ｎ型ペルチェ積層構造
ＰＢ _n内への正孔の漏洩を抑制する。同様に、ｐ型緩衝
層Ｓ_pはｎ型ペルチェ積層構造ＰＢ_nから発光領域Ｓ_t
内へ注入された電子に対してポテンシャル障壁を形成
し、ｐ型ペルチェ積層構造ＰＢ_p内への電子の漏洩を抑
制する。このため、発光領域Ｓ_t内へキャリアが蓄積さ
れ、キャリアの再結合確率を高めることができる。

【００５０】また、ｎ型ペルチェ積層構造ＰＢ_n側の低
温接合部とｐ型ペルチェ積層構造ＰＢ_p側の低温接合部
の総吸熱量は、ｎ型の電子による吸熱量とｐ型の正孔に
よる吸熱量の和となる。このため、電子のみによる吸熱
の場合、及び正孔のみによる吸熱の場合に比べて吸熱量
を２倍にすることができる。

【００５１】また、図２に示す熱電装置では、ｎ型ペル
チェ積層構造ＰＢ_n及びｐ型ペルチェ積層構造ＰＢ
_pが、共に１０個のペルチェ障壁を直列に有する。この
ため、各段のペルチェ障壁で吸熱されたエネルギが漸次
追加され、最終段の高温接合部のペルチェ発熱エネルギ
が大きくなる（例えば１０倍になる）と考えられる。こ
のようにして、実効的なペルチェ係数Π_Cを大きくし、
式（３．１）の高温接合部の発熱量Ｑ_Hを負にする条件
を満たすような熱電装置を構成することが可能になる。

【００５２】図２に示す発光装置において、熱電半導体
の合成抵抗をｒ、電流をＩ、実効的なペルチェ吸熱係数
をΠ_C、高温接合部と低温接合部との温度差をΔＴ_S、
ｎ型及びｐ型ペルチェ積層構造ＰＢ_n及びＰＢ_pの熱伝
導度をＫ_Sとしたとき

【００５３】

【数６】〔１−（ｒＩ／２Π_C）〕＞−（ΔＴ_SＫ_S／Π_CＩ）を満足するように各材料を構成し、電流を流す。この条
件を満たすことにより、式（３．２）の低温接合部の吸
熱量Ｑ_Cが正となり、冷却機能を持たせることができ
る。

【００５４】ｎ型ペルチェ積層構造ＰＢ_n及びｐ型ペル
チェ積層構造ＰＢ_pの各々を移動するキャリアのペルチ
ェ吸熱係数が、発光領域Ｓ_tのエネルギギャップＥ_Gの
半分になるように設計される。これによって電子の持つ
ポテンシャルエネルギをエネルギギャップＥ_Gと同じに
している。発光領域Ｓ_tに注入された電子は、その伝導
帯から価電子帯に直接遷移し、バンドギャップＥ_Gに相
当する波長の光を放出してエネルギを失う。このため格
子との衝突が回避され、高温接合部での熱の発生、蓄積
が抑制される。

【００５５】図２に示す熱電装置の種々の熱電パラメー
タを以下に示す。

【００５６】

【数７】ＰｂＴｅの熱電定数比抵抗：ρ ＝ 1.15×10^-3 （Ω・ｃｍ）熱伝導率：χ ＝ 1.79×10^-2 （Ｗ／Ｋ・ｃｍ）ゼーベック係数（ｎ型）：Ｓ＝ 250 （μＶ／Ｋ）長さ５０μｍ、面積１ｍｍ²の単層ペルチェ障壁素子の熱電パラメータ素子長：ｌ₀＝ 50 （μｍ）面積：Ａ＝ 1 （ｍｍ²) ゼーベック係数：Ｓ＝ 250 （μＶ／Ｋ）抵抗：ｒ₀＝ 5.75×10^-4 （Ω）熱伝導度：ｋ₀＝ 3.58×10^-2 （Ｗ／Ｋ）多層ペルチェ障壁素子の実効熱電パラメータ実効ゼーベック係数：α ＝ 2.5 × 10 ^-3（Ｖ／Ｋ）実効熱伝導度：Ｋ_S＝ 0.358 （Ｗ／Ｋ）実効抵抗：ｒ＝ 0.575 ×10^-2（Ω）層数：Ｎ＝ 10 素子長：Ｌ＝ 0.5 （ｍｍ）面積：Ａ＝ 1 （ｍｍ²)

【００５７】この多層ペルチェ障壁素子の実効ゼーベッ
ク係数αは、上記のように素子長と面積が同等の単体素
子（Ｓ＝２５０μＶ／Ｋ）に比べて、実効的に１０倍に
なり、ミリボルトオーダの値が得られる。従ってペルチ
ェ係数も１０倍となる。また、熱伝導度、抵抗とも実効
的に１０倍になる。

【００５８】実効熱伝導度Ｋ_Sは、この発光装置の動作
に重要な意味を持つ。すなわち、高温接合部で発生する
熱量を光エネルギとして十分に放出することができず
（発光領域Ｓ_tでの電気光変換効率η_Lが低い場合）発
熱量Ｑ_Hを負にできない場合に、実効熱伝導度Ｋ_Sを大
きくして高温接合部で発生した熱を低温接合部に戻す。
このようにして、高温接合部の温度を下げる役割を果た
す。従来の熱電冷却素子では、熱伝導度Ｋ_Sを大きくす
ると低温接合部に流入する熱量が大きくなり、吸熱量Ｑ
_Cおよび成績係数ＣＯＰ（Coefficient of performanc
e) が小さくなるためＫ_Sを小さくすることが好ましい
と考えられていた。一方、本実施例の場合には、熱伝導
度Ｋ_Sを小さくすればよいというわけではなく、好適な
範囲が存在する。

【００５９】次に、図２に示すｎ型ペルチェ多層構造Ｐ
Ｂ_nと発光領域Ｓ_tとを有するｎ型領域のみの熱電装置
の性能に着いて評価する。

【００６０】この熱電装置を、入力電力Ｐ_IN＝１６．５
ｍＷ、電流Ｉ＝１Ａ、高温接合部と外気との間の熱伝導
度Ｋ_F＝４．７３×１０^-3（Ｗ／Ｋ）、発光領域Ｓ_tの
電気光変換効率η_E＝８０％、外気温度Ｔ_R＝３００Ｋ
の条件で動作させた場合を考える。

【００６１】式（３．１）、（３．２）のバンドギャッ
プＥ_Gを（１／２）Ｅ_Gにし、上記条件及び熱電パラメ
ータを代入することにより、下記の熱電冷却性能が得ら
れる。

【００６２】成績係数ＣＯＰ＝ 32 吸熱量Ｑ_C＝ 529 （ｍＷ）高温接合部の発熱量Ｑ_H＝−454 （ｍＷ）低温接合部の温度Ｔ_C＝ 250 （Ｋ）高温接合部の温度Ｔ_H＝ 251 （Ｋ）光出力Ｐ_L＝１（Ｗ）

【００６３】このように、高温接合部の温度Ｔ_Hは２５
１Ｋになり、外気温度より約５０Ｋ低く、吸熱量Ｑ_Cが
５２９ｍＷ、成績係数ＣＯＰが３２倍（３２００％）に
なる。一方、従来の放熱ファン付の半導体のペルチェ素
子のＣＯＰは１００％以下、家庭用空調機のそれは２〜
３倍（２００〜３００％）、大型の強制空冷、水冷等の
放熱設備を設けた冷却塔等では１５倍（１５００％）程
度である。また、本実施例の熱電装置では、冷却すると
同時に光出力１Ｗを得られる。

【００６４】高温接合部の発熱量Ｑ_Hの負の符号は、熱
流が外気から高温接合部に向っていることを示してお
り、高温接合部の温度Ｔ_Hが外気温度Ｔ_Rより低いこと
を意味している。高温接合部の発熱量Ｑ_Hが負になる現
象は、低温接合部で奪った吸熱エネルギＱ_PCの一部を高
温接合部から光エネルギ（Ｑ_PH−Ｐ_d）として放出し、
さらに高温接合部で発生した熱をｎ型ペルチェ積層構造
ＰＢ_nを通して低温接合部に戻していることにより起こ
っている。

【００６５】これにより低温接合部および高温接合部を
含む素子全体の温度が低下する。高温接合部と外気との
間の熱伝導度Ｋ_Fが零、即ち高温接合部が外気と熱的に
絶縁されている場合は、式（２．10）の右辺第２項の
（Ｑ_H／Ｋ_F）がマイナス無限大となり高温接合部の温
度Ｔ_Hが絶対零度に近づくことになる。

【００６６】従来素子では、高温接合部の発熱量Ｑ_Hの
符号は正であり高温接合部の温度が常に外気よりも高く
なっている。このため、高温接合部の熱を放熱ファン等
を用いて外気に放出している。即ち、ペルチェ発熱エネ
ルギＱ_PHを放出しているわけである。この高温接合部の
温度Ｔ_Hは、放熱ファンによる外気との熱伝導度Ｋ_Fを
無限大にしても外気温度より低くなることはない。ま
た、放熱ファン用の電力が必要となり消費電力は大きな
ものになる。

【００６７】低温接合部と高温接合部の温度差ΔＴ
_Sは、小さいことが好ましい。温度差ΔＴ_Sを小さくす
ると、式（２．７）により、印加電力Ｐ_INを少なくする
ことができる。

【００６８】このように本実施例によると、高いＣＯＰ
を達成し、さらに冷却機能と発光機能を合わせもつ装置
を実現することができる。また、放熱の必要がないた
め、放熱用ファンによる装置容積の増大等を回避するこ
とができる。

【００６９】次に、上記実施例と熱力学の第二法則との
関係について考察する。本装置が発生するエネルギ及び
エントロピは無限に熱の流出入がある開放系では定義す
ることができない。従って、熱絶縁系Ｕ内に置かれた本
装置が発生する有効エネルギ及び生成するエントロピを
求めて本装置が熱力学の第二法則に反しないことを示
す。

【００７０】熱絶縁系Ｕに外部から流入流出する熱は全
くないと仮定する。本装置が動作していない時の熱絶縁
系Ｕの初期熱量をＱ_T0、その時の系Ｕの温度をＴ_U0とす
る。熱絶縁系Ｕの初期電気エネルギをＰ₀とする。

【００７１】本装置に電気エネルギＰ₀を加えると、本
装置が動作を開始し、熱エネルギＱ _T0を有する系Ｕから
熱エネルギＱ_CHを吸収し光エネルギＱ_Lを放出する。こ
のため系Ｕの熱エネルギは、Ｑ_T0から（Ｑ_T0−Ｑ_CH）に
減少し、系Ｕの温度はＴ_U0からＴ_Uに低下する。一方、
光エネルギＱ_Lは有効エネルギＱ_ESと熱エネルギＱ_TSに
変換されてその熱エネルギＱ_TSが放出されるため、熱絶
縁系Ｕ内の熱エネルギＱ_TUは（Ｑ_T0−Ｑ_CH）にＱ_TSが加
えられた量となる。有効エネルギとは、それを使うこと
によって何らかの仕事ができるエネルギ、例えば電気エ
ネルギ等をいう。

【００７２】熱絶縁系Ｕ内の熱エネルギＱ_TU、温度
Ｔ_U、および光エネルギＱ_Lから変換された有効エネル
ギＱ_ES、熱エネルギＱ_TSの関係は次式で表される。

【００７３】

【数８】熱絶縁系Ｕの熱エネルギ：Ｑ_TU＝（Ｑ_T0−Ｑ_CH）＋Ｑ_TS (4.1) 熱絶縁系Ｕの温度：Ｔ_U＝｛（Ｑ_T0−Ｑ_CH）＋Ｑ_TS｝／Ｃ_U(4.2) 装置から出力される光エネルギ：Ｑ_L＝Ｑ_CH＋Ｐ₀ (4.3) 変換されたエネルギ：＝Ｑ_ES＋Ｑ_TS (4.4) 熱絶縁系Ｕの比熱：Ｃ_U＝Ｑ_T0／Ｔ_U0 (4.5) 装置に注入される熱エネルギ：Ｑ_CH＝Ｑ_RC＋Ｑ_RH (4.6)

【００７４】ここで、Ｑ_RC：低温接合部に流入する熱エネルギＱ_RH：高温接合部と発光領域接合部間に流入する熱エネ
ルギＱ_ES：光エネルギＱ_Lを変換して得られる有効エネルギ式(4.1) 〜(4.5) に、熱平衡条件（Ｑ_TU＝Ｑ_CH、Ｔ_U＝
Ｔ_C）、および変換損失が零以上の条件（Ｑ_TS≧０）を
いれて整理すると、熱平衡状態における光エネルギ
Ｑ_L、有効エネルギＱ_ES、熱エネルギＱ_TSに関する次式
が得られる。

【００７５】

【数９】Ｑ_ES＝Ｑ_T0｛１−（Ｔ_C／Ｔ_U0）｝＋Ｐ₀ (4.7) Ｑ_TS＝Ｑ_T0｛１−２（１−（Ｔ_C／Ｔ_U0））｝ (4.8) Ｑ_L＝Ｑ_T0（Ｔ_C／Ｔ_U0）＋Ｐ₀ (4.9) （Ｔ_C／Ｔ_U0）≧（１／２） (4.10)

【００７６】上式は、熱絶縁系Ｕの温度Ｔ_Uと装置温度
Ｔ_C、及び熱絶縁系Ｕの熱エネルギＱ_TUと本装置で吸収
される熱エネルギＱ_CHとが一致し、本装置が仕事を停止
したときに得られるエネルギと温度との関係を示してい
る。すなわち、これ以上のエネルギを発生することはで
きないことを意味する。

【００７７】式(4.8) 〜(4.10)において、本装置の温度
Ｔ_Cが系Ｕの初期温度Ｔ_U0の半分（Ｔ_C／Ｔ_U0）＝（１
／２）の時、次式のように有効エネルギＱ_ESは最大値
（Ｑ_T0／２）＋Ｐ₀、熱エネルギＱ_TSは零となり、光エ
ネルギＱ_Lは最大値（Ｑ_T0／２）＋Ｐ₀となる。本装置
のエネルギはこの最大値以上に大きくなることはなくこ
れが限界値となる。これを、式に表すと、以下のように
なる。

【００７８】

【数１０】〔Ｑ_ES〕_M＝（Ｑ_T0／２）＋Ｐ₀ (4.11) 〔Ｑ_TS〕_M＝０ (4.12) 〔Ｑ_L〕_M＝（Ｑ_T0／２）＋Ｐ₀ (4.13) （Ｔ_C／Ｔ_U0）≧（１／２） (4.14) ここで、〔〕_Mは、最大値を表す。

【００７９】これらの式は、放出される光エネルギＱ_L
が全て有効エネルギＱ_ESに変換され、系Ｕ内の熱エネル
ギＱ_T0の半分が有効エネルギＱ_ESに変換可能であること
を意味する。このＱ_ESは、蓄積可能なエネルギであるが
蓄積されたままでは仕事をしないエネルギである。

【００８０】一方、装置温度が系Ｕの初期温度に一致し
たとき（（Ｔ_C／Ｔ_U0）＝１）には、有効エネルギＱ_ES
が零となり、熱エネルギＱ_TSは初期エネルギＱ_T0、光エ
ネルギＱ_LはＱ_T0＋Ｐ₀となる。これは、放出される光
エネルギＱ_Lが全て初期熱エネルギＱ_T0に変換されて系
Ｕには有効エネルギＱ_ESが全く無いことを意味する。

【００８１】以上のことから熱絶縁系Ｕ内で本装置が発
生する有効エネルギＱ_ESには限界があり永久に仕事をす
ることはできない。すなわち、本装置は永久機関ではな
い。

【００８２】図８Ａ及び図８Ｂは、それぞれ、従来の熱
電冷却素子及び本装置のブロックダイヤグラムである。
これらは、素子を構成する部分とそれに流入流出する熱
エネルギとその部分の温度を示したものである。従来素
子では、高温接合部の熱エネルギＱ_Hを放出するための
放熱器（放熱ファン等）が設けられており、この放熱器
は、通常、数十％の効率であるためＱ_F以外に新たに熱
エネルギＱ_PFを発生する。このため外気にはＱ_FとＰ_F
の熱エネルギが放出される。

【００８３】本装置を構成する冷却板、低温接合部、高
温接合部は従来素子のそれと同じ働きをする。また、本
装置の発光領域は従来素子の放熱器に対応している。

【００８４】電力Ｐ_INを印加すると、外気中の熱エネル
ギＱ_RCが冷却板から素子の低温接合部に流入され、低温
接合部の熱エネルギＱ_CSは高温接合部に輸送される。高
温接合部では、ペルチェ発熱エネルギが発光領域から光
エネルギＱ_Lとして放出されるとともに熱エネルギΔＴ
Ｋが低温接合部に逆流するため高温接合部の発熱量Ｑ _H
は負となる。このために高温接合部と発光領域間に外気
から熱エネルギＱ_RHが補給される。

【００８５】各構成部間で生成されるエントロピは次の
よう表される。流入するエネルギは正で流出するエネル
ギは負の符号で表している。ここで、ΔＳ_RCは外気と冷
却板間で生成されるエントロピ、ΔＳ_CCは冷却板と低温
接合部間で生成されるエントロピ、ΔＳ_CHは低温接合部
と高温接合部間で生成されるエントロピ、ΔＳ_RHは外気
と高温接合部間で生成されるエントロピ、ΔＳ_HLは高温
接合部と発光領域間で生成されるエントロピ、ΔＳ_LLは
発光領域と外気間で生成されるエントロピである。

【００８６】

【数１１】 ΔＳ_RC＝（−Ｑ_RC／Ｔ_R) ＋（Ｑ_CS／Ｔ_C） (4.15) ΔＳ_CC＝（−Ｑ_CS／Ｔ_C) ＋（Ｑ_CS／Ｔ_C） (4.16) ΔＳ_CH＝（−Ｑ_CS／Ｔ_C) ＋（Ｑ_HS／Ｔ_H） (4.17) ΔＳ_RH＝（−Ｑ_RH／Ｔ_R) ＋（Ｑ_RH／Ｔ_H） (4.18) ΔＳ_HL＝｛−（Ｑ_HS＋Ｑ_RH）／Ｔ_H｝＋（Ｑ_L／Ｔ_H）＝０ (4.19) ΔＳ_LL＝（−Ｑ_L／Ｔ_H) ＋（Ｑ_L／Ｔ_R） (4.20)

【００８７】本装置が外気から吸収した熱エネルギを光
に変換する過程で生成するエントロピΔＳ_RLは各構成部
間で生成されるエントロピの総和であり次のよう表され
る。

【００８８】

【数１２】 ΔＳ_RL＝ΔＳ_RC＋ΔＳ_CC＋ΔＳ_CH＋ΔＳ_RH＋ΔＳ_HL＋ΔＳ_LL (4.21) ＝｛Ｑ_L−Ｑ_CH｝／Ｔ_R (4.22) Ｑ_CH＝（Ｑ_RC＋Ｑ_RH） (4.23) Ｑ_L＝Ｑ_CH＋Ｐ_IN (4.24)

【００８９】光エネルギＱ_Lが仕事をすることにより全
て熱エネルギに変換されたときは、（Ｑ_L−Ｑ_CH）＝Ｐ
_INとなるから、本装置が生成するエントロピは次のよう
に正の値となる。

【００９０】

【数１３】 ΔＳ_RL＝Ｐ_IN／Ｔ_R (4.25)

【００９１】一方、光エネルギＱ_Lが全て熱に変換され
ないときは、（Ｑ_L−Ｑ_CH）≦０となりエントロピは負
の値になる。しかしこの状態は「光エネルギＱ_Lが仕事
をしていない状態」すなわち、局所的にエントロピが負
の状態であり、この局所的に負の状態は通常起こりうる
ことであり「熱力学の第二法則」に反するものではな
い。

【００９２】また、表１に示すように本装置は、従来の
冷却素子の有効エネルギが零であるのに対して、原理的
に系Ｕ内の熱エネルギＱ_T0の半分を有効なエネルギに変
換する可能性を有する。そして本装置の生成エントロピ
は従来素子のそれより小さい。因みに地球上の熱エネル
ギＱ_T0は放熱エネルギを含めて益々増加しており莫大な
値であり、無償のエネルギが用意されていると言える。

【００９３】

【表１】

【００９４】以上、熱絶縁系Ｕ内の有効エネルギおよび
生成エントロピの考察により、本装置は永久機関ではな
く正のエントロピを生成することを示し、本装置の原理
が「熱力学の第二法則」を満たしていることを示した。

【００９５】次に、図３を参照して、図２に示す熱電装
置の原理を利用した発光装置の具体的な構成例について
説明する。図３は、発光装置の中心で直交する２つの平
面で切断した１／４部分の斜視図を示す。

【００９６】ｎ型ペルチェ積層構造３とｐ型ペルチェ積
層構造４が、その高温接合面同士を対向させて配置さ
れ、両者の高温接合面のほぼ中央に発光素子１が挟持さ
れている。高温接合面の他の一部の領域には、ＳｉＯ₂
からなる固定部材２が挟持され、ｎ型ペルチェ積層構造
３とｐ型ペルチェ積層構造４とを一定の間隔に保持して
いる。ｎ型ペルチェ積層構造３の低温接合面上に冷却板
５が固着され、ｐ型ペルチェ積層構造４の低温接合面上
に冷却板６が固着されている。

【００９７】図４Ａは、図３の発光装置のｐ型ペルチェ
積層構造４の詳細な構造を示す。ｐ型ＰｂＴｅからなる
熱電半導体層Ｓ_1pとＡｕからなる金属層Ｍ_1pが複数層交
互に積層されている。この積層構造は、例えば、以下の
方法で形成される。

【００９８】まず、ｐ型のＰｂＴｅ板をＨＢｒとＢｒ₂
の混合液で表面洗浄する。洗浄したＰｂＴｅ板の両面上
に、Ａｕ膜を蒸着し、その上にＡｕメッキを施し、さら
にＡｕＳｎ合金層を蒸着する。このように形成したＰｂ
Ｔｅ板を積層して融着することにより、ＰｂＴｅとＡｕ
との積層構造を得る。

【００９９】この積層構造の両面には、ＡｕＳｎ合金か
らなる金属層３０と３１が現れる。金属層３０、熱電半
導体層Ｓ_1pと金属層Ｍ_1pとの積層構造、及び金属層３１
とにより、ｐ型ペルチェ積層構造４が形成される。金属
層３０の下面に冷却板６を接触させて、ｐ型ペルチェ積
層構造４と冷却板６とを融着する。その後、４つの側面
を研磨して仕上げる。

【０１００】図３のｎ型ペルチェ積層構造３は、図４Ａ
のｐ型熱電半導体層Ｓ_1pの代わりに、ｎ型のＰｂＴｅか
らなる熱電半導体層を用い、積層の順番を上下逆転させ
た構造を有する。

【０１０１】図４Ｂは、図３の発光素子１の詳細な構造
を示す。ＩｎＧａＡｓＰからなる発光層（発光領域）４
０が、ｎ型ＩｎＰからなるクラッド層４１とｐ型ＩｎＰ
からなるクラッド層４２とにより挟まれている。この３
層が、さらにｎ型ＩｎＰからなる緩衝層４３とｐ型Ｉｎ
Ｐからなる緩衝層４４とにより挟まれている。この５層
が、ｎ型ＰｂＴｅ層４５とｐ型ＰｂＴｅ層４６とにより
挟まれている。

【０１０２】このような構造の発光素子１は、例えば公
知の埋込構造成長プロセス技術により形成される。以
下、この方法を簡単に説明する。

【０１０３】ｎ型ＩｎＰ基板の上にｎ型ＩｎＰからなる
クラッド層、ＩｎＧａＡｓＰからなる発光領域、ｐ型Ｉ
ｎＰからなるクラッド層を順番に積層し、ダブルヘテロ
構造を形成する。ＳｉＯ₂等の誘電体層をマスクとして
ｐ型クラッド層と発光領域とを選択的にエッチングしメ
サストライプ構造を形成する。その後ｐ型ＩｎＰ層、ｎ
型ＩｎＰ層を選択成長させてメサストライプ構造を埋め
込む。続いて、ＳｉＯ ₂を除去して全面にｐ型ＩｎＰか
らなるクラッド層を成長させる。

【０１０４】次に、ｎ型ＩｎＰ基板の裏面上にｎ型Ｐｂ
Ｔｅ層をエピタキシャル成長させ、ｐ型ＩｎＰクラッド
層上にｐ型ＰｂＴｅ層をエピタキシャル成長させる。ｎ
型ＰｂＴｅ層とｐ型ＰｂＴｅ層との表面上に金膜を蒸着
し、その上に金メッキを施す。その後、へき開あるいは
研磨により、図４Ｂに示す発光素子１を得る。

【０１０５】図３に戻って、発光装置の作製方法を説明
する。ｎ型ペルチェ積層構造３と発光素子１、ｐ型ペル
チェ積層構造４と発光素子１との接合は、例えば半田等
を用いた融着により行う。固定部材２とその両側のペル
チェ積層構造３及び４との接合も同様に行う。

【０１０６】このようにして作製された発光装置は、図
２に示すバンドダイヤグラムと等価な構成を有する。冷
却板５及び６の各々に接続された入力電圧端子から、電
力が加えられる。発光素子１の光変換効率η_Lを８０
％、電流を１Ａ、外気温度Ｔ_Rを３００Ｋ、入力電力を
１６．５ｍＷ、発光素子１と外気との熱伝導度Ｋ_Fを
４．７３×１０^-3Ｗ／Ｋとした条件下で、以下ような発
光性能が得られる。

【０１０７】

【数１４】光出力Ｐ_L＝ 1 （Ｗ）電気光変換効率 β ＝ 6009 （％）吸熱量Ｑ_C＝529 （ｍＷ）低温接合部の温度Ｔ_C＝250 （°Ｋ）高温接合部の温度Ｔ_C＝251 （°Ｋ）成績係数ＣＯＰ＝ 32

【０１０８】このように、電気光変換効率βが６００９
％といった大きな値が得られる。この電気光変換効率β
は、外部から素子両端に印加される電力Ｐ_INとその素子
から外に取り出される光エネルギＱ_Lとの比率（Ｑ_L／
Ｐ_IN）であり、発光領域に入力されるペルチェ発熱エネ
ルギＱ_PHと光エネルギＱ_Lとの比率η_Lとは異なる。

【０１０９】変換効率βが１００％を越えるのは、印加
電力よりも大きなペルチェ発熱エネルギＱ_PHが光エネル
ギＱ_Lに変換されて素子外に取り出されることによる。
また、このペルチェ発熱エネルギＱ_PHは、式（１．５）
と（１．７）から、低温接合部のペルチェ吸熱量Ｑ
_PC｛１＋（ΔＴ_S／Ｔ_C）｝と表される。すなわち、光
エネルギＱ_Lは、印加電力よりも大きなペルチェ吸熱エ
ネルギを内蔵した金属のエネルギから供給されているた
め、その光エネルギＱ_Lに相当する電力を外部から供給
する必要はない。本素子に必要な電力は低温接合部で熱
を奪った電子を発光領域に輸送するための僅かな電力だ
けである。

【０１１０】このように、本装置では、１００％を超
え、かつ発熱のない高効率発光が可能となる。これは、
本装置を並列に動作させることにより発熱を伴わない光
増幅が可能であり、大きな光出力が得られることを示し
ている。

【０１１１】次に、図５を参照して、図３に示す発光装
置を使用した電力抽出装置について説明する。

【０１１２】図５は、電力抽出装置の１／４部分の斜視
図を示す。図３に示す発光装置の発光素子１から発光し
た光を受ける位置にフォトダイオード５０が配置されて
いる。なお、図５には現れないが、発光素子１の他方の
出射端面にも対向するように、他のフォトダイオードが
配置される。フォトダイオード５０は、発光素子１から
発光した光を受光し、出力端子Ｔ_OUT1とＴ_OUT2間に光起
電力を出力する。

【０１１３】ホトダイオード５０は、そのｐｎ接合面を
発光素子１の光軸に対して直交するように配置され、有
効変換効率を高くしている。また、発光スペクトルのピ
ーク波長と受光素子のピーク波長とを一致させることに
より光電気変換効率を高くしている。太陽電池のように
太陽光スペクトルの一部しか利用していない光電変換素
子にくらべると、光電気変換効率を２〜３倍程度改善す
ることができる。

【０１１４】この電力抽出装置の発光素子１と外気との
間の熱伝導度Ｋ_Fは、固定部材２の熱伝導率 χ＝７０
（Ｗ／Ｋ・ｃｍ）と発光素子１の構造及び寸法から、Ｋ
_F＝４．７３×１０^-3Ｗ／Ｋ程度になると見積もられ
る。

【０１１５】図５に示す電力抽出装置を、フォトダイオ
ード５０の光電気変換効率η_E＝８０％、電流Ｉ＝１
Ａ、外気温度Ｔ_R＝３００Ｋ、入力電力Ｐ_IN＝１６．５
ｍＷの条件で動作させたときの電力抽出性能は、下記の
ようになる。

【０１１６】

【数１５】電気出力Ｐ_E＝ 0.8 Ｗ電力抽出率 γ ＝ 48.5（4850％）吸熱量Ｑ_C＝ 329 （ｍＷ）高温接合部の発熱量Ｑ_H＝−464 （ｍＷ）低温接合部の温度Ｔ_C＝ 250 （Ｋ）高温接合部の温度Ｔ_H＝ 251 （Ｋ）フォトダイオードの温度Ｔ_D＝ 251 （Ｋ）

【０１１７】なお、フォトダイオード５０で発生する熱
が、フォトホトダイオードのｐ、ｎ電極から取り出した
熱良導体、例えば厚さ５μｍの金メッキ層５１、５２、
及び絶縁性の熱良導体５３、５４を通じて、それぞれ冷
却板５、６に吸収される。なお、フォトダイオード５０
で発生する熱は、上記条件の下では１００ｍＷとなる。
光電気変換効率η_E＝８０％であるから、入力電力１Ｗ
のうち２００ｍＷが熱となり、片側のフォトダイオード
で発生する熱が、その半分の１００ｍＷとなるからであ
る。このため、吸熱板５及び６の吸熱量は、それぞれフ
ォトダイオード５０の発熱量である１００ｍＷだけ減少
するが、まだ冷却能力を備えており、各冷却板５及び６
の吸熱量は１６４ｍＷとなる。ｐ型、ｎ型両方合わせた
冷却板５及び６の吸熱量は３２９ｍＷ、成績係数は１
９．８となる。

【０１１８】フォトホトダイオード５０のｎ層の中心部
から冷却板５または６までの概略の熱伝導度Ｋ_NMは、フ
ォトダイオード５０の基板にＩｎＰを用いた場合、約
３．３２×１０^-3（Ｗ／Ｋ）となると予測される。これ
はＩｎＰのｎ層の熱流方向の実効長を２００μｍ、幅を
１ｍｍ、厚さを０．２ｍｍ、熱伝導率を０．６８Ｗ／Ｋ
・ｃｍとしたときの熱伝導度Ｋ_Nと、金メッキ導体の実
効長を４００μｍ、厚さを５μｍ、幅を１ｍｍ、熱伝導
率を２．９５Ｗ／Ｋ・ｃｍとしたときの熱伝導度Ｋ_Mの
直列と仮定し、合成熱伝導度Ｋ_NMを〔（１／Ｋ_N）＋
（１／Ｋ_M）〕^-1から求めたものである。

【０１１９】また、片側のフォトダイオードのｎ層の中
心部から一方の冷却板５または６に吸収される熱量Ｑ_D
は５０ｍＷ（１００ｍＷ／２）であるから、片側のフォ
トダイオードのｎ層の中心部の温度上昇ΔＴ_NMはΔＴ_NM
＝（Ｑ_D／Ｋ_NM）＝１５Ｋとなり、フォトダイオードの
温度Ｔ_Dは２６５Ｋとなる。

【０１２０】上述のように、本実施例による電力抽出装
置では、電力抽出率４８．５（４８５０％）といった高
効率な性能が得られる。電力抽出率は、電気出力Ｐ_Eと
印加電力Ｐ_INとの比率である。電力抽出率が１００％を
越えるのは、図３の発光装置の説明で述べたように低温
接合部の金属の持つ熱エネルギの寄与によるものであ
る。

【０１２１】この電力抽出装置を並列に動作させること
により、発熱を伴わない大きな電力抽出が可能となり、
低温大容量の発電機に応用できる。

【０１２２】次に、図６を参照して、図２の熱電装置の
原理を用いた冷却装置について説明する。

【０１２３】図６は、冷却装置の１／４部分の斜視図を
示す。ｎ型ペルチェ積層構造３、ｐ型ペルチェ積層構造
４、発光素子１、固定部材２、冷却板５、６が、図３に
示す発光装置と同様に配置されている。ｎ型ペルチェ積
層構造３とｐ型ペルチェ積層構造４との間隙内の、発光
素子１の近傍にフォトダイオード７が配置されている。
フォトダイオード７とｎ型ペルチェ積層構造３との間
は、絶縁領域８により絶縁され、フォトダイオード７と
ｐ型ペルチェ積層構造４との間は、絶縁領域９により絶
縁されている。発光素子１から放射した光が、フォトダ
イオード７に入射する。

【０１２４】ｎ型ペルチェ積層構造３及びｐ型ペルチェ
積層構造４の側面のうち、フォトダイオード７が配置さ
れている面を画定する側面を、それぞれ絶縁領域８及び
９が被覆している。絶縁領域８及び９の側面上に、それ
ぞれ電極１０及び１１が形成されている。電極１０及び
１１は、それぞれフォトダイオード７に接続され、両電
極１０、１１間にフォトダイオード７の光起電力が印加
される。

【０１２５】電極１０と１１の側面及びフォトダイオー
ド７の端面上に、絶縁層１２が形成されている。絶縁層
１２の側面上に、黒体層１３、カバー層１４がこの順番
に積層されている。電極１０及び１１から、絶縁層１
２、黒体層１３、カバー層１４を通して、それぞれ電極
端子１７及び１８が導出されている。

【０１２６】以下、この冷却装置の作製方法を説明す
る。ｎ型ペルチェ積層構造３と発光素子１、ｐ型ペルチ
ェ積層構造４と発光素子１との接合は、例えば半田等を
用いた融着により行う。固定部材２とその両側のペルチ
ェ積層構造３及び４との接合も同様に行う。また、フォ
トダイオード７等の部品も、同様にＡｕＳｎ等を用いた
熱融着により接合する。

【０１２７】電極１０、１１、絶縁層１２、黒体層１３
等の積層構造、及び絶縁領域１５、１６の形成は、通常
のパッケージ多層技術を用いて行う。

【０１２８】図６に示す冷却装置では、フォトダイオー
ド７の受光端面と発光素子１の出射端面との間隔を短く
し、光損失を低減するとともに微小化を図っている。ま
た、フォトダイオード７のｐｎ接合面７ａを、例えば鋸
歯状の凹凸を有する面で構成し、実効的に受光面積を大
きくしてもよい。さらに、複数のｐｎ接合を直列に設
け、その数を変えることにより所望の値の電圧が取り出
せるようにしてもよい。

【０１２９】また、フォトダイオード７の受光部（ｐｎ
接合部）のバンドギャップが、発光素子１の発光部のバ
ンドギャップとほぼ等しくなるような構成とすることが
好ましい。このような構成とすることにより、発光素子
１から出射した光エネルギを効率的に電気エネルギに変
換することができる。なお、ここで発光素子１の発光ス
ペクトルのピークを与える波長を中心として、そのピー
クの半値幅以内に含まれる波長に相当するバンドギャッ
プは、ほぼ等しいバンドギャップと考えてよい。

【０１３０】電極１０、１１の側面上に石英ガラス、Ｓ
ｉＯ₂等からなる絶縁層１２を設け、その側面上にカー
ボン、グラファイト等からなる黒体層１３を設けてい
る。黒体層１３の一端が、絶縁性の熱良導体１５、１６
を通じて、それぞれ冷却板５、６に熱的に結合してい
る。発光素子１の出射端面から出射した光は、フォトダ
イード７、発光素子１等の電極、絶縁層等で多重反射、
乱反射し、この反射光による微量熱エネルギは、最終的
にこの黒体層１３に吸収され、さらに冷却板５、６に吸
収される。また、電極１０、１１は、それぞれフォトダ
イオード７から発生するジュール熱を冷却板５、６に導
く。例えば厚さ５μｍの金メッキ導体により形成され
る。発光素子１の出射端面からの微小反射による微量熱
エネルギとジュール熱を含めた総熱量は冷却板５及び６
に吸収される。

【０１３１】図６に示す冷却装置を、入力電力Ｐ_IN＝１
６．５ｍＷ、電流Ｉ＝１Ａ、発光素子１の電気光変換効
率η_L＝８０％、フォトダイオード７の光電気変換効率
η_E＝８０％、外気温度Ｔ_R＝３００Ｋ、発光素子１と
外気間の熱伝導度Ｋ_F＝４．７３×１０^-3（Ｗ／Ｋ）の
条件下で動作させたときの冷却性能は、下記の通りであ
る。

【０１３２】

【数１６】成績係数ＣＯＰ＝ 16.9 吸熱量Ｑ_C＝ 329 （ｍＷ）電気出力Ｐ_E＝ 0.8 （Ｗ）高温接合部の発熱量Ｑ_H＝−464 （ｍＷ）低温接合部の温度Ｔ_C＝ 250 （Ｋ）高温接合部の温度Ｔ_H＝ 251 （Ｋ）フォトダイオードの温度Ｔ_D＝ 268 （Ｋ）装置容積ＶＯＬ＝ 1.1 ×1.1 × 1.2 ｍｍ³

【０１３３】フォトダイオード７として図５のフォトダ
イオード５０と同様に熱伝導率０．６８（Ｗ／Ｋ・ｃ
ｍ）のＩｎＰを用いた場合、片側ホトダイオード（長さ
２００μｍ、幅１ｍｍ、厚さ３００μｍ、損失電力１０
０ｍＷ）のｐｎ接合部の温度上昇分Ｔ_Jは僅か０．２５
°Ｋとなる。これはフォトダイオード７（熱流方向の実
効長１００μｍ、面積１ｍｍ×０．３ｍｍ）の熱伝導度
を０．２０４（Ｗ／Ｋ）、損失電力を５０ｍｗ（１００
ｍｗ／２）として算出した値である。

【０１３４】また、片側ホトダイオード（熱損失１００
ｍＷ）のｐ型およびｎ型半導体の電極からそれぞれ取り
出した金メッキ導体１０、１１（熱流方向の長さ５００
μｍ、面積５μｍ×１ｍｍ）の温度上昇分ΔＴ_Mは、熱
伝導率２．９５（Ｗ／Ｋ・ｃｍ）の金メッキ導体を用い
るとその熱伝導度が２．９５×１０^-3（Ｗ／Ｋ）であ
り、損失電力が５０ｍＷ（１００ｍＷ／２）であるから
１７Ｋとなる。

【０１３５】従って、フォトダイオードのｐｎ接合部と
冷却板間の温度上昇分ΔＴ_JMは、ΔＴ_JM＝ΔＴ_J＋ΔＴ
_M＝１７．２５Ｋとなる。すなわち、フォトダイオード
７からの発熱による温度上昇は、ほとんど金メッキ導体
１０、１１の温度で決まり、フォトダイオードの温度Ｔ
_Dは２６８Ｋで低温接合部の温度Ｔ_Cより高い部分が生
じることになる。また、黒体の温度上昇は金メッキの温
度上昇以下である。

【０１３６】上述のように、本実施例の冷却装置では、
素子全体が冷却され、微小入力電力１６．５ｍＷで成績
係数１６．９（１６９０％）、素子内の最高温度２６８
°Ｋ、吸熱量３２．９（Ｗ／ｃｍ²）、さらに電気出力
０．８Ｗが得られ、エレメントの小型化、および冷却と
電気出力の両機能が実現されている。これらの機能は、
金属から奪った低質の熱エネルギーを電気という良質の
エネルギー形態に変換しこれをその素子外に取り出すこ
とにより達成している。エレメントの寸法・形状につい
ては、勿論、熱電パラメータ、材料等を最適化すること
により、さらに微小化することができる。

【０１３７】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。

【０１３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱電装置の高温接合部からの過剰な熱の発生を抑制する
ことができる。また、高温接合部の温度が上昇しない条
件で動作させることが可能になり、この場合、熱電装置
全体が冷却される。従って、熱絶縁空間に置いても熱籠
もり現象を起こすことなく冷却効果を得ることができ
る。

【０１３９】また、本発明による装置は、冷却と発光機
能を併せもっており、発熱を伴うことなく低温で発光す
ることができる。このため、放熱設備を併設することな
く光エネルギを出力する装置を実現することが可能にな
る。

【０１４０】さらに、本発明による装置は、冷却と電力
出力機能を合わせもっており、低温で電力を抽出でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による熱電装置のバンドダイヤ
グラム及び熱電等価回路図である。

【図２】本発明の実施例による発光装置のバンドダイヤ
グラムである。

【図３】実施例による発光装置の一構成例を示す一部破
断斜視図である。

【図４】図３に示す発光装置のｐ型ペルチェ積層構造及
び発光素子の斜視図である。

【図５】実施例による電力抽出装置の一構成例を示す一
部破断斜視図である。

【図６】実施例による冷却装置の一構成例を示す一部破
断斜視図である。

【図７】従来のペルチェ素子のバンドダイヤグラムであ
る。

【図８】従来例及び実施例の熱電装置のブロックダイヤ
グラムである。

【符号の説明】

１発光素子２固定部材３ｎ型ペルチェ積層構造４ｐ型ペルチェ積層構造５、６冷却板７フォトダイオード８、９絶縁層１０、１１電極１２絶縁層１３黒体層１４カバー層１５、１６熱良導体１７、１８出力端子３０、３１ＡｕＳｎ合金層４０発光領域４１、４２クラッド層４３、４４緩衝層４５、４６ＰｂＴｅ層５０フォトダイオード５１、５２金メッキ層５３、５４熱良導体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】低温端と高温端とを有する第１の熱電半
導体部材と、前記第１の熱電半導体部材の低温端に接続された金属も
しくは半導体からなる第１の部材であって、該第１の部
材から前記第１の熱電半導体部材中に、電子及び正孔の
いずれか一方の第１のキャリアが注入される時に吸熱が
生ずる材料により形成された第１の部材と、半導体材料により形成され、前記第１の熱電半導体部材
の高温端まで輸送された第１のキャリアを捕集し、電子
と正孔との再結合による発光を生ずる発光領域とを有す
る熱電装置。
【請求項２】前記第１の熱電半導体部材の前記低温端
で生ずる吸熱が、ペルチェ効果によるものである請求項
１に記載の熱電装置。
【請求項３】さらに、前記第１の熱電半導体部材と発
光領域との間に配置され、両者の格子不整合を緩和する
ための第１の緩衝層を有する請求項１に記載の熱電装
置。
【請求項４】さらに、低温端と高温端とを有する第２の熱電半導体部材であっ
て、その高温端側から、電子及び正孔のうち前記第１の
キャリアとは異なる第２のキャリアを前記発光領域に注
入する第２の熱電半導体部材と、前記第２の熱電半導体部材の低温端に接続された第２の
金属部材であって、該第２の金属部材から前記第２の熱
電半導体部材中に前記第２のキャリアが注入される時に
ペルチェ効果による吸熱が生ずる材料により形成された
第２の金属部材とを有する請求項１〜３のいずれかに記
載の熱電装置。
【請求項５】さらに、前記第２の熱電半導体部材と前
記発光領域との間に配置され、両者の格子不整合を緩和
するための第２の緩衝層を有する請求項４に記載の熱電
装置。
【請求項６】前記第２の熱電半導体部材が、半導体材
料と金属材料とを交互に積層して構成され、前記第２の
キャリアが金属材料から半導体材料に注入されるとき
に、ペルチェ効果による吸熱を生ずる請求項４または５
に記載の熱電装置。
【請求項７】前記第１及び第２の熱電半導体部材が、
その高温端同士を対向するように配置され、前記発光領
域が、両者の高温端面に挟まれた間隙の一部の領域にの
み配置され、さらに、前記第１及び第２の熱伝半導体部材の高温端面
に挟まれた間隙のうち、前記発光領域が配置されていな
い領域に配置され、電気的絶縁材料により形成され、前
記第１及び第２の熱伝半導体部材を相互に機械的に固定
する固定部材を有する請求項４〜６のいずれかに記載の
熱電装置。
【請求項８】前記第１の熱電半導体部材が、半導体材
料と金属材料とを交互に積層して構成され、前記第１の
キャリアが金属材料から半導体材料に注入されるとき
に、ペルチェ効果による吸熱を生ずる請求項１〜７のい
ずれかに記載の熱電装置。
【請求項９】さらに、前記発光領域から放射された光
を受光し、光エネルギを電気エネルギに変換する光電変
換素子を有する請求項１〜８のいずれかに記載の熱電装
置。
【請求項１０】前記光電変換素子が、前記発光領域を
形成する半導体材料のバンドギャップとほぼ等しいバン
ドギャップを有する半導体材料により形成されている請
求項９に記載の熱電装置。
【請求項１１】前記発光領域が、複数の光放射面を有
し、前記光電変換素子が、前記複数の光放射面の各々に
対向するように複数配置されている請求項９または１０
に記載の熱電装置。
【請求項１２】前記光電変換素子が、ｐｎ接合を有す
るフォトダイオードであり、該ｐｎ接合面が凹凸を有す
る面である請求項９〜１１のいずれかに記載の熱電装
置。
【請求項１３】さらに、前記光電変換素子と前記第１
の部材とを熱的に結合し、該光電変換素子からの発熱を
該第１の部材に流入させる第１の熱伝導部材を有する請
求項１〜１２のいずれかに記載の熱電装置。
【請求項１４】さらに、前記発光領域の光放射端面か
ら反射された光を吸収する黒体を有する請求項１〜１３
のいずれかに記載の熱電装置。
【請求項１５】さらに、前記黒体を前記第１の部材と
熱的に結合し、黒体の光吸収による発熱が前記第１の部
材に流入するように構成された第２の熱伝導部材を有す
る請求項１４に記載の熱電装置。