JPH11354849A - 吸熱発熱素子 - Google Patents
吸熱発熱素子Info
- Publication number
- JPH11354849A JPH11354849A JP10174156A JP17415698A JPH11354849A JP H11354849 A JPH11354849 A JP H11354849A JP 10174156 A JP10174156 A JP 10174156A JP 17415698 A JP17415698 A JP 17415698A JP H11354849 A JPH11354849 A JP H11354849A
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- Japan
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- semiconductor
- thermoelectric
- semiconductors
- heat
- energy
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 導電率の大きな半導体の両端に熱電能の大き
な半導体を接合した多層構造の吸熱発熱素子において、
半導体同士の接合部における吸発熱量を小さく抑える。 【解決手段】 層面に垂直な方向に量子化される量子井
戸を形成した積層半導体３を構成し、その積層半導体の
層面方向に垂直な両端面に熱電半導体９、１０を接合
し、各熱電半導体の端面に電極１１、１２を接合する。
これにより、積層半導体内の電子のエネルギーが高めら
れ、半導体接合部における電子のエネルギー変化量が減
少し、吸発熱量が低減する。
な半導体を接合した多層構造の吸熱発熱素子において、
半導体同士の接合部における吸発熱量を小さく抑える。 【解決手段】 層面に垂直な方向に量子化される量子井
戸を形成した積層半導体３を構成し、その積層半導体の
層面方向に垂直な両端面に熱電半導体９、１０を接合
し、各熱電半導体の端面に電極１１、１２を接合する。
これにより、積層半導体内の電子のエネルギーが高めら
れ、半導体接合部における電子のエネルギー変化量が減
少し、吸発熱量が低減する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はペルチエ効果を利用
して冷却、または、ヒートポンプ等を行う吸熱発熱素子
に関する。
して冷却、または、ヒートポンプ等を行う吸熱発熱素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】図６は従来の吸熱発熱素子の構成図であ
り、図において、１６はＮ型の熱電半導体、１７、１８
は熱電半導体の両端面に接合された電極、１９は電源で
ある。この構成におけるエネルギー帯図は図７のように
なり、電極１７、１８と熱電半導体１６の境界で、伝導
帯下端Ｅcとフェルミ準位Ｅfのエネルギー差Ｖfが生じ
る。また、熱電半導体１６の電子は運動エネルギーＥm
により伝導帯下端ＥcよりもＥmだけエネルギーが大き
い。したがって、電子が電極１７から熱電半導体１６へ
移る時に、（Ｖf＋Ｅm）に相当する熱エネルギーを吸収
して低温となり、電子が熱電半導体１６から電極１８へ
移る時に、同量の熱エネルギー放出して高温となる。
り、図において、１６はＮ型の熱電半導体、１７、１８
は熱電半導体の両端面に接合された電極、１９は電源で
ある。この構成におけるエネルギー帯図は図７のように
なり、電極１７、１８と熱電半導体１６の境界で、伝導
帯下端Ｅcとフェルミ準位Ｅfのエネルギー差Ｖfが生じ
る。また、熱電半導体１６の電子は運動エネルギーＥm
により伝導帯下端ＥcよりもＥmだけエネルギーが大き
い。したがって、電子が電極１７から熱電半導体１６へ
移る時に、（Ｖf＋Ｅm）に相当する熱エネルギーを吸収
して低温となり、電子が熱電半導体１６から電極１８へ
移る時に、同量の熱エネルギー放出して高温となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記吸熱発
熱素子の変換効率を高めるためには、上で述べたＶfと
導電率が共に大きい半導体材料が必要であるが、一般
に、半導体はＶfを大きくすると、それに反比例して導
電率が小さくなる傾向があり、これらの特性を同時に満
たす材料を得ることは難しい。そこで、図８に示すよう
に、熱電半導体を三層構造として、外層にＶfの大きな
半導体２０、２１を、中層にＶfの小さな半導体２２を
構成することにより、材料特性の制約が緩和できると考
えられる。しかしながら、上記構成においては、図９に
示すように、半導体同士の接合部にもエネルギー差（Ｖ
f1−Ｖf2）が生じて、吸発熱が起こるため、正常な熱電
変換ができないという問題が生じる。本発明は上記事情
に鑑みてなされたもので、Ｖfの小さな半導体の両端に
Ｖfの大きな半導体を接合した吸熱発熱素子において、
半導体同士の接合部における吸発熱量を低減した吸熱発
熱素子を提供することを目的としている。
熱素子の変換効率を高めるためには、上で述べたＶfと
導電率が共に大きい半導体材料が必要であるが、一般
に、半導体はＶfを大きくすると、それに反比例して導
電率が小さくなる傾向があり、これらの特性を同時に満
たす材料を得ることは難しい。そこで、図８に示すよう
に、熱電半導体を三層構造として、外層にＶfの大きな
半導体２０、２１を、中層にＶfの小さな半導体２２を
構成することにより、材料特性の制約が緩和できると考
えられる。しかしながら、上記構成においては、図９に
示すように、半導体同士の接合部にもエネルギー差（Ｖ
f1−Ｖf2）が生じて、吸発熱が起こるため、正常な熱電
変換ができないという問題が生じる。本発明は上記事情
に鑑みてなされたもので、Ｖfの小さな半導体の両端に
Ｖfの大きな半導体を接合した吸熱発熱素子において、
半導体同士の接合部における吸発熱量を低減した吸熱発
熱素子を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明は量子力学的な量子サイズ効果を利用してい
る。量子サイズ効果の原理は、禁止帯幅の小さな薄膜半
導体を禁止帯幅の大きな薄膜半導体で挟み込んだ構造に
おいて、中間層の厚さが数百Å以下になると、図１のエ
ネルギー帯図に示すように、周りを障壁１a 、１bで囲
まれた量子井戸２が形成される。この量子井戸２の中で
電子は層面に垂直な方向に量子化され、離散的な量子準
位Ｅ1、Ｅ2、Ｅ3をとる。各準位Ｅnのエネルギーの大きさ
は量子数ｎの２乗に比例し、また、量子井戸２の幅Ｌを
薄くすると、Ｌの２乗に反比例してエネルギーが大きく
なる。このことは、伝導帯下端Ｅc1を基準とする電子の
ポテンシャルエネルギーが量子効果により高められるこ
とを示している。したがって、本発明の吸熱発熱素子
は、層面に垂直な方向に量子化される量子井戸を形成し
た積層半導体を構成し、その積層半導体の層面方向に垂
直な両端面に熱電半導体を接合し、各熱電半導体の端面
に電極を接合して、上記問題を解決するものである。
に、本発明は量子力学的な量子サイズ効果を利用してい
る。量子サイズ効果の原理は、禁止帯幅の小さな薄膜半
導体を禁止帯幅の大きな薄膜半導体で挟み込んだ構造に
おいて、中間層の厚さが数百Å以下になると、図１のエ
ネルギー帯図に示すように、周りを障壁１a 、１bで囲
まれた量子井戸２が形成される。この量子井戸２の中で
電子は層面に垂直な方向に量子化され、離散的な量子準
位Ｅ1、Ｅ2、Ｅ3をとる。各準位Ｅnのエネルギーの大きさ
は量子数ｎの２乗に比例し、また、量子井戸２の幅Ｌを
薄くすると、Ｌの２乗に反比例してエネルギーが大きく
なる。このことは、伝導帯下端Ｅc1を基準とする電子の
ポテンシャルエネルギーが量子効果により高められるこ
とを示している。したがって、本発明の吸熱発熱素子
は、層面に垂直な方向に量子化される量子井戸を形成し
た積層半導体を構成し、その積層半導体の層面方向に垂
直な両端面に熱電半導体を接合し、各熱電半導体の端面
に電極を接合して、上記問題を解決するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下は、本発明の一実施例を図面
を参照して説明する。図２は本発明の吸熱発熱素子の構
成図であり、図において、３は四角柱状の積層半導体
で、多数の厚膜体４が両端部を揃え、積み重なって構成
されている。各厚膜体４は図３に示すように、薄いガラ
ス板５の表面にバッファ層６が形成され、その上に禁止
帯幅の大きな薄膜半導体７（以下は障壁層半導体と記
す）と禁止帯幅の小さな薄膜半導体８（以下は井戸層半
導体と記す）が交互に積み重ねられている。この多層薄
膜構造は原子層レベルでの膜厚制御が可能な有機金属気
相成長法等により形成され、各層の膜厚は井戸層半導体
８が１０Å〜５００Å、障壁層半導体７が５００Å以上
に設定されている。井戸層半導体８はキャリア密度が高
く設定され、高導電率化が図られている。両半導体７、
８は電子移動度が大きく、熱伝導率が小さい材料が選ば
れ、例えば、ＰbＴe／ＰbＳ、ＧaＳb／ＧaＡlＳb、Ｇa
Ａs／ＡlＧaＡs等の混晶半導体が使用できる。バッファ
層６はその上に成長させる半導体に対して格子整合を図
るもので、ＰbＴe、ＧaＳb、ＧaＡs等が使用でき、真空
蒸着法等により形成される。上記構成の厚膜体４は所要
の電流容量を確保するために多数積み重ねられ、低融点
ガラス等で接着一体化されている。９、１０は積層半導
体３の層面方向に垂直な両端面に接合された板状の熱電
半導体で、熱電能の大きなＳi、Ｇe、ＦeＳi2等が使用
できる。１１、１２は各熱電半導体９、１０の端面にオ
ーミック接触により接合された電極で、両電極は電線を
介して電源１３に接続されている。
を参照して説明する。図２は本発明の吸熱発熱素子の構
成図であり、図において、３は四角柱状の積層半導体
で、多数の厚膜体４が両端部を揃え、積み重なって構成
されている。各厚膜体４は図３に示すように、薄いガラ
ス板５の表面にバッファ層６が形成され、その上に禁止
帯幅の大きな薄膜半導体７（以下は障壁層半導体と記
す）と禁止帯幅の小さな薄膜半導体８（以下は井戸層半
導体と記す）が交互に積み重ねられている。この多層薄
膜構造は原子層レベルでの膜厚制御が可能な有機金属気
相成長法等により形成され、各層の膜厚は井戸層半導体
８が１０Å〜５００Å、障壁層半導体７が５００Å以上
に設定されている。井戸層半導体８はキャリア密度が高
く設定され、高導電率化が図られている。両半導体７、
８は電子移動度が大きく、熱伝導率が小さい材料が選ば
れ、例えば、ＰbＴe／ＰbＳ、ＧaＳb／ＧaＡlＳb、Ｇa
Ａs／ＡlＧaＡs等の混晶半導体が使用できる。バッファ
層６はその上に成長させる半導体に対して格子整合を図
るもので、ＰbＴe、ＧaＳb、ＧaＡs等が使用でき、真空
蒸着法等により形成される。上記構成の厚膜体４は所要
の電流容量を確保するために多数積み重ねられ、低融点
ガラス等で接着一体化されている。９、１０は積層半導
体３の層面方向に垂直な両端面に接合された板状の熱電
半導体で、熱電能の大きなＳi、Ｇe、ＦeＳi2等が使用
できる。１１、１２は各熱電半導体９、１０の端面にオ
ーミック接触により接合された電極で、両電極は電線を
介して電源１３に接続されている。
【０００６】上記構成におけるエネルギー帯図を図４に
示す。なお、この図は縦軸方向を拡大し、禁止帯下部は
省略してある。図に見られるように、熱電能の大きな熱
電半導体９、１０はＶf1が大きく、導電率の大きな井戸
層半導体８はＶf2が小さくなっている。電子は電源の電
位差により負極側から正極側へ移動し、負極側の電極１
１と熱電半導体９の接合部では、電子が（Ｖf1＋Ｅm）
に相当する熱エネルギーを吸収して低温となり、正極側
の電極１２と熱電半導体１０の接合部では、電子が同量
の熱エネルギー放出して高温となる。一方、積層半導体
においては、井戸層半導体８に量子井戸１４が形成さ
れ、この井戸の中で電子は層面に垂直な方向には量子化
されるが、層面に水平な方向には自由に移動できる。ま
ず、量子井戸の幅が量子効果が起こる範囲内で広く、電
流が十分大きい場合は、量子井戸１４内に複数の量子準
位Ｅ1、Ｅ2、Ｅ3が形成される。いま、電子の運動エネ
ルギーＥmが準位Ｅ1と準位Ｅ2の間にあるものとする
と、電子が熱電半導体９、１０と井戸層半導体８の接合
部を通過する時のエネルギー変化量dＥは、図８の構成
に比べ、準位Ｅ3で（Ｅ3−Ｅm）だけ、準位Ｅ2で（Ｅ2
−Ｅm）だけ減少し、逆に、準位Ｅ1ではエネルギーがＥ
mより小さいので（Ｅm−Ｅ1）だけ増大する。ここで、
各準位の間にＥ3＞Ｅ2＞Ｅ1の関係があり、全準位を総
合するとdＥの増加分よりdＥの減少分が大きくなるた
め、半導体接合部での吸発熱量を低減させることができ
る。次に、量子井戸の幅が狭い場合は、量子準位のエネ
ルギーが大きくなり、各準位は上方へシフトする。そし
て、井戸の幅が更に狭くなると、図５に示すように、基
底準位Ｅ1は量子井戸１５の上端に近づき、しかも、井
戸内に基底準位Ｅ1のみが存在する状態となる。その結
果、井戸内にある全ての電子のエネルギーが熱電半導体
９のＶf1付近まで高くなり、半導体接合部における吸発
熱量を効果的に低減させることができる。
示す。なお、この図は縦軸方向を拡大し、禁止帯下部は
省略してある。図に見られるように、熱電能の大きな熱
電半導体９、１０はＶf1が大きく、導電率の大きな井戸
層半導体８はＶf2が小さくなっている。電子は電源の電
位差により負極側から正極側へ移動し、負極側の電極１
１と熱電半導体９の接合部では、電子が（Ｖf1＋Ｅm）
に相当する熱エネルギーを吸収して低温となり、正極側
の電極１２と熱電半導体１０の接合部では、電子が同量
の熱エネルギー放出して高温となる。一方、積層半導体
においては、井戸層半導体８に量子井戸１４が形成さ
れ、この井戸の中で電子は層面に垂直な方向には量子化
されるが、層面に水平な方向には自由に移動できる。ま
ず、量子井戸の幅が量子効果が起こる範囲内で広く、電
流が十分大きい場合は、量子井戸１４内に複数の量子準
位Ｅ1、Ｅ2、Ｅ3が形成される。いま、電子の運動エネ
ルギーＥmが準位Ｅ1と準位Ｅ2の間にあるものとする
と、電子が熱電半導体９、１０と井戸層半導体８の接合
部を通過する時のエネルギー変化量dＥは、図８の構成
に比べ、準位Ｅ3で（Ｅ3−Ｅm）だけ、準位Ｅ2で（Ｅ2
−Ｅm）だけ減少し、逆に、準位Ｅ1ではエネルギーがＥ
mより小さいので（Ｅm−Ｅ1）だけ増大する。ここで、
各準位の間にＥ3＞Ｅ2＞Ｅ1の関係があり、全準位を総
合するとdＥの増加分よりdＥの減少分が大きくなるた
め、半導体接合部での吸発熱量を低減させることができ
る。次に、量子井戸の幅が狭い場合は、量子準位のエネ
ルギーが大きくなり、各準位は上方へシフトする。そし
て、井戸の幅が更に狭くなると、図５に示すように、基
底準位Ｅ1は量子井戸１５の上端に近づき、しかも、井
戸内に基底準位Ｅ1のみが存在する状態となる。その結
果、井戸内にある全ての電子のエネルギーが熱電半導体
９のＶf1付近まで高くなり、半導体接合部における吸発
熱量を効果的に低減させることができる。
【０００７】なお、上記説明では積層半導体３は禁止帯
幅の異なる２種類の半導体を交互に積層して構成した
が、キャリア密度の異なる半導体を交互に積層してもよ
く、また、Ｐ型半導体とＮ型半導体を交互に積層しても
よい。また、積層半導体３に代えて、特定の結晶成長条
件下で、異なる物質の結晶層が交互に成長して量子井戸
が自然に形成されるＡlＧaＩnＰ混晶半導体等を用いて
もよい。さらに、上記説明では熱電半導体９、１０にＮ
型半導体を用いたが、Ｐ型半導体を用いてもよく、Ｎ型
吸熱発熱素子とＰ型吸熱発熱素子の吸熱側電極同士を接
続してπ字状に構成し、吸発熱量を高めるようにしても
よい。
幅の異なる２種類の半導体を交互に積層して構成した
が、キャリア密度の異なる半導体を交互に積層してもよ
く、また、Ｐ型半導体とＮ型半導体を交互に積層しても
よい。また、積層半導体３に代えて、特定の結晶成長条
件下で、異なる物質の結晶層が交互に成長して量子井戸
が自然に形成されるＡlＧaＩnＰ混晶半導体等を用いて
もよい。さらに、上記説明では熱電半導体９、１０にＮ
型半導体を用いたが、Ｐ型半導体を用いてもよく、Ｎ型
吸熱発熱素子とＰ型吸熱発熱素子の吸熱側電極同士を接
続してπ字状に構成し、吸発熱量を高めるようにしても
よい。
【０００８】
【発明の効果】以上説明したように本発明の吸熱発熱素
子は、量子井戸を形成した積層半導体の両端に熱電半導
体を接合したことにより、積層半導体内の電子のエネル
ギーが高められ、積層半導体のＶfが熱電半導体のＶfよ
り小さくても、半導体接合部での吸発熱量を低減させる
ことができる。したがって、例えば、積層半導体を熱電
能は小さいが導電率が特に大きい材料で構成し、熱電半
導体を導電率は小さいが熱電能が特に大きい材料で構成
した吸熱発熱素子を実現することができ、変換効率の改
善、および材料コストの低減等を図ることができる。
子は、量子井戸を形成した積層半導体の両端に熱電半導
体を接合したことにより、積層半導体内の電子のエネル
ギーが高められ、積層半導体のＶfが熱電半導体のＶfよ
り小さくても、半導体接合部での吸発熱量を低減させる
ことができる。したがって、例えば、積層半導体を熱電
能は小さいが導電率が特に大きい材料で構成し、熱電半
導体を導電率は小さいが熱電能が特に大きい材料で構成
した吸熱発熱素子を実現することができ、変換効率の改
善、および材料コストの低減等を図ることができる。
【図１】量子効果を説明するために引用した量子井戸の
エネルギー帯図である。
エネルギー帯図である。
【図２】本発明の吸熱発熱素子の構成図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】図２におけるエネルギー帯図の一例である。
【図５】図２におけるエネルギー帯図の別の一例であ
る。
る。
【図６】従来の吸熱発熱素子の構成図である。
【図７】図６におけるエネルギー帯図である。
【図８】従来技術の問題点を説明するために引用した吸
熱発熱素子の概念図である。
熱発熱素子の概念図である。
【図９】図８におけるエネルギー帯図である。
１ 障壁 ２、１４、１５ 量子井戸 ３ 積層半導体 ４ 厚膜体 ５ ガラス板 ６ バッファ層 ７ 障壁層半導体 ８ 井戸層半導体 ９、１０、１６ 熱電半導体 １１、１２、１７、１８ 電極 １３、１９ 電源 ２０、２１ 高Ｖf半導体 ２２ 低Ｖf半導体
Claims (1)
- 【請求項１】 層面に垂直な方向に量子化される量子井
戸を形成した積層半導体と、積層半導体の層面方向に垂
直な両端面に接合された熱電半導体と、各熱電半導体の
端面に接合された電極とからなることを特徴とする吸熱
発熱素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10174156A JPH11354849A (ja) | 1998-06-05 | 1998-06-05 | 吸熱発熱素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10174156A JPH11354849A (ja) | 1998-06-05 | 1998-06-05 | 吸熱発熱素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11354849A true JPH11354849A (ja) | 1999-12-24 |
Family
ID=15973676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10174156A Pending JPH11354849A (ja) | 1998-06-05 | 1998-06-05 | 吸熱発熱素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11354849A (ja) |
-
1998
- 1998-06-05 JP JP10174156A patent/JPH11354849A/ja active Pending
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