[发明专利]用在热电模块中的由热电材料构成的半导体元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种用在热电模块中的由热电材料构成/制成的半导体材料。热电模块用于借助发电机例如由机动车内燃机的排气产生电能。因此，这特别是涉及用于将排气的热能转换成电能的发电机，即所谓的热电发电机。

背景技术

来自机动车内燃机的排气含有热能，该热能可借助于热电发电机转化成电能，以例如对电池或蓄能器充电或者直接给耗电装置输送所需能量。由此，机动车以改善的能量效率运行且更多的能量可被用于使机动车运行。

这种热电发电机具有至少一个热电模块。热电材料是一种能有效地将热能转化成电能（塞贝克效应）和将电能转化成热能（珀耳帖效应）的材料。这种热电模块优选具有多个热电元件，这些热电元件设置在所谓的热侧和所谓的冷侧之间。热电元件包括至少两个半导体元件（p型掺杂和n型掺杂），所述半导体元件在其上侧和下侧上朝向热侧和冷侧交替地设有导电桥。陶瓷板或陶瓷层和/或类似材料用于使金属桥相对于包围热电模块的壳体绝缘，因而优选设置在金属桥与壳体之间。如果在半导体元件的两侧提供温度降，则在半导体元件的端部之间形成电势。在较热侧上的带电粒子由于较高的温度而增强地被激励到导电带中。由于在此情况下在导电带中产生的浓度差，带电粒子扩散到半导体元件的较冷侧，由此产生电势差。在热电模块中，特别是使大量的半导体元件电串联。为了确保串联半导体元件中所产生的电势差不会彼此抵消，总是交替地使带有不同优势带电粒子（n型掺杂和p型掺杂）的半导体元件直接电接触。借助于一连接的负载电阻可以使电路闭合并从而输出电功率。

已经作出努力来提供应用在机动车、特别是乘用车中的合适的热电发电机。但其制造大多非常昂贵并且具有效率低的特点。因此仍不能实现大批量生产。

发明内容

基于此本发明的目的在于，至少部分地解决参照现有技术描述的技术问题。特别是希望提供一种半导体元件，该半导体元件在考虑高成本半导体材料的引入量的同时实现在所提供的热能到电能的转换方面实现改善的效率。

该目的通过具有权利要求1、4或6的特征的半导体元件来实现。根据本发明的半导体元件以及该半导体元件在上级结构单元中的集成的有利实施方案在从属权利要求中给出。应当指出的是，在权利要求中单独列出的特征可以用任意的、技术上合理的方式彼此组合并且得出本发明的其它实施方案。说明书特别是与附图相结合地对本发明作出进一步的说明并且给出了本发明的其它的实施例。

根据本发明的第一方面，该半导体元件由热电材料构成并带有至少一个缺口并且包括第一端面和相对设置的第二端面。与第一端面或第二端面平行地穿过热电材料并穿过缺口的横截面在此形成一比第一端面大至多20%的面积。同时该横截面具有比第二端面小的面积。

半导体元件是特别是n型掺杂的或p型掺杂的半导体元件并因此适用于形成热电元件，该热电元件可以用在热电模块中，该热电模块用于从例如排气的热能产生电能。在此，第一端面和相对设置的第二端面被分别分配给热侧和冷侧，从而热流能穿过半导体材料从第一端面流到第二端面或者从第二端面流到第一端面。由于该热流而在相应电连接的热电元件内部产生电流，从而一电流流过热电元件并且能在为此设置的触点上被导出。

根据本发明的半导体元件在此时具有尺寸不同的端面。这种半导体元件例如作为圆环形的半导体元件被插入到管状的热电模块中，其中一个端面由圆环形半导体元件的外周面形成，而另一端面由圆环形半导体元件的内周面形成。该外周面在此一般大于内周面。由热电材料构成的半导体元件的电流产生与被热流穿流过的横截面大致成比例。因此，在圆环形的半导体元件中在外周面附近存在热电材料过剩，因为该较大的横截面对于该（有限的）热流不是必需的。通过提供（多个）缺口，允许与该有限的热流相匹配，从而在此情况下实际上在（几乎）每个横截面中对于（有限的）热流/所产生的电流有效地提供基本上相同的热电材料。换言之，由此通过减少内部存在的热电材料来补偿朝向热侧和朝向冷侧的端面的外形的变化。

因此，为了节省因此不必要的热电材料而提出：提供具有至少一个缺口的半导体元件。特别是提供和/或形成（多个）缺口，使得由此基本上补偿沿径向方向或者沿半导体元件的高度方向的横截面增大。特别优选地，至少在半导体元件的在第一端面和第二端面之间延伸的高度的至少60%（或者甚至至少80%）的分量上是这样的。由此，与无缺口的同样大小的半导体元件相比可以节省例如至少20%或甚至至少40%的热电材料，而不会由此明显地不利影响效率和/或功能性。这导致显著的成本节约——其在当前昂贵的热电材料和希望大批量生产这种发电机方面是特别重要的。