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JPH0722549A - 電子冷却半導体装置 - Google Patents

電子冷却半導体装置

Info

Publication number
JPH0722549A
JPH0722549A JP5161371A JP16137193A JPH0722549A JP H0722549 A JPH0722549 A JP H0722549A JP 5161371 A JP5161371 A JP 5161371A JP 16137193 A JP16137193 A JP 16137193A JP H0722549 A JPH0722549 A JP H0722549A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
transistor
heat
electronic cooling
type semiconductor
semiconductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP5161371A
Other languages
English (en)
Inventor
Kazuaki Nakayama
和昭 中山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pioneer Corp
Original Assignee
Pioneer Electronic Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pioneer Electronic Corp filed Critical Pioneer Electronic Corp
Priority to JP5161371A priority Critical patent/JPH0722549A/ja
Publication of JPH0722549A publication Critical patent/JPH0722549A/ja
Priority to US08/946,008 priority patent/US5895964A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
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    • H01L23/38—Cooling arrangements using the Peltier effect
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D84/00—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
    • H10D84/60—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers characterised by the integration of at least one component covered by groups H10D10/00 or H10D18/00, e.g. integration of BJTs
    • H10D84/645—Combinations of only lateral BJTs
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/02—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects using Peltier effects; using Nernst-Ettinghausen effects
    • F25B2321/021—Control thereof
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体素子の動作を適切に行わせるととも
に、効率の良い冷却を行うこと。 【構成】 トランジスタに電子冷却素子の冷接点を熱結
合させるとともに、電子冷却素子の熱接点に放熱器を熱
結合させ、トランジスタの動作電流に応じて電子冷却素
子を駆動させるようにした。 【効果】 トランジスタが発生する発熱量に応じて電子
冷却素子の冷却動作が行われることから、過冷却が行わ
れることなく、効率の良い冷却が可能となるため、半導
体素子の動作を適切に行わせるとともに、効率の良い冷
却を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、トランジスタ等から発
せられる熱をペルチェ効果によって効率よく冷却させる
ようにした電子冷却半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ペルチェ効果の原理は、二つの異なった
導体若しくは半導体を連結し、これに直流電流を流すと
それぞれの接合部においてジュール熱以外の熱の吸収又
は発生が見られる現象をいう。例えば金属とＰ型半導体
の接合部で前者から後者に電流が流れると吸熱が起こ
り、その逆の電流では発熱が起こる。また、金属とＮ型
半導体の接合部では前者から後者に電流が流れると発熱
が起こり、その逆の電流では吸熱が起こる。
【０００３】ペルチェ効果をもたらす電子冷却素子の冷
却効率は、現在の材料では冷媒圧縮型冷却方式のそれに
は及ばないが、可動部分をもたず騒音がないこと、温度
調節が容易なこと、電流の方向を切り換えるだけで冷却
も加熱も行なえること、小型化できること等優れた特長
をもつので、小型冷蔵庫、恒温槽、露点温度計、電子装
置の冷却等に実用化されつつある。
【０００４】このようなペルチェ効果を利用したものと
して、たとえば特開昭６３−６８６４号公報には、トラ
ンジスタの近傍に金属板で挟まれたＰ型半導体を備えた
トランジスタ装置が開示されている。
【０００５】そして、冷却用の電流は、該トランジスタ
装置の入出力リードからＰ型半導体を通り、放熱板に流
れるように配線されている。放熱に関してみるとき、ペ
ルチェ効果によりトランジスタに近い方の金属板とＰ型
半導体との接合部にて吸熱が起こり、放熱版に接触させ
た方の金属板とＰ型半導体との接合部にて発熱が起こ
り、その発生した熱は放熱板によって放出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のトランジスタ装置では、トランジスタの冷却に
供する電流は、トランジスタの駆動電流とは関わりがな
く一定とされているため、次のような不具合があった。
【０００７】すなわち、トランジスタはその駆動状態に
応じて駆動電流が変化し、これに併せてトランジスタか
らの発熱量も変化するが、Ｐ型半導体に入出力リードを
介して単に一定の電流が供給された場合には、発熱量に
応じた冷却を行うことができない。したがって、特にト
ランジスタの低損失駆動時においては冷却電力の無駄が
発生し、更には、トランジスタが過冷却されてしまうお
それもある。このような場合にはトランジスタの動作点
がずれて、信号波形に歪みが発生する等の不具合があ
る。
【０００８】本発明は、このような事情に対処してなさ
れたもので、半導体素子をその発熱量に応じて冷却する
ことにより、半導体素子の動作を適切に行わせるととも
に、効率の良い冷却を行うことができる電子冷却半導体
装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、半導体素子に電子冷却素子の冷接点を熱
結合させるとともに、前記電子冷却素子の熱接点に放熱
器を熱結合させた電子冷却半導体装置において、前記半
導体素子の動作電流の少なくとも一部を前記電子冷却素
子の動作電流として流すようにしたことを特徴とする。
【００１０】
【作用】本発明の電子冷却半導体装置では、半導体素子
の動作電流の少なくとも一部を電子冷却素子の動作電流
として流すようにしたので、半導体素子が発生する発熱
量に応じて電子冷却素子の冷却動作を行わせることがで
きる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例の詳細を図面に基づい
て説明する。図１は、本発明の電子冷却半導体装置をエ
ミッタフォロワＳＥＰＰの出力段に使用した一実施例を
示すものであり、図２はその等価回路である。図１に示
すように、電子冷却半導体装置には金属製の放熱器２０
が設けられている。放熱器２０の上部には、Ｎ型半導体
（半導体板）２１が配設されている。ここで、Ｎ型半導
体２１は、Ｂｉ2 Ｔｅ3 にＢｉ2 Ｓｅ3 を５〜２５％固
溶したものが用いられている。
【００１２】Ｎ型半導体２１の上部には、コレクタＣと
共通な銅製のトランジスタケース２２を外装とするＮＰ
Ｎ型のトランジスタ２３が載置されている。電源＋Ｖcc
は、放熱器２０、Ｎ型半導体２１及びトランジスタケー
ス２２を介してトランジスタ２３のコレクタＣに供給さ
れる。
【００１３】一方、放熱器３０の上部には、Ｐ型半導体
（半導体板）３１が配設されている。ここで、Ｐ型半導
体３１は、Ｂｉ2 Ｔｅ3 にＳｂ2 Ｔｅ3 を５〜２５％固
溶したものが用いられている。
【００１４】Ｐ型半導体３１の上部には、コレクタＣと
共通な銅製のトランジスタケース３２を外装とするＰＮ
Ｐ型のトランジスタ３３が載置されている。電源−Ｖcc
は、放熱器３０、Ｐ型半導体３１及びトランジスタケー
ス３２を介してトランジスタ３３のコレクタＣに供給さ
れる。
【００１５】このように、Ｎ型又はＰ型の半導体を金属
体で挟むことにより電子冷却素子を形成している。ＮＰ
Ｎ型のトランジスタ２３のエミッタＥとＰＮＰ型のトラ
ンジスタ３３のエミッタＥとの間は、エミッタ抵抗Ｒ1
，Ｒ2 を介して接続され、その中点から出力端子が引
き出されている。
【００１６】このような構成の電子冷却半導体装置で
は、ＮＰＮ型のトランジスタ２３が駆動されるとき、電
源＋Ｖccからの駆動電流が放熱器２０、Ｎ型半導体２１
及びトランジスタケース２２を介してトランジスタ２３
のコレクタＣに供給される。この駆動電流は、Ｎ型半導
体２１を経由していることから、トランジスタ２３のコ
レクタ電流に応じて電子冷却が行われる。
【００１７】すなわち、トランジスタケース２２とＮ型
半導体２１との接合部にて吸熱が起こり、放熱器２０と
Ｎ型半導体２１との接合部にて発熱が起こることによ
り、トランジスタ２３にて発生した熱が放熱器２０を介
して放出される。
【００１８】一方、ＰＮＰ型のトランジスタ３３が駆動
されるとき、コレクタＣすなわちトランジスタケース３
２からの駆動電流は、Ｐ型半導体３１及び放熱器３０を
介して電流−Ｖccに流入し、この電流に応じて電子冷却
が行われる。
【００１９】すなわち、トランジスタケース３２とＰ型
半導体３１との接合部にて吸熱が起こり、放熱器３０と
Ｐ型半導体３１との接合部にて発熱が起こることによ
り、トランジスタ３３にて発生した熱が放熱器３０を介
して放出される。
【００２０】図３は、このような電子冷却半導体装置を
用いた出力段をＢ級動作させた場合の動作特性を示す図
であり、同図（ａ）は本実施例の特性、同図（ｂ）は従
来例の特性をそれぞれ示している。
【００２１】両者を対比することによって解る通り、本
実施例の場合には、出力電力Ｐo の増加に応じて電子冷
却のために消費される冷却電力Ｐｓが増加する。一方、
従来例の場合には、出力電力Ｐo の増加に関わらず冷却
電力Ｐｓが一定である。
【００２２】したがって、両者の全消費電力Ｐ（＝Ｐｃ
＋Ｐｓ）を対比しても解る通り、本実施例の場合には、
冷却電力Ｐｓが出力Ｐoの増加に応じて増えるので、小
出力時の浪費が少ないことが解る。
【００２３】更に、トランジスタ２３，３３に対する過
冷却が回避されるので、ＶBE，ｈfeｈie，ｆT 等のパラ
メータの変動が防止され、動作点のずれがなく安定し、
動作点のずれによる信号波形の歪の発生が解消される。
【００２４】図４は、図１の電子冷却半導体装置の構成
を変えた場合の他の実施例を示すもので、ＰＮＰ型のト
ランジスタ側については同様構成のため図示を省略して
いる。放熱器４０の上部には独立した電子冷却素子とし
て電子冷却モジュール５０が載置されており、その外装
部である銅板５１，５２の内側には、たとえばアルミナ
セラミックからなる熱伝導良好な絶縁体板５３，５４が
配設されている。各絶縁体板５３，５４の内側には、金
属板５５ａ〜５５ｅ，５６ａ〜５６ｄが配設されてい
る。各金属板５５ａ〜５５ｅ，５６ａ〜５６ｄ間には、
Ｎ型半導体５７及びＰ型半導体５８が交互に配設されて
いる。
【００２５】電子冷却モジュール５０の銅板５２の上部
には、コレクタＣと共通な銅製のトランジスタケース４
１を外装とするＮＰＮ型のトランジスタ４２が載置され
ている。駆動電源＋Ｖccは、右端の金属板５５ａに接続
される。左端の金属板５５ｅはコレクタＣ、もしくはト
ランジスタケース４１に接続されている。
【００２６】このような構成の電子冷却半導体装置で
は、トランジスタ４２への駆動電力は、駆動電源＋Ｖcc
から電子冷却モジュール５０を介して供給される。
【００２７】すなわち、駆動電源＋Ｖccからの駆動電力
は、金属板５５ａ→Ｎ型半導体５７→金属板５６ａ→Ｐ
型半導体５８→金属板５５ｂ→Ｎ型半導体５７→金属板
５６ｂ→Ｐ型半導体５８→金属板５５ｃ→Ｎ型半導体５
７→金属板５６ｃ→Ｐ型半導体５８→金属板５５ｄ→Ｎ
型半導体５７→金属板５６ｄ→Ｐ型半導体５８→金属板
５５ｅの順に流れる。
【００２８】これにより、各半導体の各金属板５６ａ〜
５６ｄ側の接合部ではＮ型，Ｐ型共吸熱が起こり、反対
側の各金属板５５ａ〜５５ｅ側では発熱が起こることに
なり、トランジスタ４２にて発生した熱が放熱器４０を
介して放出される。
【００２９】この実施例においては、電子冷却モジュー
ル５０が複数のＮ型半導体５７及びＰ型半導体５８によ
って電気的には直列接続、熱的には並列接続に構成され
ているため、上記実施例における電子冷却素子２１，３
１を単一のものとしたものに比べて同一の冷却効果を得
るのに電子冷却素子での電圧降下が大きくなるが、電流
は小さくてよい。ただし、この電流はトランジスタの駆
動電流に関係するので、分割数や寸法等の条件は、それ
に見合って選ばれる。
【００３０】なお、図５に示すように、電子冷却素子に
流れる電流を直列抵抗Ｒ5 ，Ｒ6 や並列抵抗Ｒ3 ，Ｒ4
により調整してもよい。
【００３１】図６は、図４の電子冷却半導体装置の構成
を変えた場合の他の実施例を示すもので、トランジスタ
４３，４４に対し電子冷却モジュール５０が共用化され
ており、図７はその等価回路である。
【００３２】放熱器４０の上部には、電子冷却モジュー
ル５０及びトランジスタケース４１を外装とするトラン
ジスタ４３，４４が載置されている。なお、トランジス
タケース４１がコレクタＣと共通の場合は、電子冷却モ
ジュール５０の上面側の銅板５２によりコレクタＣ同志
が短絡しないよう、熱伝導良好な絶縁板を介挿するか、
かかる銅板５２が省略されたものを用いればよい。
【００３３】電源＋Ｖccは、トランジスタ４３のコレク
タＣに接続され、エミッタＥは、電子冷却モジュール５
０の金属板５５aに接続されている。電源−Ｖccは、ト
ランジスタ４４のコレクタＣに接続され、エミッタＥ
は、電子冷却モジュール５０の金属板５５e に接続され
ている。出力は、電子冷却モジュール５０の中間部位の
金属板５５c から取り出されるようになっている。
【００３４】これにより、トランジスタ４３，４４が駆
動されると、それぞれのエミッタ電流に応じて電子冷却
が行われる。
【００３５】したがって、このような構成にすることに
より、電子冷却モジュール５０の内部抵抗のうち、金属
板５５a と５５c 間の内部抵抗と、金属板５５c と５５
e 間の内部抵抗がそれぞれエミッタ抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 とし
て作用するので、上記図１、図４、図５に示したものに
おける専用のエミッタ抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 を省略することが
できる。すなわち、図１等の構成では新たに発生するこ
とになった電子冷却素子における消費電力分が節約され
ることになる。
【００３６】図８はコレクタ出力型ＳＥＰＰ回路の出力
段にこの手法を用いた場合の等価回路であり、トランジ
スタ７０をＮＰＮ型とし、トランジスタ８０をＰＮＰ型
とする。
【００３７】図９は、図８の電子冷却半導体装置の等価
回路を単層の電子冷却素子で構成した場合の実施例を示
すものである。すなわち、金属製の放熱器４０の上部に
は、Ｎ型半導体６０を介してＮＰＮ型のトランジスタ７
０がその金属製の基台すなわちコレクタ電極７１に接す
るように載置されている。電源−Ｖccは、トランジスタ
７０のエミッタＥに接続され、そのコレクタ出力は、Ｎ
型半導体６０を介して放熱器４０から取り出されるよう
になっている。
【００３８】一方、放熱器４０の上部には、Ｐ型半導体
６１を介してＰＮＰ型のトランジスタ８０がその金属製
の基台すなわちコレクタ電極８１に接するように載置さ
れている。電源＋Ｖccは、トランジスタ８０のエミッタ
Ｅに接続され、そのコレクタ出力は、Ｐ型半導体６１を
介して放熱器４０から取り出されるようになっている。
【００３９】このような構成の電子冷却半導体装置で
は、トランジスタ７０，８０が駆動されるとき、それら
のコレクタ電流に応じた電位冷却が同様な原理により行
われ、トランジスタ７０，８０にて発生した熱が放熱器
４０を介して放出される。したがって、このような構成
によれば、トランジスタと放熱器との間に電子冷却用の
半導体を介挿するだけで目的を達せられるという利点が
ある。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の電子冷却
半導体装置によれば、半導体素子に電子冷却素子の冷接
点を熱結合させるとともに、電子冷却素子の熱接点に放
熱器を熱結合させ、半導体素子の動作電流の少なくとも
一部を電子冷却素子の動作電流として流すようにし、半
導体素子が発生する発熱量に応じて電子冷却素子の冷却
動作を行わせるようにしたので、過冷却が起こらず、半
導体素子の動作を適切に行わせることができるととも
に、効率の良い冷却を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子冷却半導体装置の一実施例を示す
図である。
【図２】図１の電子冷却半導体装置の等価回路を示す図
である。
【図３】図１の電子冷却半導体装置における動作特性を
示す図である。
【図４】図１の電子冷却半導体装置の構成を変えた場合
の他の実施例を示す図である。
【図５】図４の電子冷却素子に流れる電流を調整する場
合の抵抗の接続例を示す図である。
【図６】図４の電子冷却半導体装置の構成を変えた場合
の他の実施例を示す図である。
【図７】図６の電子冷却半導体装置の等価回路を示す図
である。
【図８】図６の電子冷却半導体装置の構成を変えた場合
の他の実施例を示す等価回路である。
【図９】図８の電子冷却素子を単層とした場合の実施例
を示す図である。
【符号の説明】
２０，３０，４０ 放熱器 ２２，３２ トランジスタケース ２３，３３，４２，４３，４４，７０，８０ トランジ
スタ ５０ 電子冷却モジュール ５１，５２ 銅板 ５３，５４ 絶縁体板 ５５ａ〜５５ｅ，５６ａ〜５６ｄ 金属板 ３１，５８，６１ Ｐ型半導体 ２１，５７，６０ Ｎ型半導体

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体素子に電子冷却素子の冷接点を熱
    結合させるとともに、前記電子冷却素子の熱接点に放熱
    器を熱結合させた電子冷却半導体装置において、 前記半導体素子の動作電流の少なくとも一部を前記電子
    冷却素子の動作電流として流すようにしたことを特徴と
    する電子冷却半導体装置。
JP5161371A 1993-06-30 1993-06-30 電子冷却半導体装置 Pending JPH0722549A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5161371A JPH0722549A (ja) 1993-06-30 1993-06-30 電子冷却半導体装置
US08/946,008 US5895964A (en) 1993-06-30 1997-10-07 Thermoelectric cooling system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP5161371A JPH0722549A (ja) 1993-06-30 1993-06-30 電子冷却半導体装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0722549A true JPH0722549A (ja) 1995-01-24

Family

ID=15733821

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5161371A Pending JPH0722549A (ja) 1993-06-30 1993-06-30 電子冷却半導体装置

Country Status (2)

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US (1) US5895964A (ja)
JP (1) JPH0722549A (ja)

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