半導體制冷--討論

聶德平

半導體制冷又稱電子制冷，或者溫差電制冷，是從50年代發(fā)展起來的一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科，它利用特種半導體材料構成的P-N結，形成熱電偶對，產(chǎn)生珀爾帖效應，即通過直流電制冷的一種新型制冷方法，與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式。
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' c' @! O: H7 i( g( m　　1834年，法國物理學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電后，他驚奇的發(fā)現(xiàn)一個接頭變熱，另一個接頭變冷；這個現(xiàn)象后來就被稱為"帕爾帖效應"。"帕爾帖效應"的物理原理為：電荷載體在導體中運動形成電流，由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，就會釋放出多余的熱量。反之，就需要從外界吸收熱量（即表現(xiàn)為制冷）。

- W- z, `5 N9 ]# X　　所以，"半導體制冷"的效果就主要取決于電荷載體運動的兩種材料的能級差，即熱電勢差。純金屬的導電導熱性能好，但制冷效率極低（不到1%）。半導體材料具有極高的熱電勢，可以成功的用來做小型的熱電制冷器。但當時由于使用的金屬材料的熱電性能較差，能量轉換的效率很低，熱電效應沒有得到實質應用。直到本世紀五十年代，蘇聯(lián)科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究，于1945年前發(fā)表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的致冷效果。這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差致冷中半導體材料的一種主要成份。約飛的理論得到實踐應用后，有眾多的學者進行研究到六十年代半導體致冷材料的優(yōu)值系數(shù)，達到相當水平，才得到大規(guī)模的應用。80年代以后，半導體的熱電制冷的性能得到大幅度的提高，進一步開發(fā)熱電制冷的應用領域。

　　二、半導體制冷片制冷原理 原理圖
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8 C: w3 g. Y2 L- a& w( x
# f, J% `+ N# G4 A9 E# p1 c　　半導體制冷片（TE）也叫熱電制冷片，是一種熱泵，它的優(yōu)點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場合。
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7 b# W. @  ~' [3 j　　半導體制冷片的工作運轉是用直流電流，它既可制冷又可加熱，通過改變直流電流的極性來決定在同一制冷片上實現(xiàn)制冷或加熱，這個效果的產(chǎn)生就是通過熱電的原理，上圖就是一個單片的制冷片，它由兩片陶瓷片組成，其中間有N型和P型的半導體材料（碲化鉍），這個半導體元件在電路上是用串聯(lián)形式連接組成. 半導體制冷片的工作原理是：當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數(shù)來決定。制冷片內部是由上百對電偶聯(lián)成的熱電堆（如右圖），以達到增強制冷（制熱）的效果。以下三點是熱電制冷的溫差電效應。
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3 V' j8 x4 Y, t. |& D4 q; p　　1、塞貝克效應（SEEBECK EFFECT）

) I# d/ B, I; s: O# z+ ~1 j1 X　　一八二二年德國人塞貝克發(fā)現(xiàn)當兩種不同的導體相連接時，如兩個連接點保持不同的溫差，則在導體中產(chǎn)生一個溫差電動勢： ES=S.△T

　　式中：ES為溫差電動勢
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　　S（?）為溫差電動勢率（塞貝克系數(shù)）

- z2 h4 g8 R* x: k( s3 W) r　　△T為接點之間的溫差

　　2、珀爾帖效應（PELTIER EFFECT）
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　　一八三四年法國人珀爾帖發(fā)現(xiàn)了與塞貝克效應的效應，即當電流流經(jīng)兩個不同導體形成的接點時，接點處會產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。
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) b) Z- m; i' U, U6 r, |# u　　Qл=л.I л=aTc

9 x6 o/ h, o) ]3 i　　式中：Qπ 為放熱或吸熱功率
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　　π為比例系數(shù)，稱為珀爾帖系數(shù)

& ?) a- j6 }4 n, u0 I- z1 L, |+ U　　I為工作電流

　　a為溫差電動勢率

　　Tc為冷接點溫度

% `7 P% p; i, y0 `! Z, g% d3 r; e　　3、湯姆遜效應（THOMSON EFFECT）

　　當電流流經(jīng)存在溫度梯度的導體時，除了由導體電阻產(chǎn)生的焦耳熱之外，導體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導體兩點之間，其放熱量或吸熱量為：

　　Qτ=τ.I.△T
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: H( E8 K% E7 G! M9 u  j+ k　　Qτ為放熱或吸熱功率
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+ t% v: g( q4 i0 h+ w' y9 r' c% L0 x　　τ為湯姆遜系數(shù)

. N* |; c6 C' n- g　　I為工作電流
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　　△T為溫度梯度
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　　以上的理論直到本世紀五十年代，蘇聯(lián)科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究，于一九五四年發(fā)表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的制冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差制冷中半導體材料的一種主要成份。
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* W  {# s/ `! _& b, a$ ]　　三、制冷片的技術應用
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/ Y0 u; r; i  b$ B" D+ e  g　　半導體制冷片作為特種冷源，在技術應用上具有以下的優(yōu)點和特點：
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; L) L+ V! g- ]8 a! h　　1、不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產(chǎn)生回轉效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。
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　　2、半導體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大于1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。
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, t0 c8 ?, U  U; `/ m　　3、半導體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現(xiàn)遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統(tǒng)。

　　4、半導體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差。
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1 M6 ^; Q$ E' B: S# X; [　　5、半導體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。

　　6、半導體制冷片的單個制冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。
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1 {6 m& F2 l  Z: }* l5 Z: E) P$ v　　7、半導體制冷片的溫差范圍，從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現(xiàn)。

8 m) z: m+ ^/ X! v/ M! u/ t　　通過以上分析，半導體溫差電片件應用范圍有：制冷、加熱、發(fā)電，制冷和加熱應用比較普遍，有以下幾個方面：

　　1、軍事方面：導彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導行系統(tǒng)。

& v2 l! A# @: k　　2、醫(yī)療方面；冷力、冷合、白內障摘除片、血液分析儀等。
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! ?1 b. d* O7 I+ c' k  C3 o　　3、實驗室裝置方面：冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片。
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　　4、專用裝置方面：石油產(chǎn)品低溫測試儀、生化產(chǎn)品低溫測試儀、細菌培養(yǎng)箱、恒溫顯影槽、電腦等。
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　　5、日常生活方面：空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外，還有其它方面的應用，這里就不一一提了

過街蛤蟆

主要是功率小，使用受到限制，就像是‘光板’，發(fā)光效率很高，但亮度只能到一定程度，

見習生小王

半導體制冷片
　　半導體制冷片也叫熱電制冷片，是一種熱泵，它的優(yōu)點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場合。是利用半導體材料的Peltier效應。當直流電通過兩種不同半導體材料串聯(lián)成的電偶時,在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,可以實現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負熱阻的制冷技術,其特點是無運動部件,可靠性也比較高。利用半導體制冷的方式來解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題，具有很高的實用價值。
' {/ `+ u4 H" n% j' a歷史
7 L1 h) Z8 I" t% C6 p: e; ]半導體致冷器是由半導體所組成的一種冷卻裝置，于1960年左右才出現(xiàn)，然而其理論基礎Peltiereffect可追溯到19世紀。這現(xiàn)象最早是在1821年，由一位德國科學家ThomasSeeback首先發(fā)現(xiàn)，不過他當時做了錯誤的推論，并沒有領悟到背后真正的科學原理。到了1834年，一位法國表匠，同時也是兼職研究這現(xiàn)象的物理學家JeanPeltier，才發(fā)現(xiàn)背后真正的原因，這個現(xiàn)象直到近代隨著半導體的發(fā)展才有了實際的應用，也就是[致冷器]的發(fā)明(注意，這種叫致冷器，還不叫半導體致冷器)。由許多N型和P型半導體之顆?；ハ嗯帕卸?，而NP之間以一般的導體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導熱良好，外觀由許多N型和P型半導體之顆?；ハ嗯帕卸?，而NP之間以一般的導體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，最后由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導熱良好。
　　N型半導體。任何物質都是由原子組成，原子是由原子核和電子組成。電子以高速度繞原子核轉動，受到原子核吸引，因為受到一定的限制，所以電子只能在有限的軌道上運轉，不能任意離開，而各層軌道上的電子具有不同的能量(電子勢能)。離原子核最遠軌道上的電子，經(jīng)?？梢悦撾x原子核吸引，而在原子之間運動，叫導體。如果電子不能脫離軌道形成自由電子，故不能參加導電，叫絕緣體。半導體導電能力介于導體與絕緣體之間，叫半導體。半導體重要的特性是在一定數(shù)量的某種雜質滲入半導體之后，不但能大大加大導電能力，而且可以根據(jù)摻入雜質的種類和數(shù)量制造出不同性質、不同用途的半導體。將一種雜質摻入半導體后，會放出自由電子，這種半導體稱為N型半導體。P型半導體，是靠“空穴”來導電。在外電場作用下“空穴”流動方向和電子流動方向相反，即“空穴”由正板流向負極，這是P型半導體原理。
　　載流子現(xiàn)象：N型半導體中的自由電子，P型半導體中的“空穴”，他們都是參與導電，統(tǒng)稱為“載流子”，它是半導體所特有，是由于摻入雜質的結果。
　　半導體制冷材料：不僅需要N型和P型半導體特性，還要根據(jù)摻入的雜質改變半導體的溫差電動勢率，導電率和導熱率使這種特殊半導體能滿足制冷的材料。目前國內常用材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔法提取晶體材料。
原理
在原理上，半導體的制冷片只能算是一個熱傳遞的工具，雖然制冷片會主動為芯片散熱，但依然要將熱端的高于芯片的發(fā)熱量散發(fā)掉。在制冷片工作期間，只要冷熱端出現(xiàn)溫差，熱量便不斷地通過晶格的傳遞，將熱量移動到熱端并通過散熱設備散發(fā)出去。因此，制冷片對于芯片來說是主動制冷的裝置，而對于整個系統(tǒng)來說，只能算是主動的導熱裝置，因此，采用半導體制冷裝置的ZENO96智冷版，依然要采取主動散熱的方式對制冷片的熱端進行降溫。
0 y- j1 U) z/ U  O/ v4 `5 G0 q　　風扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱，通常熱端的溫度在沒有散熱裝置的時候會達到100度左右，極易超過制冷片的承受極限，而且半導體制冷效率的關鍵就是要盡快降低熱端溫度以增大兩端溫差，提高制冷效果，因此在熱端采用大型的散熱片以及主動的散熱風扇將有助于散熱系統(tǒng)的優(yōu)良工作。在正常使用情況下，冷熱端的溫差將保持在40～65度之間。
2 I! f% y0 T! }: t　　當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數(shù)來決定。

聶德平

一切都有待于進一步的研發(fā)，個人認為它的優(yōu)勢還是很多的
現(xiàn)在準備DIY一個冷藏裝置玩玩，不知道效果咋樣

聶德平

由于種種原因，終于做了一個樣品
" w3 s6 U" ?/ u) r; m+ r+ J但是目前工具，材料等不全，密封，粘接不好，效果不明顯，沒有達到預期效果
; f3 r( v6 U- [9 o% l: ?只有暫且放下，等待下次條件具備再試

hwyang714

       半導體制冷雖然優(yōu)勢多多，但制冷的功率、效率制冷深度等還有待于工藝突破，記得2002年在一家港資企業(yè)，我們研發(fā)部中的一個小組專門為家庭應用而開發(fā)的半導體制冷器，折騰一年多，因很多參數(shù)無法實現(xiàn)而只好不了了之！原理雖好，但半導體制冷在技術推廣和應用上還有很長的路要走！不解決推廣的瓶頸問題，只能停留在美好的期待中！

mojian168

支持，很不錯，學習下

球墨

功率太小