半導(dǎo)體制冷--討論

聶德平

半導(dǎo)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(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)邊緣的學(xué)科，它利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)，形成熱電偶對，產(chǎn)生珀?duì)柼?yīng)，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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7 \* x' ^3 t7 Y7 b4 J( F4 n! u　　1834年，法國物理學(xué)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(fù)極上，通電后，他驚奇的發(fā)現(xiàn)一個(gè)接頭變熱，另一個(gè)接頭變冷；這個(gè)現(xiàn)象后來就被稱為"帕爾帖效應(yīng)"。"帕爾帖效應(yīng)"的物理原理為：電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)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(dāng)它從高能級向低能級運(yùn)動時(shí)，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）。

　　所以，"半導(dǎo)體制冷"的效果就主要取決于電荷載體運(yùn)動的兩種材料的能級差，即熱電勢差。純金屬的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，但制冷效率極低（不到1%）。半導(dǎo)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(dāng)時(shí)由于使用的金屬材料的熱電性能較差，能量轉(zhuǎn)換的效率很低，熱電效應(yīng)沒有得到實(shí)質(zhì)應(yīng)用。直到本世紀(jì)五十年代，蘇聯(lián)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所約飛院士對半導(dǎo)體進(jìn)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(dǎo)體材料，至今還是溫差致冷中半導(dǎo)體材料的一種主要成份。約飛的理論得到實(shí)踐應(yīng)用后，有眾多的學(xué)者進(jìn)行研究到六十年代半導(dǎo)體致冷材料的優(yōu)值系數(shù)，達(dá)到相當(dāng)水平，才得到大規(guī)模的應(yīng)用。80年代以后，半導(dǎo)體的熱電制冷的性能得到大幅度的提高，進(jìn)一步開發(fā)熱電制冷的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　二、半導(dǎo)體制冷片制冷原理 原理圖


　　半導(dǎo)體制冷片（TE）也叫熱電制冷片，是一種熱泵，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動部件，應(yīng)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。

3 p9 t% }, e8 Z3 ]" P+ Z　　半導(dǎo)體制冷片的工作運(yùn)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)制冷或加熱，這個(gè)效果的產(chǎn)生就是通過熱電的原理，上圖就是一個(gè)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(dǎo)體材料（碲化鉍），這個(gè)半導(dǎo)體元件在電路上是用串聯(lián)形式連接組成. 半導(dǎo)體制冷片的工作原理是：當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料N、P的元件對數(shù)來決定。制冷片內(nèi)部是由上百對電偶聯(lián)成的熱電堆（如右圖），以達(dá)到增強(qiáng)制冷（制熱）的效果。以下三點(diǎn)是熱電制冷的溫差電效應(yīng)。

　　1、塞貝克效應(yīng)（SEEBECK EFFECT）

" E( o! y3 |$ s* p' x7 @　　一八二二年德國人塞貝克發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體相連接時(shí)，如兩個(gè)連接點(diǎn)保持不同的溫差，則在導(dǎo)體中產(chǎn)生一個(gè)溫差電動勢： ES=S.△T
7 c+ z( d* w1 R: K& B. P1 p
& ]+ Y) M8 S9 g7 q' z5 Z* M/ w" K, U2 P　　式中：ES為溫差電動勢

　　S（?）為溫差電動勢率（塞貝克系數(shù)）

( p+ |0 I' s7 D7 ?  l$ D　　△T為接點(diǎn)之間的溫差
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　　2、珀?duì)柼?yīng)（PELTIER EFFECT）

. G7 D8 o7 U0 l% w　　一八三四年法國人珀?duì)柼l(fā)現(xiàn)了與塞貝克效應(yīng)的效應(yīng)，即當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)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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　　Qл=л.I л=aTc

2 Q# L$ e% T! K' t　　式中：Qπ 為放熱或吸熱功率

. N4 N% l8 Q/ e( F6 U; t& N　　π為比例系數(shù)，稱為珀?duì)柼禂?shù)

　　I為工作電流
  o4 r) n* B! B/ B; f) S* @/ L
　　a為溫差電動勢率

! G% h/ o, F# C4 V* ~　　Tc為冷接點(diǎn)溫度

　　3、湯姆遜效應(yīng)（THOMSON EFFECT）

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

7 \* G$ R& r- q- Z$ f& m% B　　Qτ=τ.I.△T

  u8 r' |0 _; |" B: j$ y9 k　　Qτ為放熱或吸熱功率

  c1 U# j! [+ d  d; B, R　　τ為湯姆遜系數(shù)

　　I為工作電流

　　△T為溫度梯度

　　以上的理論直到本世紀(jì)五十年代，蘇聯(lián)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所約飛院士對半導(dǎo)體進(jìn)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(dǎo)體材料，至今還是溫差制冷中半導(dǎo)體材料的一種主要成份。

3 g6 f4 C0 |/ f* E) e$ M1 G  G　　三、制冷片的技術(shù)應(yīng)用

) M( S* G2 p7 h- {5 @" E　　半導(dǎo)體制冷片作為特種冷源，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：
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& f( A1 u6 t# q8 P! I* q, B, J　　1、不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時(shí)沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。

9 b( U, V: ?! C　　2、半導(dǎo)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(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。

0 @. w" O# k# h. c, v& c% \　　3、半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實(shí)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(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動控制系統(tǒng)。

* T: X/ b. C4 [& {" C　　4、半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)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(dá)到最大溫差。

' y& f* E3 }0 t/ ~; q4 G4 t　　5、半導(dǎo)體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導(dǎo)體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。

5 p0 q* W1 M0 e* F2 o2 `* l! Y6 l　　6、半導(dǎo)體制冷片的單個(gè)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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　　7、半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍，從正溫90℃到負(fù)溫度130℃都可以實(shí)現(xiàn)。
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% O- J- j% U2 {% a; h7 j* w1 g/ y9 s　　通過以上分析，半導(dǎo)體溫差電片件應(yīng)用范圍有：制冷、加熱、發(fā)電，制冷和加熱應(yīng)用比較普遍，有以下幾個(gè)方面：

　　1、軍事方面：導(dǎo)彈、雷達(dá)、潛艇等方面的紅外線探測、導(dǎo)行系統(tǒng)。

' [# O  w7 d! j5 o. r. F5 Q　　2、醫(yī)療方面；冷力、冷合、白內(nèi)障摘除片、血液分析儀等。
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　　3、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀片。
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7 D0 \3 a  `5 j4 v　　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(xì)菌培養(yǎng)箱、恒溫顯影槽、電腦等。

. \9 |0 y: z3 a　　5、日常生活方面：空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外，還有其它方面的應(yīng)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(xí)生小王

半導(dǎo)體制冷片
9 i* h0 r. }, x1 e2 A　　半導(dǎo)體制冷片也叫熱電制冷片，是一種熱泵，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動部件，應(yīng)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(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)。當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí),在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù),其特點(diǎn)是無運(yùn)動部件,可靠性也比較高。利用半導(dǎo)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(shí)用價(jià)值。
! X& R* e+ K7 P0 n6 ^8 Z歷史
' Z! j) K. }2 T, k6 b) V# r/ Y半導(dǎo)體致冷器是由半導(dǎo)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(chǔ)Peltiereffect可追溯到19世紀(jì)。這現(xiàn)象最早是在1821年，由一位德國科學(xué)家ThomasSeeback首先發(fā)現(xiàn)，不過他當(dāng)時(shí)做了錯(cuò)誤的推論，并沒有領(lǐng)悟到背后真正的科學(xué)原理。到了1834年，一位法國表匠，同時(shí)也是兼職研究這現(xiàn)象的物理學(xué)家JeanPeltier，才發(fā)現(xiàn)背后真正的原因，這個(gè)現(xiàn)象直到近代隨著半導(dǎo)體的發(fā)展才有了實(shí)際的應(yīng)用，也就是[致冷器]的發(fā)明(注意，這種叫致冷器，還不叫半導(dǎo)體致冷器)。由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆粒互相排列而成，而NP之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)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(dǎo)熱良好，外觀由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆粒互相排列而成，而NP之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)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(dǎo)熱良好。
9 Z, l9 v+ o9 Z/ ?6 [( u$ N　　N型半導(dǎo)體。任何物質(zhì)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(zhuǎn)動，受到原子核吸引，因?yàn)槭艿揭欢ǖ南拗疲噪娮又荒茉谟邢薜能壍郎线\(yùn)轉(zhuǎn)，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(yuǎn)軌道上的電子，經(jīng)常可以脫離原子核吸引，而在原子之間運(yùn)動，叫導(dǎo)體。如果電子不能脫離軌道形成自由電子，故不能參加導(dǎo)電，叫絕緣體。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，叫半導(dǎo)體。半導(dǎo)體重要的特性是在一定數(shù)量的某種雜質(zhì)滲入半導(dǎo)體之后，不但能大大加大導(dǎo)電能力，而且可以根據(jù)摻入雜質(zhì)的種類和數(shù)量制造出不同性質(zhì)、不同用途的半導(dǎo)體。將一種雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體后，會放出自由電子，這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體，是靠“空穴”來導(dǎo)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(fù)極，這是P型半導(dǎo)體原理。
; y5 l. P$ P1 u　　載流子現(xiàn)象：N型半導(dǎo)體中的自由電子，P型半導(dǎo)體中的“空穴”，他們都是參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為“載流子”，它是半導(dǎo)體所特有，是由于摻入雜質(zhì)的結(jié)果。
  a+ q8 }4 {: h) Q) N+ |　　半導(dǎo)體制冷材料：不僅需要N型和P型半導(dǎo)體特性，還要根據(jù)摻入的雜質(zhì)改變半導(dǎo)體的溫差電動勢率，導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率使這種特殊半導(dǎo)體能滿足制冷的材料。目前國內(nèi)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(dǎo)體的制冷片只能算是一個(gè)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(shè)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(gè)系統(tǒng)來說，只能算是主動的導(dǎo)熱裝置，因此，采用半導(dǎo)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(jìn)行降溫。
　　風(fēng)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(shí)候會達(dá)到100度左右，極易超過制冷片的承受極限，而且半導(dǎo)體制冷效率的關(guān)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(fēng)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 k; l0 x  q9 e* J/ U/ `　　當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料N、P的元件對數(shù)來決定。

聶德平

一切都有待于進(jìn)一步的研發(fā)，個(gè)人認(rèn)為它的優(yōu)勢還是很多的
現(xiàn)在準(zhǔn)備DIY一個(gè)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(gè)樣品
# o8 T" h$ H# {/ x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(dá)到預(yù)期效果
: V' f! a; |5 S# S只有暫且放下，等待下次條件具備再試

hwyang714

       半導(dǎo)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(gè)小組專門為家庭應(yīng)用而開發(fā)的半導(dǎo)體制冷器，折騰一年多，因很多參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)而只好不了了之！原理雖好，但半導(dǎo)體制冷在技術(shù)推廣和應(yīng)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(cuò)，學(xué)習(xí)下

球墨

功率太小