熱電半導體制冷片介紹

半導體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有滑動(dòng)部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無(wú)制冷劑污染的場(chǎng)合。利用半導體材料的Peltier效應，當直流電通過(guò)兩種不同半導體材料串聯(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)現制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無(wú)運動(dòng)部件，可靠性也比較高。

歷史：

半導體制冷片是由半導體所組成的一種冷卻裝置，于1960年左右才出現，然而其理論基礎Peltiereffect可追溯到19世紀。這現象最早是在1821年，由一位德國科學(xué)家ThomasSeeback首先發(fā)現，不過(guò)他當時(shí)做了錯誤的推論，并沒(méi)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)也是兼職研究這現象的物理學(xué)家JeanPeltier，才發(fā)現背后真正的原因，這個(gè)現象直到近代隨著(zhù)半導體的發(fā)展才有了實(shí)際的應用，也就是[致冷器]的發(fā)明(注意，這時(shí)叫致冷器，還不叫半導體致冷器)。由許多N型半導體和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(xiàn)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(lái)，陶瓷片必須絕緣且導熱良好，

N型半導體：

任何物質(zhì)都是由原子構成的，原子是由原子核和電子構成的。電子以高速度繞原子核轉動(dòng)，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(kāi)，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(dòng)，叫自由電子（載流子的一種），使得材料可以導電。如果電子不能脫離軌道形成自由電子，則不能參加導電，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量的某種雜質(zhì)滲入半導體之后，不但能大大加大導電能力，而且可以根據摻入雜質(zhì)的種類(lèi)和數量制造出不同性質(zhì)、不同用途的半導體。將一種雜質(zhì)摻入半導體后，會(huì )放出自由電子，這種半導體稱(chēng)為N型（negative）半導體。

P型半導體：

P（positive）型半導體，是靠“空穴”來(lái)導電。在外電場(chǎng)作用下“空穴”流動(dòng)方向和電子流動(dòng)方向相反，即“空穴”由正極流向負極，這是P型半導體原理。

載流子現象：

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，載流子在外加電場(chǎng)作用下的定向移動(dòng)，產(chǎn)生電流，所以統稱(chēng)為“載流子”，它是半導體所特有，絕大部分載流子是由于摻入雜質(zhì)的結果（現實(shí)中的半導體一般以雜質(zhì)半導體的形式出現，其中的載流子極少部分來(lái)源于本征激發(fā)，絕大多數的載流子來(lái)源于摻入的雜質(zhì)原子給出的多余未參與成鍵的價(jià)電子，或空穴）；對于本征半導體，其載流子是由熱激發(fā)或者光的作用，參與成共價(jià)鍵的價(jià)電子成為自由電子，從而產(chǎn)生的成對的自由電子與空穴。

半導體制冷：

不僅需要N型和P型半導體特性，還要根據摻入的雜質(zhì)改變半導體的溫差電動(dòng)勢率，導電率和導熱率使這種特殊半導體能滿(mǎn)足制冷的材料。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，采用垂直區熔法提取晶體材料。

原理：

在原理上，半導體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結成的熱電偶對中有電流通過(guò)時(shí)，兩端之間就會(huì )產(chǎn)生熱量轉移，熱量就會(huì )從一端轉移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。但是半導體自身存在電阻當電流經(jīng)過(guò)半導體時(shí)就會(huì )產(chǎn)生熱量，從而會(huì )影響熱傳遞。而且兩個(gè)極板之間的熱量也會(huì )通過(guò)空氣和半導體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時(shí)，就會(huì )達到一個(gè)平衡點(diǎn)，正逆向熱傳遞相互抵消。此時(shí)冷熱端的溫度就不會(huì )繼續發(fā)生變化。為了達到更低的溫度，可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來(lái)實(shí)現。

風(fēng)扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱。通常半導體制冷片冷熱端的溫差可以達到40～65度之間，如果通過(guò)主動(dòng)散熱的方式來(lái)降低熱端溫度，那冷端溫度也會(huì )相應的下降，從而達到更低的溫度。

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(shí)，在這個(gè)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(guò)電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數來(lái)決定，以下三點(diǎn)是熱電制冷的溫差電效應。

塞貝克效應：

（SEEBECKEFFECT）

半導體制冷片

一八二二年德國人塞貝克發(fā)現當兩種不同的導體相連接時(shí)，如兩個(gè)連接點(diǎn)保持不同的溫差，則在導體中產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢：ES=S.△T

式中：ES為溫差電動(dòng)勢

S為溫差電動(dòng)勢率（塞貝克系數）

△T為接點(diǎn)之間的溫差

珀爾帖效應：

（PELTIEREFFECT）

一八三四年法國人珀爾帖發(fā)現了與塞貝克效應的相反效應，即當電流流經(jīng)兩個(gè)不同導體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì )產(chǎn)生放熱和吸熱現象，放熱或吸熱大小由電流的大小來(lái)決定。

Qл=л.Iл=aTc

式中：Qπ為放熱或吸熱功率

π為比例系數，稱(chēng)為珀爾帖系數

I為工作電流

a為溫差電動(dòng)勢率

Tc為冷接點(diǎn)溫度

湯姆遜效應：

（THOMSONEFFECT）

當電流流經(jīng)存在溫度梯度的導體時(shí)，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(diǎn)之間，其放熱量或吸熱量為：

Qτ=τ.I.△T

Qτ為放熱或吸熱功率

τ為湯姆遜系數

I為工作電流

△T為溫度梯度

以上的理論直到上世紀五十年代，蘇聯(lián)科學(xué)院半導體研究所約飛院士對半導體進(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體材料，至今還是溫差制冷中半導體材料的一種主要成份。

約飛的理論得到實(shí)踐應用后，有眾多的學(xué)者進(jìn)行研究到六十年代半導體制冷材料的優(yōu)值系數，才達到相當水平，得到大規模的應用，也就是我們半導體制冷片件。

中國在半導體制冷技術(shù)開(kāi)始于50年代末60年代初，當時(shí)在國際上也是比較早的研究單位之一，60年代中期，半導體材料的性能達到了國際水平，60年代末至80年代初是我國半導體制冷片技術(shù)發(fā)展的一個(gè)臺階。在此期間，一方面半導體制冷材料的優(yōu)值系數提高，另一方面拓寬其應用領(lǐng)域。中國科學(xué)院半導體研究所投入了大量的人力和物力，獲得了半導體制冷片，因而才有了半導體制冷片的生產(chǎn)及其兩次產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應用。