電子元器件基本常識：半導體致冷技術

（電子元器件基本常識：半導體致冷技術）

　　理論簡介

　　半導體致冷亦稱電子致冷也叫溫差致冷，是由半導體所組成的一種冷卻裝置，於1960年左右才出現(xiàn)，然而其理論基礎帕爾帖效應可追溯到19世紀。如圖：

　　這是由X及Y兩種不同的金屬導線所組成的封閉線路，通上電源之後，冷端的熱量被移到熱端，導致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的帕爾帖效應。它是建立在帕爾帖效應的原理基礎上，這個古老的溫差電現(xiàn)象早在19世紀初期帕爾帖就發(fā)現(xiàn)鉍—銻組成的熱電偶，帕爾帖效應很顯著。塞貝克也收集了少量的半導體材料，都因溫差電動勢，數(shù)值小，無實用價值。因此，帕爾帖效應發(fā)現(xiàn)后的一百多年里，這個效應一直無法到應用。

　　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，于一九五四年前發(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，也就是我們現(xiàn)在的半導體致冷器件。

　　我國半導體致冷技術始于50年代末、60年代初。當時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致冷器技術發(fā)展的一個臺階。在此期間，一方面研究半導體致冷材料的高優(yōu)值系數(shù)，另一方面拓寬其應用領域。中國科學院半導體研究所投入了大量的人力與物力，獲得了半導體致冷器。因而才有了現(xiàn)在的半導體致冷器的生產(chǎn)及其二次產(chǎn)品的開發(fā)和應用。半導體致冷器件結構示意圖：

　　致冷現(xiàn)象概述

　　在科技領域中存在著多種致冷方法，吸收式、機械壓縮式和半導體致冷,電子致冷的現(xiàn)象是溫差電效應：

　　1、塞貝克效應（SEEBECKEFFECT）

　　1821年，德國入賽貝克發(fā)現(xiàn)了當兩種不同的導體相連接時，如兩個連接點保持不同的溫度，則在導體中產(chǎn)一個溫差電動勢：

　　V=a△T

　　式中:V為溫差電動勢

　　a為溫差電動勢率(賽貝克系數(shù))

　　△T為接點之間的溫差

　　2、帕爾帖效應（PELTIEREFFECT）

　　1934年法國人帕爾帖發(fā)現(xiàn)了與塞貝克效應的逆效應即當電流流經(jīng)兩面?zhèn)€不同導體形成的接點處會產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象。放熱或吸熱由電流的大小來決定。

　　Q=aTI

　　式中：Q為放熱或吸熱功率

　　a為熳差電動勢率

　　T為冷接點溫度

　　I為工作電流

　　3、湯姆遜效應（THOMSONEFFECT）

　　當電流通過存有溫度梯度的導體時，導體要放出或吸收熱量。

　　Qτ=τI△T

　　式中：Q為放熱或吸熱功率。

　　τ為湯姆遜系數(shù)

　　I為工作電流

　　△T為溫度梯度

　　原理簡述

　　1、半導體致冷的原理：把一個N型和P型半導體的粒子用金屬連接片焊接而成一個電偶對。當直流電流從N極流向P極時，2.3端上產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，此端稱冷端而下面1.4端產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，此端稱熱端如果電流方向反過來，則冷熱端相互轉(zhuǎn)換。由于一個電偶產(chǎn)生熱效應較小（一般約IKcal／h）所以實際上將幾十。上百對電偶聯(lián)成的熱電堆。所以半導體的致冷即一端吸熱一端放熱，是由載流子（電子和空穴）流過結點，由勢能的變化而引起的能量傳遞，這是半導體致冷的本質(zhì)。

　　2、半導體致冷的過程：電子由負極出發(fā)經(jīng)過金屬片流向P點4，到P型，再流向P點3，結點金屬片從結點2，到達N型，再返過結點1，到達金屬片回到電源正極。由于左半部是P型，導電方式是空穴，空穴流動方向與電子流動方向相反，所以空穴是結點3金屬片，到P型，再到結點4金屬片，最后到電源負極。結點4金屬中的空穴具有的能量低于P型中空穴能量，當空穴在電場作用下要從3到達P型，必須要增加能量，并把這部分勢能轉(zhuǎn)蠻為空穴的墊能。因而在結點3處的1金屬被冷卻下來，當空穴流向4時，金屬片曲于P型中空穴能量太子金屬中空穴的能量，因而要釋放多余的勢能，要將熱放出來這4處的金屬片是被加熱。右半部是N型，與金屬片聯(lián)接是靠自由電子導電的，而在結點2金屬中勢能低于N型電子勢能，當自由電子在電場作用1電子通過結點2到達N型時必然要增加墊能，這部分勢能只能從金屬片勢能取得，同時必然使結點2金屬片冷下來。當電子由N型流向結點1金屬片時，由于電子從勢能較高的地方流向勢能低處，故要釋放多余的墊能。并變成熱能，在結點1處使金屬片加熱，是熱端。

　　3、半導體致冷器件的性能：在應用致冷器前，要進一步的了解它的性能，實際上致冷器的冷端從周圍吸收的熱Qл外，還有兩個，一個是焦耳熱Qj，另一個是傳導熱Qk。電流從元件內(nèi)部通過就產(chǎn)生焦耳熱，焦耳熱的一半傳到冷端另一半傳到熱端，傳導熱從熱端傳到冷端。

　　產(chǎn)冷量Qc=Qπ-Qj-Qk=（2p-2n）.Tc.I-1/2j2R-K（Th-Tc）

　　（式中，R表示一對電偶的總電阻，K是總熱導。）

　　熱端散掉的熱Qh=Qπ+Qj-Qk=（2p-2n）.Th.I+1/2I2R-K（Th-Tc）

　　從上面兩公式中可以看出，輸入的電功率恰好就是熱端散掉的熱與冷端吸收的熱之差，這就是“熱泵”的一種：Qh-Qc=I2R=P由上式得出一個電偶在熱端放出的熱量Qh等于輸入電功率與冷端產(chǎn)冷量之和，相反得出冷端產(chǎn)冷量Qc等于熱端放出的熱量與輸入電功率之差。Qh=P+QcQc=Qh-P應用半導體致冷器作為特種冷源，在技術應用上具有以下的優(yōu)點和特點：

　　1、不需要任何致冷劑，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，沒有滑動部件是一種固體器件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。

　　2、半導體致冷器具有兩種功能，既能致冷，又能加熱，致冷效率一般不高，但致熱效率很高，永遠大于1。因此使用一個器件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和致冷系統(tǒng)。

　　3、半導體致冷器是電流換能型器件，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、半導體致冷器熱慣性非常小，致冷致熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，致冷器就能達到最大溫差。

　　5、半導體致冷器的反向使用就是溫差發(fā)電，半導體致冷器一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。

　　6、半導體致冷器的單個致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)的方法組合成致冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。

　　7、半導體致冷器的溫差范圍，從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現(xiàn)。

　　通過以上分析，半導體溫差電器件應用范圍有：致冷、加熱、發(fā)電，致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)。

　　(2)醫(yī)療方面：冷刀、冷臺、白內(nèi)障摘除器、血液分析儀等。

　　(3)實驗室裝置方面：冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種高低溫實驗儀器。

　　(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、電腦散熱器等。

　　(5)日常生活方面：空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機、除濕機等。

　　此外，還有其它方面的應用，這里就不一一提了。