半導(dǎo)體制冷技術(shù)

1834年，法國(guó)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(dòng)形成電流，由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)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(dòng)的兩種材料的能級(jí)差，即熱電勢(shì)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(shì)，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20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(duì)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。

半導(dǎo)體制冷片制冷原理半導(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(dòng)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(chǎng)合。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，如《原理圖》所示就是一個(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)體材料連結(jié)成電偶對(duì)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(duì)數(shù)來決定。制冷片內(nèi)部是由上百對(duì)電偶聯(lián)成的熱電堆，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)一八二二年德國(guó)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(dòng)勢(shì)： ES=S.△T式中：ES為溫差電動(dòng)勢(shì)S(?)為溫差電動(dòng)勢(shì)率(塞貝克系數(shù))△T為接點(diǎn)之間的溫差2、珀?duì)柼?yīng)(PELTIER EFFECT)一八三四年法國(guó)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(huì)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。Qл=л.I л=aTc式中：Qπ 為放熱或吸熱功率π為比例系數(shù)，稱為珀?duì)柼禂?shù)I為工作電流a為溫差電動(dòng)勢(shì)率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：Qτ=τ.I.△TQτ為放熱或吸熱功率τ為湯姆遜系數(shù)I為工作電流△T為溫度梯度以上的理論直到20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(duì)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。