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，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象早在19世紀初期帕爾帖就發現鉍—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，數值小，無實用價值。因此，帕爾帖效應發現后的一百多年里，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值系數，達到相當水平，才得到大規模的應用，也就是我們現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值系數，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。因而才有了現在的半導體致冷器的生產及其二次產品的開發和應用。半導體致冷器件結構示意圖：

　　致冷現象概述

　　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,電子致冷的現象是溫差電效應：

　　1、塞貝克效應（SEEBECKEFFECT）

　　1821年，德國入賽貝克發現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)

　　△T為接點之間的溫差

　　2、帕爾帖效應（PELTIEREFFECT）

　　1934年法國人帕爾帖發現了與塞貝克效應的逆效應即當電流流經兩面個不同導體形成的接點處會產生放熱和吸熱現象。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

　　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端上產生吸熱現象，此端稱冷端而下面1.4端產生放熱現象，此端稱熱端如果電流方向反過來，則冷熱端相互轉換。由于一個電偶產生熱效應較小（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。

　　2、半導體致冷的過程：電子由負極出發經過金屬片流向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。電流從元件內部通過就產生焦耳熱，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冷量之和，相反得出冷端產冷量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點和特點：

　　1、不需要任何致冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，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和致冷系統。

　　3、半導體致冷器是電流換能型器件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很易實現遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統。

　　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電，半導體致冷器一般適用于中低溫區發電。

　　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、并聯的方法組合成致冷系統的話，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。

　　通過以上分析，半導體溫差電器件應用范圍有：致冷、加熱、發電，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。

　　(2)醫療方面：冷刀、冷臺、白內障摘除器、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：石油產品低溫測試儀、生化產品低溫測試儀、細菌培養箱、恒溫顯影槽、電腦散熱器等。

　　(5)日常生活方面：空調、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。