電子元器件基本常識(shí)：半導(dǎo)體致冷技術(shù)

電子元器件基本常識(shí)：半導(dǎo)體致冷技術(shù)

　　理論簡(jiǎn)介

　　半導(dǎo)體致冷亦稱電子致冷也叫溫差致冷，是由半導(dǎo)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(chǔ)帕爾帖效應(yīng)可追溯到19世紀(jì)。如圖：

　　這是由X及Y兩種不同的金屬導(dǎo)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(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的帕爾帖效應(yīng)。它是建立在帕爾帖效應(yīng)的原理基礎(chǔ)上，這個(gè)古老的溫差電現(xiàn)象早在19世紀(jì)初期帕爾帖就發(fā)現(xiàn)鉍—銻組成的熱電偶，帕爾帖效應(yīng)很顯著。塞貝克也收集了少量的半導(dǎo)體材料，都因溫差電動(dòng)勢(shì)，數(shù)值小，無(wú)實(shí)用價(jià)值。因此，帕爾帖效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后的一百多年里，這個(gè)效應(yīng)一直無(wú)法到應(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(duì)半導(dǎo)體進(jìn)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(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，也就是我們現(xiàn)在的半導(dǎo)體致冷器件。

　　我國(guó)半導(dǎo)體致冷技術(shù)始于50年代末、60年代初。當(dāng)時(shí)在國(guó)際上也是比較早的研究單位之一。60年代中期，半導(dǎo)體材料的性能達(dá)到了國(guó)際水平，60年代末至80年代初是我國(guó)半導(dǎo)體致冷器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)臺(tái)階。在此期間，一方面研究半導(dǎo)體致冷材料的高優(yōu)值系數(shù)，另一方面拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所投入了大量的人力與物力，獲得了半導(dǎo)體致冷器。因而才有了現(xiàn)在的半導(dǎo)體致冷器的生產(chǎn)及其二次產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。半導(dǎo)體致冷器件結(jié)構(gòu)示意圖：

　　致冷現(xiàn)象概述

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

　　1、塞貝克效應(yīng)（SEEBECKEFFECT）

　　1821年，德國(guó)入賽貝克發(fā)現(xiàn)了當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體相連接時(shí)，如兩個(gè)連接點(diǎn)保持不同的溫度，則在導(dǎo)體中產(chǎn)一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)：

　　V=a△T

　　式中:V為溫差電動(dòng)勢(shì)

　　a為溫差電動(dòng)勢(shì)率(賽貝克系數(shù))

　　△T為接點(diǎn)之間的溫差

　　2、帕爾帖效應(yīng)（PELTIEREFFECT）

　　1934年法國(guó)人帕爾帖發(fā)現(xiàn)了與塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)即當(dāng)電流流經(jīng)兩面?zhèn)€不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象。放熱或吸熱由電流的大小來(lái)決定。

　　Q=aTI

　　式中：Q為放熱或吸熱功率

　　a為熳差電動(dòng)勢(shì)率

　　T為冷接點(diǎn)溫度

　　I為工作電流

　　3、湯姆遜效應(yīng)（THOMSONEFFECT）

　　當(dāng)電流通過(guò)存有溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)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(jiǎn)述

　　1、半導(dǎo)體致冷的原理：把一個(gè)N型和P型半導(dǎo)體的粒子用金屬連接片焊接而成一個(gè)電偶對(duì)。當(dāng)直流電流從N極流向P極時(shí)，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(guò)來(lái)，則冷熱端相互轉(zhuǎn)換。由于一個(gè)電偶產(chǎn)生熱效應(yīng)較?。ㄒ话慵sIKcal／h）所以實(shí)際上將幾十。上百對(duì)電偶聯(lián)成的熱電堆。所以半導(dǎo)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(guò)結(jié)點(diǎn)，由勢(shì)能的變化而引起的能量傳遞，這是半導(dǎo)體致冷的本質(zhì)。

　　2、半導(dǎo)體致冷的過(guò)程：電子由負(fù)極出發(fā)經(jīng)過(guò)金屬片流向P點(diǎn)4，到P型，再流向P點(diǎn)3，結(jié)點(diǎn)金屬片從結(jié)點(diǎn)2，到達(dá)N型，再返過(guò)結(jié)點(diǎn)1，到達(dá)金屬片回到電源正極。由于左半部是P型，導(dǎo)電方式是空穴，空穴流動(dòng)方向與電子流動(dòng)方向相反，所以空穴是結(jié)點(diǎn)3金屬片，到P型，再到結(jié)點(diǎn)4金屬片，最后到電源負(fù)極。結(jié)點(diǎn)4金屬中的空穴具有的能量低于P型中空穴能量，當(dāng)空穴在電場(chǎng)作用下要從3到達(dá)P型，必須要增加能量，并把這部分勢(shì)能轉(zhuǎn)蠻為空穴的墊能。因而在結(jié)點(diǎn)3處的1金屬被冷卻下來(lái)，當(dāng)空穴流向4時(shí)，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(shì)能，要將熱放出來(lái)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(dǎo)電的，而在結(jié)點(diǎn)2金屬中勢(shì)能低于N型電子勢(shì)能，當(dāng)自由電子在電場(chǎng)作用1電子通過(guò)結(jié)點(diǎn)2到達(dá)N型時(shí)必然要增加墊能，這部分勢(shì)能只能從金屬片勢(shì)能取得，同時(shí)必然使結(jié)點(diǎn)2金屬片冷下來(lái)。當(dāng)電子由N型流向結(jié)點(diǎn)1金屬片時(shí)，由于電子從勢(shì)能較高的地方流向勢(shì)能低處，故要釋放多余的墊能。并變成熱能，在結(jié)點(diǎn)1處使金屬片加熱，是熱端。

　　3、半導(dǎo)體致冷器件的性能：在應(yīng)用致冷器前，要進(jìn)一步的了解它的性能，實(shí)際上致冷器的冷端從周?chē)盏臒酫л外，還有兩個(gè)，一個(gè)是焦耳熱Qj，另一個(gè)是傳導(dǎo)熱Qk。電流從元件內(nèi)部通過(guò)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(dǎo)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(duì)電偶的總電阻，K是總熱導(dǎo)。）

　　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(gè)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(yīng)用半導(dǎo)體致冷器作為特種冷源，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：

　　1、不需要任何致冷劑，可連續(xù)工作，沒(méi)有污染源沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒(méi)有滑動(dòng)部件是一種固體器件，工作時(shí)沒(méi)有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)，安裝容易。

　　2、半導(dǎo)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(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)器件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和致冷系統(tǒng)。

　　3、半導(dǎo)體致冷器是電流換能型器件，通過(guò)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(cè)和控制手段，很易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。

　　4、半導(dǎo)體致冷器熱慣性非常小，致冷致熱時(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，致冷器就能達(dá)到最大溫差。

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

　　6、半導(dǎo)體致冷器的單個(gè)致冷元件對(duì)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(wàn)瓦的范圍。

　　7、半導(dǎo)體致冷器的溫差范圍，從正溫90℃到負(fù)溫度130℃都可以實(shí)現(xiàn)。

　　通過(guò)以上分析，半導(dǎo)體溫差電器件應(yīng)用范圍有：致冷、加熱、發(fā)電，致冷和加熱應(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(cè)、導(dǎo)行系統(tǒng)。

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

　　(3)實(shí)驗(yàn)室裝置方面：冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測(cè)試裝置、各種高低溫實(shí)驗(yàn)儀器。

　　(4)專用裝置方面：石油產(chǎn)品低溫測(cè)試儀、生化產(chǎn)品低溫測(cè)試儀、細(xì)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(jī)、除濕機(jī)等。

　　此外，還有其它方面的應(yīng)用，這里就不一一提了。