半导体制冷原理与应用

半导体制冷原理及应用xxx（xxxx，xx学院，xx省，xx市，邮编）摘要：现如今，热电材料的出现以及热电效应的开发应用使得人类对于一些低品位热能的更好利用成为可能。其中，半导体制冷已经渐渐成为热电模块中不容小视的一部分，并得到了广泛的应用。本文主要介绍了半导体制冷器的基本原理，并对涉及到制冷器的有关公式进行了简单的推导，对半导体制冷的最佳制冷工况设计进行了分析，在此基础上，对半导体的应用发展做了简单的讨论。关键词：热电材料、热电效应、半导体制冷中图分类号：TB61 文献标志码：A 文章编号：xxxxThe Principle and Applications of Semiconductor CoolerHilbert(xxxx)Abstract:Nowadays, the appearance of thermoelectric materials and the utilization of thermoelectric effect enable us to get a better use of heat with low quality. In which, semiconductor cooling has used widely as an essential part which cannot be neglected in our life. This paper introduces the principle and application of thermoelectric cooler, induces the formulas on semiconductor cooler simply, and analyzes the best work state of it. In the end, the paper takes a brief discussion on the development of semiconductor cooling.Key words: Thermoelectric materials, Thermoelectric effect, Semiconductor cooling0.引言热电制冷是根据在1834年发现的帕尔帖效应（Peltier Effect）1的基础上发展起来的人工制冷新技术，即直流电通过具有热电转换特性的导体所组成的回路时而产生的制冷功能。半导体制冷2是热电制冷的一种，即直流电通过有半导体材料制成的PN结回路时，在PN结的接触面上有热量转换的特性，又由于半导体材料是一种较好的热电能量转换材料，在国际上热电制冷器件普遍采用半导体材料制成，因此称为半导体制冷。自二十世纪五十年代以来，随着半导体材料的发展，半导体制冷器才逐渐从实验室走向工程实践，在国防、工业、农业、医疗和日常生活领域获得了广泛的应用。1.半导体制冷的工作原理塞贝克效应，就是两种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两接触点间产生一个电势差（称接触电动势），同时闭合线路中就有电流通过（称温差电流）。反之，在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接触点变冷，另一个接触点变热，这种帕尔帖效应，亦称温差电效应。这个现象直接导致了“致冷器”的发明，不过这只能叫致冷器，还不叫半导体制冷器，并且在相当长的一段时间里停留在实验研究阶段。直到21世纪5060年代，伴随着半导体技术的发展才有了真正实际的应用。实际上，对于任何两种不同的导体构成的接触构成的回路，在接触点处都会有吸热和放热的现象。而采用半导体材料的原因在于在金属导体中参与导电的自由电子平均能量差很小，吸热、放热效应就很微弱；而由于半导体材料内部结构的特点，决定了它产生的温差现象比其他金属要显著的多，所以一般采用半导体材料。半导体的重要特性就是在一定数量的某种杂质渗入半导体之后，不但能大大加大导电能力，而且可以根据掺入杂质的种类和数量制造出不同性质、不同用途的半导体。将一种杂质掺入半导体后，会放出自由电子，这种半导体称为n型半导体。与之相对应的就是靠“空穴”来导电的p型半导体，在外电场作用下“空穴”流动方向和电子流动方向相反，即“空穴”由正极流向负极。n型半导体中的自由电子，p型半导体中的“空穴”，他们都是参与导电，统称为“载流子”。3载流子是半导体所特有，是由于掺入杂质的结果，图1为半导体制冷原理。图1 半导体制冷原理图Fig 1. The Principle figure of semiconductor cooling由帕尔帖效应可知，当接通电源后，在两个接头处会产生温差。上端接触处电流方向为P到N，温度上升且防热，称为热端，下端接触处电流方向为N到P，温度下降并吸热，称为冷端。若干个这样的热电偶在电路上串联起来，在传热方面并联就构成一个常见的热电制冷组件（或称热电堆）。对于一个PN结来说，帕尔帖热和通过该导体的电流的关系为4：(1)其中：=const，为帕尔帖系数，取决于这块导体的材料。帕尔帖系数对于PN结来说，、分别为P型结与N型结的温差电动势率，T0为相应接头上的绝对温度。为正，为负。2.制冷器有关公式推导由于热传导焦耳热影响了冷端上的帕尔帖制冷效应，因此单个PN结上的制冷量为5：(2)设冷端的温度为Tcool，由（1）和（2）式得PN结冷热端的温差为(3)其中，。设流过PN结的电流为I，则在PN结上的电压降为：。则这时PN结上消耗的功率为(4)定义为PN结的制冷系数，并将（2）和（4）式代入得(5)制冷系数等于PN结消耗单位电功率所得到的制冷量，它是评价半导体制冷器的一个重要指标。对（3）式求导，并令得(6)上式可以解释为：如果其他条件不变，PN结的冷端没有热量传入，即=0时，PN结上流过的电流为时，此时PN结的冷端和热端的温差最大。(7)由（2）式求导并使得代入（2）式得(8)即当流过PN结的电流为时，冷端的制冷量最大。由上面的公式可以看出，这说明PN结在最大温差工作状态时制冷量也最大。由（5）式求导并使得(9)将上式代入（5）式得(10)当PN结通过的电流为时，此时PN结每消耗单位功率制冷量最大。在实际的使用中有时需要半导体制冷器工作在最大效率状态，有时需要其工作在最大制冷量状态或者最大温差状态6。以上的公式均是对单个PN结而言，一般的半导体制冷器是由一个或多个PN结组成，它们的内部连接或串联或并联或串并联混合，但是无论怎样连接其基本的计算公式是相同的。根据上面的基本公式可看出，要使制冷器充分发挥它的效能，一是制成PN结的材料的电阻率和导热系数要小，其温差电动势要大。二是通过制冷器的电流要合适，且电源的纹波系数要小只有这样才能使制冷器发挥最大的效能。3.半导体制冷最佳特性分析3.1 最大制冷量与最佳工作电流从制冷量的计算式可知，当工作温度、半导体材料性质和几何尺寸一定时，制冷量的大小只与电流有关7。帕尔帖热越大，焦耳热越小，则制冷量越大，在热电偶中，吸收的帕尔帖热与电流成正比，焦耳热与电流的二次方成正比，在一定的温差下，实际制冷量在起初随电流的增加而增加，当电流电增加到某一值时制冷量达到最大值，以后，随电流的增加，制冷量反而下降，并逐渐下降为零（如图2）。1-帕尔帖热 2-焦耳热3-实际制冷量图2 制冷量与电流关系曲线Fig 2. Curve of refrigeration amount Q and Current I对制冷量公式中的电流求导数，令=0，可得到最大制冷量及相应的最佳电流，即(11)(12)3.2最大制冷系数max及最佳电流Iop为使有最大值，令，则可得制冷系数为最大值的最佳电流及最大制冷量，即(13)(14)其中：，式中：称热电偶的优值系数（），它只与电偶材料的材料的物理性质有关，反映电偶的热电特性；、为P、N型半导体的温差电动势。3.3 最大温差Tmax由（12）式可知，发生在条件下，其值还受到值得制约。值越小，则越大，这与机械制冷类似，反之，当时，即冷端绝热，那么，可到达最大值，其值为：(15)综合上述公式可知，在已知Z的情况下，要获得最大制冷量，有一个对应的最大电流，在此电流的作用下，不同的值各有一个对应的值，为取得最大制冷系数，有一个相应的最佳工作电流，在此电流作用下，不同的值也各有一个对应的。8在与值相同时，设计工况的电流一般取在之间。此外，当时，则，这与理想的制冷机一致，可见，Z值越大越好。4.半导体制冷的应用与发展半导体制冷技术与传统的制冷技术有着根本的区别9，它即不用制冷剂，也不用机械设备和管路，只要给半导体制冷器通上直流电，它的冷端就会迅速降温，降温速度快并且容易控制，无噪音和污染，体积小，解决了许多特殊场合下的制冷问题，并能实现对温度的精确控制。例如在化工方面，运动粘度测试仪的恒温浴槽、凝固点测试仪等均是采用半导体制冷器来控制温度的在电子技术方面，发热半导体器件的冷却、光电倍增管的冷却、红外探测仪的冷却等也是利用半导体制冷器的深度制冷能力实现的在医学上利用半导体制冷器研制成功了冷冻切片机、冷冻治疗器、生化仪等还有精密露点仪、精密恒温器等都是采用半导体制冷器制冷的。因此无论在工业、农业还是医疗卫生、国防等领域，半导体制冷器的应用都有着十分广阔的前景。半导体材料的优值系数Z表示热电材料的一种特性，它决定制冷元件所能达到的最大温差。优值系数Z越高，制冷性能越好，效率也越高。六十年代中期，优值系数达到的最高水平是：P 型半导体制冷材料优值系数ZP为3.510-3,N 型半导体材料优值系数为ZN为(33.2)10-310。为使半导体制冷得到更广泛的应用，制冷材料水平即优值系数Z 必须有较大幅度的提高。如果要使半导体制冷的效率能与机械压缩制冷机比较，制冷材料的优值系数Z必须从3.510-3提高到1310-3。但是，时至今日，半导体材料优值并未有多大提高。因此，今后主要精力还应集中于提高制冷材料优值系数上。5.结语随着半导体制冷器的应用由军用向民用的扩大，加之节能和限制采用氟里昂制冷剂的呼声增高，对半导体制冷器的需求也越来越大。半导体制冷尽管与常规压缩机制冷方式相比，其制冷效率不很高，但因其有结构紧凑、体积小、寿命长、冷热转换快，操作简单、无环境污染等优点，使半导体制冷在当今世界的广阔领域中己成为必不可少，甚至在某些领域中达到了无与伦比的地位。此外，在现有半导体电堆性能条件下，优化设计和改进电堆热端散热系统，也可取得较为理想的效果，从而为民用小电器以及家用冰箱、空调器等开辟崭新的途径。半导体制冷在世界日益发展的高科技领域中正越来越显示出它的重要地位，这不仅仅是由于氟里昂制冷剂对大气污染而将被禁用更重要的是半导体工业和材料工业的迅猛发展。可以深信，半导体元件的优值系数将会很快提高。参考文献1 陈国邦. 最新低温制冷技术M. 北京: 机械工业出版社, 2003.2 徐德胜. 半导体制冷与应用技术M. 上海:上海交通大学出版社, 1992.3 毕淑娥. 电工学M. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2001.4 杨玉顺, 崔国民, 王滨. 载流子注入与半导体制冷J. 制冷学报, 1996.3.5 西利J H, 褚R C. 微电子设备的换热, 余川译. 北京: 国防工业出版社, 1978.6 陆振林, 孙中泉. 半导体制冷器原理与应用J. 微电子技术, 1999, 27(5