半導體製冷片

半導體製冷片，也叫熱電製冷片，是一種熱泵。它的優點是沒有滑動部件，套用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無製冷劑污染的場合。利用半導體材料的Peltier效應，當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實現製冷的目的。它是一種產生負熱阻的製冷技術，其特點是無運動部件，可靠性也比較高。

基本介紹

• 中文名：半導體製冷片
• 外文名：semiconductor chilling plate
• 別名：熱電製冷片
• 類型：熱泵
• 特點：沒有滑動部件
• 優點：可靠性要求高無製冷劑污染的場合
• 原理：Peltier效應

發展歷史

半導體製冷片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Peltiereffect可追溯到19世紀。這現象最早是在1821年，由一位德國科學家ThomasSeeback首先發現，不過他當時做了錯誤的推論，並沒有領悟到背後真正的科學原理。到了1834年，一位法國表匠，同時也是兼職研究這現象的物理學家JeanPeltier，才發現背後真正的原因，這個現象直到近代隨著半導體的發展才有了實際的套用，也就是[致冷器]的發明(注意，這時叫致冷器，還不叫半導體致冷器)。由許多N型半導體和P型半導體之顆粒互相排列而成，而NP之間以一般的導體相連線而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導熱良好，

N型半導體

任何物質都是由原子構成的，原子是由原子核和電子構成的。電子以高速度繞原子核轉動，受到原子核吸引，因為受到一定的限制，所以電子只能在有限的軌道上運轉，不能任意離開，而各層軌道上的電子具有不同的能量(電子勢能)。離原子核最遠軌道上的電子，經常可以脫離原子核吸引，而在原子之間運動，叫自由電子（載流子的一種），使得材料可以導電。如果電子不能脫離軌道形成自由電子，則不能參加導電，叫絕緣體。半導體導電能力介於導體與絕緣體之間，叫半導體。半導體重要的特性是在一定數量的某種雜質滲入半導體之後，不但能大大加大導電能力，而且可以根據摻入雜質的種類和數量製造出不同性質、不同用途的半導體。將一種雜質摻入半導體後，會放出自由電子，這種半導體稱為N型（negative）半導體。

半導體製冷片

P型半導體

P（positive）型半導體，是靠“空穴”來導電。在外電場作用下“空穴”流動方向和電子流動方向相反，即“空穴”由正極流向負極，這是P型半導體原理。

載流子現象

N型半導體中的自由電子，P型半導體中的“空穴”，他們都是參與導電，載流子在外加電場作用下的定向移動，產生電流，所以統稱為“載流子”，它是半導體所特有，絕大部分載流子是由於摻入雜質的結果（現實中的半導體一般以雜質半導體的形式出現，其中的載流子極少部分來源於本徵激發，絕大多數的載流子來源於摻入的雜質原子給出的多餘未參與成鍵的價電子，或空穴）；對於本徵半導體，其載流子是由熱激發或者光的作用，參與成共價鍵的價電子成為自由電子，從而產生的成對的自由電子與空穴。

半導體製冷

不僅需要N型和P型半導體特性，還要根據摻入的雜質改變半導體的溫差電動勢率，導電率和導熱率使這種特殊半導體能滿足製冷的材料。國內常用材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3，採用垂直區熔法提取晶體材料。

原理

在原理上，半導體製冷片是一個熱傳遞的工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產生熱量轉移，熱量就會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端。但是半導體自身存在電阻當電流經過半導體時就會產生熱量，從而會影響熱傳遞。而且兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡點，正逆向熱傳遞相互抵消。此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。為了達到更低的溫度，可以採取散熱等方式降低熱端的溫度來實現。

風扇以及散熱片的作用主要是為製冷片的熱端散熱。通常半導體製冷片冷熱端的溫差可以達到40～65度之間，如果通過主動散熱的方式來降低熱端溫度，那冷端溫度也會相應的下降，從而達到更低的溫度。

當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流後，就能產生能量的轉移，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體材料N、P的元件對數來決定，以下三點是熱電製冷的溫差電效應。

塞貝克效應

（SEEBECKEFFECT）一八二二年德國人塞貝克發現當兩種不同的導體相連線時，如兩個連線點保持不同的溫差，則在導體中產生一個溫差電動勢：ES=S.△T

半導體製冷片

式中：ES為溫差電動勢

S為溫差電動勢率（塞貝克係數）

△T為接點之間的溫差

珀爾帖效應

（PELTIEREFFECT）

一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的相反效應，即當電流流經兩個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。

Qл=л.Iл=aTc

式中：Qπ為放熱或吸熱功率

π為比例係數，稱為珀爾帖係數

I為工作電流

a為溫差電動勢率

Tc為冷接點溫度

湯姆遜效應

（THOMSONEFFECT）

當電流流經存在溫度梯度的導體時，除了由導體電阻產生的焦耳熱之外，導體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導體兩點之間，其放熱量或吸熱量為：

半導體製冷片

Qτ=τ.I.△T

Qτ為放熱或吸熱功率

τ為湯姆遜係數

I為工作電流

△T為溫度梯度

以上的理論直到上世紀五十年代，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，於一九五四年發表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的製冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差製冷中半導體材料的一種主要成份。

約飛的理論得到實踐套用後，有眾多的學者進行研究到六十年代半導體製冷材料的優值係數，才達到相當水平，得到大規模的套用，也就是我們半導體製冷片件。

中國在半導體製冷技術開始於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製冷片技術發展的一個台階。在此期間，一方面半導體製冷材料的優值係數提高，另一方面拓寬其套用領域。中國科學院半導體研究所投入了大量的人力和物力，獲得了半導體製冷片，因而才有了半導體製冷片的生產及其兩次產品的開發和套用。

優缺點

優點和特點

半導體製冷片作為特種冷源，在技術套用上具有以下的優點和特點：

半導體製冷片

1、不需要任何製冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生迴轉效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。

2、半導體製冷片具有兩種功能，既能製冷，又能加熱，製冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大於1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統和製冷系統。

3、半導體製冷片是電流換能型片件，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，很容易實現遙控、程控、計算機控制，便於組成自動控制系統。

4、半導體製冷片熱慣性非常小，製冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，製冷片就能達到最大溫差。

5、半導體製冷片的反向使用就是溫差發電，半導體製冷片一般適用於中低溫區發電。

6、半導體製冷片的單個製冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、並聯的方法組合成製冷系統的話，功率就可以做的很大，因此製冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的範圍。

7、半導體製冷片的溫差範圍，從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現。

半導體溫差電片件套用範圍

通過以上分析，半導體溫差電片件套用範圍有：製冷、加熱、發電，製冷和加熱套用比較普遍，有以下幾個方面：

1、軍事方面：飛彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導航系統。

半導體製冷片

2、醫療方面；冷力、冷合、白內障摘除片、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、各種恆溫、高低溫實驗儀片。

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、恆溫顯影槽、電腦等。

5、日常生活方面：空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱等。此外，還有其它方面的套用，這裡就不一一提了。

使用說明

一、正確的安裝、組裝方法：

1、製冷片一面安裝散熱片，一面安裝導冷系統，安裝表面平面度不大於0.03mm，要除去毛刺、污物。

2、製冷片與散熱片和導冷塊接觸良好，接觸面須塗有一薄層導熱矽脂。

3、固定制冷片時既要使製冷片受力均勻，又要注意切勿過度，以防止瓷片壓裂。

半導體製冷片

二、正確的使用條件：

1、使用直流電源電壓不得超過額定電壓，電源紋波係數小於10%。

2、電流不得超過組件的額定電流。

3、製冷片正在工作時不得瞬間通反向電壓(須在5分鐘之後)。

4、製冷片內部不得進水。

5、製冷片周圍濕度不得超過80%。

三、CDL1系列製冷組件使用中的注意問題：

1、當採用非專用設備檢驗該器件時，在工作參數下，熱端的溫度必須低於80℃（含改變電流方向冷端變成熱端）。在熱端沒有散熱條件下，瞬間通電進行試驗，即用手觸摸製冷器的兩個端面，感到有一定的熱感，一面稍有冷感即可。否則由於熱端溫度太高，極易造成器件短路或斷路，使製冷器報廢。

2、在一般條件下，鑑別製冷組件的極性時可將製冷組件冷端朝上放置，引線端朝向人體方向，此時右側引線即為正極，通常用紅色表示；左側為負極，通常用黑色，蘭或白色表示，此種極性是製冷組件工作時的接線方法。需制熱時，只要改變電流極性即可。製冷工作時，必須採用直流電源，電源的紋波係數應小於10%。

3、製冷電偶對數及極限電壓的識別方法，電偶對數即指PN結點的數量。例如：製冷器的型號為CDL1-12703，則127為製冷組件的電偶對數，03為允許電流值(單位安培)，製冷組件的極限電壓V；電偶對數×0.11，例如：CDLl-12703的極限電壓V=l27×0.11=13.97(V)。

4、各種製冷組件不論在使用還是在試驗中，冷熱交換時必須待兩端面恢復到室溫時，(一般需要15分鐘以上方可進行)。否則易造成陶瓷片炸裂。

5、為了提高製冷組件的壽命，使用前應該對製冷組件四周外露PN元件進行固化處理。方法用706單組固化橡膠，均勻地塗在製冷組件四周PN元件上，不要塗在兩個端面上。所塗的橡膠24小時自然固化，固化後呈乳白色有彈性的固體。固化的目的是使製冷組件電偶與外界空氣完全隔離。起防潮的作用，可提高製冷組件壽命約50%。

6、在安裝時，首先用無水酒精棉，將製冷組件的兩端擦洗乾淨，均勻的塗上很薄的一層導熱矽脂：安裝表面(儲冷板、散熱板)應加工，表面平面度不大於0.03MM，並清洗乾淨；在安裝過程中製冷組件的冷端工作面一定要與儲冷板接觸良好，熱端應與散熱板接觸良好(如用螺絲緊固，用力應均勻，切勿過度)；儲冷板、散熱板的尺寸大小取決於冷卻方法及冷卻功率大小，可視情況自行決定；為達到最佳製冷效果，儲冷板和散熱板之間應當用隔熱材料充填，其厚度在25~30mm為宜。

7、用戶在沒有專用儀器的情況下，可根據生產廠的說明書，測量其外型尺寸及高度，判斷其性能。用萬用表測試製冷組件靜態電阻，不準確，只可供參考。

技術套用

電腦散熱

由於頻率提升帶來的大發熱量一直是眾overclocker討論的一個問題，從風冷、水冷，到壓縮機、半導體製冷，再到瘋狂的液氮、乾冰，用盡降溫方法。比較普遍的風冷散熱器和水冷由於其低成本和易用性的特點已經成為入門級超頻發燒友的標準配置，缺點在於：即使是最好的風冷或水冷，也只能把溫度控制得接近或等於環境溫度。為了把溫度降得低於零度，發燒友們選擇了壓縮機和半導體製冷。VapoChill和Mach系列壓縮機通過相變製冷可以使蒸發器溫度達到-50℃，而國外發燒友自製的三級壓縮機系統甚至達到了-196℃，也就是相當於液氮的蒸發溫度。但是由於壓縮機系統高昂的價格，只能被極少數發燒友接受，液氮和乾冰也許是骨灰極發燒友才會用到的極限利器，且蒸發/升華速度非常快，只能帶來短時間的極限效能，沒有實用價值，所以半導體製冷成為最佳選擇。

把一個N型和P型半導體的粒子用金屬連線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。由於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，即帕爾帖效應。

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