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    熱電半導體制冷片介紹

    發布時間:2021-11-03 15:39:42  瀏覽次數: 1750

    半導體制冷片,也叫熱電制冷片,是一種熱泵。它的優點是沒有滑動部件,應用在一些空間受到限制,可靠性要求高,無制冷劑污染的場合。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,可以實現制冷的目的。它是一種產生負熱阻的制冷技術,其特點是無運動部件,可靠性也比較高。

    歷史:

    半導體制冷片是由半導體所組成的一種冷卻裝置,于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,并沒有領悟到背后真正的科學原理。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,才發現背后真正的原因,這個現象直到近代隨著半導體的發展才有了實際的應用,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?;ハ嗯帕卸?,而NP之間以一般的導體相連接而成一完整線路,通常是銅、鋁或其他金屬導體,最后由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來,陶瓷片必須絕緣且導熱良好,

    N型半導體:

    1.jpg

    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??梢悦撾x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。半導體導電能力介于導體與絕緣體之間,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后,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制造出不同性質、不同用途的半導體。將一種雜質摻入半導體后,會放出自由電子,這種半導體稱為N型(negative)半導體。

    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于摻入雜質的結果(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于本征激發,絕大多數的載流子來源于摻入的雜質原子給出的多余未參與成鍵的價電子,或空穴);對于本征半導體,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。

    半導體制冷:

    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制冷的材料。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,采用垂直區熔法提取晶體材料。

    原理:

    在原理上,半導體制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,可以采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制冷片的熱端散熱。通常半導體制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后,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,以下三點是熱電制冷的溫差電效應。

    塞貝克效應:

    2.jpg

    (SEEBECKEFFECT)

    半導體制冷片

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

    式中:ES為溫差電動勢

    S為溫差電動勢率(塞貝克系數)

    △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為比例系數,稱為珀爾帖系數

    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:

    Qτ=τ.I.△T

    Qτ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

    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,于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制冷效果,這是最早的也是最重要的熱電半導體材料,至今還是溫差制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制冷材料的優值系數,才達到相當水平,得到大規模的應用,也就是我們半導體制冷片件。

    中國在半導體制冷技術開始于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制冷片技術發展的一個臺階。在此期間,一方面半導體制冷材料的優值系數提高,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和物力,獲得了半導體制冷片,因而才有了半導體制冷片的生產及其兩次產品的開發和應用。


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