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標(biāo)題: 半導(dǎo)體制冷--討論 [打印本頁]
作者: 聶德平    時間: 2010-4-5 21:26
標(biāo)題: 半導(dǎo)體制冷--討論
半導(dǎo)體制冷又稱電子制冷,，或者溫差電制冷,，是從50年代發(fā)展起來的一門介于制冷技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)邊緣的學(xué)科，它利用特種半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié),，形成熱電偶對,，產(chǎn)生珀爾帖效應(yīng),，即通過直流電制冷的一種新型制冷方法，與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式,。! z; s" Q0 B5 D

9 V2 m# V8 z* F- N) h9 ~　　1834年,，法國物理學(xué)家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負(fù)極上,，通電后,，他驚奇的發(fā)現(xiàn)一個接頭變熱，另一個接頭變冷,；這個現(xiàn)象后來就被稱為"帕爾帖效應(yīng)",。"帕爾帖效應(yīng)"的物理原理為：電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動形成電流，由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級,，當(dāng)它從高能級向低能級運(yùn)動時,，就會釋放出多余的熱量。反之,，就需要從外界吸收熱量（即表現(xiàn)為制冷）,。
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　　所以,，"半導(dǎo)體制冷"的效果就主要取決于電荷載體運(yùn)動的兩種材料的能級差，即熱電勢差,。純金屬的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好,，但制冷效率極低（不到1%）。半導(dǎo)體材料具有極高的熱電勢,，可以成功的用來做小型的熱電制冷器,。但當(dāng)時由于使用的金屬材料的熱電性能較差，能量轉(zhuǎn)換的效率很低,，熱電效應(yīng)沒有得到實質(zhì)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半導(dǎo)體進(jìn)行了大量研究,，于1945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,。80年代以后,，半導(dǎo)體的熱電制冷的性能得到大幅度的提高，進(jìn)一步開發(fā)熱電制冷的應(yīng)用領(lǐng)域,。2 k- w; ~1 ~+ J& L

3 F3 j/ C, U2 N* g  c/ F2 {$ L　　二,、半導(dǎo)體制冷片制冷原理 原理圖
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) Z, C+ R$ e7 M- M0 x3 _% {1 C: ^* f6 P: U
　　半導(dǎo)體制冷片（TE）也叫熱電制冷片，是一種熱泵,，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動部件,，應(yīng)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,。
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　　半導(dǎo)體制冷片的工作運(yùn)轉(zhuǎn)是用直流電流，它既可制冷又可加熱,，通過改變直流電流的極性來決定在同一制冷片上實現(xiàn)制冷或加熱,，這個效果的產(chǎn)生就是通過熱電的原理，上圖就是一個單片的制冷片,，它由兩片陶瓷片組成,，其中間有N型和P型的半導(dǎo)體材料（碲化鉍），這個半導(dǎo)體元件在電路上是用串聯(lián)形式連接組成. 半導(dǎo)體制冷片的工作原理是：當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時,，在這個電路中接通直流電流后,，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料N、P的元件對數(shù)來決定,。制冷片內(nèi)部是由上百對電偶聯(lián)成的熱電堆（如右圖）,，以達(dá)到增強(qiáng)制冷（制熱）的效果。以下三點(diǎn)是熱電制冷的溫差電效應(yīng),。9 H" i3 M) C: w
2 h* ^6 r5 E* |- D8 D8 c' w$ c' p
　　1,、塞貝克效應(yīng)（SEEBECK EFFECT）" X& @- X9 x' y

# j* h8 ?9 q- F" U　　一八二二年德國人塞貝克發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體相連接時，如兩個連接點(diǎn)保持不同的溫差,，則在導(dǎo)體中產(chǎn)生一個溫差電動勢： ES=S.△T
: L& P9 Z5 C; e1 {; N* W1 f  [9 h: n4 c. w
　　式中：ES為溫差電動勢: m, r; r0 C- g6 E

+ }# h. {2 s: {　　S（?）為溫差電動勢率（塞貝克系數(shù)）+ `% o1 ]$ q. ?1 E$ [

. V1 f5 h& |4 u0 x　　△T為接點(diǎn)之間的溫差
0 B9 Z$ T+ {) ^9 G, |; D$ `" o( s1 `/ r2 P" k! p) C* E, n
　　2,、珀爾帖效應(yīng)（PELTIER EFFECT）
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　　一八三四年法國人珀爾帖發(fā)現(xiàn)了與塞貝克效應(yīng)的效應(yīng)，即當(dāng)電流流經(jīng)兩個不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時,，接點(diǎn)處會產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象,，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。5 P/ v: B: f6 n, `& P

* B9 g/ g6 q% D9 s9 q% u+ h　　Qл=л.I л=aTc
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4 k! K: s3 {: J　　式中：Qπ 為放熱或吸熱功率1 U& `: l  z3 G3 B
" p. B' u  P/ G. |& Y. ?+ k
　　π為比例系數(shù),，稱為珀爾帖系數(shù)# W+ s' g% g& T- }" r% p

+ l3 h4 b! Z% E) j2 B8 Q　　I為工作電流0 F0 x6 @. S( X9 C0 f- r

" Q& g$ B; q/ O8 h　　a為溫差電動勢率
) n. ]5 ?# A# x# q
1 T" y' p, O  l8 e% G　　Tc為冷接點(diǎn)溫度- [6 X! \( N( O7 _* ]
  T) i! Z0 F4 H' n
　　3,、湯姆遜效應(yīng)（THOMSON EFFECT）
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　　當(dāng)電流流經(jīng)存在溫度梯度的導(dǎo)體時，除了由導(dǎo)體電阻產(chǎn)生的焦耳熱之外,，導(dǎo)體還要放出或吸收熱量,，在溫差為△T的導(dǎo)體兩點(diǎn)之間，其放熱量或吸熱量為：
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) }1 L: K0 J8 W" C; |& s! {2 W　　Qτ=τ.I.△T/ n9 ~, y+ ^: L) ?, @9 f: m
5 ^3 \, N) |& B$ @) l+ j
　　Qτ為放熱或吸熱功率) {! M7 l" G9 z0 R5 @

$ N- s4 U& A# L- N% H. E7 I　　τ為湯姆遜系數(shù)% V3 C' x! e" `0 K4 e
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　　I為工作電流
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　　△T為溫度梯度
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* s0 z9 w/ [3 N　　以上的理論直到本世紀(jì)五十年代,，蘇聯(lián)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所約飛院士對半導(dǎo)體進(jìn)行了大量研究,，于一九五四年發(fā)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(dǎo)體材料,，至今還是溫差制冷中半導(dǎo)體材料的一種主要成份。( ~1 {2 B" V' S+ U' R6 X( }
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　　三,、制冷片的技術(shù)應(yīng)用2 ~: m% N  l. f3 ?0 o$ u( Z- f3 O8 n7 U: O3 J
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　　半導(dǎo)體制冷片作為特種冷源,，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：- U* G- F, Y7 o5 W: I9 x

5 G( E* g9 D8 L! n2 i　　1、不需要任何制冷劑,，可連續(xù)工作,，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng),，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,。
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　　2、半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能,，既能制冷,，又能加熱，制冷效率一般不高,，但制熱效率很高,，永遠(yuǎn)大于1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng),。0 z( [) Z; \) k3 ]# K4 L

, `+ g( Y* O% J( ?, e6 F+ U　　3,、半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制,，可實現(xiàn)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(xiàn)遙控,、程控,、計算機(jī)控制，便于組成自動控制系統(tǒng),。
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" M4 U8 E) O- |! C& d( |! ^- P6 [0 l　　4,、半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時間很快,，在熱端散熱良好冷端空載的情況下,，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差,。3 z  W# ]& R  d7 R+ s4 l& ~0 Z
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　　5,、半導(dǎo)體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電,，半導(dǎo)體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電,。
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　　6、半導(dǎo)體制冷片的單個制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(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話,，功率就可以做的很大,，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。
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# }2 Y' {5 h& Z. f) S　　7,、半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍,，從正溫90℃到負(fù)溫度130℃都可以實現(xiàn)。/ a) q2 n7 n! W& ?! e& O
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　　通過以上分析,，半導(dǎo)體溫差電片件應(yīng)用范圍有：制冷,、加熱,、發(fā)電，制冷和加熱應(yīng)用比較普遍,，有以下幾個方面：9 V. `; b& P9 G! [8 W- Q6 i$ l
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　　1,、軍事方面：導(dǎo)彈、雷達(dá),、潛艇等方面的紅外線探測,、導(dǎo)行系統(tǒng)。& |1 w2 G$ d# ^0 i3 Q

2 y6 \0 e& ~; Y. [　　2,、醫(yī)療方面,；冷力、冷合,、白內(nèi)障摘除片,、血液分析儀等。
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! s' C9 a" ~  L( F2 l) \4 e3 ?: p+ C　　3,、實驗室裝置方面：冷阱,、冷箱、冷槽,、電子低溫測試裝置,、各種恒溫、高低溫實驗儀片,。
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　　4,、專用裝置方面：石油產(chǎn)品低溫測試儀、生化產(chǎn)品低溫測試儀,、細(xì)菌培養(yǎng)箱,、恒溫顯影槽、電腦等,。
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) |1 \/ [/ I$ [! o　　5,、日常生活方面：空調(diào)、冷熱兩用箱,、飲水機(jī),、電子信箱、電腦以及其他電器等,。此外,，還有其它方面的應(yīng)用，這里就不一一提了
作者: 過街蛤蟆    時間: 2010-4-6 09:37
主要是功率小,，使用受到限制,，就像是‘光板’，發(fā)光效率很高,，但亮度只能到一定程度,，
作者: 見習(xí)生小王    時間: 2010-4-6 11:04
半導(dǎo)體制冷片' C2 H# ]8 W3 o
　　半導(dǎo)體制冷片也叫熱電制冷片,，是一種熱泵，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動部件,，應(yīng)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,。是利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng),。當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)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(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù),其特點(diǎn)是無運(yùn)動部件,可靠性也比較高,。利用半導(dǎo)體制冷的方式來解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題,，具有很高的實用價值。
5 @+ D+ d7 |, ~' S! O4 {0 F' z. Z) H# j歷史: L! |- i( h' X
半導(dǎo)體致冷器是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置,，于1960年左右才出現(xiàn),，然而其理論基礎(chǔ)Peltiereffect可追溯到19世紀(jì)。這現(xiàn)象最早是在1821年,，由一位德國科學(xué)家ThomasSeeback首先發(fā)現(xiàn),，不過他當(dāng)時做了錯誤的推論，并沒有領(lǐng)悟到背后真正的科學(xué)原理,。到了1834年,，一位法國表匠，同時也是兼職研究這現(xiàn)象的物理學(xué)家JeanPeltier,，才發(fā)現(xiàn)背后真正的原因,，這個現(xiàn)象直到近代隨著半導(dǎo)體的發(fā)展才有了實際的應(yīng)用，也就是[致冷器]的發(fā)明(注意,，這種叫致冷器,，還不叫半導(dǎo)體致冷器)。由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆�,；ハ嗯帕卸�,，而NP之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅,、鋁或其他金屬導(dǎo)體,，最後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(dǎo)熱良好,，外觀由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆粒互相排列而成,，而NP之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路,，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)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(dǎo)熱良好,。
3 I4 }! ~! U* S/ D5 z　　N型半導(dǎo)體。任何物質(zhì)都是由原子組成,，原子是由原子核和電子組成,。電子以高速度繞原子核轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)，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(yuǎn)軌道上的電子，經(jīng)�,？梢悦撾x原子核吸引,，而在原子之間運(yùn)動，叫導(dǎo)體,。如果電子不能脫離軌道形成自由電子,，故不能參加導(dǎo)電，叫絕緣體,。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間,，叫半導(dǎo)體。半導(dǎo)體重要的特性是在一定數(shù)量的某種雜質(zhì)滲入半導(dǎo)體之后,，不但能大大加大導(dǎo)電能力,，而且可以根據(jù)摻入雜質(zhì)的種類和數(shù)量制造出不同性質(zhì)、不同用途的半導(dǎo)體,。將一種雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體后,，會放出自由電子，這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體,。P型半導(dǎo)體,，是靠“空穴”來導(dǎo)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”由正板流向負(fù)極,，這是P型半導(dǎo)體原理。
. x& F* m2 z1 B　　載流子現(xiàn)象：N型半導(dǎo)體中的自由電子,，P型半導(dǎo)體中的“空穴”,，他們都是參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為“載流子”,，它是半導(dǎo)體所特有,，是由于摻入雜質(zhì)的結(jié)果。7 w+ A4 q1 y7 [7 h# A" b
　　半導(dǎo)體制冷材料：不僅需要N型和P型半導(dǎo)體特性，還要根據(jù)摻入的雜質(zhì)改變半導(dǎo)體的溫差電動勢率,，導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率使這種特殊半導(dǎo)體能滿足制冷的材料,。目前國內(nèi)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(qū)熔法提取晶體材料。
% M# h- O3 a3 c0 b- a1 {! U原理
! b8 U$ K3 M' v, B, }; D在原理上,，半導(dǎo)體的制冷片只能算是一個熱傳遞的工具,，雖然制冷片會主動為芯片散熱，但依然要將熱端的高于芯片的發(fā)熱量散發(fā)掉,。在制冷片工作期間,，只要冷熱端出現(xiàn)溫差，熱量便不斷地通過晶格的傳遞,，將熱量移動到熱端并通過散熱設(shè)備散發(fā)出去,。因此，制冷片對于芯片來說是主動制冷的裝置,，而對于整個系統(tǒng)來說,，只能算是主動的導(dǎo)熱裝置，因此,，采用半導(dǎo)體制冷裝置的ZENO96智冷版,，依然要采取主動散熱的方式對制冷片的熱端進(jìn)行降溫。
, d/ W/ l: C8 r' g' y& ]　　風(fēng)扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱,，通常熱端的溫度在沒有散熱裝置的時候會達(dá)到100度左右,，極易超過制冷片的承受極限，而且半導(dǎo)體制冷效率的關(guān)鍵就是要盡快降低熱端溫度以增大兩端溫差,，提高制冷效果,，因此在熱端采用大型的散熱片以及主動的散熱風(fēng)扇將有助于散熱系統(tǒng)的優(yōu)良工作。在正常使用情況下,，冷熱端的溫差將保持在40～65度之間,。
4 U7 o# g& Q5 Q! B  c" {5 j　　當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對時，在這個電路中接通直流電流后,，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料N、P的元件對數(shù)來決定,。
作者: 聶德平    時間: 2010-4-6 12:35
一切都有待于進(jìn)一步的研發(fā),，個人認(rèn)為它的優(yōu)勢還是很多的& S' v! n' R8 p3 e0 {
現(xiàn)在準(zhǔn)備DIY一個冷藏裝置玩玩,，不知道效果咋樣
作者: 聶德平    時間: 2010-7-9 20:04
由于種種原因,，終于做了一個樣品
( X' C) Y( G& \/ C, b* F; q但是目前工具,，材料等不全，密封,，粘接不好,，效果不明顯，沒有達(dá)到預(yù)期效果  J3 [  v6 D2 _( Z
只有暫且放下,，等待下次條件具備再試
作者: hwyang714    時間: 2011-6-1 14:21
       半導(dǎo)體制冷雖然優(yōu)勢多多,，但制冷的功率、效率制冷深度等還有待于工藝突破,，記得2002年在一家港資企業(yè),，我們研發(fā)部中的一個小組專門為家庭應(yīng)用而開發(fā)的半導(dǎo)體制冷器，折騰一年多,，因很多參數(shù)無法實現(xiàn)而只好不了了之,！原理雖好，但半導(dǎo)體制冷在技術(shù)推廣和應(yīng)用上還有很長的路要走,！不解決推廣的瓶頸問題,，只能停留在美好的期待中！
作者: mojian168    時間: 2011-6-3 14:31
支持,，很不錯,，學(xué)習(xí)下
作者: 球墨    時間: 2011-6-6 12:06
功率太小                     



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