半导体制冷片

一种热泵

半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。

发展历史

半导体制冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才出现，然而其理论基础Peltiereffect可追溯到19世纪。这现象最早是在1821年，由一位德国科学家ThomasSeeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。到了1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家JeanPeltier，才发现背后真正的原因，这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用，也就是[致冷器]的发明(注意，这时叫致冷器，还不叫半导体致冷器)。由许多N型半导体和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，

N型半导体

任何物质都是由原子构成的，原子是由原子核和电子构成的。电子以高速度绕原子核转动，受到原子核吸引，因为受到一定的限制，所以电子只能在有限的轨道上运转，不能任意离开，而各层轨道上的电子具有不同的能量(电子势能)。离原子核最远轨道上的电子，经常可以脱离原子核吸引，而在原子之间运动，叫自由电子（载流子的一种），使得材料可以导电。如果电子不能脱离轨道形成自由电子，则不能参加导电，叫绝缘体。半导体导电能力介于导体与绝缘体之间，叫半导体。半导体重要的特性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（negative）半导体。

P型半导体

P（positive）型半导体，是靠“空穴”来导电。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，这是P型半导体原理。

载流子现象

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，载流子在外加电场作用下的定向移动，产生电流，所以统称为“载流子”，它是半导体所特有，绝大部分载流子是由于掺入杂质的结果（现实中的半导体一般以杂质半导体的形式出现，其中的载流子极少部分来源于本征激发，绝大多数的载流子来源于掺入的杂质原子给出的多余未参与成键的价电子，或空穴）；对于本征半导体，其载流子是由热激发或者光的作用，参与成共价键的价电子成为自由电子，从而产生的成对的自由电子与空穴。

半导体制冷

不仅需要N型和P型半导体特性，还要根据掺入的杂质改变半导体的温差电动势率，导电率和导热率使这种特殊半导体能满足制冷的材料。国内常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。

原理

在原理上，半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。

风扇以及散热片的作用主要是为制冷片的热端散热。通常半导体制冷片冷热端的温差可以达到40～65度之间，如果通过主动散热的方式来降低热端温度，那冷端温度也会相应的下降，从而达到更低的温度。

当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端;由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定，以下三点是热电制冷的温差电效应。

塞贝克效应

（SEEBECKEFFECT）一八二二年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：ES=S.△T

式中：ES为温差电动势

S为温差电动势率（塞贝克系数）

△T为接点之间的温差

珀尔帖效应

（PELTIEREFFECT）

一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的相反效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。

Qл=л.Iл=aTc

式中：Qπ为放热或吸热功率

π为比例系数，称为珀尔帖系数

I为工作电流

a为温差电动势率

Tc为冷接点温度

汤姆逊效应

（THOMSONEFFECT）

当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：

Qτ=τ.I.△T

Qτ为放热或吸热功率

τ为汤姆逊系数

I为工作电流

△T为温度梯度

以上的理论直到上世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。

约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体制冷材料的优值系数，才达到相当水平，得到大规模的应用，也就是我们半导体制冷片件。

中国在半导体制冷技术开始于50年代末60年代初，当时在国际上也是比较早的研究单位之一，60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体制冷片技术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体制冷材料的优值系数提高，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力和物力，获得了半导体制冷片，因而才有了半导体制冷片的生产及其两次产品的开发和应用。

优缺点

优点和特点

半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：

1、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。

2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。

3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。

6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

7、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

半导体温差电片件应用范围

通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：

1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导航系统。

2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。

3、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。

4、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。

5、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了。

使用说明

一、正确的安装、组装方法：

1、制冷片一面安装散热片，一面安装导冷系统，安装表面平面度不大于0.03mm，要除去毛刺、污物。

2、制冷片与散热片和导冷块接触良好，接触面须涂有一薄层导热硅脂。

3、固定制冷片时既要使制冷片受力均匀，又要注意切勿过度，以防止瓷片压裂。

二、正确的使用条件：

1、使用直流电源电压不得超过额定电压，电源纹波系数小于10%。

2、电流不得超过组件的额定电流。

3、制冷片正在工作时不得瞬间通反向电压(须在5分钟之后)。

4、制冷片内部不得进水。

5、制冷片周围湿度不得超过80%。

三、CDL1系列制冷组件使用中的注意问题：

1、当采用非专用设备检验该器件时，在工作参数下，热端的温度必须低于80℃（含改变电流方向冷端变成热端）。在热端没有散热条件下，瞬间通电进行试验，即用手触摸制冷器的两个端面，感到有一定的热感，一面稍有冷感即可。否则由于热端温度太高，极易造成器件短路或断路，使制冷器报废。

2、在一般条件下，鉴别制冷组件的极性时可将制冷组件冷端朝上放置，引线端朝向人体方向，此时右侧引线即为正极，通常用红色表示；左侧为负极，通常用黑色，兰或白色表示，此种极性是制冷组件工作时的接线方法。需制热时，只要改变电流极性即可。制冷工作时，必须采用直流电源，电源的纹波系数应小于10%。

3、制冷电偶对数及极限电压的识别方法，电偶对数即指PN结点的数量。例如：制冷器的型号为CDL1-12703，则127为制冷组件的电偶对数，03为允许电流值(单位安培)，制冷组件的极限电压V；电偶对数×0.11，例如：CDLl-12703的极限电压V=l27×0.11=13.97(V)。

4、各种制冷组件不论在使用还是在试验中，冷热交换时必须待两端面恢复到室温时，(一般需要15分钟以上方可进行)。否则易造成陶瓷片炸裂。

5、为了提高制冷组件的寿命，使用前应该对制冷组件四周外露PN元件进行固化处理。方法用706单组固化橡胶，均匀地涂在制冷组件四周PN元件上，不要涂在两个端面上。所涂的橡胶24小时自然固化，固化后呈乳白色有弹性的固体。固化的目的是使制冷组件电偶与外界空气完全隔离。起防潮的作用，可提高制冷组件寿命约50%。

6、在安装时，首先用无水酒精棉，将制冷组件的两端擦洗干净，均匀的涂上很薄的一层导热硅脂：安装表面(储冷板、散热板)应加工，表面平面度不大于0.03MM，并清洗干净；在安装过程中制冷组件的冷端工作面一定要与储冷板接触良好，热端应与散热板接触良好(如用螺丝紧固，用力应均匀，切勿过度)；储冷板、散热板的尺寸大小取决于冷却方法及冷却功率大小，可视情况自行决定；为达到最佳制冷效果，储冷板和散热板之间应当用隔热材料充填，其厚度在25~30mm为宜。

7、用户在没有专用仪器的情况下，可根据生产厂的说明书，测量其外型尺寸及高度，判断其性能。用万用表测试制冷组件静态电阻，不准确，只可供参考。

技术应用

电脑散热

由于频率提升带来的大发热量一直是众overclocker讨论的一个问题，从风冷、水冷，到压缩机、半导体制冷，再到疯狂的液氮、干冰，用尽降温方法。比较普遍的风冷散热器和水冷由于其低成本和易用性的特点已经成为入门级超频发烧友的标准配置，缺点在于：即使是最好的风冷或水冷，也只能把温度控制得接近或等于环境温度。为了把温度降得低于零度，发烧友们选择了压缩机和半导体制冷。VapoChill和Mach系列压缩机通过相变制冷可以使蒸发器温度达到-50℃，而国外发烧友自制的三级压缩机系统甚至达到了-196℃，也就是相当于液氮的蒸发温度。但是由于压缩机系统高昂的价格，只能被极少数发烧友接受，液氮和干冰也许是骨灰极发烧友才会用到的极限利器，且蒸发/升华速度非常快，只能带来短时间的极限效能，没有实用价值，所以半导体制冷成为最佳选择。

把一个N型和P型半导体的粒子用金属连接片焊接而成一个电偶对。当直流电流从N极流向P极时，2.3端上产生吸热现象，此端称冷端而下面1.4端产生放热现象，此端称热端如果电流方向反过来，则冷热端相互转换。由于一个电偶产生热效应较小（一般约IKcal/h）所以实际上将几十。上百对电偶联成的热电堆。所以半导体的致冷即一端吸热一端放热，是由载流子（电子和空穴）流过结点，由势能的变化而引起的能量传递，这是半导体致冷的本质，即帕尔帖效应。