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            电子元器件基本常识:半导体致冷技术 [2007-1-25]来源:正岛电器技术应用开发部
                理论简介

                半导体致冷亦称电子致冷也叫温差致冷,是由半导体所组成的一种冷却装置,於1960年左右才出现,然而其理论基础帕尔帖效应可追溯到19世纪。如图:

                这是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路,通上电源之後,冷端的热量被移到热端,导致冷端温度降低,热端温度升高,这就是著名的帕尔帖效应。它是建立在帕尔帖效应的原理基础上,这个古老的温差电现象早在19世纪初期帕尔帖就发现铋—锑组成的热电偶,帕尔帖效应很显著。塞贝克也收集了少量的半导体材料,都因温差电动势,数值小,无实用价值。因此,帕尔帖效应发现后的一百多年里,这个效应一直无法到应用。

                直到本世纪五十年代,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,于一九五四年前发表了研究成果,表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果。这是最早的也是最重要的热电半导体材料,至今还是温差致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致冷材料的优值系数,达到相当水平,才得到大规模的应用,也就是我们现在的半导体致冷器件。

                我国半导体致冷技术始于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致冷器技术发展的一个台阶。在此期间,一方面研究半导体致冷材料的高优值系数,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与物力,获得了半导体致冷器。因而才有了现在的半导体致冷器的生产及其二次产品的开发和应用。半导体致冷器件结构示意图:

                致冷现象概述

                在科技领域中存在着多种致冷方法,吸收式、机械压缩式和半导体致冷,电子致冷的现象是温差电效应:

                1、塞贝克效应(SEEBECKEFFECT)

                1821年,德国入赛贝克发现了当两种不同的导体相连接时,如两个连接点保持不同的温度,则在导体中产一个温差电动势:

                V=a△T

                式中:V为温差电动势

                a为温差电动势率(赛贝克系数)

                △T为接点之间的温差

                2、帕尔帖效应(PELTIEREFFECT)

                1934年法国人帕尔帖发现了与塞贝克效应的逆效应即当电流流经两面个不同导体形成的接点处会产生放热和吸热现象。放热或吸热由电流的大小来决定。

                Q=aTI

                式中:Q为放热或吸热功率

                a为熳差电动势率

                T为冷接点温度

                I为工作电流

                3、汤姆逊效应(THOMSONEFFECT)

                当电流通过存有温度梯度的导体时,导体要放出或吸收热量。

                Qτ=τI△T

                式中:Q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

                原理简述

                1、半导体致冷的原理: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。ㄒ话阍糏Kcal/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。

                2、半导体致冷的过程:电子由负极出发经过金属片流向P点4,到P型,再流向P点3,结点金属片从结点2,到达N型,再返过结点1,到达金属片回到电源正极。由于左半部是P型,导电方式是空穴,空穴流动方向与电子流动方向相反,所以空穴是结点3金属片,到P型,再到结点4金属片,最后到电源负极。结点4金属中的空穴具有的能量低于P型中空穴能量,当空穴在电场作用下要从3到达P型,必须要增加能量,并把这部分势能转蛮为空穴的垫能。因而在结点3处的1金属被冷却下来,当空穴流向4时,金属片曲于P型中空穴能量太子金属中空穴的能量,因而要释放多余的势能,要将热放出来这4处的金属片是被加热。右半部是N型,与金属片联接是靠自由电子导电的,而在结点2金属中势能低于N型电子势能,当自由电子在电场作用1电子通过结点2到达N型时必然要增加垫能,这部分势能只能从金属片势能取得,同时必然使结点2金属片冷下来。当电子由N型流向结点1金属片时,由于电子从势能较高的地方流向势能低处,故要释放多余的垫能。并变成热能,在结点1处使金属片加热,是热端。

                3、半导体致冷器件的性能:在应用致冷器前,要进一步的了解它的性能,实际上致冷器的冷端从周围吸收的热Qл外,还有两个,一个是焦耳热Qj,另一个是传导热Qk。电流从元件内部通过就产生焦耳热,焦耳热的一半传到冷端另一半传到热端,传导热从热端传到冷端。

                产冷量Qc=Qπ-Qj-Qk=(2p-2n).Tc.I-1/2j2R-K(Th-Tc)

                (式中,R表示一对电偶的总电阻,K是总热导。)

                热端散掉的热Qh=Qπ+Qj-Qk=(2p-2n).Th.I+1/2I2R-K(Th-Tc)

                从上面两公式中可以看出,输入的电功率恰好就是热端散掉的热与冷端吸收的热之差,这就是“热泵”的一种:Qh-Qc=I2R=P由上式得出一个电偶在热端放出的热量Qh等于输入电功率与冷端产冷量之和,相反得出冷端产冷量Qc等于热端放出的热量与输入电功率之差。Qh=P+QcQc=Qh-P应用半导体致冷器作为特种冷源,在技术应用上具有以下的优点和特点:

                1、不需要任何致冷剂,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器件,工作时没有震动、噪音、寿命长,安装容易。

                2、半导体致冷器具有两种功能,既能致冷,又能加热,致冷效率一般不高,但致热效率很高,永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和致冷系统。

                3、半导体致冷器是电流换能型器件,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,很易实现?、程控、计算机控制,便于组成自动控制系统。

                4、半导体致冷器热惯性非常小,致冷致热时间很快,在热端散热良好冷端空载的情况下,通电不到一分钟,致冷器就能达到最大温差。

                5、半导体致冷器的反向使用就是温差发电,半导体致冷器一般适用于中低温区发电。

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

                7、半导体致冷器的温差范围,从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

                通过以上分析,半导体温差电器件应用范围有:致冷、加热、发电,致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、导行系统。

                (2)医疗方面:冷刀、冷台、白内障摘除器、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、各种高低温实验仪器。

                (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、电脑散热器等。

                (5)日常生活方面:空调、冷热两用箱、饮水机、除湿机等。

                此外,还有其它方面的应用,这里就不一一提了。

             

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