半導(dǎo)體制冷及其應(yīng)用

買買提艾則孜?阿不都熱合曼

（和田師專物理系 新疆和田 848000）

半導(dǎo)體制冷及其應(yīng)用

買買提艾則孜?阿不都熱合曼

（和田師專物理系 新疆和田 848000）

本文介紹了半導(dǎo)體的制冷原理，制冷片的材料和特點，并說明半導(dǎo)體制冷的物理教學(xué)和家用制冷器等應(yīng)用。

半導(dǎo)體制冷；帕爾帖效應(yīng)；熱電（制冷）材料；制冷電路

半導(dǎo)體制冷是利用溫差電效應(yīng)（帕爾貼效應(yīng)）的一種制冷方法.它與壓縮式，吸收式等機械制冷在原理和設(shè)備方面都不同，并相比時，它具有體積小，無噪聲，無污染，可靠性高，易于恒溫控制及數(shù)據(jù)采集等優(yōu)點。隨著半導(dǎo)體制造工藝及品質(zhì)的優(yōu)化，熱電轉(zhuǎn)換效率不斷提高，尤其在全球環(huán)境保護意識加強的情況下，這項“環(huán)境冷源”技術(shù)將會在科研，軍事，航空，畜牧業(yè)，醫(yī)療，日常生活等領(lǐng)域中有重要應(yīng)用。本文將介紹主要是半導(dǎo)體制冷的原理，特性和在物理實驗教學(xué)及家用電器的應(yīng)用。

一、半導(dǎo)體（電子）制冷原理

1.帕爾帖效應(yīng)（Peltier effect）。半導(dǎo)體（電子）制冷又稱溫差電制冷，熱電制冷或者帕爾帖效應(yīng)。它是由半導(dǎo)體所組成一種制冷裝置，于1960左右才出現(xiàn)，然而其理論基礎(chǔ)帕爾帖效應(yīng)（Peltier effect）可追溯到19世紀(jì)。如圖1是由X及Y兩種不同的金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路。通上電源之后，回路通有直流電流時，在兩金屬接觸點處會出現(xiàn)冷，熱端現(xiàn)象。冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的Peltier effect。這現(xiàn)象最早是在1821年，由一位德國科學(xué)家Thomas Seeback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Jean Peltier，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。

圖1 帕爾帖效應(yīng)原理

2.半導(dǎo)體制冷。半導(dǎo)體冰箱的制冷原理如圖2所示，把P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體用銅片或其他金屬片連接起來，通以直流電。當(dāng)電流從N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體時，會吸收熱量；當(dāng)電流從P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體時，會放出熱量。

PN結(jié)之所以產(chǎn)生拍爾貼效應(yīng)，是因為P型半導(dǎo)體是以“空穴”導(dǎo)電，N型半導(dǎo)體是以電子導(dǎo)電，空穴和電子都是載流子。載流子在金屬和半導(dǎo)體中的勢能大小是不同的?？昭ㄔ诮饘僦兴哂械膭菽鼙瓤昭ㄔ诎雽?dǎo)體中所具有的勢能低，電子在金屬中的勢能也是比在半導(dǎo)體中的勢能低。在如圖2所示的PN結(jié)中通以直流電，電流的方向由電池的正極流經(jīng)金屬→片→結(jié)點1→N型半導(dǎo)體→結(jié)點2→金屬片→結(jié)點3→P型半導(dǎo)體→結(jié)點4→金屬片→電池負極。

電流流過結(jié)點1時，電子在電場作用下，由勢能高的N型半導(dǎo)體流向勢能低的金屬板，要釋放多余的勢能，這些勢能變成熱量散發(fā)出來。

在結(jié)點2中，電子是在電場的作用下，由勢能低的金屬板向勢能高的N型半導(dǎo)體流動。因而要增加勢能，這部分勢能靠吸取金屬板的熱量來獲得，使金屬板冷卻而獲得冷量。

在結(jié)點3中，空穴從勢能較低的余屬板向勢能較高的P型半導(dǎo)體流動，也需要增加勢能、吸收熱量，使金屬板進一步冷卻，得到更多的冷量。

在結(jié)點4中，空穴從勢能較高的P型半導(dǎo)體向勢能較低的金屬板流動，勢能減少，釋放出熱量。

綜上所述，在2、3兩結(jié)點中通電后吸收熱量，稱為冷端，在1、4兩結(jié)點中放出熱量稱為熱端。當(dāng)直流電流的極性方向改變時，載流子的流動方向相反，冷、熱端也就將互換。

半導(dǎo)體制冷的吸熱現(xiàn)象和放熱現(xiàn)象，是由載流子流過結(jié)點時勢能的變化而引起能量的傳遞，這就是半導(dǎo)體制冷的本質(zhì)。

圖2 半導(dǎo)體制冷原理

3.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。目前實用的半導(dǎo)體制冷材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其成分為：

P型→Bi2Te3+Sb2Te3（P型半導(dǎo)體由74%的三碲化二銻和26%的三碲化二鉍組成）；N型→Bi2Te3+Bi2Se3（N型半導(dǎo)體則由80%的三碲化二鉍和20%的三硒化二鉍組成），用垂直區(qū)熔法提取晶體材料。

半導(dǎo)體材料的主要性能參數(shù)為：溫差電動勢率：α=200x 10-6V/K、電導(dǎo)率σ=100.0S/m、熱導(dǎo)率 K≈1.6W/（m·k）、優(yōu)質(zhì)系數(shù)Z≈3x10-3/K。

運用這種半導(dǎo)體材料制成的一對單元熱電偶（一對PN結(jié)），其產(chǎn)冷量很小，大約 0.117-0.70W，不能滿足實際應(yīng)用的要求。為了滿足冰箱的使用要求，可以如圖3所示，把各對單元串聯(lián)起來，組成一組熱電偶（或稱為一級電堆）。它的最大溫差能達到△Tmax=60K，實際工作溫差可達 30-40K，并冷端與熱端之間的溫度差（△T）與電流（I）的關(guān)系，如圖4所示。在該圖中指出了Im是制冷工作的最大電流值。當(dāng)通入交流電時只能產(chǎn)生焦耳熱，不能制冷。

圖3

圖4

為了達到更低的溫度要求，還可把它們串聯(lián)或并聯(lián)成二級電堆或三級電堆或多級電堆，如圖5所示。

（a）串聯(lián)二級半導(dǎo)體制冷電堆。

（b）并聯(lián)二級半導(dǎo)體制冷電堆。

圖5 半導(dǎo)體制冷電堆

電堆的連接方法是第二級電堆的熱端，緊貼在第一級電堆的冷端上，第一級電堆實際上起著第二級電堆散熱器的作用，以后各級的連接方法依次類推。電堆元件數(shù)第一級比第二級多，第二級比第三級多，成階梯狀。多級半導(dǎo)體制冷器一般采用2-3級，在電路的連接上可以采用串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)多種形式。

二、半導(dǎo)體制冷的應(yīng)用

1.半導(dǎo)體制冷在物理實驗中的應(yīng)用。

圖6 半導(dǎo)體量熱器結(jié)構(gòu)圖

（1）半導(dǎo)體制冷型恒溫量熱器。在熱學(xué)實驗中，溫度的控制和測量既是一項必不可少的實驗環(huán)節(jié)又是難以控制的實驗環(huán)境，以前教學(xué)中使用的量熱器（或保溫杯）由于保溫性能差、重復(fù)性不好等缺點，造成實驗效果不好。而半導(dǎo)體制冷不僅不需要任何制冷劑，沒有污染源和機械振動，易于溫度控制，而且使用l個器件就可以代替分立的加熱和致冷系統(tǒng)，優(yōu)勢是其他任何制冷方式無法比擬的，借助這一優(yōu)勢，可以制成恒溫量熱器。圖6是利用半導(dǎo)體制冷電堆設(shè)計的恒溫量熱器，將半導(dǎo)體制冷片冷端緊貼于量熱器內(nèi)桶壁上，熱端置外桶壁上，量熱器內(nèi)、外桶用聚氨脂發(fā)泡隔熱，防止環(huán)境溫度變化及空氣流造成內(nèi)桶與外界熱交換。為了讓熱端熱量盡快散發(fā)，可通過流動空氣（安裝直流風(fēng)扇）或循環(huán)水散熱。量熱器內(nèi)桶溫度可通過安裝在內(nèi)桶的溫度傳感器（半導(dǎo)體PN結(jié)）讀出，并可通過控制電堆電流方向、大小來實現(xiàn)溫度要求。

同理，借助半導(dǎo)體制冷電堆還可制成控溫儀（加熱或制冷），為熱學(xué)實驗提供方便、可靠的溫度環(huán)境。

（2）半導(dǎo)體熱電特性實驗。半導(dǎo)體材料的熱電特性在泊爾帖效應(yīng)上表現(xiàn)得非常顯著，而其電壓一溫度特性常被用來制作溫度傳感器。借助于半導(dǎo)體材料的這些特點，設(shè)計一些熱電特性綜合實驗，不僅使學(xué)生對半導(dǎo)體材料的熱電特性有全面了解，而且在實驗中半導(dǎo)體既可以作為被測材料，又可提供實驗條件，同時也可與計算機結(jié)合，實時采集溫度數(shù)據(jù)。實驗不但物理內(nèi)容豐富，而且啟發(fā)學(xué)生思維，是一類很好的綜合性和設(shè)計性實驗項目.筆者所在學(xué)校為學(xué)生開設(shè)的這類實驗為如圖7所示的“半導(dǎo)體熱電特性綜合實驗”，在實驗中半導(dǎo)體既被用來提供制冷，又被用來測量 PN結(jié)的溫度響應(yīng)范圍、禁帶寬度等，很受學(xué)生歡迎。

圖7 半導(dǎo)體熱電特性綜合裝置流程

2.半導(dǎo)體冰箱。半導(dǎo)體冰箱的電氣原理圖如圖8所示。實用的半導(dǎo)體制冷器如圖9所示，WCA03-127型外形尺寸為40x40x5mm3，由127對電偶組成，采用12V、3A直流電，溫差大于55K，制冷量為34.4W（即123.9kJ/h）。

這種制冷器安裝的方法如圖10所示，兩邊分別安裝儲冷器散熱器。儲冷器實際上是外形為55x55x30mm3的金屬塊，其作用是使制冷器產(chǎn)生的冷量均勻分散。散熱器可用厚1-2mm，長寬為130x130mm2的銅板，上面焊15-20個用0.3-0.5mm的銅皮做成的U型散熱片。

（1）半導(dǎo)體冰箱存在許多優(yōu)點：1）體積小，在科研、軍事、航空、畜牧業(yè)、醫(yī)療等部門得到了應(yīng)用。2）無機械轉(zhuǎn)動部件，無噪聲、無磨損，運行可靠，維修方便，使用壽命長。3）冷卻速度和制冷溫度可以通過調(diào)節(jié)電流的方法來達到，比較方便靈活。4）不需使用制冷劑，無泄漏、冰堵、臟堵等故障，也沒有抽空、污染等麻煩。5）制冷制熱可逆性強，轉(zhuǎn)換方便。

（2）半導(dǎo)體電子制冷的缺點為：1）制冷溫度與環(huán)境溫度有關(guān)（一般低于環(huán)境溫度20度），不能制冰。2）冰箱容積不能超過100升（高于100升，其制冷效率較低），因此目前還只是應(yīng)用在某些特殊的場合。3）半導(dǎo)體制冷／熱飲水機。圖11是電腦控制式冷／熱飲水機電路接線圖，上部分加熱器EH等負責(zé)加熱工作；下部分電路負責(zé)制冷工作。

圖8 半導(dǎo)體冰箱電氣線路圖

圖9 WCA03-127型半導(dǎo)體制冷器

圖10 半導(dǎo)體制冷器的安裝示意圖

圖11 半導(dǎo)體制冷／熱飲水機電路圖

第一，制熱控制。插上電源插頭，220V電源電壓通過制熱開關(guān)S1、溫控器STI、加熱元件EH、過熱保護溫控器ST2形成回路。加熱元件開始發(fā)熱對水加熱，加熱燈HLI亮表示當(dāng)前正在加熱。當(dāng)水溫上升到95℃時，溫控器STI自動斷開，切斷加熱元件和加熱燈ELI供電回路，停止加熱，加熱燈同時熄滅。

停止加熱后，當(dāng)水溫下到85℃時，溫控器STI又自動接通，以后重復(fù)上述過程。使水溫保持在85℃-95℃。

過熱保護由ST2負責(zé)。當(dāng)桶內(nèi)無水或電路出現(xiàn)短路故障時，過熱保護溫控器ST2斷開，切斷220V電源，停止加熱。過熱保護溫控器動作后，需手動復(fù)位才能恢復(fù)到接通狀態(tài)。

第二，制冷控制。接通電源后，按下制冷開關(guān)S1，220V電源電壓通過制冷開關(guān) S2和保險管FU，送變壓器初級降壓后，送控制板AP，經(jīng)控制板整流、濾波、穩(wěn)壓變換為+12V和+5V等電壓后，作為控繆制板中驅(qū)動電路和CPU、PN制冷片等的工作電壓，同時控制板對PN制冷片、電機M、指示燈HL2等提供電流回路，制冷片開始制冷，電機M運轉(zhuǎn)進行通風(fēng)。當(dāng)水溫下降到7℃時，熱敏電）阻Rt阻值變大，被控制板檢測到后切斷PN制冷片、電機M、制冷指示燈HLI電流回路，停止制冷。

停止制冷后，如果水溫回升到12℃，Rt的阻值上升到較小值，令控制板再次輸出制冷指令，使水溫保持在7℃-12℃。

三、結(jié)束語

隨著制冷技術(shù)和物理實驗教學(xué)內(nèi)容的綜合性和先進性要求的提高，實驗對溫度的控制及測量也提出了新的要求，如：計算機和自動控制系統(tǒng)要求能自動讀出溫度值，并隨之立即做出反應(yīng)；實驗過程需要提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境等，傳統(tǒng)的量熱器、水銀溫度計及控溫手段顯然無法適應(yīng)，半導(dǎo)體制冷剛好彌補了這些缺陷，尤其在當(dāng)今環(huán)保意識加強，它的無污染、無噪聲、信息采集方便、可靠性高且易于恒溫控制等優(yōu)點，在科學(xué)研究，家用電器及物理實驗中的廣泛應(yīng)用和很有意義。

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買買提艾則孜?阿不都熱合曼（1962-），男，維吾爾族，新疆于田人，和田師專物理系副教授，主要從事物理實驗教學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)研究。

2010-06-19