半导体制冷

2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
当前研究的热点及难点
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高优质系数的半导体材料
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冷热端散热的设计
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半导体制冷新理论及半导体制冷新技术
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概述 原理 特点 系统 应用
半导体制冷空调
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定义 结构
分类
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概述 原理 特点 系统 应用
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大制冷量只和电偶的尺寸有关，短粗的电偶制冷量 大，细长的电偶制冷量小。
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概述 原理 特点 系统 应用
（3）制冷系数最佳的条件
对式
Q w 0IT cI 2R 0. 5I2(R Th kT (T ch )ITc)
对电流取偏倒数，并令其等于零，得到 与最大制冷系数相对
应的电流
Iopt
则：
kL1(1s1 2s2)
(2-6)
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概述 原理 特点 系统 应用
冷端从外界吸收的热量（制冷量） Q0 Qπ12Qj Qk
1 制冷量
Q 0IT c1 2I2Rk(ThTc)
(2-7)
电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克服热电势做功，
故Leabharlann Baidu耗的 功率 为
2 功率
wI2R(ThTc)I
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概述 原理 特点 系统 应用
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一 半导体及其特性
2、典型半导体
典型的半导体是硅Si和锗Ge，都是4价元素。
si
硅原子
GGee
+ 44
锗原子
硅和锗最外层轨 道上的四个电子 称为价电子。
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概述
3、半导体的种类
原理
I 本征半导体
特点
Ⅱ P型半导体
系统
应用
Ⅲ N型半导体
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随着人们对半导体材料内部结构特点的了解，发现 了它产生的温差电现象比其他金属要显著得多。
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概述 原理 特点 系统 应用
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三 热电效应
半导体制 冷的最基 本依据
1.塞贝尔(seebeck)效应 2.珀尔帖(peltier)效应 3.汤姆逊(thomson)效应
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概述 原理 特点 系统 应用
提高半导体的热电制冷的性能 开发热电制冷的应用领域
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概述 原理 特点 系统 应用
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国内
20世纪50~60年代
开始对半导体制冷进行了研究
20世纪60年代末至80年代初 研究半导体制冷材料的高优值系数,拓宽 其应用领域,产品以车用小型冷热箱为主
20世纪90年代
历史
开发出具有广泛实用价值的民用便携 式冷热箱、化妆品专用冷藏箱、高低 温测试设备以及半导体去湿系列产品
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概述 原理 特点
4 制冷性能最佳分析
1.最大温差
系统
2.最大制冷量
应用
3.最佳经济性
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概述 原理 特点 系统 应用
（1）获得最大温差△Tmax的条件
在电流I 为某一定值的情况下，令Q0 =0 ，由式(2-7)得：
ThTc1 k[IT c0.5I2R]
(2-12)
将上式对I 取偏导数，并令其等于零，就可以求出 最佳电流
导流条 其成分多是无氧铜
，起导电和导热作用。通过
锡焊接在陶瓷片的金属化图
形上。
半导体致冷元件 在上下
导流条之间，其主要成分是
碲化鉍。它是制冷片的主功
能部件，分N型元件和P型
元件，通过锡焊接在导流条
上。
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概述 原理 特点 系统 应用
半导体制冷材料
半导体不仅需要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。
QT=－τΙΔT
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概述 原理
特点
系统
应用
历史
现状
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国外（分为三个阶段）
19世纪30年代~ 20世纪50年代
使用的金属材料的热电性能较差, 能量转换的效率很低,无实用价值, 热电效应没有得到实质应用
20世纪50年代~ 20世纪80年代 半导体材料的广泛应用，热电 效应的效率大大提高,热电发 电和热电制冷进入工程实践。 . 20世纪80年代~ 至今
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塞贝尔（seebeck）效应
E= α.△T
（1821年，seebeck）
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概述 原理 特点 系统 应用
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珀尔帖（poltier）效应
Q I
Tc
其本质是塞贝尔效应的逆效应
（1834， poltier）。
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概述 原理 特点 系统 应用
汤姆逊（thomson）效应
若电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周 围环境之间将进行能量交换。（1855，Thomson ）
值 与其对应的 最大温降:
(ThIopTt c)maRTxc 22RTck2
(2-13) (2-14)
将式(2-4)及(2-6)代入式(2-12)得:
(ThTc)ma x 12(1s12s22T)c2(s11s22)
(2-15)
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概述 原理 特点 系统 应用
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若两电偶臂的几何尺寸相同，具有相同的 导热系数
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概述 原理 特点 系统 应用
导电机制
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概述 原理 特点 系统 应用
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杂质半导体的示意图
多子—空穴
多子—电子
P型半导体
N型半导体
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ + +
－ － －－
++ ++
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——与温度有关
多子浓度——与温度无关
若将半导体制冷系数提高到2.0以上,则其优值系数需提高
到 1310 -3K1的水平。
目前为止室温下优质系数最高的材料是Ag0.58Cu0.29 Ti 0.29Te 四元合金，在300K时的优值系数可达 Z5.71-3 0 K1
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概述 原理 特点 系统 应用
（2）制冷量最大的条件
由 Q 0IT c1 2I2Rk(ThTc)
Z 2r
(2-18)
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概述 原理 特点 系统 应用
优值系数
优值系数Z ， 只与电偶材料的物理性质（温差电动势、电导率、导热系数 ）有关。是评价电偶热电性能的综合参数。
通常，Z31-0 3K1当Th =293K, TC =273K时，可算得
εm a2 x =2 9 1 .2 67 3 6，7 3 而1 3相.6 3同,5 工m 作a 区x 0.间1的2逆卡诺制冷系数
形成扩散电流，PN结处于导通状态。
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概述 原理 特点 系统 应用
PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，
形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截 止。
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
二 为什么选择半导体
普通金属导体的珀尔帖效应微弱,制冷效果不佳。例 如当时曾用金属材料中导热和导电性能最好的锑-铋 (Sb-Bi)热电偶做成制冷器,但其制冷效率还不到1 % ,根 本没有实用价值。
机械压缩式制冷系统和热点制冷系统间的相似性
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概述 原理 特点 系统 应用
3 制冷特性
1. 制冷量 2. 功率 3. 制冷系数 4. 制热系数 5. 冷热端温差
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概述 原理 特点 系统 应用
首先讨论一对热电偶的制冷特性
设热结点的温度Th ，向外界释放的热量为Qh ；冷结点温度Tc ，从外界吸收的热量（制冷量）为Q0 ，热电偶输入电功率为W， 回路中电流为I。
(λ1=λ2 )及相同的 电阻率（s1=s2)，则式（2-15）变为
(Th
Tc)max12s2(Tc2)
12Tc2 2
s
(ThTc)amx122rTc2
(2-16) (2-17)
式中 r=1/ρ ——热电元件材料的 电导率
由此可见: 热电制冷的最大温差取决于材料的 α、r、λ 组成的一个综合参数。此综合参数称为制造电偶对材料的 优值系数Z ，即
(2-7)
可以看出，工作温度一定时，制冷量的大小与电流有关，对
式（2-7）对电流求偏导数并令其为零。得到
Tc IR0
使制冷量Q0取得极值的电流为
I Q0 opt
Tc
R
(2-
19)
Q0， ma（ x 2TR c） 2-K(Th-Tc)
(220)
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概述 原理 特点 系统 应用
可见 一定的电偶对的最大制冷量只和冷端温度Tc有关（ Th 一定时）； 当工作温度和材料性质（α、λ、ρ）一定时，最
至2009年
现状
半导体制冷组件的主要性能指标已达到国外 20世纪90年代水平
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概述 原理 特点 系统 应用
半导体制冷原理、结构及特性分析
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结构及材料
2
工作原理
3
制冷特性
4
制冷性能最佳分析
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概述 原理 特点 系统 应用
相关名词
热电偶
由2个金属电桥(1、2)和一对电偶臂(由一块P型半导体和一块N型半导 体构成) 组成
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概述 原理 特点 系统 应用
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半导体制冷特点
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概述 原理 特点 系统 应用
优点
无制冷剂 无运动部件 尺寸小质量轻 不受空间方向影响
温度调控精度高 冷热转换方便 制热迅速 寿命长
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概述
缺点
原理
1 制冷效率低
特点
系统
2 应用范围有限
应用
3 经济性差
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概述 原理 特点 系统 应用
背景知识
热电效应
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概述 原理 特点 系统 应用
2020/6/13
一 半导体及其特性
1、什么是半导体？
物体按导电能力分类
导体——具有良好的导电能力的物体 （如铜、银、铝） 半导体——导电能力介于导体和绝缘体之间的 物体（如锗、硅、砷化镓及 许多金属氧化物） 绝缘体——导电能力很差的物体（如橡胶、 塑料、陶瓷等） 半导体的特性：光敏特性、热敏特性和掺杂特性
(2-3)
式中R 为热电元件的电阻。若电偶臂的长度为L ,电阻率
为ρ1及ρ2，截面积为s1和s2 则
特点
R L( ρ1 2 )
s1
s2
(2-4)
由于半导体的导热，从电堆热端还要传给冷端一定的导热量
系统 ：
Qk k(ThTc)
(2-5)
应用
式中k ——长L 的热电元件 总导热系数
若两电偶臂的导热系数及截面积分别为λ1和λ2 ，s1和s2
半导体制冷
张昆
1 概述 2 原理 3 特点 4 系统 5 应用
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概述 原理 特点 系统 应用
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概述
半导体制冷定义 相关背景知识 发展历史与现状
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概述 原理 特点 系统 应用
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半导体制冷
半导体制冷(亦名热电制冷、温差电制冷 或电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷 方法，它是利用“珀尔帖”效应的原理达到 制冷目的。
若不考虑各种可能的损失，由热力学第一定律：
Qh = Q0 + W
(2-
冷端的珀尔帖吸热量Qπ
1)
Q I
(2-
2)
Tc
π为peltier系数， α为塞贝克系数（温差电动势率
），二者均与半导体自身的物理化学性质有关。
2020/6/13
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当电流通过电偶对时，热电元件内要放出焦耳热。焦耳热
概述 原理
：
Qj I 2R
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概述 原理 特点 系统 应用
4、PN结的形成及其单向导电性
P区空穴 浓度远高
于N区。
扩散运动
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N区自由 电子浓度 远高于P
区。
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概述 原理 特点 系统 应用
4.1 PN结的形成
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漂移运动
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概述 原理 特点 系统 应用
4.2PN结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，
(Th Tc)
R(M1)
(2-
21)
M Th
max
Tc Th Tc
Tc M 1
(2-22)
式中
1
M[10.5Z(ThTc)]2
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概述 原理 特点 系统 应用
故制冷系数ε 与温差 Th – Tc 以及材料优值系数Z有 显著关系。
当工作温度一定时，热电偶的优值系数Z越大，则 材料的热点性能越好，制冷效率越高。
目前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 还有其他如：
P型 Ag Ti Te N型 Bi2Sb合金
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
2 半导体制冷工作原理
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
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(2-8)
3 制冷系数
Q w 0IT cI 2R 0. 5I2(R Th kT (T ch )ITc) (2-9)
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
4 制热系数
Qh 1
w
5 冷热端温差
(2-10)
TT hT c1 k[Ic T 0.5I2R ] (2-11)
2020/6/13
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
半导体制冷片
（热电制冷片），是由上百对热电偶联成的热电堆。
2020/6/13
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概述 原理 特点 系统 应用
2020/6/13
1 半导体制冷片的结构及材料
基板 一般是陶瓷片，主要
成分是95％氧化铝。起电绝
缘、导热和支撑作用。在其
表面烧结有金属化图形。