半导体制冷技术培训资料

半导体制冷简介

一、半导体致冷原理

半导体致冷又称为温差电致冷或热电致冷。具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有致冷功能，因此而得名热电致冷。

总的热电效应由同时发生的五种不同的效应组成，它们是：赛贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。

1.赛贝克效应

在两种不同导体构成的回路中，如果两个接头出的温度不同，回路中有电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势（图一）。

图一赛贝克效应示意图

图中△U是温差电动势，它的大小与两结点间的温差成正比，比例常数为赛贝克系数（也称为温差电动势率），其值为

αab = △U/△T

式中△T为两结点间的温差

每种材料都有固定的赛贝克系数，若用αa和αb表示这两种材料的赛贝克系数，那么由这两种材料所制成的热电偶的赛贝克系数为：

αab =|αa－αb|

2.珀尔帖效应：

当直流电流通过由不同导体连接形成的回路时，在结点会产生吸热或放热的现象，这种现象被称为珀尔帖效应。

因为半导体的珀尔帖效应比金属更为强烈，所以用半导体制作的组件可以达到较好的致冷效果（图二）。

图二 半导体致冷示意图

N 型元件的载流子是电子，P 型元件的载流子是空穴。当温差电偶的N 型元件接入直流电正极，P 型元件接入负极时，N 型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热， 同样P 型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热；同时，电子与空穴在上端分离，分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。

3.汤姆逊效应：

当电流通过有温度梯度的导体时，则在导体和周围环境之间进行能量交换（图三）。这种效应只涉及一种材料。

图三 汤姆逊效应示意图

4.焦耳效应：

单位时间内电流通过导体的产生的热量等于导体的电阻和电流的平方的乘积。 Q=R×I 2

低温端

高温端电流

吸热低温端高温端

电流

放热

5.富里叶效应：

单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。

Q=S×△T

二、半导体致冷组件的结构和性能

1.半导体致冷组件的结构

我们知道半导体按导电类型分N型材料和P型材料，将N型元件和P型元件大规模串联成回路，使每个元件相连接的都是不同导电类型的元件，这样就形成了半导体致冷组件（图四）。

图四半导体致冷组件示意图

从上图可以看出，致冷组件的上下面是陶瓷片，它的主要成分是95％氧化铝。它起电绝缘、导热和支撑作用。在它的表面烧结有金属化图形。

与陶瓷片连接的是导流片，它的成分是无氧铜。它起导电和导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的金属化图形上。

上下导流片之间是半导体致冷元件，它的主要成分是碲化鉍。它是致冷组件的主功能部件，分N型元件和P型元件，通过锡焊接在导流片上。

2.致冷材料的电参数

致冷材料的主要电参数是：

α（温差电动势率）；一般在200µv/℃左右

σ（电导率）；一般在1000μΩ•cm－1左右

K（热导率）；一般在17w/m·k左右

其综合参数优值系数Z＝α2×σ/K

影响致冷材料优值的是：

材料的纯度；

材料配比的合理性；

工艺的有效控制。

3.半导体致冷组件最高使用电压和最大温差电流

常温下每对半导体致冷元件最高所允许施加的是0.12V。每种致冷组件最高所允许施加的电压是：元件对数×0.12。每片致冷组件的最大温差电流可以粗略的计算为：元件对数×0.12×0.77/R。有人也许要问为什么我们所用的电压和电流要比计算的低呢？这要从半导体致冷的特性曲线（图五）看，以TEC1-12705为例

图五半导体致冷特性曲线

图中纵坐标是产冷功率，横坐标是工作电流，Th是热面温度。

从图中看出：半导体致冷组件的工作电流和产冷功率的关系呈抛物线形状。电流达到最大温差电流时和略低的电流时（比如电流从5A降到4A）的产冷功率相差不大，但是输入的电功率相差却很大。

三．半导体致冷组件的工艺过程

1.主要工艺流程

称量熔炼拉晶切片测量喷涂电镀切粒分选镀片上导流片点锡摆模合模研磨焊线检测

其中：拉晶和合模是关键工序、喷涂电镀是特殊

工序

2.主要工艺简介

（1）称量：投入材料碲、铋、锑、硒等半导体

材料，按照工艺配比将以上材料装入玻璃管中。

（2）熔炼：原材料装入玻璃管中抽真空后在600℃

的摇摆炉中熔炼，半导体材料在摇摆炉中熔化反应，同

时炉体摆动，使材料混合反应充分，材料取出自然冷却

后形成一碲化铋为主的多晶体。

（3）拉晶：熔炼后的晶体的排序是杂乱无章的，

使用局部熔化的工艺使晶体按照竖直的方向排列，晶体

的优值达到最佳状态。

拉晶是关键工序，影响晶体参数的主要因素是温度

和速度：

在速度的控制上采用变频调速，其速度非常稳定；

对炉温的控制采用PID智能控温表控制，在800℃的高温仍能控制在±2℃.

（4）测量：经过拉晶后的晶体（晶棒）由于工艺特点，晶棒的两端参数较低，须经测量切去参数不符合要求的部分。

参数要求为：温差电动势率在190～230范围

内；电导率在900～1150范围内。

（5）喷涂电镀：半导体元件需要焊接成串联

电路才能产生大的冷量，而半导体材料是不容易