半导体制冷

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
现状
27
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
至2009年
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
(2-12)
将上式对I 取偏导数，并令其等于零，就可以求出 最佳电流值 与其对应的 最大
温降:
I opt
Tc
R
(Th Tc )max
2Tc2
2Rk
(2-13) (2-14)
将式(2-4)及(2-6)代入式(2-12)得:
(Th
Tc )max
1 2
(1பைடு நூலகம்1
2Tc2
2
s2
)(
1
s1
2 )
s2
四元合金，在300K时的优值系数可达
Z 5.7 10-3 K 1
45
概述 原理 特点 系统 应用
（2）制冷量最大的条件
由
Q0
ITc
1 2
I 2 R k (Th
Tc )
(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 IR 0
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。.
历史
现状
26
20世纪80年代~ 至今
提高半导体的热电制冷的性能 开发热电 制冷的应用领域
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:05
国内
20世纪50~60年代
开始对半导体制冷进行了研究
使制冷量Q0取得极值的电流为
I Q0 opt
Tc R
Q0，max（2TRc）2 - K (Th - Tc )
(2-19) (2-20)
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46
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，最大制冷量只和电偶
半导体的特性：光敏特性、热敏特性和掺杂特性
6
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:03
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
锗原子
+44
硅和锗最外层轨道上的 四个电子称为价电子。
7
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
的尺寸有关，短粗的电偶制冷量大，细长的电偶制冷量小。
08:44:06
47
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:07
（3）制冷系数最佳的条件
对式
Q0 ITc 0.5I 2R k (Th Tc )
w
I 2R (Th Tc )I
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
36
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:06
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
37
概述 原理 特点 系统 应用
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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。
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）
QT=－τΙΔT
25
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:05
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
k
1 L
(1s1
2 s2 )
(2-6)
39
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:06
冷端从外界吸收的热量（制冷量）
1 Q0 Qπ 2 Qj Qk
1 制冷量
Q0
ITc
1 2
I 2 R k (Th
Tc )
(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，故消耗的 功率 为
缺点
1 制冷效率低 2 应用范围有限 3 经济性差
52
概述 原理 特点 系统 应用
当前研究的热点及难点
1
高优质系数的半导体材料
2
冷热端散热的设计
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塞贝尔（seebeck）效应
E= α.△T
（1821年，seebeck）
23
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:04
珀尔帖（poltier）效应
Q I
Tc
其本质是塞贝尔效应的逆效应
（1834， poltier）。
24
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:05
汤姆逊（thomson）效应
08:44:07
49
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:07
半导体制冷特点
优点 缺点 热点及难点
50
概述 原理 特点 系统 应用
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无制冷剂 无运动部件 尺寸小质量轻 不受空间方向影响
优点
温度调控精度高 冷热转换方便 制热迅速 寿命长
51
概述 原理 特点 系统 应用
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4
概述 原理 特点 系统 应用
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背景知识
5
热电效应
概述 原理 特点 系统 应用
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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）
应用
Ⅲ N型半导体
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8
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:03
导电机制
11
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
P型半导体
多子—电子
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 14
Qj I 2R
(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
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 ：
Qk k (Th Tc )
(2-5)
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 则：
I
opt
(Th Tc )
R(M 1)
(2-21)
max
Tc Th Tc
M Th Tc
M 1
式中
1
M [1 0.5Z (Th Tc )]2
(2-22)
48
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。
(2-15)
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43
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:06
若两电偶臂的几何尺寸相同，具有相同的 导热系数(λ1=λ2 )及相同的 电阻率 （s1=s2)，则式（2-15）变为
(Th
Tc )max
1 2
2Tc2 s( )
1 2
2Tc2
s
(Th
Tc )amx
1 2
2rTc2
2 功率
w I 2 R (Th Tc )I
(2-8)
3 制冷系数
Q0 w
ITc 0.5I 2R k (Th I 2R (Th Tc )I
Tc
)
(2-9)
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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
T
Th
Tc
1 k
[I
Tc
0.5I 2 R]
(2-10) (2-11)
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。
33
概述 原理 特点 系统 应用
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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。
张昆
08:44:02
1 概述 2 原理 3 特点 4 系统 5 应用
2
概述 原理 特点 系统 应用
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概述
3
半导体制冷定义 相关背景知识 发展历史与现状
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:02
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。
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。
21
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
22
1.塞贝尔(seebeck)效应 2.珀尔帖(peltier)效应 3.汤姆逊(thomson)效应
概述 原理 特点 系统 应用
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
08:44:04
15
N区自由电子 浓度远高于P
区。
概述 原理 特点 系统 应用
4.1 PN结的形成
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16
漂移运动
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，形成扩散电流，PN结
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。
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30
概述 原理 特点 系统 应用
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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。
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。
若不考虑各种可能的损失，由热力学第一定律：
Qh = Q0 + W
冷端的珀尔帖吸热量Qπ
Q I
(2-1) (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。
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概述 原理 特点 系统 应用
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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 ：
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概述 原理 特点 系统 应用
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4 制冷性能最佳分析
1.最大温差 2.最大制冷量 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：
Th
Tc
1 k
[ITc
0.5I 2 R]
概述 原理 特点 系统 应用
08:44:05
半导体制冷原理、结构及特性分析
1
结构及材料
2
工作原理
3
制冷特性
4
制冷性能最佳分析
28
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
热电性能的综合参数。
通常， Z 310-当3 KTh=1293K, TC =273K时，可算得
εmax =1.66，而相同工作区间的逆卡诺制冷系数
273
13.65, max 0.12
293 273
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 1310-3 K的水1平。
目前为止室温下优质系数最高的材料是Ag0.58Cu0.29 Ti 0.29Te
处于导通状态。
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概述 原理 特点 系统 应用
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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。
20
概述 原理 特点 系统 应用
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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。
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
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概述 原理 特点 系统 应用
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2 半导体制冷工作原理
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概述 原理 特点 系统 应用
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机械压缩式制冷系统和热点制冷系统间的相似性
(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 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
组成的一个
Z 2r
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(2-18)
概述 原理 特点 系统 应用
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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