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1、.,半导体制冷,张昆,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,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。,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,1、什么是半导体？,2023/1/18,.,1,2、典型半导体 典型的半导体是硅Si和锗Ge，都是4价元素。,2023/1/18,.,1,3、半导体的种类,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,导电机制,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,2023
2、/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,4、PN结的形成及其单向导电性,2023/1/18,.,1,4.1 PN结的形成,2023/1/18,.,1,随着扩散运动的进行，在界面N区的一侧，随着电子向P区的扩散，杂质变成正离子；在界面P区的一侧，随着空穴向N区的扩散，杂质变成负离子。所以在N型和P型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层；在P型区一侧会形成负离子薄层。,2023/1/18,.,1,在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少数载流子产生漂移运动。,2023/1/18,.,1,4.2PN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
3、源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,2023/1/18,.,1,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。,2023/1/18,.,1,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。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。,2023/1/18,.,1,热电效应,2.珀尔帖(peltier)效应,3.汤姆逊(thomson)效应,半导体制冷的最基本依据,
4、2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,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）QT=T,2023/1/18,.,1,20世纪50年代 20世纪80年代,2023/1/18,.,1,20世纪60年代末至80年代初,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,2023/1/18,.,1,半导体制冷原理、结构及特性分析,2023/1/18,.,1,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,202
5、3/1/18,.,1,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。,2023/1/18,.,1,一对电偶的制冷量是很小的，如6xL7的电偶对,其制冷量仅为3.34.2kJ/h（0.92w 1.2w）,为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串联成热电堆，称单级热电堆,单级热电堆在通常情况下只能得到大约50的温差。为了得到更低的冷端温度，可用串联、并联及串并联的方法组出多级热电堆，图2-1示出多级热电堆的结构型式。,多级热电堆,2023/1/18,.,1,图2-1 多级热电堆的结构型式 a)串联二级热电堆 b)并联二级热电堆 c)串并联三级热电堆,2023/1/18,.,1,1 半导体制
6、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。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。,2023/1/18,.,1,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。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Bi2Te3Sb2Te3 N型是Bi2Te3Bi2Se3 还有其他如：P型
7、Ag Ti Te N型 Bi2Sb合金,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,机械压缩式制冷系统和热点制冷系统间的相似性,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,(2-1),2023/1/18,.,1,当电流通过电偶对时，热电元件内要放出焦耳热。焦耳热：,(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1及2，截面积为s1和s2 则,(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：,(2-6),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1和2，s1和s2 则：,(2-5),2023/1/18,.
8、,1,(2-8),(2-9),(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,冷端从外界吸收的热量（制冷量）,2023/1/18,.,1,(2-10),(2-11),2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,（1）获得最大温差Tmax的条件,2023/1/18,.,1,若两电偶臂的几何尺寸相同，具有相同的 导热系数(1=2)及相同的 电阻率（s1=s2)，则式（2-15）变为,(2-16),(2-17),式中 r=1/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、r、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
9、数Z，即,(2-18),2023/1/18,.,1,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，当Th=293K,TC=273K时，可算得max=1.66，而相同工作区间的逆卡诺制冷系数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 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,2023/1/18,.,1,（2）制冷量最大的条件,由 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。得到使制冷量Q0取得
10、极值的电流为,(2-7),(2-20),(2-19),2023/1/18,.,1,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（、）一定时，最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。,2023/1/18,.,1,（3）制冷系数最佳的条件,(2-21),式中,(2-22),对式对电流取偏倒数，并令其等于零，得到 与最大制冷系数相对应的电流,2023/1/18,.,1,故制冷系数 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。,2023/1/18
11、,.,1,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,当前研究的热点及难点,2023/1/18,.,1,半导体制冷空调,2023/1/18,.,1,热电堆,冷热端散热器,风机,直流电源,基板,2023/1/18,.,1,半导体制冷空调的分类,2023/1/18,.,1,强迫通风散热半导体制冷空调器系统图,2023/1/18,.,1,太阳能半导体制冷系统图,2023/1/18,.,1,汽车太阳能半导体制冷系统结构图,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,美固半导体车载冰箱TF-14-12TF-14-12,2023/1/18,.,1,202
12、3/1/18,.,1,BK-1.5型热电空调器由上海交通大学制冷实验室研制,是一种水冷式半导体制冷空调器,用在我国自行研制的第一艘潜水器上,性能参数为:制冷量 1500kcal/h（1.75KW）舱内温度 28士2循环风量 350m/h工作电压 27V(直流)冷却水温度 29冷却水流量 1.62 m/h,2023/1/18,.,1,2023/1/18,.,1,在额定工况,考虑风机的温升的情况下,空调器的进风参数为28.6空气的相对湿度为50%当电压27V,冷却水温度为29时,制冷量为1,600kcal/h,制冷系数=1.6,与估算值相当接近,2023/1/18,.,1,设计实例 半导体制冷电脑CPU恒温散热研究（2011年 甘肃民族师范学院物理与水电工程系 孙成仁副教授低温与超导）,2023/1/18,.,1,制冷控制电路和CPU组合结构,2023/1/18,.,1,CPU半导体制冷控制电路,2023/1/18,.,1,
