半导体制冷器原理及性能研究

《半导体制冷器原理及性能研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、半导体制冷器原理及应用研究摘要随着科学技术的发展，人们对于制冷的要求也随之提高。常常需要在狭小的空间内实现低温的环境以满足特殊的应用要求。基于帕尔贴效应的半导体制冷技术在军事、民用等领域有着广泛的应用。本文介绍了半导体制冷器的基本工作原理、优点、缺点和随后对半导体的相关公式进行了推导。最后根据半导体的研究现状，提出了半导体制冷器的主要性能参数，为今后的半导体制冷技术研究提供借鉴。1.引言目前，能源消耗问题是国际学术研究的热点，而中国作为能源消耗大国，因此研究如何降低能源消耗，实现可持续发展具冇非常重大的现实意义。半导体制冷器作为一种新型的制冷技术，具好广阔的应用前景。

2、半导体制冷器具有体积小、功耗低、无污染、降温快等诸多优点，符合环境保护以及低功耗的要求，在许多行业得到了广泛的应用。虽然半导体制冷器的制冷量不大，但是降温速度非常快，非常适用于对制冷器的尺寸有严格要求的场所。目前国际上半导体制冷技术的研究发展很快，我国从上个世纪60年代开始对半导体技术进行研究，经过几I•年的研究，我国在半导体制冷技术取得了一定的进展，特别是在半导休制冷材料方面，目前中国的半导体制冷器产量在世界上排名第一，部分半导体制冷器产品远销国外。2.半导体制冷器的工作原理2.1半导体制冷的物理基础半导体制冷又称为热电制冷(Thermoelectriccooler

3、)或温差电制冷。当直流电流通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能，这就是所谓的热电致冷，曲于半导体材料具有非常好的热屯能量转换持性，因此，热电制冷又称为半导体制冷。半导体制冷是基于帕尔贴效应、塞贝克效应、焦尔效应、汤姆逊效应和傅里叶效应五种效应建立起来的新型制冷技术。(1)帕尔贴效应当电流通过由不同材料导体组成的回路时，在导体的连接处，会发生吸热和放热现象。这时吸收和放出的热量就是帕尔贴热。回路的一端为吸热，而另一端为放热。(1)塞贝克效应将两种不同的材料和温度的导体相连接并组成冋路时，这个冋路之中就会产生电流，这就叫做塞贝克效应，这与帕尔贴效应是相逆的。

4、(2)焦尔效应焦尔效应是指当通过电流时，金属导体内部的热量与通过金属导体的电流平方成正比。(3)汤姆逊效应当不同金屈材料组成的闭合回路接入电流时，不仅会冇赛贝尔效应和帕尔帖效应，还会产生一种汤姆逊效应，产生的热为汤姆逊热。(4)傅里叶效应在金属材料屮，沿着某固定方向的热传导过程叫做傅里叶效应，热传导是不可逆的，口垂直方向的面积与垂直方向上温度差的乘积成正比。2.2半导体制冷原理半导体制冷就是帕尔贴效应在半导体材料上的成功应用，半导体有N型半导体和P型半导体之分，N型半导体含有多余的电子，因此含有负温差电势，而P型半导体屮电子不足，有多余的空穴，因此含有正的温差电势，把

5、一只N型半导体元件和一只P型半导体元件联结成为一个热电偶，形成一个P・N结，当冇直流电通过这个P・N结时，由于温差电势的存在，就会产生能量的转移，也就是在结点处，会和外界环境进行能量的交换。如图1所示：冷端图1：半导体制冷器工作原理从微观来看，当图1接通电路的直流电源后，在冷端接头处，电流方向是N一P,P型半导体中的空穴和N型半导体中的门由电了做离开接头的背向运动在接头处，这种运动使P型半导体中的部分电子变成了自由电子，同吋在P型半导体屮留下了相应的空穴，电子与空穴是同吋存在的。新产生的自由电子会通过金属的接触点进入到N型半导休中，此时的自由电子与金属接触点的电位差方

6、向是相反的。电子会通过金屈接头时放出能量，需要注意的是，产生的自由电子和空穴对所吸收的能量比他们通过接II所放出的能量要大很多，因此这处接头就为热端。同样如此，N型半导体内也会产生自由电子和空穴对，此吋，N型半导体内新产生的空穴会通过金属接着进入到P型半导体内部，电子也会在金属接头产生能量，而此时吸收的能量也远远大于电子经过金属接头时放出的能量，此处接头就变为冷端向外界吸热。也就是说半导体制冷器同时存在热端和冷端，而我们在使用时，常常只用到冷端，但需要注意的是，在制冷的同时，另一端也在放热，因此，需要将热端散热。3・半导体制冷器的优缺点分析3.1半导体制冷器的优点(1

7、)半导体制冷器在制冷时并不需要氟利昂之类的制冷剂，就可以连续工作，因此是一种非常环保的制冷技术；(2)半导体制冷器是基于半导体技术的制冷技术，内部没有旋转器件，避免了噪音、震动，使用方便，安装便捷，维修方便；(3)半导体制冷片工作时，制冷和加热是同时存在的，虽然制冷效率不算,但是，制冷和加热分立开來，非常适用于需要同时加热和制冷的应用场合；(1)半导体制冷片的制冷控制方式是电流控制，可以实现高精度的温度控制，加个适当的温度测量单元和控制芯片，便可以很容易实现高精度温度测量和控制系统；(2)通常半导体制冷器的尺寸较小，因此，制冷和制热的响应速度非常快,