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1、第28卷第2期物理实验Vol.28No.22008年2月PHYSICSEXPERIMENTATIONFeb.,2008半导体制冷及其在物理实验中的应用郑乔,刘虎(石家庄铁道学院数理系,河北石家庄050043)摘要:半导体制冷是通过空穴和电子在运动中直接传递热量的固体致冷方式.本文通过半导体致冷型恒温量热器和半导体热电特性实验为例,说明在物理实验中应用半导体制冷技术的设计思路及优势.关键词:半导体制冷;珀尔帖效应;量热器中图分类号:O472.2文献标识码:A文章编号:1
2、0054642(2008)020030031引言半导体制冷是通过空穴和电子在运动中直接传递热量的一种固体制冷方式,与机械制冷相比,它具有无噪声、无污染、可靠性高,易于恒温控制及数据采集等优点.随着半导体制造工艺及品质的优化,热电转换效率不断提高,尤其在全球环境图1珀尔帖效应原理图保护意识加强的情况下,这项环保冷源技术将会在科学、航天、医疗、日常生活等领域呈现出诱实际上,对于任何2种不同导电体构成的接人的前景.因此在物理实验中让学生领悟其魅触回路,当电荷载体参与定向运动形成电流时,由力,是一项很有意义的工作.于电荷载体在
3、不同材料中处于不同能级,当电流流经2种导电体时,载流子会出现能级跃迁现象.2半导体制冷原理当由低能级向高能级跃迁时,会从外部吸收能量半导体制冷又称电子制冷、温差电制冷、热电(吸热);从高能级向低能级跃迁时,会放出能量制冷或珀尔帖制冷.其理论基础可追溯到19世(放热),从而在接触点处都会有吸热和放热现象纪法国人珀尔帖(Peltier)的研究.这一效应发现产生.由于在不同金属导体中,参与导电的自由后,在相当长的时间里始终停留在实验研究中,到电子平均能级差很小,造成吸热、放热效应会很了20世纪60年代,随着半导体制备技术的发展弱.而半导体
4、材料通过掺杂等工艺可使不同材料才有了实质性应用.半导体间载流子能级差较大,从而使其接触点处2.1珀尔帖效应吸热、放热现象明显,能够形成实用的半导体电子在2种不同导体连成的回路中,当电流流经制冷元件.2个不同导体形成的接点时,接点处会产生吸热2.2半导体制冷和放热现象.吸热或放热会依电流方向不同而改把1块P型半导体和1块N型半导体连成变,吸热和放热量的大小与电流大小成正比.此如图2所示的热电偶对回路,给回路通直流电源,效应称珀尔帖效应(Peltiereffect),图1为珀尔帖在外电场作用下,图2中P型半导体在a接点处效应(Pelt
5、iereffect)原理图[1],X和Y是2种不的空穴,需要从环境中吸收热量完成能级跃迁,来形成空穴在P型半导体内的定向流动,空穴流到同金属导线所组成的封闭线路.当回路通有直流达b点后,恰恰相反,需要释放掉多余能量,进入电流时,在两金属接触点处会出现冷、热端现象.收稿日期:20070716;修改日期:20071008作者简介:郑乔(1958-),女,河北唐山人,石家庄铁道学院数理系教授,学士,主要从事粒子物理与核物理及大学物理实验教学等研究.第2期郑乔,等:半导体制冷及其在物理实验中的应用31到
6、金属片中.而图2中N型半导体,其载流子是电子,它与P型半导体的情况刚好相反,即形成在c处吸热,d处放热.若外电场作用,使回路中载流子定向流动持续下去,就会使图2的上空间温度降低,形成冷端,图2的下空间温度升高,形成热端.显然,热电偶对的哪一端为吸热端或放图3半导体制冷片热端由电流的方向决定,且吸收热量和放出热量的大小由电流大小决定.而制冷效率的高低取决于半导体材料的热电转换效率即优值系数Z(载流子浓度和温度的函数)和冷热端的散热效果.图4串联二级半导体制冷电堆图2半导体热电偶对3半导体制冷电堆的设计1对半导体热电偶对制冷量很有
7、限,为获得图5并联二级半导体制冷电堆较大的制冷量,往往需要通过对热电偶对的串联、并联或串并联混合连接,组成半导体制冷电堆,使4半导体制冷在物理实验中的应用前一级(较高温度级)的冷端是后一级的热端散热器,依次类推,形成多级半导体制冷.由于焦4.1半导体制冷型恒温量热器耳热、温差传热及从外部介质吸热等因素的存在热学实验中,温度的控制和测量既是一项[2]在,半导体制冷的每级电堆散热量远大于制冷必不可少的实验环节又是难以控制的实验环境,量,所以高温级的热电偶对数目要比低温级的大以前教学中使用的量热器(或保温杯)由于保温性得多,才能实
8、现制冷电堆的效果.图3所示为常能差、重复性不好等缺点,造成实验效果不好.而用半导体制冷片连接电路,图4、图5分别表示串半导体制冷不仅不需要任何制冷剂,没有污染源联二级半导体制冷电堆和并联二级半导体制冷电和机械振动,易于温
