热动发展动态课程论文--半导体制冷技术概述

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1、半导体制冷技术概述摘要在建设节约型社会和实施可持续发展战略的今天，节能和环保已成为了当今一切科技发展进步的基本要求。利用珀尔贴效应的半导体制冷可以冷却或加热物体，应用与许多场合；半导体制冷具有压缩式、吸收式制冷机无法替代的优点，随着CFC3、HCFC3制冷剂逐渐禁止使用，半导体制冷技术尤其值得我们研究、应用和推广。关键词半导体制冷器珀尔贴效应贝塞克效应优值系数一、半导体制冷技术的发展过程半导体制冷，又称电子制冷、温差电制冷、热电制冷或珀尔帖制冷等，它是利用塞贝克效应的逆效应珀尔贴效应达到致冷目的的。早

2、在1821年，德国科学家ThomasSeeback首先发现，当由两种不同的金属导线组成封闭线路，通上直流电源以后，一端的热量被移到另一端（图1），这就是著名的珀尔贴效应。不过他当时对这种现象做了错误的推论，并没有领悟到其中真正的科学原理。到了1834年，一个法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家JeanPelties才发现背后真正的原因。虽然在十九世纪就发现了珀尔贴效应，但是由于当时只能够使用热电性能差的金属和合金材料，能量转换的效率很低，例如，当时曾用金属材料中的热点性能最好的锑－铋（Sb-Bi

3、）热电偶做成热电发生器，其效率还不到1％。因此热电效应在制冷技术上还没有实际应用。二次世界大战后，热电性能较好的半导体材料的出现推进了半导体制冷技术的理论和实验研究。五十年代以后，半导体材料的性能已有很大的提高，作为特征参数的优值系数Z从0.2×10-31/K提高到3×10-31/K，从而使热电发电和半导体制冷进入工程实践领域。为了争夺未来市场，西方各大电气公司投入了不少力量进行技术和工艺的研究。GE、WH等四家大公司同时对美国海军提出的核潜艇空调和制冷系统热电化进行了不同类型和系统的样机研制，大大推

4、进了半导体制冷技术在这方面的发展。同时，苏联也进行了船用热电空调器和半导体冰箱的研究工作。西方国家还发展了各种便携式的半导体制冷器、小冰箱和经济食品箱等。我国从1956年起也开始了半导体制冷技术的研究。当前，国外专门从事半导体制冷器生产的厂家以MARLOW、MELCOR、CAMBION三家最具代表性。近十年来，全世界各种半导体制冷器件的生产量，以平均10～20%年增长率的速度发展。目前，处于领先地位的是俄罗斯和美国，日本和中国也正在迎头赶上，可以说半导体制冷已成为制冷技术中的一项新的技术热点。二、半导

5、体制冷技术的原理所谓塞贝克效应，就是两种不同金属组成的闭合线路中，如果保持两接触点的温度不同，就会在两个接触点间产生一个电势差（称接触电动势），同时闭合线路中就有电流通过（称温差电流）。反之，在两种小同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个接触点变冷，另一个接触点变热，这种珀尔贴效应，亦称温差电效应。这个现象直接导致了“致冷器”的发明，不过这只能叫致冷器，还不叫半导体致冷器，并且在相当长的一段时间里停留在实验研究阶段。直到21世纪50~60年代，伴随着半导体技术的发展才有了真正实际的应用。实际

6、上，对于任何两种不同的导体构成的接触回路，在接触点处都会有吸热和放热的现象。为什么用半导体材料做制冷器呢？这是因为，在金属导体中参与导电的自由电子平均能量差很小，吸热、放热效应就很微弱；而由于半导体材料内部结构的特点，决定了它产生的温差现象比其他金属要显著的多，所以一般采用半导体材料。半导体的重要特性就是在一定数量的某种杂质渗入半导体之后，不但能大大加大导电能力，而目可以根据掺入杂质的种类和数量制造出不同性质、不同用途的半导体。将一种杂质掺入半导体后，会放出自由电子，这种半导体称为n型半导体。与之相对

7、应的就是靠“空穴”来导电的p型半导体，在外电场作用下“空穴”流动方向和电子流动方向相反，即“空穴”由正极流向负极。n型半导体中的自由电子，p型半导体中的“空穴”，他们都是参与导电，统称为“载流子”。载流子是半导体所特有，是由于掺入杂质的结果。图2为半导体致冷原理。P型半导体和n型半导体材料夹在金属平板间形成通路(称热电对)，在外电场作用下，P型半导体在a点处的空穴，需要从金属片上吸收一定的能量，用以提高自身的势能，才能进入p型半导体内，因此该接点处温度会降低，形成冷接点:而在b点处的空穴，恰恰相反，需

8、要释放掉多余的能量才能进入到金属片中，这时该接点温度上升，形成热接点。而在n型半导体中是自由电子的流动，它和空穴流动的方向相反，在c点处吸收热量才能进入到n型半导体内，在d点处放出热量才能进入到金属片中。因此在a、c这边能吸收外界热量制冷（而b、d这边有多余的热量放出），这就是半导体制冷的奥妙。显然，通过改变电流方面就可以实现由制冷变加热的目的。一对热电对的制冷量很有限，为获得较大的制冷量，可以将很多这样的热电对串联成热电堆，甚至可以再通过串、并联的方法