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1、第27卷第5期半导体学报Vol.27No.52006年5月D@;WHQ值、最大制冷温差和响应时间是表征半导体制冷器性能的重要参数.文中介绍了一种能同时测量这三个参数的瞬态方法,并讨论了热沉对测试结果的影响.利用一个由恒流脉冲发生器和数据采集卡组成的简单测试系统测得制冷器在小电流下的电阻电压和塞贝克电压,通过这两个电压推导出>Q值、
2、最大制冷温差.这种瞬态方法是非接触式测量,准确度高,可用于薄膜热电器件测试;另外瞬态方法耗时短,可大大缩短半导体制冷器可靠性测试的周期.采用这种方法对4==×4==×2.4==的热电制冷器进行实验,环境温度300K时,测得>Q值为0.39,最大温差58.5K,响应时间20A.关键词:半导体热电制冷器;瞬态测试方法;电阻电压;塞贝克电压;PACC:6590;0150K;7360[中图分类号:QN66文献标识码:A文章编号:0253-4177(2006)05-0944-04器的ZT值不大于1.当ZT值达到4时热电制冷器[2]1引言的效率与压缩机式制冷器的效率相当.通常半导体制冷器的性能
3、用热电偶、热敏电阻、热电制冷器是根据帕尔贴效应,即利用直流电二极管温度传感器或晶体管温度传感器测试.但这流引起半导体材料中的热量输运,制成的一种简单些测试方法有如下缺点:方便的新型制冷器.其结构简单、无磨损、可靠性好、(1)使用前必须标定,操作过程耗时长.在半导寿命长、启动快、不使用氟利昂,无任何运动部件而体制冷器能量冲击可靠性测试中,制冷器经历数百无噪声,控制灵活,只要接通电源,即可迅速制冷,电到上千次“通电-冷却-通电”的循环过程,每隔几十流反向即可迅速制热.由于这些优点,热电制冷器在次循环,进行一次制冷器性能测试,记录ZT值、电很多领域得到应用,如汽车冰箱、白内障冷冻摘除阻和
4、响应时间,通常整个可靠性测试要花费3,4个[3]器、核潜艇空调、固体激光器的散热器、导弹红外探月.测器探头冷却器、宇航员的空调服等.(2)装置复杂,需要探测器与被测物体接触.测热电制冷器的最大制冷温差和效率用无量纲品试微型超晶格薄膜热电制冷器时,制冷器的温度场质指数>Q值来衡量,>Q=X2σA/β,其中S为塞贝分布会受到探测器的影响,而且其法向参数无法测克系数,σ为电导率,为热导率,T为绝对温度.最量,只能用切向的参数粗略代替,所以现有方法的测β[4]大制冷温差与ZT值的关系可表示为[1]:试结果误差很大.-A2(1)本文提出了一种半导体制冷器测试的瞬态方=aL%0.5>Q法,与现
5、有测试方法相比这种方法的优点是:操作ZT值与热电制冷器效率的关系可表示为:1/2过程耗时短,测试时间略大于制冷器的响应时间,A1[(1&>Q))A1/A2]DO?=aLO(A)[(1&>Q)1/2(2)故可大大缩短半导体制冷器可靠性测试的周期;装2)A1&1]式中COP为制冷器可达到的最大能量转换效置简单,探测器不需要与被测物体接触,能直接测max率;T为冷端温度;T为热端温度,ZT值越高,热得器件法向的参数,并准确预测薄膜热电器件的性12电制冷器的效率就越高,现在大量使用的体态制冷能.*国家重点基础研究发展规划(批准号:2006DN300404),国家自然科学基金(批准号:502
6、76011,50275026),江苏省自然科学基金(批准号:NK2005063)资助项目Z通信作者.H=ai2:F6n:9i349n@A96.976.3n2005-09-23收到,2005-11-25定稿"2006中国电子学会第5期宫昌萌等:一种测试半导体制冷器的瞬态方法945一个周期为80s的脉冲信号,用数模转换器2实验原理及计算公式推导AD7524对脉冲的幅值QP-P调理,以控制输出电流的大小,运放、三极管和电阻M构成一个恒流源,输出电流幅值I/M.电阻M使用一组并联电P-P=QP-P2.1实验原理阻,以增加载流能力.这个电路最大可以提供幅值为制冷器通入电流后,冷端和热端温差-
7、T从零1A的恒流脉冲.增大至稳定值-T的时间叫制冷器的响应时间.max[5]响应时间等于热扩散所耗费的时间.热扩散时间可用公式t=d2/D估算,其中d为冷端到热端的距离,D为热电材料的热扩散系数.对于一般半导体制冷器,d为2mm以上,响应时间为数十秒.热电制冷器两端电压是塞贝克电压Q与电阻S电压Q之和.塞贝克电压Q(4),其中X称RS=S-A为塞贝克系数,4=0时,温差为零,2;随温差<=0增大,2增大;当4大于等于响应时间时,温差上升图2测试电路框图<到最大值-T并
