16半导体制冷技术原理与应用10

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1、半导体制冷技术原理与应用李洪斌杨先半导体制冷(Semiconductorrefrigeration)又称由3块金属板(1、2、3)和一对电偶臂(由一块P电子制冷、温差制冷或者热电制冷,是上世纪60年型半导体和一块N型半导体构成)组成的热电偶,代后迅速发展起来的一项制冷技术。与普通制冷技在通以图3所示的电流时,金属板1会从周围吸收术不同,半导体制冷不采用压缩机和制冷剂,不依赖热量,而金属板2、3则释放热量。金属板1作为工制冷剂的相变传递热量,在直流电流通过具有热电作端可达到制冷目的,将电源极性反过来(即通以反转化效应的导体组成的回路时,利用热量转移特性方向电流),

2、金属板2、3吸收热量,金属板1释放热制冷,是一种科技含量高的全新制冷技术。半导体量,还把板1作为工作端,就是制热器了。实验表制冷系统无压缩机和制冷工质、结构简单、成本低、明,与普通金属相比,半导体电路的珀尔帖效应明显寿命长、绿色环保,工作过程无振动、无噪音,也不必增强。图3中这对电偶制冷量很小,通常只有几百担心工质泄露破坏大气层,目前已在低温超导技术、毫瓦到二三瓦之间,一般不能满足制冷需要。为了低温生物学、低温外科学,低温电子学,通讯技术,红得到更好的制冷效果,通常串联、并联、混联上述电外技术,激光技术,以及空间技术等领域广泛应用。偶组成制冷电堆,获得数瓦到数千

3、瓦的制冷量。一、半导体制冷原理及特点热电效应是半导体制冷的最基本依据,其中最著名的是塞贝尔效应和珀尔帖效应。1821年塞贝尔发现在用两种不同导体组成闭合回路中,当两个连接点温度不同时(T1

4、尔效应的逆效应(图2)。样,外夹两片陶瓷片。陶瓷片必须绝缘,而且导热性能良好(图4)。图1塞贝尔效应图2珀尔贴效应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,但其制冷效率图4半导体制冷器实物图还不到1%,根本没有实用价值,因此珀尔帖效应长并非所有半导体材料都能制作半导体制冷器,时间不受重视。但是随着材料科学的进一步发展,这里所说的半导体材料不是大家熟悉和常见的制造人们发现半导体材料的珀尔帖效应远强于普通金二极管、三极管等电子器件的硅(Si)或锗(Ge),而是属。相对复杂的化合物半导体

5、,如P型的Bi2Te3-#34#现代物理知识Sb2Te3、AgTiTe、AgCuTiTe及N型的B-iSb合金列车车厢、军用通讯车辆、地下工程等(这些场合首等。衡量半导体材料热电性能的系数用Z表示,称先要求制冷系统运行有效稳定,其次才是运行成本)为优值系数。它是一个与材料的温差电动势率、电已有成功应用。环保电动汽车将是未来汽车市场的导率、电阻率、热导率(包括晶格热导率、电子热导主流产品,而汽车中的制冷空调负载很大,珀尔帖半率)相关的综合参数,其量纲为K-1。上述几种材料导体制冷元件和电池活性剂可使电池至少可连续工-3-1作8小时以上,满足了行车时的制冷需要。目前

6、,日的Z值在3@10K左右。该值越大,说明材料的热电性能越好,制作的制冷器在相同条件下的制本、美国的一些大公司正在加紧这方面的研发工作。冷效率就越高。同种半导体材料的Z值还与温度电子器件冷却(散热)方面电子器件的可靠性有关,温度不同Z值就不同,也就是说同种半导体与温度紧密相关。通常温度每升高1e,电子设备材料在常温下可做制冷材料,而在低温下因为Z值的失效率就要上升2%~3%。美国军方研究表明,改变就不行了。航空、航天电子设备中有20%左右的现场失效是因和传统的蒸气压缩式,蒸气喷射式和吸收式制温度过高所致。因而提高电子产品的可靠性就要采冷等技术相比,半导体制冷具有

7、以下特点:不使用制取必要的散热措施,在小面积、小体积和小功率环境冷剂、不污染环境,绿色环保;体积小、重量轻、结构下采用半导体制冷最为有效。目前计算机奔腾系列简单、容易操作;可只冷却某一专门元件或指定空CPU芯片的散热就是采用半导体制冷手段。这类间;可在失重或超重等极端环境下运行;制冷系统无散热系统通常包括半导体制冷器组件、散热器和风机械转动,所以无噪音、无磨损、运行可靠、维护方扇,可把CPU的温度维持在30e左右,大大提高了便;便于通过改变电流方向达到冷却和加热的不同芯片工作的可靠性。目的;具有发电能力,在制冷组件两面建立温差可产生物、医学方面在生物学中,观察、

8、研究切片生直流电;冷却速