半导体制冷及其应用

买买提艾则孜•阿不都热合曼

（和田师专物理系 新疆和田 848000）

半导体制冷及其应用

买买提艾则孜•阿不都热合曼

（和田师专物理系 新疆和田 848000）

本文介绍了半导体的制冷原理，制冷片的材料和特点，并说明半导体制冷的物理教学和家用制冷器等应用。

半导体制冷；帕尔帖效应；热电（制冷）材料；制冷电路

半导体制冷是利用温差电效应（帕尔贴效应）的一种制冷方法.它与压缩式，吸收式等机械制冷在原理和设备方面都不同，并相比时，它具有体积小，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，尤其在全球环境保护意识加强的情况下，这项“环境冷源”技术将会在科研，军事，航空，畜牧业，医疗，日常生活等领域中有重要应用。本文将介绍主要是半导体制冷的原理，特性和在物理实验教学及家用电器的应用。

一、半导体（电子）制冷原理

1.帕尔帖效应（Peltier effect）。半导体（电子）制冷又称温差电制冷，热电制冷或者帕尔帖效应。它是由半导体所组成一种制冷装置，于1960左右才出现，然而其理论基础帕尔帖效应（Peltier effect）可追溯到19世纪。如图1是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路。通上电源之后，回路通有直流电流时，在两金属接触点处会出现冷，热端现象。冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是著名的Peltier effect。这现象最早是在1821年，由一位德国科学家Thomas Seeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。到了1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家Jean Peltier，才发现背后真正的原因，这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用，也就是[致冷器]的发明。

图1 帕尔帖效应原理

2.半导体制冷。半导体冰箱的制冷原理如图2所示，把P型半导体与N型半导体用铜片或其他金属片连接起来，通以直流电。当电流从N型半导体流向P型半导体时，会吸收热量；当电流从P型半导体流向N型半导体时，会放出热量。

PN结之所以产生拍尔贴效应，是因为P型半导体是以“空穴”导电，N型半导体是以电子导电，空穴和电子都是载流子。载流子在金属和半导体中的势能大小是不同的。空穴在金属中所具有的势能比空穴在半导体中所具有的势能低，电子在金属中的势能也是比在半导体中的势能低。在如图2所示的PN结中通以直流电，电流的方向由电池的正极流经金属→片→结点1→N型半导体→结点2→金属片→结点3→P型半导体→结点4→金属片→电池负极。

电流流过结点1时，电子在电场作用下，由势能高的N型半导体流向势能低的金属板，要释放多余的势能，这些势能变成热量散发出来。

在结点2中，电子是在电场的作用下，由势能低的金属板向势能高的N型半导体流动。因而要增加势能，这部分势能靠吸取金属板的热量来获得，使金属板冷却而获得冷量。

在结点3中，空穴从势能较低的余属板向势能较高的P型半导体流动，也需要增加势能、吸收热量，使金属板进一步冷却，得到更多的冷量。

在结点4中，空穴从势能较高的P型半导体向势能较低的金属板流动，势能减少，释放出热量。

综上所述，在2、3两结点中通电后吸收热量，称为冷端，在1、4两结点中放出热量称为热端。当直流电流的极性方向改变时，载流子的流动方向相反，冷、热端也就将互换。

半导体制冷的吸热现象和放热现象，是由载流子流过结点时势能的变化而引起能量的传递，这就是半导体制冷的本质。

图2 半导体制冷原理

3.半导体制冷材料。不仅需要N型和P型半导体特性，还要根据掺入的杂质改变半导体的温差电动势率，导电率和导热率使这种特殊半导体能满足制冷的材料。目前实用的半导体制冷材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其成分为：

P型→Bi2Te3+Sb2Te3（P型半导体由74%的三碲化二锑和26%的三碲化二铋组成）；N型→Bi2Te3+Bi2Se3（N型半导体则由80%的三碲化二铋和20%的三硒化二铋组成），用垂直区熔法提取晶体材料。

半导体材料的主要性能参数为：温差电动势率：α=200x 10-6V/K、电导率σ=100.0S/m、热导率 K≈1.6W/（m·k）、优质系数Z≈3x10-3/K。

运用这种半导体材料制成的一对单元热电偶（一对PN结），其产冷量很小，大约 0.117-0.70W，不能满足实际应用的要求。为了满足冰箱的使用要求，可以如图3所示，把各对单元串联起来，组成一组热电偶（或称为一级电堆）。它的最大温差能达到△Tmax=60K，实际工作温差可达 30-40K，并冷端与热端之间的温度差（△T）与电流（I）的关系，如图4所示。在该图中指出了Im是制冷工作的最大电流值。当通入交流电时只能产生焦耳热，不能制冷。

图3

图4

为了达到更低的温度要求，还可把它们串联或并联成二级电堆或三级电堆或多级电堆，如图5所示。

（a）串联二级半导体制冷电堆。

（b）并联二级半导体制冷电堆。

图5 半导体制冷电堆

电堆的连接方法是第二级电堆的热端，紧贴在第一级电堆的冷端上，第一级电堆实际上起着第二级电堆散热器的作用，以后各级的连接方法依次类推。电堆元件数第一级比第二级多，第二级比第三级多，成阶梯状。多级半导体制冷器一般采用2-3级，在电路的连接上可以采用串联、并联和串并联多种形式。

二、半导体制冷的应用

1.半导体制冷在物理实验中的应用。

图6 半导体量热器结构图

（1）半导体制冷型恒温量热器。在热学实验中，温度的控制和测量既是一项必不可少的实验环节又是难以控制的实验环境，以前教学中使用的量热器（或保温杯）由于保温性能差、重复性不好等缺点，造成实验效果不好。而半导体制冷不仅不需要任何制冷剂，没有污染源和机械振动，易于温度控制，而且使用l个器件就可以代替分立的加热和致冷系统，优势是其他任何制冷方式无法比拟的，借助这一优势，可以制成恒温量热器。图6是利用半导体制冷电堆设计的恒温量热器，将半导体制冷片冷端紧贴于量热器内桶壁上，热端置外桶壁上，量热器内、外桶用聚氨脂发泡隔热，防止环境温度变化及空气流造成内桶与外界热交换。为了让热端热量尽快散发，可通过流动空气（安装直流风扇）或循环水散热。量热器内桶温度可通过安装在内桶的温度传感器（半导体PN结）读出，并可通过控制电堆电流方向、大小来实现温度要求。

同理，借助半导体制冷电堆还可制成控温仪（加热或制冷），为热学实验提供方便、可靠的温度环境。

（2）半导体热电特性实验。半导体材料的热电特性在泊尔帖效应上表现得非常显著，而其电压一温度特性常被用来制作温度传感器。借助于半导体材料的这些特点，设计一些热电特性综合实验，不仅使学生对半导体材料的热电特性有全面了解，而且在实验中半导体既可以作为被测材料，又可提供实验条件，同时也可与计算机结合，实时采集温度数据。实验不但物理内容丰富，而且启发学生思维，是一类很好的综合性和设计性实验项目.笔者所在学校为学生开设的这类实验为如图7所示的“半导体热电特性综合实验”，在实验中半导体既被用来提供制冷，又被用来测量 PN结的温度响应范围、禁带宽度等，很受学生欢迎。

图7 半导体热电特性综合装置流程

2.半导体冰箱。半导体冰箱的电气原理图如图8所示。实用的半导体制冷器如图9所示，WCA03-127型外形尺寸为40x40x5mm3，由127对电偶组成，采用12V、3A直流电，温差大于55K，制冷量为34.4W（即123.9kJ/h）。

这种制冷器安装的方法如图10所示，两边分别安装储冷器散热器。储冷器实际上是外形为55x55x30mm3的金属块，其作用是使制冷器产生的冷量均匀分散。散热器可用厚1-2mm，长宽为130x130mm2的铜板，上面焊15-20个用0.3-0.5mm的铜皮做成的U型散热片。

（1）半导体冰箱存在许多优点：1）体积小，在科研、军事、航空、畜牧业、医疗等部门得到了应用。2）无机械转动部件，无噪声、无磨损，运行可靠，维修方便，使用寿命长。3）冷却速度和制冷温度可以通过调节电流的方法来达到，比较方便灵活。4）不需使用制冷剂，无泄漏、冰堵、脏堵等故障，也没有抽空、污染等麻烦。5）制冷制热可逆性强，转换方便。

（2）半导体电子制冷的缺点为：1）制冷温度与环境温度有关（一般低于环境温度20度），不能制冰。2）冰箱容积不能超过100升（高于100升，其制冷效率较低），因此目前还只是应用在某些特殊的场合。3）半导体制冷／热饮水机。图11是电脑控制式冷／热饮水机电路接线图，上部分加热器EH等负责加热工作；下部分电路负责制冷工作。

图8 半导体冰箱电气线路图

图9 WCA03-127型半导体制冷器

图10 半导体制冷器的安装示意图

图11 半导体制冷／热饮水机电路图

第一，制热控制。插上电源插头，220V电源电压通过制热开关S1、温控器STI、加热元件EH、过热保护温控器ST2形成回路。加热元件开始发热对水加热，加热灯HLI亮表示当前正在加热。当水温上升到95℃时，温控器STI自动断开，切断加热元件和加热灯ELI供电回路，停止加热，加热灯同时熄灭。

停止加热后，当水温下到85℃时，温控器STI又自动接通，以后重复上述过程。使水温保持在85℃-95℃。

过热保护由ST2负责。当桶内无水或电路出现短路故障时，过热保护温控器ST2断开，切断220V电源，停止加热。过热保护温控器动作后，需手动复位才能恢复到接通状态。

第二，制冷控制。接通电源后，按下制冷开关S1，220V电源电压通过制冷开关 S2和保险管FU，送变压器初级降压后，送控制板AP，经控制板整流、滤波、稳压变换为+12V和+5V等电压后，作为控缪制板中驱动电路和CPU、PN制冷片等的工作电压，同时控制板对PN制冷片、电机M、指示灯HL2等提供电流回路，制冷片开始制冷，电机M运转进行通风。当水温下降到7℃时，热敏电）阻Rt阻值变大，被控制板检测到后切断PN制冷片、电机M、制冷指示灯HLI电流回路，停止制冷。

停止制冷后，如果水温回升到12℃，Rt的阻值上升到较小值，令控制板再次输出制冷指令，使水温保持在7℃-12℃。

三、结束语

随着制冷技术和物理实验教学内容的综合性和先进性要求的提高，实验对温度的控制及测量也提出了新的要求，如：计算机和自动控制系统要求能自动读出温度值，并随之立即做出反应；实验过程需要提供稳定的温度环境等，传统的量热器、水银温度计及控温手段显然无法适应，半导体制冷刚好弥补了这些缺陷，尤其在当今环保意识加强，它的无污染、无噪声、信息采集方便、可靠性高且易于恒温控制等优点，在科学研究，家用电器及物理实验中的广泛应用和很有意义。

[1]徐淼，周小群.家电维修入门[M].安徽科学技术出版社，2006，P142-P143.

[2]杨尚威.家用电器[M].高等教育出版社，2002，P133.

[3]虞献文.家用电器原理与应用[M].高等教育出版社，2001，P253-P256.

[4]郑乔，刘虎.半导体制冷及其在物理实验中的应用[J].物理实验，2008，P31-P32.

[5]（美）爱德华.S.杨.半导体器件基础[M].人民教育出版社，1983，P162-P165.

买买提艾则孜•阿不都热合曼（1962-），男，维吾尔族，新疆于田人，和田师专物理系副教授，主要从事物理实验教学和半导体技术研究。

2010-06-19