软控半导体制冷技术在CPU散热器上的应用*

罗 毅



软控半导体制冷技术在CPU散热器上的应用*

罗 毅

（贵阳学院机械工程学院，贵州贵阳550005）

摘 要：利用珀尔帖原理，在一种由N型和P型半导体所组成的电偶对中通以直流电，在电偶对的不同结点处会产生吸热和放热的现象，再将该半导体制冷片应用于CPU上。因其具有实时性好、可控性高、体积小、寿命长等优点，非常适合于CPU的散热领域。

关键词：半导体制冷；珀尔帖效应；电偶对；散热器

0 引言

自1946年世界上第一台计算机诞生至今，其数量一直以指数的形式增长，有关数据显示：2016年世界计算机的市场容量为8.41亿台。从第一代电子管计算机到今天的超大规模集成电路计算机，其性能更加优越，功能更加完善，随着科学技术的不断发展，高端计算机也将逐渐问世。而计算机的核心器件——CPU，其发展也得到了很大的突破，尤其是其工作频率的不断提高，使其速度得到了空前的飞跃，大大提高了计算机的处理速度。高端机必然会用到高端的芯片组，市场上的奔腾系列、AMD系列的双核、四核甚至是八核也必将成为消费者的目标。高端的CPU也将带来一些问题，如：传统的风冷散热系统将不能满足用户的要求，高速运转的风扇不仅散热效果不好，而且在它高速运转的同时还会产生热量，因此没有良好的散热系统为高端的计算机保驾护航，它良好的性能将得不到充分的发挥。散热系统将成为未来计算机发展的瓶颈，怎样才能解决呢？在这里我们引出了半导体制冷技术。

1 半导体制冷技术研究

1.1 制冷原理

我们可以将珀尔帖原理（Peltier principle）应用到CPU散热器领域，珀尔帖效应是在两种不同的金属半导体材料之间所产生的一种电子效应。采用特制的N型半导体材料（我国的N型半导体材料为Bi2Te3-Sb2Te3）以及特制的P型半导体材料（我国的P型半导体材料为Bi2Te3-Sb2Se3），然后用铜连接片将两种半导体焊接成一电偶对而组成的，如图1所示。

图　1 半导体电偶对原理Fig.1 The principle of semiconductor galvanic couple

直流电从N型半导体流向P型半导体时，在2、3端的铜片上产生吸热现象，在1、4端的铜片上产生放热现象［3］。因为空穴在金属中具有的能量，低于在P型半导体中空穴所具有的能量，所以当空穴在电场的作用下，由金属片通过结点3到达P型半导体时必然增加一部分能量。但空穴本身是无法增加能量的，因而只有从金属片中吸收能量，并把这部分热能转化为空穴的势能，从而使得在结点3处的金属片冷却下来。而当空穴沿P型半导体通过结点流向金属片时，由于P型半导体的空穴能量大于金属中空穴的能量而要释放多余能量，并将其以热能的形式释放出来，所以结点4处的金属被加热。

同时，电子在金属中具有的势能低于在N型半导体中电子所具有的势能，在电场的作用下，电子从金属中通过结点2到达N型半导体时，必然增加势能，这部分势能也只能从金属片的热能中吸收获得，因此使结点2处的金属片冷却下来。当电子从N型半导体通过结点流向金属片时，因电子是由势能较高的地方运动到势能较低的地方，故释放多余的势能，并将它变成热能，使结点1处的金属被加热。这样上部分的金属被冷却下来，成为冷端，而下部分的金属放出热量，成为热端。

1.2 珀尔帖效应中能量的计算

若不考虑电子的热平均动能，则当一个点自左边的金属进入半导体材料的导带时（能量为E），其吸收或放出的热量为E-EF，这里EC＜E＜ECM，EC和ECM分别为导带底和导带顶的能量。假定导带底离开费米能级较远，即费米分布可以用波尔兹曼分布近似，并把积分上限外推到无穷大，则每个电子平均吸收的能量为

2 软控半导体散热器的组成及技术特点

2.1 散热器的组成

应用于计算机的软控半导体散热器，可在原始的“CPU散热器-CPU组合体”中加装一个半导体制冷片（厚约5 mm），试验证明完全可以在已有的CPU上加装该制冷片。具体组成结构是在CPU上加装一个陶瓷框（避免制冷片的局部高温或局部低温导致结霜、结露），在陶瓷框里充填硅胶（一种具有良好导热性能的材料），在CPU和制冷片之间形成改良好的导热通道，再将半导体制冷片压入陶瓷框里，如图2所示。

这样就构成了散热器的基本结构，如果使用在台式机上还可以加装风扇，以满足更高的设备要求。但随着社会的进步，笔记本电脑、掌上电脑等以其体积小、轻便、节能等诸多优点越来越受到人们的关注，但体积小也导致了风扇的无法加装，这就限制了它所使用的制冷片的功率（大功率的制冷片会在热端和冷端之间产生很大的温差，导致制冷片损坏）。

图2 CPU散热器组成结构Fig.2 The structure of CPU radiator

2.2 散热器的技术特点

2.2.1 散热效果好

由原理易知，半导体散热器的效果要比传统的散热器效果好的多。用户一般认为在风冷散热器中，只要风扇的转速越高它的散热效果就越好，甚至许多用户在选购CPU时，风扇的转速也成为他们考虑的一个硬件指标，其实这种做法是不完全正确的。传统的风冷散热器在一个小的范围内，它的散热效果是和它的转速成正比的，随着转速的加大，风扇在高速运转的过程中本身也会产生热量，因此它的散热效果反而会受到限制。而将制冷技术应用于散热器，效果就会非常好，例如：2013年Nextreme公司发布了全世界最小的半导体散热块，这款名为UPFOptocooler的散热块面积仅有0.55 mm2，而且散热效果非常好。在25℃的环境下，它最高可以吸收420 mW的热量，效率可达78 W/ cm2，而在85℃时，效率可达112 W/cm2。

2.2.2 体积小，对任何计算机都适用

半导体制冷技术的飞速发展为半导体制冷散热片的成熟提供了保障，它逐渐向着体积小，效率高的方向发展。这使得它不仅可以加装在CPU成品上，用于台式机，也可以集成在CPU内部用于笔记本电脑，而对于大型的服务器，则可以加装大功率的制冷片，以满足需求。

2.2.3 易于控制

（1）手动控制

可以开发一款应用软件，来控制散热器，在计算机主板上有一个对CPU风扇供电的电路（CPU -FAN电路）。我们可以通过集成在CPU上的感温头检测温度，用软件将检测信息反馈给用户，用户得知温度的变化后，对软件做相应的设置，然后通过调节可控硅片，来调节CPU-FAN电路上的电压。

（2）自动控制

用户在安装软件时对软件做相应的设置，当温度的变化激活软件时，软件作自动处理，从而实现自动控制的功能，控制原理如图3所示。

图3 循环自动控制原理Fig.3 The principle of loop automatic controlling

3 结论

利用珀尔帖原理，将制冷技术应用于CPU散热领域，具有实时性好、可控性高、体积小、寿命长等优点。它将作为新型的散热技术，以其高效的散热能力，为高端的计算机在未来普及打下坚实的基础，它将带来又一次的技术革新，为我们的生活带来越来越多的便利。

参考文献：

［1］谢玲.半导体制冷技术的发展与应用［J］.洁净与空调技术，2010（10）：13-15.

［2］申勇.用半导体制冷片为CPU降温［J］.承德职业学院学报，2011（2）：60-61.

［3］赵培聪.半导体制冷片对电子元件降温效果的试验研究［J］.流体机械，2012（8）：123-125.

［4］朱冬生.电子元器件热点冷却技术研究进展［J］.微电子学，2009（5）：78-80.

［5］何燕.半导体制冷研究概述［J］.科技创新导报，2009 （7）：162-164.

中图分类号：TP332

文献标识码：A

文章编号：1673-6125（2016）02-0037-03

收稿日期：2016-04-28

作者简介：罗 毅（1980-），男，贵州贵阳人，讲师、硕士。主要研究方向：电子信息工程。

Software controlling semiconductor refrigerating technology in the application of CPU radiators

LUO Yi
（Guiyang university，School of mechanical engineering，Guiyang 550005，China）

Abstract：Using the peltier principle，when set up a direct current to galvanic couple which composed of N model and P mode transmit，it will produce the phenomenon of absorbing heat and giving out heat on the different nodal point of the galvanic couples，then apply the semiconductor refrigeration piece on CPU.because it has many advantages such as good real-time operation，highly control engineering，small volume and long life etc，so it’s appropriate for the domain of heat radiation of CPU.

Key words：Semiconductor refrigeration；Peltier effect；galvanic couple；radiator