刘洋信阳师范学院大学生科研项目申请书知识讲解

1、编号:信阳师范学院大学生科研基金项目申请书项目类别：1人文社会科学研究项目2自然科学研究项目3、科技发明与科技制作4、文艺创作所属学科：物理课题名称：半导体咼效制冷性能研究与应用申请者：刘洋所学专业：应用物理学系（院）名称：物理电子工程学院申请日期：2012-9-28信阳师范学院制项目名称半导体高效制冷性能研究与应用项目所属学科领域电子研究类别AA.基础研究B.应用研究成果形式V1、学术论文2、著作 3、调研报告4、科技发明与制作5、文艺作品V 6、其他申请经费总额1200元起止时间2012年11月至2013年11月项目主持人及成员情况类别姓名所学专业科研特长系（院）名称班级科研分工主持人刘洋

2、应用物理学材料分析、工 业设计物电学院2011级应用物理学班主持人项目组 其他 成员赵镇杰应用物理学材料分析物电学院2011级应用物理学班制备新型材 料毕灵军应用物理学材料分析物电学院2011级应用物理学班研究散热系 统指导 教师姓名专业科研方向系（院）名称职称签名罗浩微电子学与 固体电子学电子科学与 技术物理电子工程 学院副教授项目主要研究内容和目标（200字以内）：本研究内容是高效半导体制冷技术及其应用，以节能降耗为前提，从半导体结构和制冷原理方面提高半导体的制冷效率， 从而快速制冷；利用自己设计的半导体制冷片设计一个多功能半导体制冷杯，使其在10分钟达到-15 的制冷效果。有以下几个目标

3、：1. 研究材料结构对制冷效果的影响，改变N型材料颗粒与 P型材料颗粒的相对位置；2. 研究材料性能对制冷效果的影响，米取不同的P、N型材料，掺入不同的杂质；3. 研究各种散热系统对制冷效果的影响。论证报告填写及打印说明：1、 按以下顺序填写，总字数不超过3000字，填写内容较多纸面不够时可另行附页。2、文学艺术类项目申报人可自行设计报告格式。3、 申请书排印规格为 297mnX 210mm（A4纸），除签章、盖章之外，其余内容一律宋体5号字打印。申请书和相 关支撑材料于左侧装订成册。、本课题研究本课题的实际意义和理论意义1、实际意义半导体制冷是利用波耳效应制冷的，当直流电通过时其冷面的热量就

4、会向热面专一使冷面制冷。近年 来半导体制冷被广泛的应用， 如半导体散热器，半导体制冷器件等。 本项目从半导体制冷的理论出发研究, 可以提高半导体制冷效率，不仅仅是达到高效制冷效果，给高效半导体制冷材料提供参考，也使原来的半 导体制冷设备提高制冷效果。半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：1 ）、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件 是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。2 ）、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远 大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系

5、统和制冷系统。3）、其热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载情况下，通电不到一分钟，就能 达到最大温差。冷却速度快，其速度可透过调节工作电压控制，且工作电流或电压的精度要求不高不受重 力和方向影响，因热电器件不需循环流体，故不受重力和方向的影响，适合应用在航天工业上。4）、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度 检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。5）、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到 一分钟，制冷片就能达到最大温差。6）、半导体制冷片的反向使用

6、就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。7）、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组 合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。8）、半导体制冷片的温差范围，从正温 90C到负温度130C都可以实现2。通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以 下几个方面：1 ）、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。2）、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。3）、实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片

7、。4）、专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。5） 、日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、CPU恒温散热、电子信箱等。2、理论意义本项目是结合应用物理专业所学习的知识，从材料结构与材料分析出发，改进材料性能，提高效率； 即将半导体制冷材料提供参考，也达到了实用性效果；目前办到底制冷材料的制冷效率约为0.20.3,远低于压缩式制冷。经过试验研究发现，冷、热端温差对于半导体制冷的效率有很大的影响，通过强化热端散 热方法能使半导体制冷系统性能得到很大的改善。早在20世纪50年代就曾经掀起过一股半导体制冷热潮。但由于当时元件性能较差（即制冷系数太低）

8、而未能进入实用化。半导体制冷材料和工艺是决定这一技术 兴衰的关键，主要是提高半导体材料的优值系数。优值系数Z是用来衡量半导体材料制冷性能的一个技术指标，它决定制冷元件所能达到的最大温差。优值系数越高，制冷性能越好，效率也越高。优值系数主要由半导体材料的温差电动势率a、半导体材料的总导热系数k、电阻率r等参数决定，其公式为：2akr随着载流子浓度的增大，温差电动势率a减小，而电阻率r也减小，总导热系数 k与载流子浓度，使Z达到最大。当载流子浓度接近1019cm-3时，半导体材料的优值系数最高。半导体材料的优值系数 Z是一个随温度而改变的函数，所以选择半导体材料时不仅要求其优值系数要 尽可能大，而

9、且还要求在使用温区内优值系数变化不大，且能始终保持较高值，并满足机械强度、耐热冲 击、可焊接性及材料来源和造价等方面的要求。尽量采用性价比较高的半导体材料来提高制冷能力，可见提高半导体的性能与改善其材料性能有至关重要的作用。参考文献：1 李晓波方玲侏志华等关于新型半导体制冷方法的研究J/OL,科技资讯，2008，N0.31.2 黄焕文冯毅 半导体制冷强化传热研究J/OL.低温与超导,2010，38(8)： 61-63.3 C.B. Vining, V ol. 413, Nature, 2001.4 B. C. Sales, Vol. 295, Scie nee, 2002. 苏成仁.半导体制冷

10、电脑 CPU恒温散热研究J/OL，低温与超导，2011,39( 10)67-69二、本课题的研究内容、特色和创新之处，预计突破哪些难题1、研究内容 半导体制冷工作原理如右图，因为N型半导体的载子为电子， P:禺覚胎型半导体的载子为电洞，所以不同型的热电单元，其电流方向会相反，因此N型半导体的电子和 P型半导体的电洞是往同方向流动的，其中半导体的载子会成为传热的媒介，而外加的直流电源则提供了电子流 动所需的能量。所以在每个热电单元上，载子流的起点均为冷端(coldside)，终点均为热端(hot side)，所以在通上电源后，电子由负极(-)出发，首先经过 P型半导体，于此吸收热量，到了N型半导

11、体处，又将热量放出，每经过一组N、P模块，就有热量由一端被送到另外一端，因为这种主动式地将热量泵送，而造成温差，形成冷热端。由于半导体在电路中产生热量，且热端产生的热量不仅来自本身还来自冷端传送的热量，由于热端的热量会传 递到冷端，当冷端向热端传送的热量速率与热端向冷端传送的速率相等时，冷端的温度达到平衡2。当电流方向相反，热量传递的方向也会相反，利用此原理可做温度控制之用。(1)内部元件：从材料原子结构出发，研究构成不同N型材料与P型材料的元素对整个制冷系统的制冷效果，以及各种不同材料在不同温度下的制冷性能。目前热电材料的选择可依其运作温度分为三类：1) 、碲化铋(Bismuth tellu

12、ride)及其合金：这是时下被广为使用于热电致冷器的材料，低温其最佳运作温度(V 450C )。2) 、碲化铅(Lead telluride)及其合金：这是时下被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000 C。3) 、硅锗合金(Silicon Germanium):此材料亦常应用于热电产生器，其最佳运作温度大约为1300 C材料的效率可由定义材料性质的ZT值(Figure of merit)来评估，其ZT的定义如下式：ZT=S2T d/K其中S 为热电势(thermoelectric power or Seebeck coefficient) (V)T为绝对温度(K)d 为电导率

13、(electrical conductivity) (1/Ohm)K 为热传导系数(thermal conductivity) (W/mK 。焊料：一般而言焊料需比融化点温度咼20 C -30 C，标准型热电模块咼达120 C，咼温型热电模块咼达200C，下表所列内容是为常用焊料之组成成分百分比，以及其熔点温度之比较3-4。Solder TypePerce ntageMelt ing point Temperature,KAn tim only-t inSb-5%,S n-95%230Lead-ti nPb-60%,S n-40%183In dium-leadIn-25%,Pb-75%231改

14、变掺入的杂质种类，从掺入一种到多种。外部元件：半导体冷片的冷热端是有一定温差的，而且还要保障热端不能太热而被烧坏，所以必须要 降低热端的温度，一般热端散热有两种方式：1、风冷2、水冷。风冷的需要风扇散热，风扇的扇叶数，风扇的大小对散热有很大的影响。风冷散热方便简单，但导热效率却不如风冷，对于大功率的制冷器一般用 水冷。2、特色和创新之处1）、通过改变P型、N型材料的性能和组合方式制作高性能的制冷片。从而应用到实际生产中。2）、利用自己设计的制冷片设计一款多功能制冷生活用品，不仅可以当外观精美的台灯、制冷杯， 还可以当做小区域制冷空调。非常具有实用价值。3、 、增加N型材料中每个原子所提供的电子

15、和N型材料中每个原子所产生的空洞，加大电子移动时的传热量与速率，改变 N型材料与P型材料的组合方式。4、增大与传热层的接触面积，改变传统的平面结构，加快冷热面的传热速率。3、预计突破哪些难题1）、P型材料与N型材料的组合问题，选择怎样的几何组合模式。2）、组成P型材料与N型材料内部原子的选取，掺入杂质的选择，以及何种融合方式是最佳的。3）、利用该种制冷片制成的多功能制冷器的设计，由于只多功能的，每一种功能之间的切换怎样去 连贯的完成。4）、多功能制冷器的外观设计三、本课题的研究方法、步骤、可行性论证，研究工作总体安排及进度和预期成果1、研究方法、步骤a. 通过不同用的P型、N型材料组合，获得最

16、佳制冷材料。b. 通过对材料的不同比例掺杂，改变P型、N型半导体材料内部载流子的数量，提高载流子流动速率，提咼载流子的载热量。c. 通过加大散热面积，提高载流子流动的速率，防止半导体制冷器热端被烧坏，降低冷热两端的温差，使冷端温度更低。其技术路线图如下：模拟制备材料 测试结果总结报告3、研究工作总体安排及进度2012年11月 2013年01月2013年03月 2013年05月2013年06月 2013年08月2013年09月 2013年10月2、可行性论证1）、本项目通过理论分析与实验研究相结合，深层次研究半导体制冷材料，由于半导体制冷片是靠 载流子主动传热，从而加大冷端与热端的温差，而本项目

17、正是以此为出发点，通过增大P型材料中的电荷量与N型材料中空洞的数量， 增大半导体材料中载流子的数目与流速，通过降低热端温度从而使冷端的平衡温度降低，且使热端温度保持在工作温度范围内。我们搜集大量的相关信息，查阅了权威人士对半导体 制冷材料改进的方法和建议，通过查阅相关文献初步验证了本项目的可行性。改变P型、N型颗粒与材料组合方式的研究；对P型、N型材料掺入杂质的试验测试； 高效制冷半导体材料成型加工；反馈测试参数，提高效率，改进高效半导体制冷片;2013年10月一一2013年11月：总结报告，结题。4、预期成果1）、研究高效制冷半导体结构2）、设计高效半导体制冷薄片3）、设计具有使用价值的多功能制冷器样品。四、研究工作的资料、设备等准备情况1、我校图书馆有大量的中文文献，可供查阅；自己还从其他高校同学进行英文文献交流，获得一部 分国外先进技术；2、我们物理电子工程学院有良好的实验室和实验条件可供本项目使用，如省级低维材料制备与应用 实验室，可供实验研究；进行材料制备和测试；3 、我院有一支技术精湛的科研指导教师队伍，可随时提供智力支持。指导教师意见:申请者在本领域已有一定的研究，该项目具有很强的可行性。本项目选题科学，论证充分，有一定 的理论广度和深度，项目应用前景广泛。刘洋同学具有较强的科研能力和组织能力，曾参与教师研究课题。本项目组