半导体制冷课件

半导体制冷张昆半导体制冷1概述2原理3特点4系统5应用00:35:3721概述2原理3特点4系统5应用03:40:472概述半导体制冷定义相关背景知识发展历史与现状

概述原理特点系统应用00:35:373概述半导体制冷定义相关背景知识发展历史与现状概述原理特点系

半导体制冷

半导体制冷(亦名热电制冷、温差电制冷或电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利用“珀尔帖”效应的原理达到制冷目的。

概述原理特点系统应用00:35:374半导体制冷半导体制冷(亦名热电制半导体及其特性为什么选择半导体

？热电效应背景知识

概述原理特点系统应用00:35:375半导体及其特性为什么选择半导体？热电效应背景知识概述原理

一半导体及其特性1、什么是半导体？

物体按导电能力分类绝缘体——导电能力很差的物体（如橡胶、塑料、陶瓷等）导体——具有良好的导电能力的物体（如铜、银、铝）半导体——导电能力介于导体和绝缘体之间的物体（如锗、硅、砷化镓及许多金属氧化物）半导体的特性：光敏特性、热敏特性和掺杂特性

概述原理特点系统应用00:35:376一半导体及其特性1、什么是半导体？物体按导电能力分类绝

一半导体及其特性2、典型半导体

典型的半导体是硅Si和锗Ge，都是4价元素。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。

概述原理特点系统应用00:35:377一半导体及其特性2、典型半导体硅原子3、半导体的种类

概述原理特点系统应用00:35:378本征半导体IP型半导体ⅡN型半导体Ⅲ3、半导体的种类概述原理特点系统应用03:40:478本征

这一现象称为本征激发，也称热激发。

当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。

概述原理特点系统应用00:35:379这一现象称为本征激发，也称热激发。当温度升高

可见本征激发同时产生电子空穴对。

与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对

概述原理特点系统应用00:35:3710可见本征激发同时产生电子空穴对。与本征激发相反的现象——复导电机制

概述原理特点系统应用00:35:3711导电机制概述原理特点系统应用03:40:4711N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对

概述原理特点系统应用00:35:3712N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对P型半导体

概述原理特点系统应用00:35:3713空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关

概述原理特点系统应用00:35:3714杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电4、PN结的形成及其单向导电性扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。

概述原理特点系统应用00:35:37154、PN结的形成及其单向导电性扩散运动P区空穴浓度远高于N区4.1PN结的形成漂移运动

概述原理特点系统应用00:35:37164.1PN结的形成漂移运动概述原理特点系统应用03:40

随着扩散运动的进行，在界面N区的一侧，随着电子向P区的扩散，杂质变成正离子；在界面P区的一侧，随着空穴向N区的扩散，杂质变成负离子。所以在N型和P型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层；在P型区一侧会形成负离子薄层。

概述原理特点系统应用00:35:3717随着扩散运动的进行，在界面N区的一侧，随着电子在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少数载流子产生漂移运动。

概述原理特点系统应用00:35:3718在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少4.2PN结的单向导电性PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。

概述原理特点系统应用00:35:37194.2PN结的单向导电性PN结加正向电压导通：概述原理特点PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。

概述原理特点系统应用00:35:3720PN结加反向电压截止：概述原理特点系统应用03:40:47

二为什么选择半导体

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,但其制冷效率还不到1%,根本没有实用价值。随着人们对半导体材料内部结构特点的了解，发现了它产生的温差电现象比其他金属要显著得多。

概述原理特点系统应用00:35:3721二为什么选择半导体普通金属导

三热电效应热电效应

1.塞贝尔(seebeck)效应

2.珀尔帖(peltier)效应3.汤姆逊(thomson)效应半导体制冷的最基本依据

概述原理特点系统应用00:35:3722三热电效应热电效应塞贝尔（seebeck）效应

E=

α.△T（1821年，seebeck）

概述原理特点系统应用00:35:3723塞贝尔（seebeck）效应E=α.△T概述原珀尔帖（poltier）效应其本质是塞贝尔效应的逆效应（1834，poltier）。

概述原理特点系统应用00:35:3724珀尔帖（poltier）效应其本质是塞贝尔效应的逆效应概述汤姆逊（thomson）效应若电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行能量交换。（1855，Thomson）

QT=－τΙΔT

概述原理特点系统应用00:35:3725汤姆逊（thomson）效应若电流流过有温度梯度的导体19世纪30年代~20世纪50年代20世纪80年代~至今国外（分为三个阶段）使用的金属材料的热电性能较差,能量转换的效率很低,无实用价值,热电效应没有得到实质应用半导体材料的广泛应用，热电效应的效率大大提高,热电发电和热电制冷进入工程实践。.提高半导体的热电制冷的性能

开发热电制冷的应用领域历史现状20世纪50年代~20世纪80年代

概述原理特点系统应用00:35:372619世纪30年代~20世纪50年代20世纪80年代~至今20世纪50~60年代20世纪90年代国内开始对半导体制冷进行了研究研究半导体制冷材料的高优值系数,拓宽其应用领域,产品以车用小型冷热箱为主开发出具有广泛实用价值的民用便携式冷热箱、化妆品专用冷藏箱、高低温测试设备以及半导体去湿系列产品历史现状20世纪60年代末至80年代初至2009年半导体制冷组件的主要性能指标已达到国外20世纪90年代水平

概述原理特点系统应用00:35:372720世纪50~60年代20世纪90年代国内开始对半导体制冷进

概述原理特点系统应用结构及材料1工作原理2制冷特性3制冷性能最佳分析4半导体制冷原理、结构及特性分析00:35:3728概述原理特点系统应用结构及材料1工作原理2制冷特性3制冷

相关名词

热电偶由2个金属电桥(1、2)和一对电偶臂(由一块P型半导体和一块N型半导体构成)组成

概述原理特点系统应用00:35:3729相关名词热电偶概述原理特点系统应用03:40:47半导体制冷片（热电制冷片），是由上百对热电偶联成的热电堆。

概述原理特点系统应用00:35:3730半导体制冷片概述原理特点系统应用03:40:4730

一对电偶的制冷量是很小的，如φ6xL7的电偶对,其制冷量仅为3.3～4.2kJ/h（0.92w～1.2w）

为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串联成热电堆，称单级热电堆

单级热电堆在通常情况下只能得到大约50℃的温差。为了得到更低的冷端温度，可用串联、并联及串并联的方法组出多级热电堆，图2-1示出多级热电堆的结构型式。

多级热电堆

概述原理特点系统应用00:35:3731一对电偶的制冷量是很小的，如φ6xL7的电偶对,其制冷图2-1

多级热电堆的结构型式

a)串联二级热电堆

b)并联二级热电堆c)串并联三级热电堆

概述原理特点系统应用00:35:3732图2-1多级热电堆的结构型式概述原理特点系统应用03:

1半导体制冷片的结构及材料基板

一般是陶瓷片，主要成分是95％氧化铝。起电绝缘、导热和支撑作用。在其表面烧结有金属化图形。导流条

其成分多是无氧铜，起导电和导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的金属化图形上。半导体致冷元件

在上下导流条之间，其主要成分是碲化鉍。它是制冷片的主功能部件，分N型元件和P型元件，通过锡焊接在导流条上。

概述原理特点系统应用00:35:37331半导体制冷片的结构及材料基板一般是陶瓷片，主要成分半导体不仅需要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。目前国内常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3N型是Bi2Te3—Bi2Se3

还有其他如：P型AgTiTeN型Bi2Sb合金半导体制冷材料

概述原理特点系统应用00:35:3734半导体不仅需要N型和P型半导体特性还要根据掺入的杂质

2半导体制冷工作原理

概述原理特点系统应用00:35:37352半导体制冷工作原理概述原理00:35:3736机械压缩式制冷系统和热点制冷系统间的相似性

概述原理特点系统应用03:40:4736机械压缩式制冷系统和热点制冷系统间的相似

3制冷特性1.制冷量2.功率3.制冷系数4.制热系数5.冷热端温差

概述原理特点系统应用00:35:37373制冷特性1.制冷量2.功率3.制冷系数4.制

首先讨论一对热电偶的制冷特性

设热结点的温度Th，向外界释放的热量为Qh；冷结点温度Tc，从外界吸收的热量（制冷量）为Q0，热电偶输入电功率为W，回路中电流为I。(2-2)π为peltier系数，α为塞贝克系数（温差电动势率），二者均与半导体自身的物理化学性质有关。冷端的珀尔帖吸热量Qπ若不考虑各种可能的损失，由热力学第一定律：Qh

=

Q0+W(2-1)

概述原理特点系统应用00:35:3738首先讨论一对热电偶的制冷特性(2-2)π为peltie

当电流通过电偶对时，热电元件内要放出焦耳热。焦耳热：(2-3)

式中R为热电元件的电阻。若电偶臂的长度为L,电阻率为ρ1及ρ2，截面积为s1和s2则(2-4)

由于半导体的导热，从电堆热端还要传给冷端一定的导热量

：(2-6)式中k——长L的热电元件总导热系数

若两电偶臂的导热系数及截面积分别为λ1和λ2，s1和s2则：(2-5)

概述原理特点系统应用00:35:3739当电流通过电偶对时，热电元件内要放出焦耳热。焦耳热：(2-8)(2-9)(2-7)电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克服热电势做功，故消耗的功率为

冷端从外界吸收的热量（制冷量）1制冷量2功率3制冷系数

概述原理特点系统应用00:35:3740(2-8)(2-9)(2-7)电偶对工作时，电源既要对电阻做4制热系数(2-10)5冷热端温差(2-11)

概述原理特点系统应用00:35:37414制热系数(2-10)5冷热端温差(2-11)概述原理特

4制冷性能最佳分析1.最大温差2.最大制冷量3.最佳经济性

概述原理特点系统应用00:35:37424制冷性能最佳分析1.最大温差2.最大制冷量3.最佳经（1）获得最大温差△Tmax的条件

在电流I为某一定值的情况下，令Q0

=0，由式(2-7)得：(2-12)

将上式对I取偏导数，并令其等于零，就可以求出最佳电流值与其对应的最大温降:将式(2-4)及(2-6)代入式(2-12)得:(2-13)(2-14)(2-15)

概述原理特点系统应用00:35:3743（1）获得最大温差△Tmax的条件在电流I为某一定

若两电偶臂的几何尺寸相同，具有相同的导热系数(λ1=λ2

)及相同的电阻率（s1=s2)，则式（2-15）变为(2-16)(2-17)式中 r=1/ρ

——热电元件材料的电导率由此可见:热电制冷的最大温差取决于材料的α、r、λ

组成的一个综合参数。此综合参数称为制造电偶对材料的优值系数Z，即(2-18)

概述原理特点系统应用00:35:3744若两电偶臂的几何尺寸相同，具有相同的导热系数(λ1优值系数优值系数Z，只与电偶材料的物理性质（温差电动势、电导率、导热系数）有关。是评价电偶热电性能的综合参数。通常，

当Th=293K,

TC

=273K时，可算得εmax

=1.66，而相同工作区间的逆卡诺制冷系数若将半导体制冷系数提高到2.0以上,则其优值系数需提高到

的水平。目前为止室温下优质系数最高的材料是Ag0.58Cu0.29Ti0.29Te四元合金，在300K时的优值系数可达

概述原理特点系统应用00:35:3745优值系数优值系数Z概述原理特点系统应用03:40:474（2）制冷量最大的条件由

可以看出，工作温度一定时，制冷量的大小与电流有关，对式（2-7）对电流求偏导数并令其为零。得到使制冷量Q0取得极值的电流为

(2-7)(2-20)(2-19)

概述原理特点系统应用00:35:3746（2）制冷量最大的条件由可见

一定的电偶对的最大制冷量只和冷端温度Tc有关（Th一定时）；

当工作温度和材料性质（α、λ、ρ）一定时，最大制冷量只和电偶的尺寸有关，短粗的电偶制冷量大，细长的电偶制冷量小。

概述原理特点系统应用00:35:3747可见概述原理特点系统应用03:40:4747（3）制冷系数最佳的条件(2-21)式中

(2-22)对式对电流取偏倒数，并令其等于零，得到与最大制冷系数相对应的电流

概述原理特点系统应用00:35:3748（3）制冷系数最佳的条件(2-21)式中(2-22)对式故制冷系数ε

与温差

Th–Tc以及材料优值系数Z有显著关系。当工作温度一定时，热电偶的优值系数Z越大，则材料的热点性能越好，制冷效率越高。

概述原理特点系统应用00:35:3749故制冷系数ε与温差Th–Tc以及材料优值系数Z有半导体制冷特点优点缺点热点及难点

概述原理特点系统应用00:35:3750半导体制冷特点优点缺点热点及难点概述原理特点系统应用03温度调控精度高冷热转换方便制热迅速寿命长无制冷剂无运动部件尺寸小质量轻不受空间方向影响优点

概述原理特点系统应用00:35:3751温度调控精度高冷热转换方便制热迅速寿命长无制冷剂无运动部件尺

经济性差

应用范围有限23缺点制冷效率低1

概述原理特点系统应用00:35:3752经济性差应用范围高优质系数的半导体材料1冷热端散热的设计2半导体制冷新理论及半导体制冷新技术3当前研究的热点及难点

概述原理特点系统应用00:35:3753高优质系数的半导体材料1冷热端散热的设计2半导体制冷新理论及定义结构分类

概述原理特点系统应用

半导体制冷空调00:35:3754定义结构分类概述原理特点系统应用半导体制冷空调03:4结构组成热电堆冷热端散热器风机直流电源基板

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概述原理特点系统应用00:35:3756按电源形式电网太阳能蓄电池按散热方式风冷水冷相变潜热按应用强迫通风散热半导体制冷空调器系统图

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