半导体制冷技术

半导体制冷技术 半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年代发展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，它利用特种半导体材料构成的P-N结，形成热电偶对，产生珀尔帖效应，即通过直流电制冷的一种新型制冷，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。 1834年，法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，再将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，他惊奇的发现一个接头变热，另一个接头变冷;这个现象后来就被称为"帕尔帖效应"。"帕尔帖效应"的物理原理为:电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，就会释放出多余的热量。反之，就需要从外界吸收热量(即现为制冷)。利用这种热电效应可以进行制冷和制热。但是，由于金属导体的珀尔帖效应很微弱，故一度未能引起人们的重视。随着科学技术的进步，半导体冶金技术不断提高，人们研制出各种优质半导体材料，并且发现，半导体材料的珀尔帖效应比金属导体强得多，于是，半导体制冷技术迅速发展起来。由于半导体制冷比其它传统制冷有许多优点，所以，很快研制出新型的半导体制冷器，并进入了市场。 一. 半导体制冷(热)的物理原理 半导体制冷(热)是利用固体材料的珀尔帖效应，下面我们分析产生这种效应的基本原理。 不同的固体材料，具有不同的原子能级，因而载流子在不同固体材料中的势能不同。在外加电场作用下，载流子越过势垒由低势能材料流向高势能材料时，必须吸取热量(能量)，在两种材料的连结处出现致冷现象。反之，当载流子由高势能材流向低势能材料时，会放出热量(能量)，在连结处出现致热现象。研究表明:载流子在半导体中的势能高于在金属导体中的势能，因而从金属材料流向半导体材料时，吸收热量。反之，放出热量。 图19-1是半导体制冷(热) 的原里图。它是由三块金属板1、 2、3和一块N型半导体(电子导 体)以及一块P型 半导体(空 穴导电)组成的热电偶。当通以 如图19-1所示的电流时，电子 由金属板1通过结点a 流向N 型半导体，电子势能增大，并从 金属板1吸热，使之变冷。当N 型半导体中的电子通过结点d 进入金属板3时，势能由大变小， 于是放出热量(能量)，使金属 板3变热。同理，当电流由金属 板1流向P型半导体时，空穴由 金属板1通过结点b 流入P型半 导体，势能增大，并从金属吸收 热量(能量)，使之变冷;随之， 空穴通过结点C到达金属板2 时，势能由大变小，放出热量(能 量)，使金属板2变热。 因 此，当通以直流电流时，金属板 1成为冷端，金属板2、3成为热 端。显然，如果改变电流方向， 则N型和P型半导体中的载流子 的运行方向也随之改变，冷、热 端也反过来，即原来的制冷器也 变成制热器了。 二. 最大制冷量与最大温差 半导体制冷(热)量主要决定于珀尔帖效应产生的珀尔帖热。但实际过程中，由于电流通过电阻元件(如N型和P型半导体电偶 臂)时产生的焦耳热和由于冷热端温差引起的热传导热量会降低制冷(热)效果，必须一并加以考虑。单位时间珀尔帖热提供的制冷量 其中 、 分别为P型、N型半导体电偶臂的温差系数。 为 正值， 为负值。I是流过半导体电偶臂的电流， 为冷端温度。 单位时间焦耳热提供给冷端的热量: 其中R为半导体电偶臂的总电阻，1/2是考虑到冷热端各承受一半焦耳热。 单位时间从热端传给冷端的热传导热量: 其中K为总导热系数， 、 分别为热、冷端的温度， ，称为冷热端的温差。 联合上面三个式子，可以求得致冷器的冷端单位时间获得的实际制冷量 利用数字上求极大值的方法，容易求得制冷器的最大制冷量和最大温差。由 可得到与最大制冷量对应的最佳电流。 相应的最大制冷量 在低温技术中，常常把获得最低 温度作为制冷的目的。当 ，即 时，系统不 再继续降温，系统的温差表示成 由 求出获得最大温差时的最佳电流 相应的最大温差 其中 称为半导体电偶臂材料的优质系数，表征半导体材料的综合性能。提高半导体材料的优质系数Z，可提高制冷效果。 由上面的分析可见，由单个热电偶所获得的制冷量和温差都是有限的，应用上常常将多个热电偶串联、并联或串并联混合组成多级 热电偶堆以获得最大的制冷量和最大温差。这时制冷器冷热端的总温差等于各级温差之和，即 图19-2是多级热电堆的示意图。 三. 半导体电冰箱的结构与工作原理 根据上述物理原理，我们可以制成半导体制冷机——半导体电冰箱。图19-3是半导体电冰箱的结构简图，它由电流系统、半导体制冷设备、温控系统和箱体等四部分组成。起工作原理是:交流电通过电流系统整流作为直流电源。直流电通过热电堆，进行制冷，热电堆的冷端藏在箱体内部， 热电堆工作时冷端吸取箱体内的热量，使箱体内部温度降低，热端置于箱体外部，通过散热器把热量散发出去。在箱体内部安装有温控器，它可以控制开关K，当箱体内部的温度高于所需的控制温度时，开关K自动调向电压较底的位置，当温度低于 控制温度时，开关K自动调向电压较高的位置，这样可以控制流过热电堆的电流，从而调节制冷量，达到控制箱体内部温度的目的。过热继电器安装在热电堆的热端，用以防止热电堆热端温度而被烧毁。 半导体制冷设备是半导体 电冰箱的主要部件，它由热电 堆，电绝缘导热层、冷板和散热 器组成。 图19-4是一级热 电堆制冷设备的示意图。其中半 导体电偶臂用半导体材料 、 、 、等元素混合物的 固熔体以区熔拉晶法来制造，散 热器可用铜或铝材料作成翅形 叶片状或针状，还可辅以风机来 强制冷却。 一般半导体电 冰箱对降温要求不高，用一级热 电堆就就已足够了。 四. 半导体制冷的优点和应用前景 半导体制冷不但可以用来制成家用半导体电冰箱和半导体空调器(改变电流方向则可由制冷变成制热机)，而且由于它具有结构简单、体积小、无噪声、无工质泄露引起污染、温度稳定、降温快等许多优点，因此，可以广泛应用于各个领域，在工业方 面，可作为电子器件的冷却器，国防科技方面，可安装在潜艇、飞机、宇宙飞船上，或装置在飞行员、宇航员、消防员、坦克手等的特殊衣服上;医学上，由于设置简单、降温快，可用于冰冻麻醉、冷冻止血、冷冻切除以及血浆、疫苗、药品等的冷冻保存等方面。 可是，目前由于半导体制冷的效率尚不如压缩制冷器高，加上能源紧张，因此，未能广泛应用。但是，可以预见，随着科学技术的发展，半导体优质材料的研制成功，半导体制冷效率不断提高，半导体制冷必然会取代压缩式机械制冷。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统和制冷系统。 3、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。 4、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。 5、半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。 6、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。 7、半导体制冷片的温差范围，从正温90?到负温度130?都可以实现。 传统空调和冰箱制冷技术采用氟利昂或其它化合物制剂来实现制冷，氟利昂或其它化合物制剂的泄漏，对周围环境会造成一定的污染，更主要的是这些制冷剂对大气臭氧层具有强烈的破坏作用，已经相继被淘汰出局。而现代化高科技的半导体制冷技术，不需任何制冷剂，仅仅利用半导体的珀尔帖效应就能实现制冷。在致力于保护全球环境的今天，研制开发一种性能优越，对环境无害的制冷技术已经成为全球制冷技术科学研究领域的一个重要课题。所以半导体制冷技术具有广阔的发展前景。导体的热电效应主要包括:塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效应。而半 导体制冷技术是利用了珀尔帖效应。 珀尔帖效应是塞贝克效应的逆效应，珀尔帖效应所产生的热量称为珀尔帖热，其大小与回路的电流强度成正比，方向将随着电流 方向的改变而发生变更，即冷端与热端互换。 其机理主要是电荷载体在不同的材料中处于不同的能量级，在外电场的作用下，电荷载体从高能级的材料向低能级的材料运动时，便会释放出多余的能量。反之，电荷载体从低能级的材料向高能级的材料运动时，需从外界吸收能量。能量在不同材料的交接面以热的形式放出或吸收。金属材料的珀尔帖效应较微弱，而半导体材料的珀尔帖效应则强得多，所以在实际工程中采用半导1 半导 体制冷技术的特点 与压缩式制冷机相比，半导体制冷器具有以下优点: (1)无运动部件，因而工作时无噪声，无磨损、寿命长，可靠 性高。 (2)不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染。 (3)半导体制冷器参数不受空间方向的影响，即不受重力场影 响，在航天航空领域中有广泛的应 用。 (4)作用速度快，工作可靠，使用寿命长，易控制，调节方便， 可通过调节工作电流大小来调节 器制冷能力。也可通过切换电流的方向来改变其制冷或供暖的 工作状态。 (5)尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环境。 半导体制冷器虽有许多优点，但也有一些缺点有待克服。 (1)在大制冷量的情况下，半导体制冷器的制冷效率比机械压缩式冷冻机低。因此，半导体制冷器只能用作小功率制冷器。 (2)电偶对中的电源只能使用直流电源，如果使用交流电源， 就会产生焦耳热，达不到吸热降温的目的 (3)电偶堆元件采用高纯稀有材料，再加上工艺条件尚未十分成熟，导致元件成本比较高，目前还不能在普通制冷领域广泛使用。 2 半导体制冷技术的应用 半导体制冷器作为先进的无污染制冷器材，将在工农业、医疗、科研、国防等领域得到广泛的应用。目前国内外半导体制冷器已有 数十个应用项目，新的应用项目仍在不断开发中。 (1)在电子工业中，半导体制冷器作为低温温度稳定器，可用来提高电子元器件的性能。例如，在半导体制冷器产生的低温环境中，红外探测器性能明显提高，即响应时间缩短，灵敏度提高，响 应波长展宽，背景噪音下降;光电倍增管暗电流和噪声降低;石英晶 体振荡频率稳定等等。 (2)半导体制冷器作为一种冷源，可以代替干冰，实现无冷媒的冷源，用于测量、控制和提高工艺性能。例如，在真空扩散泵中采用冷阱，真空度可提高一个数量级。在中，半导体制冷器用于样品的凝固点、浊点分析和测定时，可对任意点进行简易可靠的温度控制，减小了通常用冰、二氧化碳干冰或机械制冷所带来的 麻烦。 (3)半导体制冷器可用于气象学中的露点温度测定、照片及x光底片定影显影、材料行业的低温物理性能实验、工业气体含水量 的测定与控制等。 (4)在医疗和临床上，病理半导体冷冻机已得到广泛的应用。因此，手术病理十几分钟就可做出(常规石蜡切片一般要23天)，大大提高了诊断周期，为外科医生及时确定手术提供了可靠的依据。在脑外颅脑降温帽、眼科白内障摘除器、半导体冷冻刀、皮肤冷冻治疗中也得到应用。用半导体制冷器可制作冷热一体箱，即将冷端做成冰箱，热端做成温箱，实现一机两用，节省能源。 用半 导体制冷器做成的药用半导体冷藏箱，可以很好的保存血浆、 疫苗、血清、药品等。 (5)计算机主板上的CPU正常工作时就会散发热量，多数采用小风扇降温，噪音较大。如果将小风扇改为半导体制冷器，降温效 果会更好。 (6)半导体制冷器也使用在车辆、核潜艇、驱逐舰、深潜器、减压舱、地下建筑等特殊环境下的空调、冷藏和降湿装置。随着制冷性能的不断提高，成本逐渐降低，半导体制冷器必将得到广泛的 应用。 3 半导体制冷材料及器件的发展动向 在过去的二十多年里，半导体制冷材料及其器件的研究没有取得突破性的进展，要想制造出性能优良的半导体制冷组件，制冷材料必须具有较高的优值系数(zT)。目前世界上具有最高zT值的半导体制冷材料是Bi21b合金。最近，在热电(电子)制冷领域，世界 上出现了对两种新型半导体制冷 材料及其器件的研究热潮，并取得了一定的进展。这两种新型半导体制冷材料及器件分别为半导体量子阱超晶格薄膜材料及其器件与方钴矿类高温半导体制冷材料及其器件。用半导体量子阱超晶格结构获得较高zT值的设想是美国Massachusetts技术学院的L.D.Hievs及M.S.Dre8 L halls于1993年首先提出来的。他们在理论上计算了用单带材料及双带材料分别形成二维量子阱结构后 对zI’值的影响。所谓单带材料就是指具有一种载流子(电子或空 穴)的半导体热 电材料，目前具有最高zI'值的热电材料都是单带材料。双带材料如半金属不是理想的热电材料，用这些材料形成二维量子阱超晶格结构之后，可以有效地分离双带，转变成有效的单载流子系统材料。他们的理论计算表明二维量子阱超品格结构的zr值比单带材料有显著提高。在300K下，zT值可以达到3.0以上，是传统热电材料Bi2 合金的3倍。这一理论结果的发表，引起了科研工作者的研究兴趣，因为如果从实验上zT值能够达到这一值，可望热电制冷技术能与其它制冷技术如机械制冷技术相抗衡。目前开展量子阱超晶格结构的半导体制冷材料及其器件研究的国家有美国，日本，乌克兰，德国等，其中以美国，日本的研究力量最为强大。 另一个值得关注的问题足高温半导体热电材料及其器件的研究。美国发现一种新型的热电材料，这种材料在高温下具有优良的输运特性，它是方钴大家族的成员，在热电应用方面显示出巨大的潜力。这种热电材料具有多晶结构，在高温下(一般在650度 750度)用粉末冶金技术制备而成，在350度一750度的温度范围内显示出超常的热电特性。例如，CeFe3.5Co0.5Sb12体材料，具有P型电导率，在600度下优值系数zT达到1.4，与其它能量转换材料相比，用这种材料制成的组件有一定的优势，如可靠性强，适应于高温不良环境，有利于环保等。但这种材料也有其弱点，其晶格 热导率较高，在300K下可以达到0.01 0.15W/cmK。目前科研工作者正在尝试用不同技术来减小该材料的晶格热导率，已有的实验结果表明，这种材料的热导率有可能得到进一步降低，以获得较大的 优值系数。 我国在以上两个方面的研究工作尚有一个空白。就最近两届国际热电技术年会来说，第十五届国际热电技术年会于1996年3月在美国加利福尼亚州召开，我国没有代表参加这次年会，第十六届国际热电技术年会于1997年8月在德国召开，我国有两个单位提交了论文，但工作主要集中在传统热电制冷组件方面，据了解，我国已有实验室开始从事量子阱超晶格热电材料的研究工作。运用半导体技术进行家电制冷，将消除由生产工艺带来的环境污染，同时也大大的节约了能源，因此对于这项技术的研发成为一个热点。然而，由于技术水平等原因，开发大功率的半导体制冷元件也一直是 个难点。 目前国内对半导体制冷技术也有进展，已经研制出双内循环储冷式半导体交换器，它与半导体能源组件、散热系统构成一个能量转换系统。这种交换器可以方便应用于冰箱、空调器等制冷产品中，是取代机械压缩泵和氟里昂制冷剂的绿色环保产品。此项技术在大功率半导体制冷复合技术方面在国内应属领先水平。而在半导体制 热效率应用方面则率先开辟了新的领域。