製冷片

一、預備知識：

1．Peltier effect（珀爾帖效應）：

珀爾帖效應的論述很簡單——當電流通過熱電偶時，其中一個結點散發熱而另一個結點吸收熱，這個現象由法國物理學家Jean Peltier在1834年發現。

2．P型半導體

半導體材料的一種形式，其導帶中的空穴密度超過了價帶中的電子密度。P型材料通過增加受主(acceptor)雜質來形成，例如在硅上摻雜硼。

3．N型半導體

半導體材料的一種形式，在導帶中的電子密度大於在價帶中的空穴密度的半導體，N型材料通過對硅的晶體結構中加入施主雜質(摻雜)——比如砷或磷——來得到。

半導體製冷器是由半導體所組成的一種冷卻裝置，於1960左右才出現，然而其理論基礎Peltier effect可追溯到19世紀。如圖是由X及Y兩種不同的金屬導線所組成的封閉線路。

通上電源之後，冷端的熱量被移到熱端，導致冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的Peltier effect。這現象最早是在1821年，由一位德國科學家Thomas Seeback首先發現，不過他當時做了錯誤的推論，並沒有領悟到背後真正的科學原理。到了1834年，一位法國表匠，同時也是兼職研究這現象的物理學家 Jean Peltier，才發現背後真正的原因，這個現象直到近代隨著半導體的發展才有了實際的應用，也就是[致冷器]的發明(注意，這種叫致冷器，還不叫半導體致冷器)。

三、半導體致冷法的原理以及結構：

半導體熱電偶由N型半導體和P型半導體組成。N型材料有多餘的電子，有負溫差電勢。P型材料電子不足，有正溫差電勢；當電子從P型穿過結點至N型時，結點的溫度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相當於結點所消耗的能量。相反，當電子從N型流至P型材料時，結點的溫度就會升高。

直接接觸的熱電偶電路在實際應用中不可用，所以用下圖的連接方法來代替，實驗證明，在溫差電路中引入第三種材料（銅連接片和導線）不會改變電路的特性。

這樣，半導體元件可以用各種不同的連接方法來滿足使用者的要求。把一個P型半導體元件和一個N型半導體元件聯結成一對熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。

在上面的接頭處，電流方向是從N至P，溫度下降並且吸熱，這就是冷端；而在下面的一個接頭處，電流方向是從P至N，溫度上升並且放熱，因此是熱端。

因此是半導體致冷片由許多N型和P型半導體之顆粒互相排列而成，而N/P之間以一般的導體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導熱良好，外觀如下圖所示。

半導體製冷片作為特種冷源，在技術應用上具有以下的優點和特點：

1、不需要任何製冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生迴轉效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。

2、半導體製冷片具有兩種功能，既能製冷，又能加熱，製冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大於1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統和製冷系統。

3、半導體製冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現遙控、程式控制、計算機控制，便於組成自動控制系統。

4、半導體製冷片熱慣性非常小，製冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，製冷片就能達到最大溫差。

5、半導體製冷片的反向使用就是溫差發電，半導體製冷片一般適用於中低溫區發電。

6、半導體製冷片的單個製冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、並聯的方法組合成製冷系統的話，功率就可以做的很大，因此製冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的範圍。

7、半導體製冷片的溫差範圍，從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現。

通過以上分析，半導體溫差電片件應用範圍有：製冷、加熱、發電，製冷和加熱應用比較普遍，有以下幾個方面：

1、軍事方面：導彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導航系統。

2、醫療方面；冷力、冷合、白內障摘除片、血液分析儀等。

3、實驗室裝置方面：冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恆溫、高低溫實驗儀片。

4、專用裝置方面：石油產品低溫測試儀、生化產品低溫測試儀、細菌培養箱、恆溫顯影槽、電腦等。

5、日常生活方面：空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子冰箱等。此外，還有其它方面的應用，這裡就不一一提了。