半導體小冰箱

1834年，法國物理學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電后，他驚奇的發現一個接頭變熱，另一個接頭變冷；這個現象後來就被稱為"帕爾帖效應 "。"帕爾帖效應"的物理原理為：電荷載體在導體中運動形成電流，由於電荷載體在不同的材料中處於不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，就會釋放出多餘的熱量。反之，就需要從外界吸收熱量（即表現為製冷）。

所以，"半導體製冷"的效果就主要取決於電荷載體運動的兩種材料的能級差，即熱電勢差。純金屬的導電導熱性能好，但製冷效率極低（不到1%）。半導體材料具有極高的熱電勢，可以成功的用來做小型的熱電製冷器。但當時由於使用的金屬材料的熱電性能較差，能量轉換的效率很低，熱電效應沒有得到實質應用。

直到本世紀五十年代，蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究，於1945年前發表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的致冷效果。這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差致冷中半導體材料的一種主要成份。約飛的理論得到實踐應用后，有眾多的學者進行研究到六十年代半導體致冷材料的優值係數，達到相當水平，才得到大規模的應用。80年代以後，半導體的熱電製冷的性能得到大幅度的提高，進一步開發熱電製冷的應用領域。

半導體製冷片（TE）也叫熱電製冷片，是一種熱泵，它的優點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無製冷劑污染的場合。

半導體製冷片的工作運轉是用直流電流，它既可製冷又可加熱，通過改變直流電流的極性來決定在同一製冷片上實現製冷或加熱，這個效果的產生就是通過熱電的原理，上圖就是一個單片的製冷片，它由兩片陶瓷片組成，其中間有N型和P型的半導體材料（碲化鉍），這個半導體元件在電路上是用串聯形式連接組成. 半導體製冷片的工作原理是：當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流后，就能產生能量的轉移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導體材料N、P的元件對數來決定。製冷片內部是由上百對電偶聯成的熱電堆（如右圖），以達到增強製冷（制熱）的效果。以下三點是熱電製冷的溫差電效應。

1、塞貝克效應（SEEBECK EFFECT）

一八二二年德國人塞貝克發現當兩種不同的導體相連接時，如兩個連接點保持不同的溫差，則在導體中產生一個溫差電動勢： ES=S.△T

式中：ES為溫差電動勢

S（?）為溫差電動勢率（塞貝克係數）

△T為接點之間的溫差

2、珀爾帖效應（PELTIER EFFECT）

一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的效應，即當電流流經兩個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。

Qл=л.I л=aTc

式中：Qπ 為放熱或吸熱功率

π為比例係數，稱為珀爾帖係數

I為工作電流

a為溫差電動勢率

Tc為冷接點溫度

3、湯姆遜效應（THOMSON EFFECT）

當電流流經存在溫度梯度的導體時，除了由導體電阻產生的焦耳熱之外，導體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導體兩點之間，其放熱量或吸熱量為：

Qτ=τ.I.△T

Qτ為放熱或吸熱功率

τ為湯姆遜係數

I為工作電流

△T為溫度梯度

以上的理論直到本世紀五十年代，蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究，於一九五四年發表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的製冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差製冷中半導體材料的一種主要成份。

優點：

（1）無運動部件，因而工作時無雜訊，無磨損、壽命長，可靠性高。

（2）不使用製冷劑，故無泄漏，對環境無污染。

（3）半導體製冷器參數不受空間方向的影響，即不受重力場影響，在航天航空領域中有廣泛的應用。

（4）作用速度快，工作可靠，使用壽命長，易控制，調節方便，可通過調節工作電流大小來調節器製冷能力。也可通過切換電流的方向來改變其製冷或供暖的工作狀態。

（5）尺寸小，重量輕，適合小容量、小尺寸的特殊的製冷環境。

徠半導體製冷雖有許多優點，但也有一些缺點有待克服。

缺點：

（1）在大製冷量的情況下，半導體製冷器的製冷效率比機械壓縮式冷凍機低。因此，半導體製冷器只能用作小功率製冷器。

（2）電偶對中的電源只能使用直流電源，如果使用交流電源，就會產生焦耳熱，達不到吸熱降溫的目的

（3）電偶堆元件採用高純稀有材料，再加上工藝條件尚未十分成熟，導致元件成本比較高，目前還不能在普通製冷領域廣泛使用。

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、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外，還有其它方面的應用，這裡就不一一提了