为什么半导体的热电效应比金属好

热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（帕尔帖效应）的一种制冷方法。

1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝的两头各接一根铋丝，在将两根铋丝分别接到直流电源的正负极上，通电后，发现一个接头变热，另一个接头变冷。这说明两种不同材料组成的电回路在有直流电通过时，两个接头处分别发生了吸放热现象。这就是热电制冷的依据。

半导体材料具有较高的热电势可以成功地用来做成小型热电制冷器。

1示出N型半导体和P型半导体构成的热电偶制冷元件。用铜板和铜导线将N型半导体和P型半导体连接成一个回路，铜板和铜导线只起导电的作用。此时，一个接点变热，一个接点变冷。如果电流方向反向，那么结点处的冷热作用互易。

热电制冷器的产冷量一般很小，所以不宜大规模和大制冷量使用。但由于它的灵活性强，简单方便冷热切换容易，非常适宜于微型制冷领域或有特殊要求的用冷场所。

热电制冷的理论基础是固体的热电效应，在无外磁场存在时，它包括五个效应，导热、焦耳热损失、西伯克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应。

一般的冷气与冰箱运用氟氯化物当冷媒，造成臭氧层的被破坏.无冷媒冰箱(冷气)因而是环境保护的重要因素.利用半导体之热电效应，可制造一个无冷媒的冰箱。

这种发电方法是将热能直接转变成电能，其转变效率受热力学第二定律即柯诺特效率(Carnotefficiency)的限制.早在1822年西伯即已发现，因而热电效应又叫西伯效应(Seebeckeffect)。

它不但与两结温度有关，且与所用导体的性质有关.这种发电法的优点是没有转动的机械部分，不会有磨损现象，故可长久使用，但欲达高效率需要温度很高的热源，有时利用数层热电物质之层叠(cascade或staging)以达高效率的效果.更多资料可以进入http://ic.big-bit.com/ 查看

电流通过导体时,会因为导体电阻而损耗掉部分能量,这部分能量转换为热能,就形成了电的热效应.

电制冷的理论基础是固体的热电效应,在无外磁场存在时,它包括五个效应,导热、焦耳热损失、西伯克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应和汤姆逊(Thomson)效应.

1.西伯克(seebeck)效应

有两种不同导体组成的开路中,如果导体的两个结点存在温度差,这开路中将产生电动势E.这就是西伯克效应.由于西伯克效应而产生的电动势称作温差电动势.

材料的西伯克效应的大小,用温差电动势率表示.材料相对于某参考材料的温差电动势率为

(1)

由两种不同材料P、N所组成的电偶,它们的温差电动势率 等于 与 之差,即

(2)

热电制冷中用P型半导体和N型半导体组成电偶.两材料对应的 和 ,一个为负,一个为正.取其绝对值相加,并将 直接简化记作,有

(3)

2.帕尔帖(peltire)效应

电流流过两种不同导体的界面时,将从外界吸收热量,或向外界放出热量.这就是帕尔帖效应.由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热,用符号 表示.

对帕尔帖效应的物理解释是：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,便释放出多余的能量；相反,从低能级向高能级运动时,从外界吸收能量.能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出.

材料的帕尔贴效应强弱用它相对于某参考材料的帕尔贴系数 表示

(4)

式中 I ----- 流经导体的电流,A.

类似的,对于P型半导体和N型半导体组成的电偶,其帕尔贴系数 （或简单记作 ）有 (5)

帕尔贴效应与西伯克效应都是温差电效应,二者有密切联系.事实上,它们互为反效应,一个是说电偶中有温差存在时会产生电动势；一个是说电偶中有电流通过时会产生温差.温差电动势率与帕尔贴系数 之间存在下述关系

(6)

式中 T ----- 结点处的温度,K.

3.汤姆逊效应

电流通过具有温度梯度的均匀导体时,导体将吸收或放出热量.这就是汤姆逊效应.由汤姆逊效应产生的热流量,称汤姆逊热,用符号 表示

(7)

式中 ----- 汤姆逊系数,；

―― ----- 温度差,K；

――I ----- 电流,A.

在热电制冷分析中,通常忽略汤姆逊效应的影响.另外,需指出：以上热电效应在电流反向时是可逆的.由于固体系统存在有限温差和热流,所以热电制冷是不可逆热力学过程.

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