半导体制冷的工作原理是怎样的？

半导体制冷又称温差电制冷、或热电制冷。是未来电冰箱制冷技术发展的一个方向。半导体制冷是利用特种半导体材料，制成制冷器件，通电后直接制冷，因此得名半导体制冷。

用两种不同金属组成一对热电偶，当在热电偶中通以直流电流时，将在电偶的不同结点处，产生吸热和放热现象，这种现象称为珀尔帖效应。

利用珀尔帖效应制成的半导体制冷器的电偶，是由一种特制的N型和P型半导体组成的。N型半导体是靠电子导电的，而P型半导体是靠所谓“空穴”来导电的。

不论N型半导体中的自由电子，还是P型半导体中的空穴，它们都参与导电，统称为“载流子”，由“载流子”导电的现象，是半导体所特有的。

半导体制冷原理是把一个P型半导体和一个N型半导体，用铜连接片焊接而成电偶对，如图2-7所示。当直流电流从N型半导体流向P型半导体时，则在2、3端的铜连接片上产生吸热现象，此端称为冷端；而在1、4端的铜连接片上产生放热现象，此端称为热端。如果电流方向反过来，则冷、热端将互换。

图2-7 半导体制冷器电偶对的工作原理

当这个制冷器件中通入一定数量的直流电时，冷端会逐渐冷却下来，并出现结霜；而热端的温度逐渐升高，并向周围环境放热。载流子在金属和半导体中的势能大小是不同的，所以载流子在流过结点时，必然会引起能量的传递。当电流的极性如图2-7所示，电子从电源负极出发经金属片—结点4—P型半导体—结点3—金属片—结点2—N型半导体—结点1—金属片，回到电源正极。由于左半部是P型半导体，导电方式是空穴型的，空穴的流动方向与电子流动方向相反。所以空穴是从金属片—结点3—P型半导体—结点4—金属片，回到电源负极。

空穴在金属中具有的能量、低于在P型半导体中空穴所具有的能量：当空穴在电场作用下，由金属片通过结点3到达P型半导体时，必须增加一部分能量，但空穴本身是无法增加能量的，只有从金属片中吸收能量、并把这部分热能转变为空穴的势能，因此，在结点3处的金属片被冷却下来。当空穴沿P型半导体通向结点4流向金属片时，由于P型半导体中空穴能量大于金属中空穴的能量，因而要释放出多余的势能，并将其以热能的形式放出来，所以结点4处的金属被加热。

图2-7中右半部是N型半导体与金属的联结，是靠自由电子导电的，而电子在金属中的势能低于N型半导体中电子的势能。在电场作用下，电子从金属中通过结点2到达N型半导体时，必然要增加势能，这部分势能也只能从金属片的热能取得，因此使结点2处的金属片“冷却”下来。当电子从N型半导体经过结点1流向金属片时，因电子是由势能较高的地方流向势能较低的地方，故释放出多余的势能，并将其变成热能，使结点1处的金属片加热，这样上部的金属片被冷却下来，成为冷端；而下部的两个联接片均放出热量，成为热端。

当电源正负极性调换时，因电子空穴的流动方向将与上述相反，故冷热端将互换。

综上所述，半导体制冷的吸热和放热是由载流子（电子和空穴）流过结点时，由势能的变化而引起能量的传递，这就是半导体制冷的本质。

由于一个电偶对产生的热电效应较小（一般约为1.163W左右，视元件的尺寸大小而异），所以实际应用时是将数十个电偶对串联起来，将冷端放在一起，热端放在一起，称为热电堆，将热电堆和热交换器用焊接方式连接起来制成半导体制冷器，如图2-8所示。其特点是结合强度高、接触热阻小，适用于热流密度较大的情况。为了保持电绝缘，在热电堆和热交换器之间用金属化瓷片材料进行绝缘。

图2-8 半导体制冷器的热电堆

我国目前应用的制冷半导体材料，多数是以碲化铋为基体的三元固熔体合金，其中P型材料是Bi2Te3-Sb2Te3；N型材料是Bi2Te3-Bi2Se3。由于半导体材料性能的限制，目前半导体制冷的效率比一般压缩式要低，耗电量约大1倍。但在几十瓦小能量的情况下，由于半导体制冷器的效率与能量大小无关，故对微小型制冷装置，反而比压缩式经济。此外由于半导体制冷器必需使用直流电源，价格贵，使它的应用受到一定的限制。

目前它的制冷效率只能达到普通氟里昂制冷机的1／3。“低效”意味着获得相同的制冷效果，要费更多的电。因此，半导体制冷的应用目前还不普及，仅仅主要用于一些特殊的场合。例如计算机芯片、激光器、微波放大器、光电放大器等精密器件的冷却。在运输过程中生物样品的冷却，小轿车中的食品冰柜有的也采用半导体制冷器。

半导体阀门介绍。半导体阀门是由多个串连的半导体元件和多个液体冷却器组成。半导体元件和冷却器作层叠式排列，每个半导体元件都置于两个冷却器之间。阀门有压力装置，以便产生作用于层叠排列轴向的压力。阀门有分压器，与各个半导体元件并联相接。该分压器由电阻组成。半导体阀门以前已为人们所知，例如瑞典公布的第334，947号专利申请就介绍过这种阀门(相应于专利号为3，536，133的美国专利)。这类阀门也已为人们所用，例如用于整流器上，通过高压直流电输送电能或作为开关器件的组成部分，用作静态的无效功率补偿等等。半导体阀门要同时使用一系列的分压器和半导体元件，并使每个半导体元件与一个分压器并联连接。每一个这样的分压器一般都包含一个或一个以上的电阻。配有这种分压器的阀门以前亦为人们所知，例如专利号为3，794，908和4，360，864的美国专利就描述过这类阀门。该分压器的能量损耗很高，一般达到几百瓦的数量级。如果电阻是气冷式的，则有几个严重的缺点，电阻必须设有冷却用的凸缘或类似的冷却部件，为保证电阻器能充分地向周围的空气散发热量而不致于温度升得太高，电阻的尺寸就要做得比较大而且，为了排走释放出来的热量，还必须保证有足够的冷却气流流过电阻。 由于这些原因，半导体阀门如果使用气冷式的电阻的话，其体积就会变得比较庞大。这种电阻还有一个缺点，就是电阻器释放出来的热量是很高的，随之也会升高阀门和室内的气温，如果不专门增加一些冷却的措施，就会升高了室内其他机件和设备的工作温度。半导体阀门的制造液冷式大功率电阻，这以前也已经为人们所知。例如专利号为2，274，381的美国专利就介绍过这种电阻。不过，要在一个半导体阀门中逐个地制造众多的这种液冷式分压器电阻，将使阀门变得很复杂，需要很多流通冷却液体的接头和管道。阀门仍然会比较庞大，并且以电阻和冷却液体管道散发出来一定的热量仍然会升高阀门和室内的温度。半导体阀门把分压器电阻安装在一条冷却杆上，对阀门的半导体元件进行液体冷却，这种技术以前也已为人们所知，美国的第4，178，630号专利就介绍了这种技术。从电阻器散发出的部分热量将被流过冷却杆的冷却液体所吸收。但是散发到周围空气中的热量仍然是比较高的。本发明的目的就是要制造一种最初所描述的简单而又小巧的阀门，使分压器电阻向周围空气散发的热量降到最低的限度。 半导体阀门冷却器的一个变更实施例。图4显示了电阻器装在各个分离的板块上的一个实施例。图5显示了冷却器的特别孔道中应用电阻的一个实施例。显示了本发明所述的半导体阀门的一个实例，它们分别是从两个互相垂直的方向上观察阀门而得出的视图，这两个观察方向均垂直于阀门的纵轴线。阀门有6个半导体元件1-6，它们可以是半导体开关元件或是二极管。经过设计，半导体元件可以承受压力的接触和进行双重冷却，亦即是，这些元件要承受安装在每个元件两侧的两个冷却器之间的压力。例如以1万或数万牛顿的力把冷却器和半导体元件紧密地压在一起，形成一个层叠式的排列。这种紧密的压缩使整个层叠结实稳妥，而且还使各半导体元件和冷却器之间保持必要的良好的电接触和热接触。

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