半导体制冷片原理

半导体制冷片原理：

由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极（-）出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到另外一边造成温差而形成冷热端。

冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源，也就是欲冷却之。在以往致冷器是运用在CPU的，是利用冷端面来冷却CPU，而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。制冷器也应用于做成车用冷/热保温箱，冷的方面可以冷饮机，热的方面可以保温热的东西。

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。

我们知道，传统的风冷散热系统是不可能把显示芯片的温度降到环境温度以下的，因为 当两者的温度几乎相等的时候会很快达到热平衡， 此时便根本无法继续降温， 顶多也只能接 近环境温度。 而半导体制冷却可以打破常规， 能够强行将显示芯片的温度降到比环境温度还 低。而它实现的原理，就是强行打破热平衡，实现温差效果。那么，这种温差效果又是如何 实现的呢？ 首先我们需要明确一些基本概念。 1.帕尔贴效应：1834 年，法国科学家帕尔贴发现了热电致冷和致热现象，即金属温差 电逆效应。由两种不同金属组成一对热电偶，当热电偶输入直流电流后，因直流电通入的方 向不同，将在电偶结点处产生吸热和放热现象，称这种现象为帕尔贴效应。帕尔贴效应早在 20O 年之前发现，但是用到致冷还是近几十年的事。 2.N 型半导体：任何物质都是由原子组成，原子是由原子核和电子组成。电子以高速度绕原 子核转动，受到原子核吸引，因为受到一定的限制，所以电子只能在有限的轨道上运转，不 能任意离开， 而各层轨道上的电子具有不同的能量(电子势能)。 离原子核最远轨道上的电子， 经常可以脱离原子核吸引，而在原子之间运动，叫导体。如果电子不能脱离轨道形成自由电 子，故不能参加导电，叫绝缘体。半导体导电能力介于导体与绝缘体之间，叫半导体。半导 体重要的特性是在一定数量的某种杂质渗入半导体之后， 不但能大大加大导电能力， 而且可 以根据掺入杂质的种类和数量制造出不同性质、 不同用途的半导体。 将一种杂质掺入半导体 后，会放出自由电子，这种半导体称为 N 型半导体。 3.P 型半导体：是靠“空穴”来导电。在外电场作用下“空穴”流动方向和电子流动方向相反， 即“空穴”由正板流向负极，这是 P 型半导体原理。 4.载流子现象：N 型半导体中的自由电子，P 型半导体中的“空穴”，他们都是参与导电，统 称为“载流子”，它是半导体所特有，是由于掺入杂质的结果。 5.半导体致冷材料：是对特殊半导体材料，通过掺入的杂质改变其温差电动势率、导电 率和热导率，使其满足致冷需要的材料。温差电致冷组件就是由这种特殊的 N 型和 P 型半 导体制成的。 在明确了这些基本概念后，我们现在就来揭示温差制冷的原理。 1.半导体致冷原理： 如图把一只 N 型半导体元件和一只 P 型半导体元件联结成热电偶， 接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的一个接头处，电流方向是 n→p，温度下降并且吸热，这就是冷端。而下面的一个接头处，电流方向是 p→n，温度上 升并且放热，因此是热端。 2.温差电致冷组件致冷原理：如上图把若干对半导体热电偶在电路上串联起来，而在传 热方面则是并联的，这就构成了一个常见的致冷热电堆。按图示接上直流电源后，这个热电 堆的上面是冷端，下面是热端。借助热交换器等手段，使热电堆的热端不断散热并且保持一 定的温度， 把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温， 这就是温差电致冷组件的工作原理。 半导体散热片侧视图 半导体制冷片的应用原理 1.半导体制冷的实际应用是如何进行的？ 利用半导体制冷片的制冷原理，半导体制冷片的冷端与显示芯片接触，热端则与散热器 接触。接通电源后，冷热端出现温差，热量不断地通过晶格能的传递，从冷端移送到热端， 只要热端的热量能有效的散发掉， 则冷端就不断的被冷却， 使得制冷片的散热效果出奇的好。 实践证明，冷热端的正常温差大概在 45——60 度之间，其强度非常惊人。实际使用中，可 以把显示芯片的温度一举降到零下 10 度。 2.半导体制冷为什么还要配合使用散热器？ 我们看到， 在半导体制冷片的热端， ZENO96 仍然配置了超大的散热片和高效能的 EMI 磁悬浮散热风扇。这是因为，只有半导体制冷片热端的热量被持续源源不断的散发出去，才 能使冷端不断冷却而始终保持良好的制冷效果，显示芯片才能保持在一个相对的恒温状态。 另外，半导体制冷片本身也有一定的正常工作温度，一般来说其极限温度大概在 100 度左 右，如果半导体制冷片没有良好的散热而超出了热度承受极限，就会烧毁损坏。所以，半导 体制冷片的热端一定要加装散热系统，保持良好的散热效果。 关于磁浮风扇，这里有必要作一点说明。磁浮风扇（全称为磁浮马达风扇）的工作原理 是： 轴芯与轴承运作时无摩擦， 轴芯仅与空气摩擦， 彻底解决小空间高积温产品之散热困扰。 藉由磁浮设计，马达运转时，转子受磁轨道吸引，在轴芯与轴承内壁保持一定距离的悬空运 转，不会接触到轴承，故可避免传统马达之轴承被磨损成不规则椭圆而产生噪音的缺点，实 际运行中，此款风扇的噪音小于 26dB，非常安静。同时，没有磨损就不会有不稳定的运转 及噪音，可使产品寿命大幅提升，捷波官方声称此款散热系统的寿命可达 3 万工作小时。 另外磁浮风扇还可以耐高温，最高可耐 90℃高温。 3.为什么要配置外接电源接口？ 与一般的风冷散热相比，半导体制冷片的功率要大得多，一般可以达到 36W 到 40W， 也就是说，至少需要 12V 3A 的电源供应。所以，外接电源是必须的。而目前的主流 300W 电源，12V 电源组可以输出 10A 左右电流，如果不是配置非常 BT 的电脑系统，一般分配 给半导体制冷片 12V 3A 的电源供电能力基本足够。当然，如果是 5V 电压标准，则可以提 供高达 20A 的电流输出，分配给半导体制冷片绰绰有余。 4.什么是结露现象？如何预防？ 结露现象是半导体制冷的致命杀手。 功率较大的半导体制冷片在湿度较高的环境下如果 冷端温度过低，空气中的水蒸气就会在其表面凝结成为水滴，出现结露现象。如果水滴流到 主板或是显示芯片，后果不堪设想。所以，这是最应该引起重视的问题。 从图中我们看到， ZENO 96 采用设计严密的防冷凝绝缘绝热垫来防止结露现象的发生。 半导体制冷片的周围被两层绝缘绝热垫厚厚地严密封锁起来， 可以最大程度的保障芯片的安 全。 实际使用中我们完全不必担心结露问题的发生， 这一点捷波处理的非常出色， 也很周到。

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。

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