半导体制冷芯片是怎么工作的 (半导体制冷元件原理)

一． 半导体制冷片工作原理

1.1按导电能力物质可分为导体、绝缘体和半导体

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。

1.2 半导体种类

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。

将一种杂质掺入半导体后，在原子核中因电子数量不足而形成电子“空穴”，“空穴”就成导电体导电。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”由正极流向负极，这是P型半导体原理。

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。

当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。这就是半导体热电材料的工作机理。

1.3 半导体制冷芯片

半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。这就是半导体制冷芯片的热电效应。

半导体制冷芯片是利用半导体的热电效应的一种制冷方法。即在由n型和p型两种半导体材料组成的热电偶构件上施加电场，荷电载流子便在电场驱动下从热电偶一端流向另一端的运动过程中吸收和放热，于是在两端形成温差激励下获得冷端制冷效果。

按热电效应的基本原理和理论分析表明：热电材料应具有较高的塞贝尔（Seebeck）系数α，以保证材料有较高的温差电势率；低的热导率K以保持冷热两端的温差；同时应具有高的电导率б，使得产生的内部焦耳热较小。这三个表征热电性能的参数可有下式联系起来：Z=（α2 б）/K，其中Z称热电材料优质系数，它表征热电材料性能优劣。习惯上，人们常用ZT（T为材料平均温度）这一无量纲来描述材料热电性能，ZT值越大（一般＞1），材料的热电转换效率越高。在制冷模式下，热电转换效率（ηe）为：

Ηe=（rTC-Th）/[(Th-Tc)(r+1)]

其中Th和Tc分别为热冷两端温度，r=（1+ZT）1/2

早在1821年发现热电效应，仅在上世纪60年代才开始产品应用。发展至今，由于技术限制，热电致冷器产冷量不足，所以，主要局限于用来做成小型制冷装置。虽然如此，科学家们始终寄予厚望，纷纷在Bi2Te3（碲化铋）热电材料基础上进行了大量理论和实验研究，并着眼与材料科学和材料结构研究，相应取得了重大进展，然而，几乎所有研究度局限于Bi2Te3单一材料上，集中于新型材料结构探索上，有进展，却无重大技术突破。要知道，热电材料的三个主要参数，不是相互独立的，在单一材料上受到的制约更大，同时满足高要求根本不可能。比如，在单一材料中，

调制就受到限制，这使ZT值提高，也即热电转换效率的提高较为困难。是否可以拓展思路，打破传统的单一材料技术，寻求新的技术途径呢？一种可取的技术途径是：将视野和立足点放在材料应用科学上，即现今的先进的微电子技术，包括采用种种纳米层超晶格量子阱材料，和先进的MOCVD/MBE生长技术，对材料的σ-掺杂或调制桥杂技术，来全面提高热电材料的α、б和K参数，尤其是采用更为奇特的技术，将材料的三种效应（功能）赋予三种功能材料分别承担，再复合而成为一种复合体热电偶，令ZT值大幅度提高。例如，α改善：用一种宽禁带材料作接能金属势垒层，提高金属-半导体导带，价带的偏离 Ec和 EV，从而提高金属-热电材料的接触电势差，即温差电动势；

K改善：膺形体三元合金，量子阱超晶格层，有极低的热导率即为热障层；

Б改善：半金属-半导体特种材料作导电层，有它们组成如下图所示复合材料

这种新型热电材料不是普遍采用的单一材料，而是由具有上述三类优异性能的三种功能材料（它们是微电子技术中常用的材料）组合而成的复合体材料。它们都能承受700℃以上的高温，可大大改善热电材料的塞贝壳克效应的温度响应曲线（高温范围的平坦型，而不是Bi2Te3的低温凸变曲线）。可以提高输入电流（允许温升提高温差）来提高热电转换效率。复合结构的优点，提供增强各种功能材料的选择空间，最佳组合可能获得热电材料性能的实质性突破。

二．半导体制冷芯片应用领域

热电材料是一种新型友好的新能源材料。新能源材料和技术是二十一世纪人类可持续发展不可缺少的的重要物质和技术基础之一。热电材料利用热电效应来实现热能和电能之间转换，具有广泛应用前景其应用无需使用传动部件，工作时无磨损、无噪声、无抛弃物，对环境没有污染，体积小，性能可靠，使用方便，寿命长。主要应用于温差电制冷和温差发电。

这种半导体温差电制冷非常适合微型制冷和有特殊要求的用冷场所。比如医学、生物、红外探测、光电子等民用和*用军**领域。半导体热电材料性能得到进一步提高后，将有可能取代氟利昂压缩机制冷技术，从而应用于存在广泛市场，有提高经济效益的大型制冷装置。

2.1 半导体制冷片制冷装置优势

半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的特点：

（1）不需要压缩机等机械传动装置和任何制冷剂，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。仅仅改变下电源正负极即可，控制方便稳定可靠，简化控制系统。

（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，便于组成集群。

（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。

（6）半导体制冷片的温差范围，从正温200℃到负温度170℃都可以实现。

（7）经测算，与目前人们已经使用的半导体空调相比，该所研制的半导体空调平均将节能78.28％以上，同时由于没有使用任何制冷剂，完全避免了对臭氧层的破坏。

主要规格及参数：

2.2 半导体制冷片温差发电优势

（1）发电环节少，热损小，效率高。

（2）发电系统简单，投资少，易于建设；

（3）芯片生产可在集成电路生产线上完成，一体化成型，红外辐射芯片堆叠，效率高，高ZT值，稳定可靠。

（4）有温差就有热能量，可以进行多级串联发电。

（5）全固态系统热电直接转换、长寿命（20年以上）、芯片级模块化设计、可制热、可制冷. 无机械运动，体积小、重量轻、无污染、无噪音、可有效减少红外特征。

（6）适用温度范围：-60~300 ℃；功率密度大：>3000 W/m2（100 ℃温差）；日等效运行小时数：24小时；模块化：瓦级到兆瓦级，可部分取代目前的机械发电系统；

（7）发电过程不需要加热，节省煤炭，无二氧化碳、硫化物、氮化物排放。无环境污染。

三． 半导体制冷芯片应用领域

3.1 半导体致冷芯片制冷（热）功能的应用领域

高新技术领域的应用，卫星、导弹制导、半导体激光器、红外热成像、红外探测器、光电器件等。家电应用，除 湿机、便携式冷暖箱、冰热饮水机、冷枕、清凉头盔、冷饮机、饮料红酒柜等。电子技术中的应用，电子设备、电子元 件、计算机的冷却等。工业应用。汽车冷藏箱、小型空调器、除湿器、恒温仪、石油测试仪器、高真空冷等。医疗应用 农业和生物方面的应用，物理降温医疗垫、半导体生理切片、疫苗保存等。

1． 军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。在军事领域，半导体制冷片可用于制造小型、轻便的制冷设备，如导弹导引头温度控制系统、战场侦察设备的热成像系统、坦克步战车车内温度调节等。

2． 医疗领域：，半导体制冷片可用于制造小型、高效的制冷设备，如便携式血液冷藏箱、生物样本的冷冻储存设备、医疗仪器的温度控制系统等。冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。半导体制冷器医学上应用。例如，该技术可以在医疗设备中用于维持体温、冷却病人、或者是用于医疗剂量计的冷却器等等；

3． 实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。

4． 专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。

5． 日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子冰箱等。

6． 电子产业 ：半导体制冷片可以被用作电子元件和设备的冷却器，可用于制造小型、高效的散热器，如笔记本电脑、智能手机等移动设备的散热系统、芯片散热，电脑CPU和GPU的散热器，光电元件的制冷等等。该技术的微型化、高效性和环保性可以满足电子产业对高标准要求的场合。7． 机械加工 ：半导体制冷片可以通过提高机械设备的使用效率实现节能的目的，如用于加工中心、数控车床的高速刀具等。半导体制冷片的工作原理与传统的压缩式制冷技术不同，而且没有使用制冷剂，不会对环境产生负面影响。

8． 航空航天领域：在航空航天领域，半导体制冷片可用于制造小型、高效的制冷设备，如飞机和火箭上的温度控制系统、卫星上的热控系统等。 9. 汽车领域：在汽车领域，半导体制冷片可用于制造汽车空调系统、汽车引擎冷却系统等。 10.能源领域：在能源领域，半导体制冷片可用于制造太阳能电池板的冷却系统、风力发电设备的热控系统等。 11. 环境科学领域：在环境科学领域，半导体制冷片可用于制造环境监测设备的温度控制系统、气候变化研究中的样品储存装置等。 12. 食品工业领域：在食品工业领域，半导体制冷片可用于制造食品冷冻设备、冷藏设备等。 13. 工业自动化领域：在工业自动化领域，半导体制冷片可用于制造工业机器人的温度控制系统、自动化生产设备的热控系统等。

3.2 半导体致冷芯片温差发电功能应用领域

1.低品质的余热回收 工业上许多工厂排放的废气和废液中，也将大量热量排放掉，造成能源浪费。但因其排放温度一般不超过150度，传统技术回收装置结构复杂、维护困难，且成本大于回收收益，不得不放弃回收。如果用半导体致冷芯片温差发电，不但回收了余热，还能发电，很好的做到节能、节本、增效；

2. 余热回收 半导体热电芯片的另一个应用是能源回收。例如，它可以用于将废热转化为电能，以提高能源利用率。在工业生产过程中，有大量能量以废热的形式散失。使用半导体热电芯片可以将这些废热转化为电能，节约能源消耗。

3. 温度检测 半导体热电芯片可以用于温度检测。例如，它可以被用于汽车发动机的温度监测，通过监测引擎温度，来保持引擎处于最佳工作状态。

4.温差发电 半导体致冷芯片发电范围宽，只要有万分之一的温差就能发电，随着冷端和热端温差的加大，其发电能力增强。如果维持温差不小于40度，发电效率为621w/m2，远大于目前的光伏发电的功率密度。可以利用太阳全光谱发电，大大提高太阳能的利用效率。

5.通过对家用生活废热的回收利用，实现家庭分布式小发电站，安装维护简便，运行稳定、安全可靠。因半导体制冷片发电功率密度高，2-5块100cm*100cm的标准组件基本满足3-5人户的用电要求。

6.与太阳能光伏板组件结合使用，通过降低光伏组件温度，从而提高光伏组件发电效率，同时因半导体致冷组件的温差，还能发电。大幅度提高了投资效益。

7.中央空调的废热回收利用，既节水、节电，也能提高中央空调运行效率。