半导体制冷原理

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半导体制冷的原理

半导体制冷器是利用半导体的热电效应制取冷量的器件，用导体连接两块不同的金属，接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。

若将电源反接，则接点处的温度相反变化。这一现象称为珀耳帖效应，又称热-电效应。纯金属的热电效应很小，若用一个N型半导体和一个P型半导体代替金属，效应就大得多。接通电源后，上接点附近产生电子空穴对，内能减小，温度降低，向外界吸热，称为冷端。另一端因电子空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热，称为热端。一对半导体热电元件所产生的温差和冷量都很小，实用的半导体制冷器是由很多对热电元件经并联、串联组合而成，也称热电堆。单级热电堆可得到大约60℃的温差，即冷端温度可达-10～-20℃。增加热电堆级数即可使两端的温差加大。但级数不宜过多，一般为2～3级。

半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，操作简便，易于进行冷量调节。但它的制冷系数较小，电耗量相对较大，故它主要用于耗冷量小和占地空间小的场合，如电子设备和无线电通信设备中某些元件的冷却；有的也用于家用冰箱，但不经济。半导体制冷器还可做成零点仪，用来保证热电偶测温中的零点温度。

在半导体散热片中，使用珀尔帖效应，当电流流过由不同导体构成的电路时，除了产生不可逆的焦耳热之外，还会在不同导体的接缝处根据电流的方向分别产生吸热、散热现象。 在图1的系统中，电子从电源的负极出发，到达Cu电极和p型半导体的边界。 当电子从Cu电极进入p型半导体时，即相当于电子的能量从费米能级进入半导体的价带。 (因为是p型，所以里面的载流子在价带。 )另一方面，价带中的电子能量低于费米能级，在热端散热。 电子持续移动，电子从p型半导体进入冷端的铜电极时，相当于电子从价电子带移动到费米能级，在冷端吸热。 当电子从铜电极进入n型半导体时，相当于电子从费米能级进入传导带，传导带中的电子能量很高，需要在这个过程中吸热。 相反，如果电子从n型半导体进入热侧铜电极，能量会下降，在热侧散热，返回电源的正极。

半导体散热片也称为热电散热片，是热泵。 优点是没有折动零件，部分空间受到限制，要求可靠性，适用于没有制冷剂污染的情况。 利用半导体材料的珀耳帖效应，通过串联连接两种不同半导体材料的电偶电，可以在电偶电的两端分别吸收热量，释放热量，从而达到制冷的目的。

这是一种会产生负热阻的冷冻技术，其特征是没有运动部件，可靠性也很高。

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