半導(dǎo)體熱電制冷器詳細技術(shù)說明

1、1.01.0熱電制冷的介紹熱電制冷的介紹1.1熱電制冷器，也被稱為珀爾帖制冷器，是一種以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，可以用作小型熱泵的電子元件。通過在熱電制冷器的兩端加載一個較低的直流電壓，熱量就會從元件的一端流到另一端。此時，制冷器的一端溫度就會降低，而另一端的溫度就會同時上升。值得注意的是，只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端。所以，在一個熱電制冷器上就可以同時實現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。因此，熱電制冷器還可以用于精確的溫度

2、控制。1.1.1為了給新用戶提供一個熱電制冷器制冷量的大致概念，我們首先以一個典型的單級熱電制冷器為例。將這個單級熱電制冷器放置在散熱器上，使其保持在室溫。然后將其連接在一個適當?shù)碾姵厣匣蛘咧绷麟娫瓷?，制冷器的冷端溫度會降低到大約40℃。此時，制冷器上將達到相對熱平衡狀態(tài)，而且制冷器兩端將達到最大的溫差(DTmax)。如果向冷端不斷輸入熱量，冷端溫度會逐漸增加，直到與熱端溫度相同。這一時刻，制冷器會達到最大制冷量(Qmax）。1.2熱電

3、制冷器與傳統(tǒng)的機械式制冷器都遵循相同的熱力學法則，并且，盡管兩者的組成形式有很大不同，但是其工作原理卻是相同的。在機械式制冷單元中，首先使用壓縮機增加液體的壓力，使制冷劑在體系中循環(huán)流動。然后，制冷劑在冷凍區(qū)固化，在隨后的升華過程中吸收熱量使冷凍區(qū)溫度降低。而在冷凍區(qū)被吸收的熱量被運輸?shù)綁嚎s機，并通過制冷劑壓縮這個過程將熱量傳遞給環(huán)境。相對的，在熱電制冷系統(tǒng)中，摻雜的半導(dǎo)體材料就充當了液態(tài)制冷劑的作用，而冷凝器被散熱器所取代，壓縮機被直

4、流電源所取代。通過在熱電制冷器上加載直流電源，使半導(dǎo)體中的電子發(fā)生運動。在半導(dǎo)體材料的冷端，熱量被電子運動所吸收，這些電子運動到材料的另外一端，即熱端。由于材料的熱端連接在散熱器上，熱量也就從材料體內(nèi)傳到散熱器上，然后再被輸送到環(huán)境中。1.3盡管商業(yè)化的熱電制冷器在1960年前后才有所發(fā)展，但是熱電制冷器的物理理論可以追溯到19世紀早期。第一個與熱電理論相關(guān)的重要發(fā)現(xiàn)是在1821年由德國科學家托馬斯塞貝克發(fā)現(xiàn)的。他發(fā)現(xiàn)，在一個由兩種不同

5、金屬導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中，當兩個接頭的溫度不同時，回路中會有持續(xù)的電流流動。然而，實際上塞貝克沒有給出他這個發(fā)現(xiàn)的科學解釋，并且，他錯誤的假設(shè)熱流的流動與電流的流動能夠產(chǎn)生相同的效果。在1834年，一個法國制表師兼物理學家簡珀爾帖在研究塞貝克效應(yīng)的過程中發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象具有一個相反的現(xiàn)象，也就是當閉合回路中有電流流動的時候，兩個接頭之一會吸熱，而另一個會放熱。20年后，威廉姆湯姆遜（即開爾文勛爵）為塞貝克效應(yīng)和珀爾帖效應(yīng)提出了一個系統(tǒng)的解

6、釋，并建立了兩者的關(guān)系。但是此時，對這些現(xiàn)象的研究仍然僅僅局限在實驗室中，并沒有發(fā)現(xiàn)任何實際應(yīng)用的可能性。當在兩個節(jié)點T1和T2輸入一個電壓Vin，回路中會產(chǎn)生一個相應(yīng)的電流I。接頭A處的熱量會被吸收，從而產(chǎn)生一個微弱的制冷現(xiàn)象，而在另一個接頭B處，隨著熱量流入，溫度會升高。鑒于這個效應(yīng)是可逆的，所以如果將電流反向，熱流的方向也隨之反向。珀爾帖效應(yīng)的數(shù)學公式可以表示成：Qc或者Qh=pxyI其中，pxy代表兩種材料x和y的珀爾帖系數(shù)之差

7、，單位是V；I是電流，單位是A；Qc和Qh分別代表制冷和加熱的速率，單位是w。隨著電流的流動，導(dǎo)體中同時也會產(chǎn)生焦耳熱，大小可以用I2R（R是電路中的電阻）表示。這個焦耳熱效應(yīng)與珀爾帖效應(yīng)相反，將導(dǎo)致制冷器制冷效果的降低。1.4.3湯姆遜效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)：當電流在已經(jīng)存在溫差的導(dǎo)體中流動時，熱量會被吸收或者被放出。而電流方向和溫差之間的相對關(guān)系決定了材料在這個過程中是吸收熱量還是放出熱量。這一現(xiàn)象，我們稱為湯姆遜效應(yīng)。湯姆遜效應(yīng)在理論研究