半導(dǎo)體制冷的結(jié)構(gòu)及原理介紹

到了二十世紀(jì)五十年代隨著半導(dǎo)體材料的迅猛發(fā)展，熱電制冷器才逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向工程實(shí)踐，在國(guó)防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和日常生活等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，大到可以做核潛艇的空調(diào)，小到可以用來冷卻紅外線探測(cè)器的探頭，因此通常又把熱電制冷器稱為半導(dǎo)體制冷器。

半導(dǎo)體制冷的原理及結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體熱電偶由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成。N型材料有多余的電子，有負(fù)溫差電勢(shì)。P型材料電子不足，有正溫差電勢(shì);當(dāng)電子從P型穿過結(jié)點(diǎn)至N型時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消耗的能量。相反，當(dāng)電子從N型流至P型材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就會(huì)升高。

直接接觸的熱電偶電路在實(shí)際應(yīng)用中不可用，所以用下圖的連接方法來代替，實(shí)驗(yàn)證明，在溫差電路中引入第三種材料（銅連接片和導(dǎo)線）不會(huì)改變電路的特性。

這樣，半導(dǎo)體元件可以用各種不同的連接方法來滿足使用者的要求。把一個(gè)P型半導(dǎo)體元件和一個(gè)N型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成一對(duì)熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。

在上面的接頭處，電流方向是從N至P，溫度下降并且吸熱，這就是冷端;而在下面的一個(gè)接頭處，電流方向是從P至N，溫度上升并且放熱，因此是熱端。

因此是半導(dǎo)體致冷片由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆粒互相排列而成，而N/P之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好。

半導(dǎo)體制冷應(yīng)用

技術(shù)領(lǐng)域

對(duì)紅外探測(cè)器，激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。比如，德國(guó)Micropelt公司的半導(dǎo)體制冷器占用面積非常小，只有1mm2，可以和激光器一起使用TO封裝。

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

溫室里面過高或過低的溫度，都將導(dǎo)致秧苗壞死，尤其部分名貴植物對(duì)環(huán)境更加敏感，迫切需要將適宜的溫度檢測(cè)及控制系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。

醫(yī)療領(lǐng)域

半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用更為廣泛。如：用于蛋白質(zhì)功能研究、基因擴(kuò)增的高檔PCR儀、電泳儀及一些智能精確溫控的恒溫儀培養(yǎng)箱等；用于開發(fā)具有特殊溫度平臺(tái)的掃描探針顯微鏡等。

激光領(lǐng)域

激光技術(shù)用美容儀器，微型零件加工等，其在工作中都產(chǎn)生局部熱，通過半導(dǎo)體制冷器，采用水冷或微型制冷器冷卻。

裝置方面

如實(shí)驗(yàn)用的顯微鏡攝像頭，冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測(cè)試裝置、各種恒溫、高低溫實(shí)驗(yàn)儀片

在日常生活

空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電子信箱、電腦以及其他電器等。

半導(dǎo)體致冷特點(diǎn)

半導(dǎo)體致冷是靠空穴和電子在運(yùn)動(dòng)中直接傳遞能量來實(shí)現(xiàn)的。與蒸汽壓縮式制冷和吸收式制冷相比，它的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面

1）不需要制冷劑，無泄漏，無污染;

2）無機(jī)械傳動(dòng)部分，因此工作時(shí)無噪音、無磨損、壽命長(zhǎng);

3）冷卻速度和制冷溫度可以通過改變電流大小任意調(diào)節(jié)，靈活性高;

4）體積可以做得很小。例如一個(gè)能達(dá)到-100℃低溫的四級(jí)半導(dǎo)體致冷器，其外形尺寸只有一個(gè)香煙盒大小。

5）制冷效率與容量大小無關(guān)，在制冷量極小時(shí)仍能保持較高的制冷效率。

半導(dǎo)體致冷缺點(diǎn)

作為一種新興技術(shù)，它在諸多方面又有其難以克服的缺點(diǎn)：

電流過大（通常工作電流可達(dá)到5A甚至更高），耗電量大約是蒸汽壓縮式制冷的兩倍，發(fā)熱量大，大容量時(shí)制冷效率太低（通常COP《1）對(duì)半導(dǎo)體芯片的散熱條件要求高半導(dǎo)體致冷器在制造工藝上也不太成熟。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于便攜式制冷的研究，絕大多數(shù)仍然集中于如何改善半導(dǎo)體制冷器的工作散熱條件（例如使用渦旋換熱技術(shù)），以及如何改進(jìn)半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)工藝等方面。