半导体制冷课件.pptx

1、张昆1概述概述2原原理理3特特点点4系统系统5应用应用18:51:0718:51:072 2概述概述 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:0718:51:073 3 半导体制冷半导体制冷( (亦名热电制冷、温差电制冷亦名热电制冷、温差电制冷或电子制冷或电子制冷) )是以温差电现象为基础的制冷是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利方法，它是利用用“珀珀尔尔帖帖”效效应的原理达到应的原理达到制冷目的。制冷目的。 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:0818:51:084 4半半导导体及其特性体及其特性为什么选择半导体为什么选择半导体 ？热电效应热电效应背景知识背景知

2、识 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:0818:51:085 51、什么是半导体？、什么是半导体？ 物体按导电能力分类绝缘体导电能力很差的物体（如橡胶、塑料、陶瓷等）导体具有良好的导电能力的物体（如铜、银、铝）半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物体（如锗、硅、砷化镓及 许多金属氧化物）半导体的特性：光敏特性、热敏特性和掺杂特性 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:0818:51:086 62、典型半导体、典型半导体 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，都是都是4价元素价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨硅和锗最

3、外层轨道上的四个电子道上的四个电子称为称为价电子价电子。 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:0818:51:087 73、半、半导导体的种类体的种类 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:0918:51:098 8本征半导体本征半导体IP P型半导体型半导体N N型半导体型半导体 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚电光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，束缚，而参与导电，成为成为自由电子自由电子。+4+4+4+4+

4、4+4+4+4+4 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共价同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位键中就出现了一个空位，称为，称为空穴空穴。 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:0918:51:099 9 可见本征激发同时产可见本征激发同时产生电子空穴对。生电子空穴对。 与本征激发相反与本征激发相反的现象的现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一对的浓度一定。定。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空空穴穴电子空穴对电子空穴对 概述概述原理原理特点特点

5、系统系统应用应用18:51:0918:51:091010导电机制导电机制 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1018:51:101111N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1018:51:101212空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半

6、导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对P型半导体型半导体 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1018:51:101313杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1118:51:1114144 4、PN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区区。N区自由区自由电子浓度电子浓度远高于远高于P区区。 概述概述原

7、理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1118:51:1115154.1 PN结的形成结的形成漂移运动漂移运动 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1118:51:111616NP结PN 随着扩散运动的进行，在界面随着扩散运动的进行，在界面N区的一侧，随着电区的一侧，随着电子向子向P区的扩散，杂质变成正离子；在界面区的扩散，杂质变成正离子；在界面P区的一侧，区的一侧，随着空穴向随着空穴向N区的扩散，杂质变成负离子。所以在区的扩散，杂质变成负离子。所以在N型型和和P型半导体界面的型半导体界面的N型区一侧会形成正离子薄层；在型区一侧会形成正离子薄层；在P型区一侧会形成负离子薄层

8、型区一侧会形成负离子薄层。 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1118:51:111717扩散电流漂移电流NP结PN在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，在半导体中还存在少子，内电场的电场力会对少子产生作用，促使少数载流子产生漂移运动。促使少数载流子产生漂移运动。 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1118:51:1118184.2PN结的单向导电性结的单向导电性PN结加正向电压导通：结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，形成扩散电流，PNPN结处于导通状态。

9、结处于导通状态。 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1218:51:121919PN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。止。 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1218:51:122020 普通金属导体的珀尔帖效应微弱,制冷效果不佳。例如当时曾用金属材料中导热和导电性能最好的锑-铋(Sb-Bi)热电偶做成制冷器,但其制冷效率还不到1 % ,根本没有实用价值。 随着人们对半导体材料内部

10、结构特点的了解，发现了它产生的温差电现象比其他金属要显著得多。 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1218:51:122121热电热电效效应应 1.1.塞贝尔塞贝尔(seebeck)(seebeck)效应效应 2.2.珀尔帖珀尔帖(peltier)(peltier)效应效应3.3.汤姆逊汤姆逊(thomson)(thomson)效应效应半导体制半导体制冷的最基冷的最基本依据本依据 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1218:51:122222塞贝尔（塞贝尔（seebeck）效应）效应 E= .T （1821年，年，seebeck） 概述概述原理原理特点特点系

11、统系统应用应用18:51:1318:51:132323珀尔帖珀尔帖（poltier）效应）效应其本质是塞贝尔效应的逆效应（1834， poltier）。）。 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1318:51:132424IQcT汤姆逊（汤姆逊（thomson）效应）效应 若电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行能量交换。（1855，Thomson） QT=T 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1318:51:13252519世纪30年代 20世纪50年代20世纪80年代 至今国外（分为三个阶段）国外（分为三个阶段）使用的金属材料的热电性能较差

12、,能量转换的效率很低,无实用价值,热电效应没有得到实质应用半导体材料的广泛应用，热电效应的效率大大提高,热电发电和热电制冷进入工程实践。.提高半导体的热电制冷的性能 开发热电制冷的应用领域20世纪50年代 20世纪80年代 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1318:51:13262620世纪5060年代20世纪90年代国内国内开始对半导体制冷进行了研究研究半导体制冷材料的高优值系数,拓宽其应用领域,产品以车用小型冷热箱为主开发出具有广泛实用价值的民用便携式冷热箱、化妆品专用冷藏箱、高低温测试设备以及半导体去湿系列产品20世纪60年代末至80年代初至2009年 半导体制冷组件

13、的主要性能指标已达到国外20世纪90年代水平 概述概述原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1418:51:142727 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用结构及材料结构及材料1工作原理工作原理2制冷特性制冷特性3制冷性能最佳分析制冷性能最佳分析4半导体制冷原理、结构及特性分析半导体制冷原理、结构及特性分析18:51:1418:51:142828 热电偶热电偶 由2个金属电桥(1、2)和一对电偶臂(由一块P型半导体和一块N型半导体构成) 组成 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1418:51:142929半导体制冷片半导体制冷片 （热电制冷片），是由上百对热电

14、偶联成的热电堆。 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1418:51:143030 一一对电偶的制冷量是很小的，如对电偶的制冷量是很小的，如6xL76xL7的电偶对的电偶对, ,其制冷其制冷量仅为量仅为3.33.34.2kJ/h4.2kJ/h（0.92w0.92w 1.2w1.2w） 为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串联成热电堆，称单为了获得较大的冷量可将很多对电偶对串联成热电堆，称单级热电堆级热电堆 单级热电堆在通常情况下只能得到大约单级热电堆在通常情况下只能得到大约5050的温差。为了得的温差。为了得到更低的冷端温度，可用串联、并联及串并联的方法组出多级到更低的冷端温度

15、，可用串联、并联及串并联的方法组出多级热电堆，图热电堆，图2-12-1示示出多级热电堆的结构型式。出多级热电堆的结构型式。 多级热电堆多级热电堆 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1418:51:143131电绝缘导热层 电绝缘导热层 I2 I I I1 图图2-12-1 多级热电堆的结构型式多级热电堆的结构型式 a) a) 串联二级热电堆串联二级热电堆 b) b) 并联二级热电堆并联二级热电堆 c c) ) 串并联三级热电堆串并联三级热电堆 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1418:51:1432321 1 半导体制冷片的结构及材料半导体制冷片的结构

16、及材料基板基板 一般是陶瓷片，主要成分是95氧化铝。起电绝缘、导热和支撑作用。在其表面烧结有金属化图形。导流条导流条 其成分多是无氧铜，起导电和导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的金属化图形上。半导体致冷元件半导体致冷元件 在上下导流条之间，其主要成分是碲化鉍。它是制冷片的主功能部件，分N型元件和P型元件，通过锡焊接在导流条上。 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1518:51:153333 半导体不仅需要N型和P型半导体特性还要根据掺入的杂质改变半导体的温差电动势率导电率和导热率使这种特殊半导体能满足制冷的材料。 目前国内常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金其中P型是Bi2

17、Te3Sb2Te3 N型是Bi2Te3Bi2Se3 还有其他如： P型 Ag Ti Te N型 Bi2Sb合金 半导体制冷材料 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1518:51:153434 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1518:51:15353518:51:1518:51:153636机械压缩式制冷系统和热点制冷系统间的相似性机械压缩式制冷系统和热点制冷系统间的相似性 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用1. 制冷量制冷量2. 功率功率3. 制冷系数制冷系数4. 制热系数制热系数5. 冷热端温差冷热端温差 概述概述 原理原理特点特点系统系统

18、应用应用18:51:1518:51:153737 首先讨论一对热电偶的制冷特性首先讨论一对热电偶的制冷特性 设热结点的温度Th ，向外界释放的热量为Qh ；冷结点温度Tc ，从外界吸收的热量（制冷量）为Q0 ，热电偶输入电功率为W，回路中电流为I。IQ(2-2) cT为peltier系数， 为塞贝克系数（温差电动势率），二者均与半导体自身的物理化学性质有关。冷端的珀尔帖吸热量Q若不考虑各种可能的损失，由热力学第一定律： Qh = Q0 + + W W(2-1) 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1618:51:163838 当电流通过电偶对时，热电元件内要放出焦耳热。焦耳热

19、焦耳热 ：RIQj2(2-3) 式中R 为热电元件的电阻。若电偶臂的长度为L ,电阻率电阻率为1及2，截面积为s1和s2 则)(2211ssLR(2-4) 由于半导体的导热，从电堆热端还要传给冷端一定的导热导热量量 ：)(chkTTkQ(2-6)式中式中k k 长长L L 的热电元件的热电元件 总导热系数总导热系数 若两电偶臂的导热系数导热系数及截面积分别为1和2 ，s1和s2 则：)(12211ssLk(2-5) 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1618:51:163939ITTRIwch)(2(2-8)ITTRITTkRIITwQchchc)()(5 . 0220(2

20、-9)(2120chcTTkRIITQ(2-7)电偶对工作时，电源既要对电阻做功，又要克服热电势做功，故消耗的 功率 为 冷端从外界吸收的热量（制冷量）kjQQQQ2101制冷量制冷量2功率功率3制冷系数制冷系数 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1618:51:1640404制热系数制热系数1wQh(2-10)5冷热端温差冷热端温差5 .012RIITkTTTcch(2-11) 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1618:51:1641411 1. .最大温差最大温差2 2. .最大制冷量最大制冷量3 3. .最佳经济性最佳经济性 概述概述 原理原理特

21、点特点系统系统应用应用18:51:1718:51:174242（1 1）获得最大温差）获得最大温差Tmax的条件的条件 在电流I 为某一定值的情况下，令令Q0 =0=0 ，由式由式( (2-7)2-7)得：得： 5 .012RIITkTTcch(2-12) 将上式对I 取偏导数，并令其等于零，就可以求出 最佳电流值 与其对应的 最大温降: RTIcoptRkTTTcch2)(22max将式(2-4)及(2-6)代入式(2-12)得: )(21)(2211221122maxssssTTTcch( (2-13)2-13)( (2-14)2-14)(2-15) 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用

22、应用18:51:1818:51:184343 若两电偶臂的几何尺寸相同，具有相同的 导热系导热系数数( (1= =2 ) )及相同的 电阻电阻率（率（s1= =s2)，则式（2-15）变为2222max21)(21)(ccchTssTTT2221)(camxchrTTT( (2-16)2-16)( (2-17)2-17)式中 r=1/ 热电元件材料的 电导率电导率由此可见: 热电制冷的最大温差取决于材料的 、r、 组成的一个综合参数。此综合参数称为制造电偶对材料的优值系数Z ，即 rZ2(2-18) 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1818:51:184444优值系数优值

23、系数优值系数Z， 只与电偶材料的物理性质（温温差电动势、电导率、导热系数）差电动势、电导率、导热系数）有关。是评价电偶热电性能的综合参数。通常， 当Th =293K, TC =273K时，可算得max =1.66，而相同工作区间的逆卡诺制冷系数若将半导体制冷系数提高到2.0以上,则其优值系数需提高到 的水平。目前为止室温下优质系数最高的材料是Ag0.58Cu0.29 Ti 0.29Te 四元合金，在300K时的优值系数可达13-103KZ12. 0,65.13273293273max13-1013K13-107 . 5KZ 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1818:51:

24、184545（2 2）制冷量最大的条件）制冷量最大的条件由 可以看出，工作温度一定时，制冷量的大小与电流有关，对式（2-7）对电流求偏导数并令其为零。得到使制冷量Q0取得极值的电流为 )(2120chcTTkRIITQ(2-7)0 IRTc)-(-2ch2max0TTKRTQc）（，( (2-20)2-20)RTIcQopt0( (2-19)2-19) 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1818:51:184646可见可见 一定的电偶对的最大制冷量只和冷端温度一定的电偶对的最大制冷量只和冷端温度Tc有关有关（Th 一定时）一定时）； 当工作温度和材料性质（当工作温度和材料性

25、质（ 、 、 ）一定时，最）一定时，最大制冷量只和电偶的尺寸有关，短粗的电偶制冷量大制冷量只和电偶的尺寸有关，短粗的电偶制冷量大，细长的电偶制冷量小。大，细长的电偶制冷量小。 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1818:51:184747（3 3）制）制冷系冷系数最佳的条件数最佳的条件)1()(MRTTIchopt( (2-21)2-21)1maxMTTMTTTchchc式中式中 21)(5 . 01 chTTZM(2-22)对式对式对电流取偏倒数，并令其等于零，得到对电流取偏倒数，并令其等于零，得到 与最大制冷系数相对与最大制冷系数相对应的电流应的电流ITTRITTkRI

26、ITwQchchc)()(5 . 0220 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1818:51:184848故制冷系故制冷系数数 与与温温差差 Th Tc Tc 以及以及材料材料优值系优值系数数Z Z有显著关系有显著关系。当工作温度一定时，热电偶的优值系数当工作温度一定时，热电偶的优值系数Z Z越大，则越大，则材料的热点性能越好，制冷效率越高。材料的热点性能越好，制冷效率越高。 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1918:51:194949半导体制冷特点半导体制冷特点优点优点缺点缺点热点及难点热点及难点 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51

27、:1918:51:195050温度调控精度高温度调控精度高冷热转换方便冷热转换方便制热迅速制热迅速寿命长寿命长无制冷剂无制冷剂无运动部件无运动部件尺寸小质量轻尺寸小质量轻不受空间方向影响不受空间方向影响优点优点 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:1918:51:195151 经济性差经济性差 应用范围有限应用范围有限23缺点缺点 制冷效率低制冷效率低1 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2018:51:205252高优质系数的半导体材料高优质系数的半导体材料1冷热端散热的设计冷热端散热的设计2半导体制冷新理论及半导体制冷新技术半导体制冷新理论及半导体制冷

28、新技术3当前研究的热点及难点当前研究的热点及难点 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2018:51:205353定义定义结构结构分类分类 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用 半导体制冷空调半导体制冷空调18:51:2018:51:205454结构组成结构组成热电堆冷热端散热器风机 直流电源 基板 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2018:51:205555工业 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2018:51:205656强迫通风散热半导体制冷空调器系统图强迫通风散热半导体制冷空调器系统图 概述概述 原理原理特点特点系统系统

29、应用应用18:51:2318:51:235757太阳能半导体制冷系统图太阳能半导体制冷系统图 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2318:51:235858汽车太阳能半导体制冷系统结构图汽车太阳能半导体制冷系统结构图 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2318:51:2359591军事军事 导弹、雷达等红外线探测器的制冷导弹、雷达等红外线探测器的制冷医疗医疗 白内障摘除片白内障摘除片 23农业农业 温度检测及控制系统温度检测及控制系统实验室实验室 各种恒温、高低温实验仪片各种恒温、高低温实验仪片45装用装置装用装置 生化产品低温测试仪生化产品低温测试仪

30、细菌培养箱细菌培养箱6日常生活日常生活 空调、饮水机、电脑空调、饮水机、电脑应用应用领域领域 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2418:51:246060美固半导体车载冰箱美固半导体车载冰箱TF-14-12TF-14-12设计参数型号TF-14-12TF-14-12最低制冷温度5容量14L电源12V最大功率36W 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2418:51:246161 1. BK-1.5型热电空调器 2. CPU散散热热工程应用及研究实例工程应用及研究实例 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2418:51:246262 BK

31、-1.5型热电空调器由上海交通大学制冷实验室研制,是一种水冷式半导体制冷空调器,用在我国自行研制的第一艘潜水器上性能参数为:制冷量 1500kcal/h（1.75KW）舱内温度 28士2循环风量 350m/h工作电压 27V (直流)冷却水温度 29冷却水流量 1.62 m/h 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2418:51:246363 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2418:51:246464 在额定工况,考虑风机的温升的情况下,空调器的进风参数为28.6空气的相对湿度为50%当电压27V,冷却水温度为29时,制冷量为1,600kcal/h,制

32、冷系数=1.6,与估算值相当接近 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2518:51:256565设计实例设计实例 半导体制冷电脑CPU恒温散热研究（2011年 甘肃民族师范学院物理与水电工程系 孙成仁副教授低温与超导）设计参数CPU设计温度38制冷片型号CTI12701电源电脑电源（5V/12V）防结露密封绝热套（绝热胶）热端散热方式风冷 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2518:51:256666制冷控制电路和制冷控制电路和CPU组合结构组合结构 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2518:51:256767CPU半导体制冷控制电路半导体制冷控制电路 概述概述 原理原理特点特点系统系统应用应用18:51:2518:51:25686818:51:2518:51:256969