半導(dǎo)體制冷原理

1、半導(dǎo)體制冷片也叫熱電制冷片，是一種熱泵，它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場(chǎng)合。是利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)。當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí),在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù),其特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件,可靠性也比較高。利用半導(dǎo)體制冷的方式來解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。 編輯本段歷史半導(dǎo)體致冷器是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置，于1960年左右才出現(xiàn)，然而其理論基礎(chǔ)Peltiereffect可追溯到19世紀(jì)。這現(xiàn)象最早是在1821年，由一位德國(guó)科學(xué)家ThomasS

2、eeback首先發(fā)現(xiàn)，不過他當(dāng)時(shí)做了錯(cuò)誤的推論，并沒有領(lǐng)悟到背后真正的科學(xué)原理。到了1834年，一位法國(guó)表匠，同時(shí)也是兼職研究這現(xiàn)象的物理學(xué)家JeanPeltier，才發(fā)現(xiàn)背后真正的原因，這個(gè)現(xiàn)象直到近代隨著半導(dǎo)體的發(fā)展才有了實(shí)際的應(yīng)用，也就是致冷器的發(fā)明(注意，這種叫致冷器，還不叫半導(dǎo)體致冷器)。由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸桑鳱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干一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好，外觀由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸?，而NP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，最后

3、由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好。N型半導(dǎo)體。任何物質(zhì)都是由原子組成，原子是由原子核和電子組成。電子以高速度繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)，受到原子核吸引，因?yàn)槭艿揭欢ǖ南拗?，所以電子只能在有限的軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)，不能任意離開，而各層軌道上的電子具有不同的能量(電子勢(shì)能)。離原子核最遠(yuǎn)軌道上的電子，經(jīng)?？梢悦撾x原子核吸引，而在原子之間運(yùn)動(dòng)，叫導(dǎo)體。如果電子不能脫離軌道形成自由電子，故不能參加導(dǎo)電，叫絕緣體。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，叫半導(dǎo)體。半導(dǎo)體重要的特性是在一定數(shù)量的某種雜質(zhì)滲入半導(dǎo)體之后，不但能大大加大導(dǎo)電能力，而且可以根據(jù)摻入雜質(zhì)的種類和數(shù)量制造出不同性質(zhì)、不同用途的半導(dǎo)體

4、。將一種雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體后，會(huì)放出自由電子，這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體，是靠“空穴”來導(dǎo)電。在外電場(chǎng)作用下“空穴”流動(dòng)方向和電子流動(dòng)方向相反，即“空穴”由正板流向負(fù)極，這是P型半導(dǎo)體原理。載流子現(xiàn)象：N型半導(dǎo)體中的自由電子，P型半導(dǎo)體中的“空穴”，他們都是參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為“載流子”，它是半導(dǎo)體所特有，是由于摻入雜質(zhì)的結(jié)果。半導(dǎo)體制冷材料：不僅需要N型和P型半導(dǎo)體特性，還要根據(jù)摻入的雜質(zhì)改變半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)率，導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率使這種特殊半導(dǎo)體能滿足制冷的材料。目前國(guó)內(nèi)常用材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是Bi2Te3Sb2Te3，N型是Bi2Te3Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔

5、法提取晶體材料。 編輯本段原理在原理上，半導(dǎo)體的制冷片只能算是一個(gè)熱傳遞的工具，雖然制冷片會(huì)主動(dòng)為芯片散熱，但依然要將熱端的高于芯片的發(fā)熱量散發(fā)掉。在制冷片工作期間，只要冷熱端出現(xiàn)溫差，熱量便不斷地通過晶格的傳遞，將熱量移動(dòng)到熱端并通過散熱設(shè)備散發(fā)出去。因此，制冷片對(duì)于芯片來說是主動(dòng)制冷的裝置，而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來說，只能算是主動(dòng)的導(dǎo)熱裝置，因此，采用半導(dǎo)體制冷裝置的ZENO96智冷版，依然要采取主動(dòng)散熱的方式對(duì)制冷片的熱端進(jìn)行降溫。風(fēng)扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱，通常熱端的溫度在沒有散熱裝置的時(shí)候會(huì)達(dá)到100度左右，極易超過制冷片的承受極限，而且半導(dǎo)體制冷效率的關(guān)鍵就是要盡快降低熱

6、端溫度以增大兩端溫差，提高制冷效果，因此在熱端采用大型的散熱片以及主動(dòng)的散熱風(fēng)扇將有助于散熱系統(tǒng)的優(yōu)良工作。在正常使用情況下，冷熱端的溫差將保持在4065度之間。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成電偶對(duì)時(shí)，在這個(gè)電路中接通直流電流后，就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭吸收熱量，成為冷端由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。吸熱和放熱的大小是通過電流的大小以及半導(dǎo)體材料N、P的元件對(duì)數(shù)來決定，以下三點(diǎn)是熱電制冷的溫差電效應(yīng)。1、塞貝克效應(yīng)（SEEBECKEFFECT）一八二二年德國(guó)人塞貝克發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體相連接時(shí)，如兩個(gè)連接點(diǎn)保持不同的溫差，則在導(dǎo)體中

7、產(chǎn)生一個(gè)溫差電動(dòng)勢(shì)：ES=S.T式中：ES為溫差電動(dòng)勢(shì)S為溫差電動(dòng)勢(shì)率（塞貝克系數(shù)）T為接點(diǎn)之間的溫差2、珀?duì)柼?yīng)（PELTIEREFFECT）一八三四年法國(guó)人珀?duì)柼l(fā)現(xiàn)了與塞貝克效應(yīng)的效應(yīng)，即當(dāng)電流流經(jīng)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí)，接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生放熱和吸熱現(xiàn)象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。Q=.I=aTc式中：Q為放熱或吸熱功率為比例系數(shù)，稱為珀?duì)柼禂?shù)I為工作電流a為溫差電動(dòng)勢(shì)率Tc為冷接點(diǎn)溫度3、湯姆遜效應(yīng)（THOMSONEFFECT）當(dāng)電流流經(jīng)存在溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，除了由導(dǎo)體電阻產(chǎn)生的焦耳熱之外，導(dǎo)體還要放出或吸收熱量，在溫差為T的導(dǎo)體兩點(diǎn)之間，其放熱量或吸熱量為：Q=.I.TQ為放

8、熱或吸熱功率為湯姆遜系數(shù)I為工作電流T為溫度梯度以上的理論直到本世紀(jì)五十年代，蘇聯(lián)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所約飛院士對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行了大量研究，于一九五四年發(fā)表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的制冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半導(dǎo)體材料，至今還是溫差制冷中半導(dǎo)體材料的一種主要成份。約飛的理論得到實(shí)踐應(yīng)用后，有眾多的學(xué)者進(jìn)行研究到六十年代半導(dǎo)體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)，才達(dá)到相當(dāng)水平，得到大規(guī)模的應(yīng)用，也就是我們現(xiàn)在的半導(dǎo)體制冷片件。中國(guó)在半導(dǎo)體制冷技術(shù)開始于50年代末60年代初，當(dāng)時(shí)在國(guó)際上也是比較早的研究單位之一，60年代中期，半導(dǎo)體材料的性能達(dá)到了國(guó)際水平，60年代末至80年代初是我國(guó)半導(dǎo)體制冷

9、片技術(shù)發(fā)展的一個(gè)臺(tái)階。在此期間，一方面半導(dǎo)體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)提高，另一方面拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所投入了大量的人力和物力，獲得了半導(dǎo)體制冷片，因而才有了現(xiàn)在的半導(dǎo)體制冷片的生產(chǎn)及其兩次產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。 編輯本段優(yōu)缺點(diǎn)半導(dǎo)體制冷片作為特種冷源，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：1、不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)，沒有滑動(dòng)部件是一種固體片件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)，安裝容易。2、半導(dǎo)體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠(yuǎn)大于1。因此使用一個(gè)片件就可以代替分立的加熱系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。3、半導(dǎo)體制冷

10、片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，再加上溫度檢測(cè)和控制手段，很容易實(shí)現(xiàn)遙控、程控、計(jì)算機(jī)控制，便于組成自動(dòng)控制系統(tǒng)。4、半導(dǎo)體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達(dá)到最大溫差。5、半導(dǎo)體制冷片的反向使用就是溫差發(fā)電，半導(dǎo)體制冷片一般適用于中低溫區(qū)發(fā)電。6、半導(dǎo)體制冷片的單個(gè)制冷元件對(duì)的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯(lián)的方法組合成制冷系統(tǒng)的話，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。7、半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍，從正溫90到負(fù)溫度130都可以實(shí)現(xiàn)。通過以上分析，半導(dǎo)體溫差電

11、片件應(yīng)用范圍有：制冷、加熱、發(fā)電，制冷和加熱應(yīng)用比較普遍，有以下幾個(gè)方面：1、軍事方面：導(dǎo)彈、雷達(dá)、潛艇等方面的紅外線探測(cè)、導(dǎo)行系統(tǒng)。2、醫(yī)療方面；冷力、冷合、白內(nèi)障摘除片、血液分析儀等。3、實(shí)驗(yàn)室裝置方面：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。4、專用裝置方面：石油產(chǎn)品低溫測(cè)試儀、生化產(chǎn)品低溫測(cè)試儀、細(xì)菌培養(yǎng)箱、恒溫顯影槽、電腦等。5、日常生活方面：空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電子信箱等。此外，還有其它方面的應(yīng)用，這里就不一一提了。 編輯本段使用說明一、正確的安裝、組裝方法：1、制冷片一面安裝散熱片，一面安裝導(dǎo)冷系統(tǒng)，安裝表面平面度不大于0.03mm，要除去毛刺、污物。

12、2、制冷片與散熱片和導(dǎo)冷塊接觸良好，接觸面須涂有一薄層導(dǎo)熱硅脂。3、固定制冷片時(shí)既要使制冷片受力均勻，又要注意切勿過度，以防止瓷片壓裂。二、正確的使用條件：1、使用直流電源電壓不得超過額定電壓，電源波紋系數(shù)小于10。2、電流不得超過組件的額定電流。3、制冷片正在工作時(shí)不得瞬間通反向電壓(須在5分鐘之后)。4、制冷片內(nèi)部不得進(jìn)水。5、制冷片周圍濕度不得超過80。三、CDL1系列制冷組件使用中的注意問題：1、當(dāng)采用非專用設(shè)備檢驗(yàn)該器件時(shí)，在工作參數(shù)下，熱端的溫度必須低于80，(含改變電流方向冷端變成熱端)。在熱端沒有散熱條件下，瞬間通電進(jìn)行試驗(yàn)，即用手觸摸制冷器的兩個(gè)端面，感到有一定的熱感，一面稍

13、有冷感即可。否則由于熱端溫度太高，極易造成器件短路或斷路，使制冷器報(bào)廢。2、在一般條件下，鑒別制冷組件的極性時(shí)可將制冷組件冷端朝上放置，引線端朝向人體方向，此時(shí)右側(cè)引線即為正極，通常用紅色表示；左側(cè)為負(fù)極，通常用黑色，蘭或白色表示，此種極性是制冷組件工作時(shí)的接線方法。需制熱時(shí)，只要改變電流極性即可。制冷工作時(shí)，必須采用直流電源，電源的絞波系數(shù)應(yīng)小于10。3、制冷電偶對(duì)數(shù)及極限電壓的識(shí)別方法，電偶對(duì)數(shù)即指PN結(jié)點(diǎn)的數(shù)量。例如：制冷器的型號(hào)為CDL1-12703，則127為制冷組件的電偶對(duì)數(shù)，03為允許電流值(單位安培)，制冷組件的極限電壓V；電偶對(duì)數(shù)×0.11，例如：CDLl-1270

14、3的極限電壓V=l27×0.11=13.97(V)。4、各種制冷組件不論在使用還是在試驗(yàn)中，冷熱交換時(shí)必須待兩端面恢復(fù)到室溫時(shí)，(一般需要15分鐘以上方可進(jìn)行)。否則易造成陶瓷片炸裂。5、為了提高制冷組件的壽命，使用前應(yīng)該對(duì)制冷組件四周外露PN元件進(jìn)行固化處理。方法用706單組固化橡膠，均勻地涂在制冷組件四周PN元件上，不要涂在兩個(gè)端面上。所涂的橡膠24小時(shí)自然固化，固化后呈乳白色有彈性的固體。固化的目的是使制冷組件電偶與外界空氣完全隔離。起防潮的作用，可提高制冷組件壽命約50。6、在安裝時(shí)，首先用無水酒精棉，將制冷組件的兩端擦洗干凈，均勻的涂上很蒲的一層導(dǎo)熱硅脂：安裝表面(儲(chǔ)冷板、

15、散熱板)應(yīng)加工，表面平面度不大于0.03MM，并清洗干凈；在安裝過程中制冷組件的冷端工作面一定要與儲(chǔ)冷板接觸良好，熱端應(yīng)與散熱板接觸良好(如用螺絲緊固，用力應(yīng)均勻，切勿過度)；儲(chǔ)冷板、散熱板的尺寸大小取決于冷卻方法及冷卻功率大小，可視情況自行決定；為達(dá)到最佳制冷效果，儲(chǔ)冷板和散熱板之間應(yīng)當(dāng)用隔熱材料充填，其厚度在2530mm為宜。7、用戶在沒有專用儀器的情況下，可根據(jù)生產(chǎn)廠的說明書，測(cè)量其外型尺寸及高度，判斷其性能。用萬用表測(cè)試制冷組件靜態(tài)電阻，不準(zhǔn)確，只可供參考。 編輯本段技術(shù)應(yīng)用壓制好由于頻率提升帶來的大發(fā)熱量一直是眾overclocker討論的一個(gè)問題，從風(fēng)冷、水冷，到壓縮機(jī)、半導(dǎo)體制冷

16、，再到變態(tài)的液氮、干冰，用盡降溫方法。比較BT的風(fēng)冷散熱器和水冷由于其低成本和易用性的特點(diǎn)已經(jīng)成為入門級(jí)超頻發(fā)燒友的標(biāo)準(zhǔn)配置，缺點(diǎn)在于：即使是最好的風(fēng)冷或水冷，也只能把溫度控制得接近或等于環(huán)境溫度；為了把溫度降得低于零度，發(fā)燒友們選擇了壓縮機(jī)和半導(dǎo)體制冷，VapoChill和Mach系列壓縮機(jī)通過相變制冷可以使蒸發(fā)器溫度達(dá)到-50，而國(guó)外發(fā)燒友自制的三級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)甚至達(dá)到了-196，也就是相當(dāng)于液氮的蒸發(fā)溫度，但是由于壓縮機(jī)系統(tǒng)高昂的價(jià)格，只能被極少數(shù)發(fā)燒友接受；液氮和干冰也許是骨灰極發(fā)燒友才會(huì)用到的極限利器，但是蒸發(fā)/升華速度非?？欤荒軒矶虝r(shí)間的極限效能，沒有實(shí)用價(jià)值。所以選擇了半導(dǎo)體制冷。把一個(gè)N型和P型半導(dǎo)體的粒子用金屬連接片焊接而成一個(gè)電偶對(duì)。當(dāng)直流電流從N極流向P極時(shí)，2.3端上產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，此端稱冷端而下面1.4端產(chǎn)生放熱現(xiàn)象，此端稱熱端如果電流方向反過來，則冷熱端相互轉(zhuǎn)換。由于一個(gè)電偶產(chǎn)生熱效應(yīng)較?。ㄒ话慵sIKcalh）所以實(shí)際上將幾十。上百對(duì)電偶聯(lián)成的熱電堆。所以半導(dǎo)體的致冷即一端吸熱一端放熱，是由載流子（電子和空穴）流過結(jié)點(diǎn)，由勢(shì)能的變化而引起的能量傳遞，這是半導(dǎo)體致冷的本質(zhì)，即帕爾帖效應(yīng)。這套系統(tǒng)為Socket939CPU設(shè)計(jì)，所以沒有考慮其他平臺(tái)，諸看官可以根據(jù)自己的情況，設(shè)計(jì)462/478/754/775的扣