半導(dǎo)體制冷的原理

1、低溫制冷裝置常用的低溫制冷裝置有貯液式制冷器、GM循環(huán)制冷器、斯特林循環(huán)制冷器、VM制冷器等多種。 貯液式制冷器:將貯存低溫液體的容器絕熱,使需要冷卻的電子元件、器件與這種液體直接或間接地接觸。電子元件、器件引入的熱量(或本身原有的熱量)為液體蒸發(fā)所吸收，電子元件、器件即被冷卻。這種制冷器可分為整體容器式和液體傳輸式兩類。在整體容器式制冷器中，電子元件、器件直接裝在低溫液體的貯存容器內(nèi)。液體傳輸式制冷系統(tǒng)包括低溫液體存放容器、液體傳輸管路、冷頭和必要的控制系統(tǒng)，靠重力或氣體壓力傳輸液體（圖2）。這種制冷器使用時(shí)間不長就需要添加低溫液體，應(yīng)用受到限制。 G-M循環(huán)制冷機(jī):由壓縮機(jī)和膨脹機(jī)及其附屬

2、裝置組成（圖3）。壓縮機(jī)壓縮來自膨脹機(jī)的低壓氣體，提供一定壓力的純凈工作物質(zhì)氦氣。膨脹機(jī)使高壓氣體在其內(nèi)部膨脹而致冷。 斯特林循環(huán)制冷機(jī)：斯特林循環(huán)由二個(gè)等容、二個(gè)等溫組成的閉式循環(huán)。它有單級、雙級二種。它是冷卻電子器件的微型制冷機(jī)之一。它效率高、體積小、重量輕、操作簡單、使用低溫溫區(qū)和冷量范圍大。 VM制冷機(jī)：完全或主要靠熱能進(jìn)行工作，可直接由熱量產(chǎn)生冷量。凡能使熱腔保持足夠高的溫度和提供足夠熱的能源都可利用，如電能、化學(xué)燃燒能、放射性同位素（如钚 238）、太陽能等。這種制冷機(jī)是回?zé)崾街评錂C(jī)的變種,又叫熱泵制冷機(jī)（圖4）。有時(shí)，只使用很少的電能用于克服活塞與汽缸之間的摩擦力。它振動(dòng)小、不易

3、損壞、壽命長、重量輕和體積小，適于野外和航空使用，尤其適于在航天技術(shù)中應(yīng)用。 熱電制冷器：又稱半導(dǎo)體制冷器。它利用半導(dǎo)體的帕耳帖效應(yīng)，即兩種不同金屬或半導(dǎo)體組成閉合回路時(shí)，通以直流電，引起材料兩接點(diǎn)一個(gè)變冷一個(gè)變熱的現(xiàn)象，組成多級的半導(dǎo)體PN結(jié)熱電制冷器，通常用于紅外和低溫電子技術(shù)（圖5）。它具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。但制冷溫度不能達(dá)到很低的程度。 輻射制冷器：主要是利用一部分宇宙空間的高真空（10-18帕）和星際的有效低溫太空接受 34K的低溫源,輻射制冷器(圖6)是一種不需要任何熱源和機(jī)械制冷功的被動(dòng)式制冷器，其優(yōu)點(diǎn)是不需要傳動(dòng)部件和冷卻劑，且重量輕、工作壽命長。這類制冷器已用于氣象衛(wèi)星冷

4、卻電子元件、器件。 節(jié)流制冷器：利用等焓膨脹的節(jié)流效應(yīng)制冷。它是降溫的常用方法，即高壓氣體通過一個(gè)小孔降壓而變冷，這個(gè)過程在節(jié)流閥中完成。這種制冷器有單級和雙級二種。氣體經(jīng)不同節(jié)流后達(dá)到不同的制冷溫度。例如，用液氮預(yù)冷、氖節(jié)流的雙組制冷機(jī)可達(dá)到30K,可與鍺摻汞元件配合，用于紅外探測器中。節(jié)流制冷器是現(xiàn)代最成熟的制冷裝置之一，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和工藝簡單、易于制造、重量輕、體積小、無運(yùn)動(dòng)部件、噪聲小和使用方便等，缺點(diǎn)是效率較低、工作壓力高，對氣體純度要求高,一般雜質(zhì)不超過0.01（節(jié)流孔視冷量而定,其大小一般為幾微米至十幾微米，易發(fā)生凍結(jié)阻塞）。 低溫溫度計(jì)：半導(dǎo)體鍺溫度計(jì)在低溫下電阻隨溫度的降低而

5、迅速增加，因而靈敏度較高、重復(fù)性好和使用方便。它已成為低溫超導(dǎo)領(lǐng)域的重要測量元件，可用于低溫設(shè)備、空間裝置、超導(dǎo)裝置和衛(wèi)星通信地球站等設(shè)備上的低溫溫度測量，可以配用指示記錄和數(shù)字儀表進(jìn)行顯示。此外,砷化鎵二極管廣泛用于1400K的溫度測量。摻鋅和摻錳的砷化鎵電阻溫度計(jì)測溫的相對靈敏度比砷化鎵二級管溫度計(jì)大約高10倍到 100倍。低溫溫度計(jì)還有鉑電阻溫度計(jì)、碳電阻溫度計(jì)、銠鐵電阻溫度計(jì)，以及其他低溫?zé)犭娕己偷蜏貍鞲衅鞯取?低溫泵：利用溫度極低的表面，使被抽氣體冷凝而獲得超高潔凈真空的真空泵。低溫泵有貯槽式低溫泵、蒸發(fā)式低溫泵和制冷機(jī)低溫泵等,抽速均在1104/米3秒之間。低溫泵能大大提高真空度(

6、低于10-11帕)。上百萬升秒的高抽速的超高真空或極高真空設(shè)備也已經(jīng)研制成功。 低溫抽氣在鍍膜設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用，它在大規(guī)模集成、超大規(guī)模集成與超導(dǎo)集成工藝中尤其重要，因?yàn)楦哔|(zhì)量的真空鍍膜常常要求在沒有雜質(zhì)和原子污染的條件下進(jìn)行，特別是生產(chǎn)磁膜、超導(dǎo)膜和其他特殊電子元件、器件時(shí)需要消除氧和碳?xì)浠衔镏惖奈廴?。另外，材料在真空中釋放出大量的氫，也需要對氫有很高的抽速?為使熱成像系統(tǒng)正常工作，將其探測器元件冷卻至低溫或深低溫的技術(shù)，又稱低溫恒溫器技術(shù)。該技術(shù)的主要任務(wù)有二點(diǎn)：一是通過制冷形成一個(gè)合適的低溫恒溫環(huán)境，以保證需要在低溫下工作的電子器件或系統(tǒng)功能正常，或提高器件的靈敏度；二是屏蔽或減

7、小來自熱成像系統(tǒng)的濾光片、擋板及光學(xué)系統(tǒng)本身等帶來的熱噪聲。制冷器的工作原理包括物理和化學(xué)兩種方法。根據(jù)使用場合和所需要制冷溫度不同，可利用不同原理制成適當(dāng)?shù)闹评淦?。熱成像系統(tǒng)使用的多為物理方法。主要有：1、利用相變制冷即利用制冷工作物質(zhì)相變吸熱效應(yīng)，如使用灌注式杜瓦瓶的液氮、液氫等的制冷；2、利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)制冷即當(dāng)高壓氣體的溫度低于本身的轉(zhuǎn)換溫度并通過一個(gè)很小的節(jié)流孔時(shí)，氣體的膨脹會使溫度下降。如焦-湯制冷器，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、可*性高、質(zhì)量輕、體積小、無振動(dòng)、無運(yùn)動(dòng)部件、噪聲小、成本低、致冷速度快，致冷時(shí)間通常只需1560s（秒）。3、利用氣體的等熵膨脹制冷即氣體在等熵膨脹時(shí)，借膨脹機(jī)

8、的活塞向外輸出機(jī)械功，膨脹后氣體的內(nèi)位能要增加，從而要消耗氣體本身的內(nèi)功能來補(bǔ)償，致使膨脹后溫度顯著降低。如斯特林閉循環(huán)制冷器，其特點(diǎn)是功耗低、尺寸小、質(zhì)量輕。4、利用帕爾帖效應(yīng)制冷即用N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體作用偶對，當(dāng)有直流電通過時(shí)電偶對一端發(fā)熱，另一端變冷，如熱電制冷器，又稱為半導(dǎo)體或溫差電制冷器。熱電探測器的主要優(yōu)點(diǎn)是：全固態(tài)化器件、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長；無運(yùn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪音；不受環(huán)境影響；可*性高。缺點(diǎn)是制冷器的性能系數(shù)（COP）較低，致冷量小，效率低；5、利用物體之間的熱輻射交換制冷如在外層空間利用外層宇宙的高真空，深低溫來制冷。它的顯著特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件、長壽命、功耗小、無振動(dòng)干擾。缺

9、點(diǎn)是對軌道和衛(wèi)星的構(gòu)形有要求，對環(huán)境要求嚴(yán)格，入軌后需經(jīng)過一段時(shí)間的加熱放氣后才能工作。相關(guān)技術(shù)焦平面技術(shù)；熱力學(xué)技術(shù)；機(jī)械加工技術(shù)技術(shù)難點(diǎn)不同制冷器技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)各不相同。斯特林制冷器的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)在于增加致冷量、加大壓縮機(jī)和冷指之間分置距離、尋找更靈活的氣體通道、減輕壓縮機(jī)重量、減小體積等。對于高頻小型脈沖管制冷器技術(shù)，主要考察方向是回?zé)崞髟O(shè)計(jì)和性能；減少復(fù)式入口脈沖管中直流電流的影響；降低脈沖管中的流動(dòng)性。對于熱電致冷技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)在于提高熱電材料的品質(zhì)因素Z和減小冷端熱負(fù)載。對于閉環(huán)節(jié)流制冷器，通常高壓壓縮機(jī)是可*性的薄弱環(huán)節(jié)，需要加以克服。國外概況1、斯特林致冷技術(shù)斯特林致冷技術(shù)已經(jīng)

10、有50年發(fā)展歷史，在軍事上應(yīng)用最廣泛。首先出現(xiàn)的是整體式結(jié)構(gòu)，即壓縮活塞和膨脹活塞用一連桿以機(jī)械方式連為一體。整體式結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生熱和振動(dòng)影響制冷部分。針對系統(tǒng)存在的不足，國外也作了些改進(jìn)。首先，自1972年以來，有了顯著發(fā)展，由美國休斯飛機(jī)公司研制出分置式斯特林制冷器，將壓縮機(jī)和膨脹器分開安置，中間用一根軟管相連。這種結(jié)構(gòu)不僅克服了早期整體式制冷器的缺點(diǎn)，還保持了原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此頗受國外用戶重視，發(fā)展較快。其次，為了克服原有電機(jī)/曲軸這種動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的磨損而影響壽命，荷蘭飛利浦研究所于1968年開始研制用線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性諧振壓縮機(jī)的斯特林機(jī)。迄今為止，線性諧振斯特林

11、機(jī)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了三代：1975年由荷蘭飛利浦公司的科學(xué)和工業(yè)分部研制的MC-80型微型制冷器稱為第一代，屬非軍用型，致冷溫度為80開氏度時(shí)，輸出功率為1W（瓦）；1976年，荷蘭和美國同時(shí)設(shè)計(jì)出第二代。荷蘭飛利浦公司在MC-80的基礎(chǔ)上使其軍用化，最初命名為MMC-80，后來正式命名為UA-7011型；1982年，在UA-7011的基礎(chǔ)上，由飛利浦公司研制了一系列線性諧振制冷器，稱為第三代。它們由標(biāo)準(zhǔn)化壓縮機(jī)和兩個(gè)冷指（膨脹器部分）組成，專用于美國60元和120元/180元探測器/杜瓦瓶裝置。致冷功率分別能達(dá)到1/4W和1W，平均無故障時(shí)間為2500h(小時(shí))。該公司目前正繼續(xù)研制更新產(chǎn)品。

12、2、脈管致冷技術(shù)1963年由美國低溫專家發(fā)明，直到1984年前蘇聯(lián)米庫林教授對基本型脈管做了重大改進(jìn)后，使其向?qū)嵱眠~進(jìn)關(guān)鍵性一步。脈管實(shí)際上是斯特林的變體，膨脹機(jī)內(nèi)無需運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)更簡單可*，且易于裝配和控制振動(dòng)。目前其機(jī)理仍在探索中，未來將成為斯特林機(jī)強(qiáng)有力的競爭對手，特別是在長壽命機(jī)型中更是如此。3、熱電致冷技術(shù)又稱溫差電致冷器或半導(dǎo)體制冷器。1950年代末期，隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的大力發(fā)展，解決了早期系統(tǒng)致冷效率低的的問題。特別是美、英、日蘇等國在這一領(lǐng)域做了大量研究，1960年代用熱電致冷即已達(dá)到實(shí)用階段。熱電質(zhì)量因素Z是用以評價(jià)熱電材料的因素之一，1980年代末，美國和歐洲一些國家熱

13、電材料的Z值能達(dá)到3.5×10-3/°K（10的負(fù)三次方/開氏度），前蘇聯(lián)能達(dá)到4.7×10-3/°K。目前熱電制冷器主要用于手持式熱像儀，如美國馬格納沃克斯公司的AN/PAS-7型和HPHTV型、英國萊賽蓋奇公司的LT1065型。此外還可用于其它一些觀瞄系統(tǒng)，如美國德克薩斯儀器公司的AN/TAS-5“龍”式反坦克導(dǎo)彈熱成像瞄準(zhǔn)具、美國馬格納沃克斯公司的TWS型熱成像瞄準(zhǔn)具等。4、焦-湯致冷技術(shù)又稱節(jié)流式致冷技術(shù)，是1950年代發(fā)明的，絕大多數(shù)情況下使用開環(huán)式致冷器，但仍有采用高壓壓縮機(jī)的閉式節(jié)流制冷器。早期系統(tǒng)由逆流式熱交換機(jī)、節(jié)流孔和裝有高壓氣體的貯

14、氣瓶組成。為了控制氣體消耗量，國外對節(jié)流制冷器作了些改進(jìn)，設(shè)計(jì)了自調(diào)式制冷器?，F(xiàn)在國外生產(chǎn)的焦-湯系統(tǒng)幾乎都配備了這種自調(diào)機(jī)構(gòu)。國外多將該技術(shù)用于紅外制導(dǎo)、手持式熱像儀、車載熱像儀、反坦克導(dǎo)彈熱瞄具等。如美國德克薩斯儀器公司的AN/TAS-4陶式反坦克導(dǎo)彈夜瞄具、科爾斯曼公司的熱成像遠(yuǎn)距離夜間觀察儀、英國馬可尼公司的HHT-8和MSDS型手持熱像儀、索恩·伊美公司的多用途熱像儀和法國的TRT公司的MIRA型紅外熱像瞄準(zhǔn)具等。5、利用相變致冷有液態(tài)致冷和固態(tài)致冷兩種。液態(tài)循環(huán)致冷目前廣泛用于試驗(yàn)室測量和民用紅外系統(tǒng)。固態(tài)致冷系統(tǒng)主要用于航天工業(yè)，儲存的固態(tài)冷卻劑根據(jù)質(zhì)量和體積，使用時(shí)間

15、可為1至3年或更長。影響光電器件的冷卻離不開低溫技術(shù)，尤其是紅外技術(shù)在武器裝備中特殊的地位使其迅速發(fā)展。1、紅外預(yù)警和監(jiān)視海灣戰(zhàn)爭以后，各國反導(dǎo)技術(shù)得到發(fā)展，均致力于研制彈道導(dǎo)彈的防御系統(tǒng)。紅外探測技術(shù)在導(dǎo)彈發(fā)射預(yù)警中起到關(guān)鍵性作用。它包括星載紅外預(yù)警探測系統(tǒng)、機(jī)載和艦載反導(dǎo)紅外探測預(yù)警系統(tǒng)，它們都需要高可*性的斯特林制冷器或其它類型的制冷器作為紅外探測器的冷源。2、精確光電制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈和反導(dǎo)攔截器幾乎都使用紅外引導(dǎo)頭、紅外尋的制導(dǎo)技術(shù)由點(diǎn)源發(fā)展為成像制導(dǎo)，已廣泛應(yīng)用于精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)智能化，具有高靈敏度、高分辨率、作用距離大和對目標(biāo)有自動(dòng)識別和跟蹤決策能力。3、夜間及紅外熱成像系統(tǒng)夜視和紅外熱成像是當(dāng)今現(xiàn)代化戰(zhàn)爭最常用而不可缺少的軍事手段。紅外夜視在80年代已經(jīng)發(fā)