半导体制冷片原理

半导体制冷片(TE)也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。

半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，以下的图就是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料(碲化铋)，这个半导体元件在电路上是用串联形式连结组成。

半导体制冷片的工作原理

当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定，以下三点是热电制冷的温差电效应。

1、 塞贝克效应(SEEBECK EFFECT)

一八二二年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势： ES=S.△T

式中：ES为温差电动势

S(?)为温差电动势率(塞贝克系数)

△T为接点之间的温差

2、 珀尔帖效应(PELTIER EFFECT)

一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。

Qл=л.I л=aTc

式中：Qπ 为放热或吸热功率

π为比例系数，称为珀尔帖系数

I为工作电流

a为温差电动势率

Tc为冷接点温度

3、 汤姆逊效应 (THOMSON EFFECT)

当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：

Qτ=τ.I.△T

Qτ为放热或吸热功率

τ为汤姆逊系数

I为工作电流

△T为温度梯度

以上的理论直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。

约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体制冷材料的优值系数，才达到相当水平，得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体制冷片件。

中国在半导体制冷技术开始于50年代末60年代初，当时在国际上也是比较早的研究单位之一，60年代中期，半导体材料的性能达到了国际水平，60年代末至80年代初是我国半导体制冷片技术发展的一个台阶。在此期间，一方面半导体制冷材料的优值系数提高，另一方面拓宽其应用领域。中国科学院半导体研究所投入了大量的人力和物力，获得了半导体制冷片，因而才有了现在的半导体制冷片的生产及其两次产品的开发和应用。

制冷片的技术应用

半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：

1、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。

2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。

3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

4、 半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

5、 半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。

6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

7、 半导体制冷片的温差范围，从正温到负温度都可以实现。

通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：

1、 军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。

2、 医疗方面冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。

3、 实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。

4、 专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。

5、 日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了。

半导体制冷片的散热方式

半导体制冷片件的散热是一门专业技术，也是半导体制冷片件能否长期运行的基础。良好的散热才能获得最低冷端温度的先决条件。以下就是半导体制冷片的几种散热方式：

1、 自然散热。

采用导热较好的材料，紫铜铝材料做成各种散热片，在静止的空气中自由的散发热量，使用方便，缺点是体积太大。

2、 充液散热。

用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温。缺点是用水不方便，浪废太大，优点是体积小，散热效果最好。

3、 强迫风冷散热。

工作气氛为流动空气，散热片所用的材料和自然散热片相同，使用方便，体积比自然冷却的小，缺点是增加一个风机出现噪音。

4、 真空潜热散热。

最常用的就是“热管”散热片，它是利用蒸发潜热快速传递热容量。

本公司在在半导体制冷片基础上，自行创新，于09年上半年研发出一款新型制冷片---双层制冷片，此产品突破了常规制冷片的瓶颈，把原有制冷片的最大温差68度扩大到90度，100度，满足产品能够达到更高的要求，可以达到零下50度，可用于航空航天，工业高端设备上。

根据客户应用范围，我们设计了40*40和50*50两种规格尺寸，客户可以根据要求的制冷面积来选择考虑到在配置电源时的成本问题，我们专设计了片子的最大电压是15.2伏，一般接12伏即可工作，这样为客户解决了一大难题；电流规格可以为：5安，6安，7安，8安，9安，10安 六种可供客户选择。

一。双层制冷片并非一些人认为的简单的把两片制冷片经过一定工艺叠加在一块的，双层制冷片是由三片陶瓷片组合，夹在中间的一片陶瓷片是双面都经过了特殊工艺，使之能够在其两面焊接导流片

二。双层制冷片是采用了底层片对上层片吸热的原理制作成的，所以为了更好的使上层的冷面有一个最低的温度，上下两层是采用了不等的粒子对，我司主要是采用127-031这种粒子对分布模式

在制冷片工作期间，只要冷热端出现温差，热量便不断地通过晶格的传递，将热量移动到热端并通过散热设备散发出去。

半导体的制冷片算是一个热传递的工具，虽然制冷片会主动为芯片散热，要将热端的高于芯片的发热量散发掉。制冷片对于芯片来说是主动制冷的装置，对于整个系统来说，算是主动的导热装置，采用半导体制冷装置的ZENO96智冷版，依然要采取主动散热的方式对制冷片的热端进行降温。

结构：

半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。N型材料有多余的电子，有负温差电势。P型材料电子不足，有正温差电势；当电子从P型穿过结点至N型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。

以上内容参考；百度百科-制冷片

制冷片型号的区别是，同样尺寸同样产冷功率下，TES的元件数量要比TEC多。

制冷片的内部是N型和P型半导体的串联然后再并联，故在前面的条件下，TES的电压比TEC大，TEC的电流比TES小。

制冷片也叫热电制冷片是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。

利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的，它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。

制冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才出现，然而其理论基础Peltiereffect可追溯到19世纪。

同时也是兼职研究这现象的物理学家才发现背后真正的原因，这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用，也就是致冷器的发明注意，这时叫致冷器，还不叫半导体致冷器。

由许多N型半导体和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜铝或其他金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。