半导体制冷的结构及原理介绍

到了二十世纪五十年代随着半导体材料的迅猛发展，热电制冷器才逐渐从实验室走向工程实践，在国防、工业、农业、医疗和日常生活等领域获得应用，大到可以做核潜艇的空调，小到可以用来冷却红外线探测器的探头，因此通常又把热电制冷器称为半导体制冷器。

半导体制冷的原理及结构

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。

直接接触的热电偶电路在实际应用中不可用，所以用下图的连接方法来代替，实验证明，在温差电路中引入第三种材料（铜连接片和导线）不会改变电路的特性。

这样，半导体元件可以用各种不同的连接方法来满足使用者的要求。把一个P型半导体元件和一个N型半导体元件联结成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。

在上面的接头处，电流方向是从N至P，温度下降并且吸热，这就是冷端;而在下面的一个接头处，电流方向是从P至N，温度上升并且放热，因此是热端。

因此是半导体致冷片由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而N/P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，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。

半导体制冷应用

技术领域

对红外探测器，激光器和光电倍增管等光电器件的制冷。比如，德国Micropelt公司的半导体制冷器占用面积非常小，只有1mm²，可以和激光器一起使用TO封装。

农业领域

温室里面过高或过低的温度，都将导致秧苗坏死，尤其部分名贵植物对环境更加敏感，迫切需要将适宜的温度检测及控制系统应用于现代农业。

医疗领域

半导体温控系统在医学上的应用更为广泛。如：用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及一些智能精确温控的恒温仪培养箱等；用于开发具有特殊温度平台的扫描探针显微镜等。

激光领域

激光技术用美容仪器，微型零件加工等，其在工作中都产生局部热，通过半导体制冷器，采用水冷或微型制冷器冷却。

装置方面

如实验用的显微镜摄像头，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

在日常生活

空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等。

半导体致冷特点

半导体致冷是靠空穴和电子在运动中直接传递能量来实现的。与蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷相比，它的特点主要表现在以下几个方面

1）不需要制冷剂，无泄漏，无污染;

2）无机械传动部分，因此工作时无噪音、无磨损、寿命长;

3）冷却速度和制冷温度可以通过改变电流大小任意调节，灵活性高;

4）体积可以做得很小。例如一个能达到-100℃低温的四级半导体致冷器，其外形尺寸只有一个香烟盒大小。

5）制冷效率与容量大小无关，在制冷量极小时仍能保持较高的制冷效率。

半导体致冷缺点

作为一种新兴技术，它在诸多方面又有其难以克服的缺点：

电流过大（通常工作电流可达到5A甚至更高），耗电量大约是蒸汽压缩式制冷的两倍，发热量大，大容量时制冷效率太低（通常COP《1）对半导体芯片的散热条件要求高半导体致冷器在制造工艺上也不太成熟。

目前，国内外对于便携式制冷的研究，绝大多数仍然集中于如何改善半导体制冷器的工作散热条件（例如使用涡旋换热技术），以及如何改进半导体芯片的生产工艺等方面。