半導製冷是基於什麼原理

A. 半導體致冷片（製冷片）原理是什麼

在原理上，半導體的製冷片只能算是一個熱傳遞的工具，雖然製冷片會主動為晶元散熱，但依然要將熱端的高於晶元的發熱量散發掉。在製冷片工作期間，只要冷熱端出現溫差，熱量便不斷地通過晶格的傳遞，將熱量移動到熱端並通過散熱設備散發出去。因此，製冷片對於晶元來說是主動製冷的裝置，而對於整個系統來說，只能算是主動的導熱裝置，因此，採用半導體製冷裝置的ZENO96智冷版，依然要採取主動散熱的方式對製冷片的熱端進行降溫。 風扇以及散熱片的作用主要是為製冷片的熱端散熱，通常熱端的溫度在沒有散熱裝置的時候會達到100度左右，極易超過製冷片的承受極限，而且半導體製冷效率的關鍵就是要盡快降低熱端溫度以增大兩端溫差，提高製冷效果，因此在熱端採用大型的散熱片以及主動的散熱風扇將有助於散熱系統的優良工作。在正常使用情況下，冷熱端的溫差將保持在40～65度之間。 當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流後，就能產生能量的轉移，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體材料N、P的元件對數來決定，以下三點是熱電製冷的溫差電效應。
1、塞貝克效應
（SEEBECKEFFECT） 一八二二年德國人塞貝克發現當兩種不同的導體相連接時，如兩個連接點保持不同的溫差，則在導體中產生一個溫差電動勢：ES=S.△T 式中：ES為溫差電動勢 S為溫差電動勢率（塞貝克系數） △T為接點之間的溫差
2、珀爾帖效應
（PELTIEREFFECT） 一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的效應，即當電流流經兩個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。 Qл=л.Iл=aTc 式中：Qπ為放熱或吸熱功率 π為比例系數，稱為珀爾帖系數 I為工作電流 a為溫差電動勢率 Tc為冷接點溫度
3、湯姆遜效應
（THOMSONEFFECT） 當電流流經存在溫度梯度的導體時，除了由導體電阻產生的焦耳熱之外，導體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導體兩點之間，其放熱量或吸熱量為： Qτ=τ.I.△T Qτ為放熱或吸熱功率 τ為湯姆遜系數 I為工作電流 △T為溫度梯度 以上的理論直到本世紀五十年代，蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究，於一九五四年發表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的製冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差製冷中半導體材料的一種主要成份。 約飛的理論得到實踐應用後，有眾多的學者進行研究到六十年代半導體製冷材料的優值系數，才達到相當水平，得到大規模的應用，也就是我們現在的半導體製冷片件。 中國在半導體製冷技術開始於50年代末60年代初，當時在國際上也是比較早的研究單位之一，60年代中期，半導體材料的性能達到了國際水平，60年代末至80年代初是我國半導體製冷片技術發展的一個台階。在此期間，一方面半導體製冷材料的優值系數提高，另一方面拓寬其應用領域。中國科學院半導體研究所投入了大量的人力和物力，獲得了半導體製冷片，因而才有了現在的半導體製冷片的生產及其兩次產品的開發和應用。

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B. 請問，半導體製冷是什麼原理

半導體製冷器件的工作原理是基於帕爾帖原理，該效應是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發現的，即利用當兩種不同的導體A和B組成的電路且通有直流電時，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應所引起的這種現象是可逆的，改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強度I[A]成正比，且與兩種導體的性質及熱端的溫度有關，即：
Qab=Iπabπab稱做導體A和B之間的相對帕爾帖系數
，單位為[V],
πab為正值時，表示吸熱，反之為放熱，由於吸放熱是可逆的，所以πab=－πab帕爾帖系數的大小取決於構成閉合迴路的材料的性質和接點溫度，其數值可以由賽貝克系數αab[V.K-1]和接頭處的絕對溫度T[K]得出πab=αabT與塞貝克效應相，帕爾帖系也具有加和性，即：Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I因此絕對帕爾帖系數有πab=πa－
πb金屬材料的帕爾帖效應比較微弱，而半導體材料則要強得多，因而得到實際應用的溫差電製冷器件都是由半導體材料製成的。製冷材料AVIoffe和AFIoffe指出，在同族元素或同種類型的化合物質間，晶格熱導率Kp隨著平均原子量A的增長呈下降趨勢。RWKeyes通過實驗推斷出，KpT近似於Tm3/2ρ2/3A-7/6成比例，即近似與原子量A成正比，因此通常應選取由重元素組成的化合物作為半導體製冷材料。半導體製冷材料的另一個巨大發展是1956年由AFIoffe等提出的固溶體理論，即利用同晶化合物形成類質同晶的固溶體。固溶體中摻入同晶化合物引入的等價置換原子產生的短程畸變，使得聲子散射增加，從而降低了晶格導熱率，而對載流子遷移率的影響卻很小，因此使得優值系數增大。例如50%Bi2Te3－50%Bi2Se3固溶體與Bi2Te3相比較，其熱導率降低33%，而遷移率僅稍有增加，因而優值系數將提高50%到一倍。Ag(1-x)Cu(x)Ti
Te、Bi－Sb合金和YBaCuO超導材料等曾經成為半導體製冷學者的研究對象，並通過實驗證明可以成為較好的低溫製冷材料。下面將分別介紹這幾種熱電性能較好的半導體製冷材料。二元固溶體，無論是P型還是N型，晶格熱導率均比Bi2Te3有較大降低，但N型材料的優值系數卻提高很小，這可能是因為在Bi2Te3中引入Bi2Se3時，隨著Bi2Se3摩爾含量的不同呈現出兩種不同的導電特性，勢必會使兩種特性都不會很強，通過合適的摻雜雖可以增強材料的導電特性，提高材料的優值系數，但歸根結底還是應該在本題物質上有所突破。

C. 半導體製冷片的工作原理

簡單而言製冷片能夠製冷是半導體p-n結在電場的作用下所產生的。在給半導內體p-n結施加一定的電壓的情況容下，電子從p區要穿過n區就需要耗能從而產生熱量；如果熱量被空氣或者其它物體散發，因平衡的需要會進行補充，這就產生吸熱現象即製冷了。因此半導體製冷片在使用時必須要保證熱端的散熱效果，否則不但不能製冷而且會造成製冷片的損壞。

優點和特點：

1、不需要任何製冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。

2、半導體製冷片具有兩種功能，既能製冷，又能加熱，製冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大於1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統和製冷系統。

3、半導體製冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現遙控、程式控制、計算機控制，便於組成自動控制系統。

4、半導體製冷片熱慣性非常小，製冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鍾，製冷片就能達到最大溫差。

5、半導體製冷片的反向使用就是溫差發電，半導體製冷片一般適用於中低溫區發電。

6、半導體製冷片的單個製冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、並聯的方法組合成製冷系統的話，功率就可以做的很大，因此製冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。

7、半導體製冷片的溫差范圍，從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現。

D. 求半導體製冷的工作原理

半導體製冷片製冷原理

原理圖
半導體製冷片（TE）也叫熱電製冷片，是一種熱泵，它的優點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無製冷劑污染的場合。
半導體製冷片的工作運轉是用直流電流，它既可製冷又可加熱，通過改變直流電流的極性來決定在同一製冷片上實現製冷或加熱，這個效果的產生就是通過熱電的原理，上圖就是一個單片的製冷片，它由兩片陶瓷片組成，其中間有N型和P型的半導體材料（碲化鉍），這個半導體元件在電路上是用串聯形式連接組成. 半導體製冷片的工作原理是：當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料連結成電偶對時，在這個電路中接通直流電流後，就能產生能量的轉移，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體材料N、P的元件對數來決定。製冷片內部是由上百對電偶聯成的熱電堆（如右圖），以達到增強製冷（制熱）的效果。以下三點是熱電製冷的溫差電效應。
1、塞貝克效應（SEEBECK EFFECT）
一八二二年德國人塞貝克發現當兩種不同的導體相連接時，如兩個連接點保持不同的溫差，則在導體中產生一個溫差電動勢： ES=S.△T
式中：ES為溫差電動勢
S（?）為溫差電動勢率（塞貝克系數）
△T為接點之間的溫差
2、珀爾帖效應（PELTIER EFFECT）
一八三四年法國人珀爾帖發現了與塞貝克效應的效應，即當電流流經兩個不同導體形成的接點時，接點處會產生放熱和吸熱現象，放熱或吸熱大小由電流的大小來決定。
Qл=л.I л=aTc
式中：Qπ 為放熱或吸熱功率
π為比例系數，稱為珀爾帖系數
I為工作電流
a為溫差電動勢率
Tc為冷接點溫度
3、湯姆遜效應（THOMSON EFFECT）
當電流流經存在溫度梯度的導體時，除了由導體電阻產生的焦耳熱之外，導體還要放出或吸收熱量，在溫差為△T的導體兩點之間，其放熱量或吸熱量為：
Qτ=τ.I.△T
Qτ為放熱或吸熱功率
τ為湯姆遜系數
I為工作電流
△T為溫度梯度
以上的理論直到本世紀五十年代，蘇聯科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究，於一九五四年發表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的製冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半導體材料，至今還是溫差製冷中半導體材料的一種主要成份。

E. 半導體製冷的工作原理是怎樣的

半導體製冷又稱溫差電製冷、或熱電製冷。是未來電冰箱製冷技術發展的一個方向。半導體製冷是利用特種半導體材料，製成製冷器件，通電後直接製冷，因此得名半導體製冷。

用兩種不同金屬組成一對熱電偶，當在熱電偶中通以直流電流時，將在電偶的不同結點處，產生吸熱和放熱現象，這種現象稱為珀爾帖效應。

利用珀爾帖效應製成的半導體製冷器的電偶，是由一種特製的N型和P型半導體組成的。N型半導體是靠電子導電的，而P型半導體是靠所謂「空穴」來導電的。

不論N型半導體中的自由電子，還是P型半導體中的空穴，它們都參與導電，統稱為「載流子」，由「載流子」導電的現象，是半導體所特有的。

半導體製冷原理是把一個P型半導體和一個N型半導體，用銅連接片焊接而成電偶對，如圖2-7所示。當直流電流從N型半導體流向P型半導體時，則在2、3端的銅連接片上產生吸熱現象，此端稱為冷端；而在1、4端的銅連接片上產生放熱現象，此端稱為熱端。如果電流方向反過來，則冷、熱端將互換。

圖2-8 半導體製冷器的熱電堆

我國目前應用的製冷半導體材料，多數是以碲化鉍為基體的三元固熔體合金，其中P型材料是Bi₂Te₃-Sb₂Te₃；N型材料是Bi₂Te₃-Bi₂Se₃。由於半導體材料性能的限制，目前半導體製冷的效率比一般壓縮式要低，耗電量約大1倍。但在幾十瓦小能量的情況下，由於半導體製冷器的效率與能量大小無關，故對微小型製冷裝置，反而比壓縮式經濟。此外由於半導體製冷器必需使用直流電源，價格貴，使它的應用受到一定的限制。