半导体致冷器 ,也叫热电致冷器,或温差电制冷器件。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,无致冷剂污染的场合。
半导体致冷器的工作运转是用直流电流,它既可致冷又可加热,通过改变直流电流的极性来
决定在同一致冷器上实现致冷或加热,这个效果的产生就是通过热电的原理,以下的图就是一
个单片的致冷器,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 .
半导体致冷器的工作原理是: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,以下三点是热电致冷的温差电效应。
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.Iл=aTc
式中: Qπ 为放热或吸热功率 I 为工作电流 a 为温差电动势 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致冷效果,这是最早的也是
最重要的热电半导体材料,至今还是温差致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致冷材料的优值系数,
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致冷器件。
中国在半导体致冷技术开始于 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致冷器
技术发展的一个台阶。在此期间,一方面半导体致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,获得了半导体致冷器,因而才有
了现在的半导体致冷器的生产及其两次产品的开发和应用 .