半导体热电材料 半导体热电制冷器详细技术说明.doc

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半导体热电材料 半导体热电制冷器详细技术说明 1.0 热电制冷的介绍 1.1 热电制冷器,也被称为珀尔帖制冷器,是一种以半导体材料为基础,可以用作小型热泵的电子元件。通过在热电制冷器的两端加载一个较低的直流电压,热量就会从元件的一端流到另一端。此时,制冷器的一端温度就会降低,而另一端的温度就会同时上升。值得注意的是,只要改变电流方向,就可以改变热流的方向,将热量输送到另一端。所以,在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。因此,热电制冷器还可以用于精确的温度控制。 1.1.1为了给新用户提供一个热电制冷器制冷量的大致概念,我们首先以一个典型的单级热电制冷器为例。将这个单级热电制冷器放置在散热器上,使其保持在室温。然后将其连接在一个适当的电池上或者直流电源上,制冷器的冷端温度会降低到大约-40 。此时,制冷器上将达到相对热平衡状态,而且制冷器两端将达到最大的温差(DTmax)。如果向冷端不断输入热量,冷端温度会逐渐增加,直到与热端温度相同。这一时刻,制冷器会达到最大制冷量(Qmax)。 1.2热电制冷器与传统的机械式制冷器都遵循相同的热力学法则,并且,尽管两者的组成形式有很大不同,但是其工作原理却是相同的。 在机械式制冷单元中,首先使用压缩机增加液体的压力,使制冷剂在体系中循环流动。然后,制冷剂在冷冻区固化,在随后的升华过程中吸收热量使冷冻区温度降低。而在冷冻区被吸收的热量被运输到压缩机,并通过制冷剂压缩这个过程将热量传递给环境。相对的,在热电制冷系统中,掺杂的半导体材料就充当了液态制冷剂的作用,而冷凝器被散热器所取代,压缩机被直流电源所取代。通过在热电制冷器上加载直流电源,使半导体中的电子发生运动。在半导体材料的冷端,热量被电子运动所吸收,这些电子运动到材料的另外一端,即热端。由于材料的热端连接在散热器上,热量也就从材料体内传到散热器上,然后再被输送到环境中。 1.3尽管商业化的热电制冷器在1960年前后才有所发展,但是热电制冷器的物理理论可以追溯到19世纪早期。第一个与热电理论相关的重要发现是在1821年由德国科学家托马斯·塞贝克发现的。他发现,在一个由两种不同金属导体构成的闭合回路中,当两个接头的温度不同时,回路中会有持续的电流流动。然而,实际上塞贝克没有给出他这个发现的科学解释,并且,他错误的假设热流的流动与电流的流动能够产生相同的效果。在1834年,一个法国制表师兼物理学家简·珀尔帖在研究塞贝克效应的过程中发现,这一现象具有一个相反的现象,也就是当闭合回路中有电流流动的时候,两个接头之一会吸热,而另一个会放热。20年后,威廉姆·汤姆逊(即开尔文勋爵)为塞贝克效应和珀尔帖效应提出了一个系统的解释,并建立了两者的关系。但是此时,对这些现象的研究仍然仅仅局限在实验室中,并没有发现任何实际应用的可能性。 在20世纪30年代,俄罗斯科学家们开始通过研究一些早期的热电效应,试图在一些偏远地区建立热电的发电站。这些俄罗斯科学家对热电材料的兴趣最终扩展到了全世界,并且激发了热电制冷器在实际应用中的发展。如今的热电制冷器,主要应用现代半导体技术,使用掺杂的半导体取代了早期实验中的两种不同的金属导体。 1.4 塞贝克、珀尔帖、汤姆逊效应和其他一些现象共同组成了功能性热电制冷器的基础。下面我们简要介绍一下这些热电效应。 1.4.1塞贝克效应:为了说明塞贝克效应,让我们来看一下图1.1中热电偶闭合环路的简图。两种金属分别标记为材料X和材料Y。 在典型的测量温度的应用中,热电偶A是作为参比温度而保持在一个相对较低的温度Tc。热电偶B端用来测量所需要的温度Th。当B端被加热时,在T1和T2两端会出现电压。这个电压V0,也被称为塞贝克电动势,可以表示为V0=axy×(Th – Tc)。 其中,V0是输出电压,单位是V; axy代表两种材料的塞贝克系数之差,单位是V/K; Th和Tc分别表示热电偶的热端和冷端温度,单位是K。 1.4.2 珀尔帖效应:如果将热电偶的闭合回路改成如图1.2所示,就可以获得一个完全相反的现象,我们称之为珀尔帖效应。 当在两个节点T1和T2输入一个电压Vin,回路中会产生一个相应的电流I。接头A处的热量会被吸收,从而产生一个微弱的制冷现象,而在另一个接头B处,随着热量流入,温度会升高。鉴于这个效应是可逆的,所以如果将电流反向,热流的方向也随之反向。珀尔帖效应的数学公式可以表示成: Qc或者Qh=pxy×I 其中,pxy代表两种材料x和y的珀尔帖系数之差,单位是V; I是电流,单位是A; Qc和Qh分别代表制冷和加热的速率,单位是w。 随着电流的流动,导体中同时也会产生焦耳热,大小可以用IR(R是电路中的电阻)表示。这个焦耳热效应与珀尔帖效应相反,将导致制冷器制冷效果的

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