半导体制冷片-热电效应简介

工作原理简介

半导体制冷片是一种通过Peltier效应实现制冷的装置，通过特殊的半导体材料制成。它利用半导体材料在电场作用下的特性，实现温度的逆转移动。

当半导体制冷片的两个导电面之间加上一个电压，一个导电面会变得冷，而另一个导电面则变得热。这是因为电流通过材料时，会在两个导体接触处产生热量，同时也会吸收或释放热量，从而使一个导体面变得冷，而另一个导体面变得热。

具体来说，当电流从p型材料流向n型材料时，电子在p-n结区域之间发生复合，释放出能量，同时也会散热，导致n型材料变得冷。当电流从n型材料流向p型材料时，同样会有电子在p-n结区域之间发生复合，但此时由于能量方向相反，因此会吸收热量，导致p型材料变得热。

因此，通过控制半导体制冷片的电压大小和电流方向，可以实现温度的控制和逆转移动，从而达到制冷或加热的效果。

半导体致冷器结构及工作原理简介

在目前的热电制冷器件中最常用到的半导体热电材料是碲化铋。碲化铋的最大热电优值系数所出现的温度在室温，适合于大多数热电制冷的应用条件。工业上已经可以通过掺杂得到p型和n型碲化铋料锭。热电材料的制备方法通常是区域熔化法或者粉末压制成型法。

由帕尔贴效应可知，通过在半导体致冷器的两端加载一个适当的直流电压，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。另外，热电制冷器还具有发电的功能。在这个模式下，只要在制冷器上加载一个温差后，回路中便会产生电流。

半导体致冷器的结构示意图

从上面的半导体结果示意图中可以知道，电偶臂材料分别采用了p型和n型碲化铋。这种布局方式下，电流在p型和n型电偶臂里上下流动的过程中，热流方向能始终保持不变，在n型材料中，热流方向与电流方向相反；在P型材料中，热流方向与电流方向相同。一个p型和一个n型电偶臂组成一对温差电偶对，大多数热电制冷器是由相同数量的n型和p型电偶臂所组成的。上图的模型是由两对p型和n型电偶臂构成的两对温差电偶对，通过合理的串联结构，可以组合成不同对数的半导体致冷器。

热电效应简介

TEC 、TEA、半导体制冷片、半导体组件、制冷片
总的热电效应由同时发生的五种不同效应组成。其中赛贝克、帕尔帖和汤姆逊三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的。另外两种效应是热的不可逆效应，即焦耳和傅立叶效应。

1.1热电第一效应------赛贝克效应

塞贝克（Seeback）效应是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。赛贝克最直接的应用是热电发电片。 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。

塞贝克效应

图1.1

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。

1.2热电第二效应------帕尔帖效应

帕尔帖效应是指电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。这就是帕尔帖效应，帕尔帖效应最直接的应用就是半导体致冷片。
对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。
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，我们称之为帕尔帖效应。

帕尔帖效应

图1.2

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I2R（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降低。

1.3热电第三效应------汤姆逊效应

当电流在已经存在温差的导体中流动时，热量会被吸收或者被放出。而电流方向和温差之间的相对关系决定了材料在这个过程中是吸收热量还是放出热量。这一现象，我们称为汤姆逊效应。汤姆逊效应在理论研究中非常有趣但是在实际的热电制冷器中却没有太大作用，所以我们一般忽略它。

1.4焦耳定律

焦耳定律是定量说明传导电流将电能转换为热能的定律。内容是：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电的时间成正比。

焦耳定律数学表达式：
Q=I2×Rt 或热功率P=I2×R （适用于所有电路）
其中Q、I、R、t、P各量的单位依次为焦耳(J)、安培(A)、欧姆（Ω）、秒（s）和瓦特（W）。

1.5傅立叶效应

傅立叶效应指单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。

Q=k(S/L)(Th-Tc)=KdT 其中:
k:导体的热导率；
K:导体的总热导；
Th：热端的绝对温度；
Tc：冷端的绝对温度；