半导体制冷原理PPT
半导体制冷ppt课件
2021/8/6
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1
概述 原理 特点 系统 应用
2021/8/6
二 为什么选择半导体
普通金属导体的珀尔帖效应微弱,制冷效果不佳。例 如当时曾用金属材料中导热和导电性能最好的锑-铋 (Sb-Bi)热电偶做成制冷器,但其制冷效率还不到1 % ,根 本没有实用价值。
20世纪50年代~ 20世纪80年代 半导体材料的广泛应用，热电 效应的效率大大提高,热电发 电和热电制冷进入工程实践。 . 20世纪80年代~ 至今
提高半导体的热电制冷的性能 开发热电制冷的应用领域
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概述 原理 特点 系统 应用
2021/8/6
国内
20世纪50~60年代 开始对半导体制冷进行了研究
(220)
2021/8/6
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概述 原理 特点 系统 应用
可见 一定的电偶对的最大制冷量只和冷端温度Tc有关（ Th 一定时）； 当工作温度和材料性质（α、λ、ρ）一定时，最
大制冷量只和电偶的尺寸有关，短粗的电偶制冷量 大，细长的电偶制冷量小。
2021/8/6
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概述 原理 特点 系统 应用
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1
概述 原理 特点 系统 应用
（2）制冷量最大的条件
由 Q 0IT c1 2I2Rk(ThTc)
(2-7)
可以看出，工作温度一定时，制冷量的大小与电流有关，对
式（2-7）对电流求偏导数并令其为零。得到
Tc IR0
使制冷量Q0取得极值的电流为
I Q0 opt
Tc
R
(2-
19)
Q0， ma（ x 2TR c） 2-K(Th-Tc)
半导体制冷片的原理
半导体制冷片的原理
半导体制冷片（也称为热电制冷片）是一种基于热电效应的制冷技术，利用半导体材料的特性实现制冷。
其工作原理如下：
1. 热电效应：根据热电效应，当两个不同材料的接触处形成一个热电偶时，当偶温度发生变化时，该热电偶会产生一种电势差，即产生电能。
2. 零点电势差：当两个材料的接触处的温度相等时，该热电偶产生的电势差为零。
因此，如果可以控制一个材料的温度较低，另一个材料的温度较高，即可产生一个零点电势差。
3. P-N 接面：半导体制冷片通常使用 P-N 接面。
P型材料富含
正电荷，N型材料富含负电荷。
当电流通过 P-N 接面时，会
发生选择性散射，将热量从一个材料传递到另一个材料。
4. 热通道和冷通道：半导体制冷片中，通过将 P-N 接面分成
两部分，形成了热通道和冷通道。
热通道与冷通道之间通过热色散效应传递热量。
5. 制冷效果：当电流通过半导体制冷片时，热通道的一侧变热，这导致热电偶的一侧产生电势差。
另一侧负责较低的温度，在这一侧产生一个较低的电势差。
这个电势差会驱动热量从热通道传递到冷通道。
这样，热能就被转换成了电能。
总结：半导体制冷片利用半导体材料的特性，通过热电效应将热量从热通道传递到冷通道，实现制冷效果。
《半导体制冷实验》PPT课件_OK
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附2 中间导体定律
中间导体定律 在热电偶回路中接入中间导体 （第三导体），只要中间导体两端温度相同， 中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响， 这就是中间导体定律。
13
8
实验内容
1、半导体制冷特性测试
改变半导体制冷片两端电压，记录电流的大
小和冷端、热端温度，计算温差大小。
2、计算在不同电压下最大制冷系数
K max
Tc TH Tc
3、用作图法作半导体制冷片的U-I负载特性曲线，
并与半导体PN结的伏安特性曲线进行比较。
4、观察半导体制冷结露现象。
9
预习与思考
半导体制冷片是由PN结串联而成的吗？ 半导体热电偶与PN结有什么区别？它们之间
5
帕尔贴效应产生热量的多少
Qp aTc I
Qp表示帕尔贴效应产生的热量变化 a为温差电动势率 Tc为结点处的温度 I为流经导体的电流
半导体材料可以通过掺杂提高温差电动势率，
6
从而达到i
7
半导体制冷片
由多组半导体热电偶组合而成
40×40×4mm 127对热电偶组成 冷热端温差60℃
直流电通过两种不 同导电材料构成的 回路时，结点上将 产生吸热或放热现
象称为帕尔贴效应, 又称热电效应 4
帕尔贴效应的物理解释
电荷载体（载流子）在回路中运动形成电流， 如果电荷载体在不同的导体之间流动，由于其 在不同导体内所处的能级不同，在结点处就会 产生能级的跳变，当从高能级向低能级运动， 便放出多余的能量（放热），反之则吸热。
的伏安特性曲线会相同吗？为什么？ 半导体制冷与温差发电有什么联系？ 半导体制冷有什么优点和缺点？
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仪器实物
实验仪
《半导体制冷》课件
冷端散热器
将半导体组件的冷端热 量散发到环境中，保持
低温状态。
电源和控制模块
提供工作电压和电流， 控制半导体制冷系统的
运行状态。
半导体制冷系统的工作流程
热端散热器将热量散发到环境中，维持热平衡 。
通过电源和控制模块调节电流大小和方向，可以控制 半导体制冷系统的制冷量和温度。
通电后，电流通过半导体组件，产生珀尔贴效 应，即热量从热端通过半导体组件传递到冷端 。
03
半导体制冷系统的设计
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
半导体制冷系统的设计原则
高效性
确保系统在运行过程中能够高效地转换电能 ，实现快速制冷。
安全性
设计时应充分考虑系统的安全性能，防止过 热、过流等潜在风险。
稳定性
系统应具备稳定的运行状态，保证制冷效果 的一致性和可靠性。
科研领域
用于精密测量和实验设备的制 冷和温度控制，如光刻机、质
谱仪等。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
02
半导体制冷系统的组成和工作流程
半导体制冷系统的组成
热端散热器
用于将半导体产生的热 量散发到环境中，保持
系统正常工作温度。
半导体组件
由许多单体半导体元件 串联或并联组成，实现
半导体制冷系统的挑战和机遇
技术成熟度
目前半导体制冷技术尚未完全成熟，仍存在效率、稳 定性等方面的问题，需要进一步研究和改进。
成本问题
半导体制冷系统的制造成本较高，限制了其在一些低 端市场的应用。
政策支持
政府可以出台相关政策，鼓励企业加大半导体制冷技 术的研发和应用投入，推动产业发展。
半导体制冷ppt
半导体制冷原理
珀尔帖效应：当直流电通过不同的导电材料 构成的回路时,其接触面上将产生吸热或放热 现象。
半导体制冷原理
其机理主要是电荷载体在不同的材料中处于 不同的能量级，在外电场的作用下，电荷载 体从高能级的材料向低能级的材料运动时， 便会释放出多余的能量。反之，电荷载体从 低能级的材料向高能级的材料运动时，需从 外界吸收能量。能量在不同材料的交接面以 热的形式放出或吸收。
半导体制冷优缺点
缺点
1.半导体制冷器的制冷效率低 2. 电偶对中的电源只能使用直流电源 3.电偶堆元件采用高纯稀有材料，再加上 工艺条件尚未十分成熟，导致元件成本 比较高
半导体制冷的应用
通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有： 制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普 遍，有以下几个方面： 1、军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红 外线探测、导行系统。 2、医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、 血液分析仪等。
半导体制冷Leabharlann 理用P型和N型半导体粒子按照一定的规则排 列，将它们用金属连接片焊接成一个电偶 对，接上直流电源后将电流从N极流向P极 的那端作为冷端，用于制冷，而将P极流 向N极的一端作为热端，用于放热 。
半导体制冷原理
在实际中一级制冷是不能达到制冷要求 1.串联
2.并联 3.串并联混合
半导体制冷优缺点
优点
1.不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染。 2.尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环 境。 3.无运动部件，因而工作时无噪声，无磨损、寿命长，可 靠性高。 4.半导体制冷器参数不受空间方向的影响，即不受重力场 影响，在航天航空领域中有广泛的应用。 5.作用速度快，工作可靠，使用寿命长，易控制，调节方 便，可通过调节工作电流大小来调节器制冷能力 。
半导体制冷片工作原理
半导体制冷片工作原理————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期：半导体制冷片工作原理致冷器件是由半导体所组成的一种冷却装置，随着近代的半导体发展才有实际的应用,也就是致冷器的发明。
其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极(-)出发，首先经过Ｐ型半导体,于此吸热量，到了N型半导体,又将热量放出，每经过一个NP模块,就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。
冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源，也就是欲冷却之。
在以往致冷器是运用在CPU的,是利用冷端面来冷却CPU,而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。
致冷器也应用于做成车用冷／热保温箱,冷的方面可以冷饮机，热的方面可以保温热的东西。
半导体致冷器的历史致冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于１96０左右才出现,然而其理论基础Pｅltier effect 可追溯到1９世纪。
下图(1)是由X及Ｙ两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后,A点的热量被移到B点，导致A点温度降低,B点温度升高,这就是著名的Peｌtiｅr efｆect。
这现象最早是在1821年,由一位德国科学家ＴhｏmaｓSeebaｃk首先发现,不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。
到了1８３4年，一位法国表匠,同时也是兼职研究这现象的物理学家JeaNPeltier，才发现背后真正的原因，这个现象直到近代随着半导体的发展才有了实际的应用，也就是「致冷器」的发明。
一、因半导体致冷片薄而轻巧,体积很小,不占空间，并可以携带，做成车用电冷/热保温箱,放置车上，不占空间,并可变成冰箱及保温箱，夏天可以摆上几瓶饮料，就可以便冰饮,在冬天就可以变成保温箱。
图(１）致冷器件的作用原理致冷器的名称相当多，如Pｅlｔier coolｅr、ther ｍoeｌectrｉc、thermoelｅctrｉc coolｅr (简称T.Ｅ或T.E.C)、thermoelｅｃｔrｉc module,另外又称为热帮浦(ｈeaｔｐump)。
半导体制冷片工作原理之欧阳引擎创编
半导体制冷片工作原理欧阳引擎（2021.01.01）致冷器件是由半导体所组成的一种冷却装置，随着近代的半导体发展才有实际的应用，也就是致冷器的发明。
其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极(-)出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。
冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源，也就是欲冷却之。
在以往致冷器是运用在CPU的，是利用冷端面来冷却CPU，而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。
致冷器也应用于做成车用冷/热保温箱，冷的方面可以冷饮机，热的方面可以保温热的东西。
半导体致冷器的历史致冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960左右才出现，然而其理论基础Peltier effect可追溯到19世纪。
下图(1)是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，A点的热量被移到B点，导致A点温度降低，B点温度升高，这就是著名的Peltier effect。
这现象最早是在1821年，由一位德国科学家Thomas Seeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背后真正的科学原理。
到了1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的物理学家JeaNPeltier，才发现背后真正的原因，这个现象直到近代随着半导体的发展才有了实际的应用，也就是「致冷器」的发明。
一、因半导体致冷片薄而轻巧，体积很小，不占空间，并可以携带，做成车用电冷/热保温箱，放置车上，不占空间，并可变成冰箱及保温箱，夏天可以摆上几瓶饮料，就可以便冰饮，在冬天就可以变成保温箱。
图(1) 致冷器件的作用原理致冷器的名称相当多，如Peltier cooler、thermoelectric、thermoelectric cooler (简称 T.E 或T.E.C)、thermoelectric module，另外又称为热帮浦 (heat pump)。
半导体制冷片工作原理
半导体制冷器的原理与使用一、原理概述 半导体制冷器的用途很多 ，可用于制作便携冷藏/保温箱、冷热饮水机等。
也用于电子器件的散热。
目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋，加入不纯物经过特殊处理而成 N 型或 P 型半导体温差元件。
以市面常见的TEC1-12605为例，其 额定电压为：12v， 额定电流为5A，最大温差可达60摄氏度，外型尺寸为4 X 4 X 0.４Cm，重约25克。
它的工作特点是一面制冷而一面发热。
接通直流电源后，电子由负极(-)出发，首先经过 P 型半导体，在此吸收热量，到了 N 型半导体，又将热量放出， 每经过一个NP 模组，就有热量由一边被送到另外一边，造成温差，从而形成冷热端。
下图是一个致冷器的典型结构，由许多 N 型和 P 型半极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，最后用两片陶瓷片像汉堡包一样夹起来。
二、安装使用 制冷片的安装及使用很简单。
在安装前，最好准备一点导热硅脂，然后，找一节干电池，接在制冷器两根引线上，就可感到一端明显发凉而另一端发热，记住引线的极性并确定好制冷器的冷、热端。
正式安装时，在制冷器两端均匀涂上导热硅脂，在CPU与散热器之间插入制冷片，请注意先试好的冷热面方向，冷面贴着CPU，热面与强力的(功率越高越好)散热片接触。
然后想法固定好三者。
要注意风扇的卡子不能太短，否则会很难固定。
固定好后，就可以给制冷片和风扇接上电源了(一定要注意极性)，如果你机箱电源功率小于250W，我劝你别接到机箱电源上，否则有可能因电源功率不足，造成电脑无法正常工作。
推荐使用外接电源，在12V电压下制冷片的制冷量和冷热面温差都比较合适。
微机电源接线图三、注意事项１、注意热端的散热。
半导体制冷的热面温度不应超过60℃，否则就有损坏的可能。
若在额定的工作电压（12V）下，一般的散热风扇根本无法为制冷片提供足够的散热能力，容易造成制冷片过热损坏。
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冷 它是利用“塞贝克”效应的逆反应——珀尔帖
原
效应的原理达到制冷目的。
理 ➢ 塞贝克效应就是在两种不同金属组成的闭
与 技
合线路中，如果保持两接触点的温度不同，就
会在两接触点间产生一个电势差——接触电动 势。同时闭合线路中就有电流流过，称为温差
术 电流。反之，在两种不同金属组成的闭合线路
中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一
制 冷 原 理 与 技 术
NEXT 4
➢ 图2-162示出无回热空气制冷机系统图
制
➢ 图2-163所示是冷箱中制冷温度是环境
冷
介质的温度
原
1-2是等熵压缩过程
理
与
2-3是等压冷却过程
技
3-4是等熵膨胀过程
术
4-1是在冷箱中的等压吸热过程
5
现在进行理论循环的性能计算，单位制 冷量及冷却器的 单位热负荷 分别是：
技
术
( P N)Tc (2-158)
18
当电流通过电偶对时，热电元件内还要 放出焦耳热。焦耳热 与电流的平方成正比， 即：
制
Qj I 2R
(2-159)
冷
原
式中R 为热电元件的电阻。若电偶臂的
理 与 技
长s1度, s为2 L，R,则电阻L率(为11 及22)，截(2面-1积60为)
术
s1 s2
w w c w e c p (T 2 T 1 ) c p (T 3 T 4 ) (2-148) 制
冷 原
q0
cp(T1T4)
(2-149)
w cp(T2T1)cp(T3T4)
理
与 若不计比热随温度的变化，并注意到
技 术
T2
T3
(
pc
k1
)k
T1 T4
p0
7
则上式可简化为：
q0
cp(T1T4)
(2-149)
个变热，这称为珀尔贴效应，亦称温差电现象15
制 冷 原 理 与 技 术
NEXT 16
➢ 半导体材料内部结构的特点，决定了它产 生的温差电现象比其他金属要显著得多，所以
制
热电制冷都采用半导体材料，亦称半导体制冷
冷 ➢ 图2-165所示，当电偶通以直流电流时，P 原 型半导体内载流子(空穴)和N型半导体内载流
制
w cp(T2T1)cp(T3T4)
冷
原
T2
T3
(
pc
k1
)k
理
T1 T4 p0
与
技 术
(pc)1kk1
T1 1 T2 T1
T4 T3 T4
(2-150)
p0
8
因为热源温度是恒值，此时比较标准循环 应当是可逆卡诺循环，其 制冷系数 为：
制 冷
c
T1 T3 T1
原 因此上述理论循环的 热力完善 度为：
yopipr最大。
12
为此对式(2-152)，求导，并令 可得：
d dy
(
pr
)
0
制 冷 原
1 yopi
1(1 x
xx1sc)(xxsc1)
1xxx1sc
(2-154)
理
与
因为与压力比y的关系为：
技 术
y T4a T1
T3 T1
T4a T3
(
x
pc
k1
)k
(2-155)
p0
13
则按式(2-154)可求出最佳压力比：
计算证明，有一半的焦耳热传给热电
元件的冷端，引起制冷效应降低。 19
除了焦耳热以外，由于半导体的导热，从
电堆热端还要传给冷端一定的 热量 Q k：
制 冷
Qk k(ThTc) (2-161)
原 式中k ——长L 的热电元件 总导热系数
理
与 技
若两电偶臂的导热系数及截面积分别为1, 2
及 s1, s2 则：
原
➢ 压缩式空气制冷机的工作过程也是包括等 熵压缩，等压冷却，等熵膨胀及等压吸热
理
四个过程
与
技
➢ 这与蒸汽压缩式制冷机的四个工作过程相
术
近，其区别在于工质在循环过程中不发生 集态改变
2
图2-162 无回热空气制冷机系统图
Ⅰ-压缩机 Ⅱ-冷却器 Ⅲ-膨胀机 Ⅳ-冷箱
图2-163 无回热空气制冷机 理论循环的p-V图与T-s图
理 子(电子)在外电场作用下产生运动，并在金属
与
片与半导体接头处发生能量的传递及转换。
技 术
➢ 如果将电源极性互换，则电偶对的制冷端 与发热端也随之互换。
17
当电偶对通以直流电I 时，因珀尔贴效
应产生的 吸热量 与电流I 成正比
制 冷
Q I
(2-157)
原 理
式中 ——珀尔贴系数
与 它与导体的物理化学性质有关，可按下式计算
制
q 0h 1h 4cp(T 1T 4) (2-144)
冷
原
q ch 2h 3cp(T 2 T 3) (2-145)
理
与
单位压缩功 和 膨胀功 分别是：
技
w ch 2h 1cp(T 2T 1)(2-146)
术
w eh 3h 4cp(T 3T 4)(2-147)
6
从而可计算出循环消耗的 单位功 及 制热系数：
理 与 技
( T 1 )T (3T 1)T cT 0 (2-151) c T 2T 1 T 1 T 2T 0
术
显然，永远 TcT2 c
9
图2-164 无回热空气制冷机实际循环
➢ 图2-164中 1-2s-3-4s-1 为实际循环，而
制 循环 1-2a-3-4a-1 可认为是只考虑换热端部 冷 温差，这样计算的 实际循环的制冷系数 为：
第三节 其他形式的制冷循环
2.3.1 空气制冷
制
冷
2.3.2 热电制冷
原
2.3.2.1 热电制冷的原理
理
2.3.2.2 热电制冷的特性分析
与 技
2.3.2.3 多级热电堆
术
2.3.3 蒸气喷射式制冷循环
1
2.3.1是以空气
制
作为工质的，并且称为空气制冷机
冷
制 冷 原
(
pc p0
)opi
(
x
k
)k1
yopi
(2-156)
理
与 ➢ 在分析理论循环时，认为提高循环经 技 济性应采用尽可能小的压比。但对于实
术 际循环存在最佳压力比，此时制冷系数
最高。
14
2.3.2 热电制冷
2.3.2.1 热电制冷的原理
➢ 热电制冷(亦名温差电制冷、半导体制冷或
制 电子制冷)是以温差电现象为基础的制冷方法，
原 理 与 技 术
pr
1x xy
se
1
ysc
se
ysc11xyxysessce
(2-152)
11
上式中：
制
ycp(T3 T4a) T4a(TT43a 1) T4a (2-153)
冷 原
cp(T2a T1) T1(TT21a 1)
T1
理 称为循环的 特性系数 。而 x T3 /T1
与
技 术
由给上定式的可 情以 况看 下出 ，， 必在 然有Tc一,T个0, 最Tc佳,值T0
术
kL1(1s1 2s2) (2-162)
20
因此，电偶对 的制冷量 应为珀尔贴热量 与传回冷端的焦耳热量和导热量之差，即：
制
Q 0(PN )Ic T 1 2I2R k(T h T c) (2-163)