简介

历史发展

工作原理（三大效应）

材料组成

应用技术(半导体致冷片规格的选择 半导体致冷片的散热)

半导体致冷片初使用者必读

简介

半导体致冷片，也叫帕尔贴，英文称为Peltier，它是一种产生负热阻的制冷技术，优点是无活动部件，应用在一些空间受到限制，可靠高，无制冷剂的场合。主要利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现致冷的目的。广泛用于医疗、机算机、冷藏箱、饮水机、军工石油仪器和实验科学仪器等方面。按级数分别有TEC1～TEC6级，按尺寸大小分，目前最小可以做到4.2*4.2mm/7 对PN晶堆, 如TES1-00701, 最大的可做到84*84mm/960 对PN晶堆, 如昆晶冷片的TEC1-96002, 被誉为致冷片之王。

历史发展

半导体致冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960年左右才出现，然而其理论基础Peltiereffect可追溯到19世纪。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著半导体的发展才有了实际的应用，也就是[致冷器]的发明(注意，这种叫致冷器，还不叫半导体致冷片)。由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP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，最後由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，组成我们现在看到的样式。

半导体致冷片主要三大功能是：致冷，致热，发电。

工作原理（三大效应）

1、塞贝克效应

（SEEBECKEFFECT） 半导体制冷片

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、帕尔帖效应

（PELTIEREFFECT）　一八三四年法国人帕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　π为比例系数，称为帕尔帖系数　I为工作电流　a为温差电动势率　Tc为冷接点温度

3、汤姆逊效应

（THOMSONEFFECT）　当电 半导体制冷片

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

材料组成

任何物质都是由原子组成，原子是由原子核和电子组成。电子以高速度绕原子核转动，受到原子核吸引，因为受到一定的限制，所以电子只能在有限的轨道上运转，不能任意离开，而各层轨道上的电子具有不同的能量(电子势能)。离原子核最远轨道上的电子，经常可以脱离原子核吸引，而在原子之间运动，叫导体。如果电子不能脱离轨道形成自由电子，故不能参加导电，叫绝缘体。半导体导电能力介于导体与绝缘体之间，叫半导体。半导体重要的特性是在一定数量的某种杂质渗入半导体之后，不但能大大加大导电能力，而且可以根据掺入杂质的种类和数量制造出不同性质、不同用途的半导体。将一种杂质掺入半导体后，会放出自由电子，这种半导体称为N型半导体。P型半导体，是靠“空穴”来导电。在外电场作用下“空穴”流动方向和电子流动方向相反，即“空穴”由正板流向负极，这是P型半导体原理。

N型半导体中的自由电子，P型半导体中的“空穴”，他们都是参与导电，统称为“载流子”，它是半导体所特有，是由于掺入其它微量原素的结果。

半导体致冷材料不仅需要N型和P型半导体特性，还要根据掺入的微量原素改变半导体的温差电动势率，导电率和导热率使这种特殊半导体能满足制冷的材料。目前国内常用材料是以碲化铋为基体的三元固溶体合金，其中P型是Bi2Te3—Sb2Te3，N型是Bi2Te3—Bi2Se3，采用垂直区熔法提取晶体材料。

应用技术

半导体致冷片规格的选择

半导体致冷应用产品的心脏部分是半导体致冷器，根据半导体温差电堆的特点，弱点及应用范围，选用电堆时首先应确定以下几个问题：

1、确定电堆的工作状态。根据工作电流的方向和大小，就可以决定电堆的致冷，加热和恒温性能，尽管最常用的是致冷方式，但也不应忽视它的致热和恒温性能。

2、确定致冷时热端实际温度。因为电堆是温差器件，要达到最佳的致冷效果，电堆须安装在一个良好的散热器上，根据散热条件的好坏，决定致冷时电堆热端的实际温度，要注意，由于温度梯度的影响，电堆热端实际温度总是要比散热器表面温度高，通常少则零点几度，多则高几度、十几度。同样，除了热端存在散热梯度以外，被冷却的空间与电堆冷端之间也存在温度梯度。

3、确定电堆的工作环境和气氛。这包括是工作在真空状况还是在普通大气，干燥氮气，静止或流动空气及周围的环境温度，由此来考虑保温（绝热）措施，并决定漏热的影响。

4、确定电堆工作对象及热负载的大小。除了受热端温度影响以外，电堆所能达到的最低温度或最大温差是在空载和绝热两个条件下确定的，实际上工作的，电堆既不可能真正绝热，也必须有热负载，否则无意义。

5、确定致冷器的级数。电堆级数的选定必须满足实际温差的要求，即电堆标称的温差必须高于实际要求的温差，否则达不到要求，但是级数也不能太多，因电堆的价格随着级数的增加而大大提高。

6、电堆的规格。选定电堆的级数以后，就可以选定电堆的规格，特别是电堆的工作电流。因为同时能满足温差及产冷的电堆有好几种，但是由于工作条件不同，通常选用工作电流最小的电堆，因为这时配套电源费用较小，然而电堆的总功率是决定因素，同样的输入电功率减少工作电流就得增加电压（每对元件0.1v），因而元件对数就得增加。

7、确定电堆的数量。这是根据能满足温差要求的电堆产冷总功率来决定的，它必须保证在工作温度时电堆产冷量的总和大于工作对象热负载的总功率，否则无法达到要求。电堆的热惯性非常小，空载下不大于一分钟，但是由于负载的惯性（主要是由于负载的热容量造成的），因此实际要达到设定温度时的工作速度要远远大于一分钟，多时达几小时。如工作速度要求愈大，电堆的数量也就愈多，热负载的总功率是由总热容量加上漏热量（温度愈低、漏热量愈大）。

上述七个方面是选用电堆时考虑的一般原则，根据上述原用户首先应根据需要提出要求来选择致冷器件。一般的要求：

①、给定使用的环境温度Th ℃

②、被冷却的空间或物体达到的低温度Tc ℃

③、已知热负载Q（热功率Qp 、漏热Qt）W

已知Th、Tc和Q，再根据温差致冷器的特性曲线就可估算所需的电堆及电堆数量。

1、确定致冷器的型号规格

2、选定型号后，查阅该型号的温差电致冷特性曲线图。

3、由使用环境温度和散热方式确定致冷器的热端温度Th，得出相近的Tc。

4、在相应的特性曲线图中查出冷端Qc的产冷量。

5、由所需的产冷量Q除以每个电堆的产冷量Qc就得到所需的电堆数量N=Q/Qc

半导体致冷片的散热

半导体致冷片件的散热是一门专业技术，也是半导体致冷片件能否长期运行的基础。良好的散热才能获得最低冷端温度的先决条件。以下就是半导体致冷片的几种散热方式：

1、自然散热。

采用导热较好的材料，紫铜铝材料做成各种散热片，在静止的空气中自由的散发热量，使用方便，缺点是体积太大。

2、充液散热。

用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温。缺点是用水不方便，浪废太大，优点是体积小，散热效果最好。

3、强迫风冷散热。

工作气氛为流动空气，散热片所用的材料和自然散热片相同，使用方便，体积比自然冷却的小，缺点是增加一个风机出现噪音。

4、真空潜热散热。

最常用的就是“热管”散热片，它是利用蒸发潜热快速传递热容量。

特别提醒：禁止不装散热器上电测试，否则将会导致致冷片烧毁。

半导体致冷片电源如何选择

1、直流电源。直流电源的优点是可以直接使用，不需要转换，缺点是电压电流必须适用于半导体致冷片，有些可以通过半导体致冷片的串、并联的方式解决。

2、交流电流。这是一个最普通的电源，使用时必须整流为直流才能供致冷片使用。由于致冷器件是低电压大电流器件，应用时先降压、整流、滤波，有些为了方便使用还要加上温度测量，温度控制，电流控制等。

3、由于半导体致冷片是直流电源供应，电源的波纹系数必须小于10%，否则对致冷效果有较大的影响。

4、半导体致冷看的工作电压及电流必须符合所工作器件的需要，例如：型号为TEC1-127064040的器件，则127为致冷器件，PN的电偶对数，致冷片的工作极限电压V=电偶对数×0.11，06为允许通过最大的电流值。

5、致冷片冷热交换时的通电必须待两端面恢复到室温时（一般需要5分钟以上方可进行），否则易造成致冷片的线路损坏和陶瓷片的破裂。

6、半导体致冷片电源的电子线路都是常见通用的，在一般的电子技术参考书中都可以查到。

半导体致冷片初使用者必读

半导体致冷片，起初是由前苏联缓建我国军事项目发展开来的，它的真正的名字叫半导体致冷片，而非半导体制冷片，因其“致”与“制”同音，因大部分人习惯叫作制冷片，它有英文名是PELTIER,也有人叫

它Thermoelectron Chip,简称TEC它主要由P型和N型的半导体晶片组成若干个晶堆串接成片，然后用金属化瓷片合成。主要作用目前有致冷和致热（使用电时），发电（温差时）。

半导体致冷片致冷效率很低，大约总功耗的30%左右。而致热率则很大，约是总功耗的130%左右，尽管如此，但它还是有很多优点，静音，防火防燃，能耐一定高温。体积小，耐振动，寿命长。所以广泛用于各个领域。

对于初使用者来说，选定型号是首要做的事情，要选型号则首先确定能取的电压是多少，比如是DC 12V，则可以选TEC1-127系列的半导体致冷片，然后确定电流，一般大的电流功率就越大，但对散越要求更为苛刻。所以在满足致冷的要求情问供下，尽时采用小功率的半导体致冷片，比如TEC1-127024040。这样即容易做散热设计，也节省了电能。

由于半导体致冷片产生冷的程度和很多因数有关，比如，电压，电流，散热设计，导热硅脂，环境温度，所以在开发产品时，需要做很多次实验，到时各方参数值达到一个均衡的值，才算实验完成，就可以做首样了，以便后面的批量生产做指引。

半导体致冷片使用的几个误区和要点（由昆晶冷片技术部提供）：

1.不是功率热大的半导体致冷片越对自身产品冷设计越好，而是能满足热设计要求的情况下, 越是大功率的越对产品有利,如果能达到致冷要求就尽量选小功率半导体致冷片.

2.半导体致冷片在组装时，不能采用硬性的锁固结构，要采用柔性的锁固结构，比如象电脑的CPU散热器装置。

3.上电工作后，散热片温度越接近环境温度（通常不要大于3~5摄氏度），表示热设计越好。冷端的温度热低。

4.导热硅脂要尽选用导热系数高的，耐干性好的规格

5.露水的防护措施：冷的部件，只要不低于坏境温度5摄氏度左右，就不会结露，如果冷的部件无法避免低于坏境温度5摄氏度，则用真空棉或保温材料密封，使其与外隔绝。