半导体制冷的应用

半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关，即： Qab=Iπab

πab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ，单位为[V], πab为正值时，表示吸热，反之为放热，由于吸放热是可逆的，所以πab=－πab

帕尔帖系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度，其数值可以由赛贝克系数αab[V.K-1]和接头处的绝对温度T[K]得出πab=αabT与塞贝克效应相，帕尔帖系也具有加和性，即：

Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I

因此绝对帕尔帖系数有πab=πa－ πb

金属材料的帕尔帖效应比较微弱，而半导体材料则要强得多，因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。 AVIoffe和AFIoffe指出，在同族元素或同种类型的化合物质间，晶格热导率Kp随着平均原子量A的增长呈下降趋势。RWKeyes通过实验推断出，KpT近似于Tm3/2ρ2/3A-7/6成比例，即近似与原子量A成正比，因此通常应选取由重元素组成的化合物作为半导体制冷材料。

半导体制冷材料的另一个巨大发展是1956年由AFIoffe等提出的固溶体理论，即利用同晶化合物形成类质同晶的固溶体。固溶体中掺入同晶化合物引入的等价置换原子产生的短程畸变，使得声子散射增加，从而降低了晶格导热率，而对载流子迁移率的影响却很小，因此使得优值系数增大。例如50%Bi2Te3－50%Bi2Se3固溶体与Bi2Te3相比较，其热导率降低33%，而迁移率仅稍有增加，因而优值系数将提高50%到一倍。

Ag(1-x)Cu(x)Ti Te、Bi－Sb合金和YBaCuO超导材料等曾经成为半导体制冷学者的研究对象，并通过实验证明可以成为较好的低温制冷材料。下面将分别介绍这几种热电性能较好的半导体制冷材料。

二元固溶体，无论是P型还是N型，晶格热导率均比Bi2Te3有较大降低，但N型材料的优值系数却提高很小，这可能是因为在Bi2Te3中引入Bi2Se3时，随着

Bi2Se3摩尔含量的不同呈现出两种不同的导电特性，势必会使两种特性都不会很强，通过合适的掺杂虽可以增强材料的导电特性，提高材料的优值系数，但归根结底还是应该在本题物质上有所突破。 Bi2Te3 和Sb2Te3是菱形晶体结构，Sb2Se3是斜方晶体结构，在除去大Sb2Se3浓度外的较宽组份范围内，他们可以形成三元固溶体。无掺杂时，此固溶体呈现P型导电特性，通过合适的掺杂，也可以转变为N型导电特性。在二元固溶体上添加Sb2Se3有两个优点：首先是提高了固溶体材料的禁带宽度。其次是可以进一步降低晶格热导率，因此Sb2Se3不论是晶体结构还是还是平均原子量，都与Bi2Te3 和Sb2Te3相差很大。当三元固溶体中Sb2Te3+5% Sb2Se3的总摩尔含量在55%～75%范围时，晶格热导率最低，约为0.8×10-2W/cm K，这个值要略低于二元时的最低值0.9×10-2W/cm K。

但是，添加Sb2Se3也会降低载流子的迁移率，将会降低优值系数，因此必须控制Sb2Se3的含量。 根据上面的介绍可知,在50K到200K的温度范围内,性能最好的半导体制坑材料是n型Bi(100-x)Sbx合金，其中Sb的含量在8%～15%。在100K零磁场的情况下，Bi－Sb合金的最高优值系数可达到6.0×10-3K-1，而基于Bi、Te的p型固溶体材料在100K时的优值系数却低于2.0×10-3K-1并且随着温度的下降迅速减小。因此，必须寻找一种新的p型低温热电材料，以和n型Bi－Sb合金组成半导体制冷电对。利用高Tc氧化物超导体代替p型材料，作为被动式p型电臂（称为HTSC臂，即High Tc Supercon－ducting Legs）,理论上可以提高电队的优值系数，经过实验证明也确实可行。半导体制冷电对在器件两臂满足最佳截面比时的最佳优值系数为：

zmax= （1）

式中的下标p和n分别对应p型材料和n型材料。由于HTSC超导材料的温差电动势率α几乎为零，但其电导率无限大，因此热导率κ和电导率δ的比值κ/δ却是无限小的，这样式（1）可以简化为：

zmax(HTSC)=

即由n型热电材料和HTSC臂所组成的制冷电对的优值系数，将等于n型材料的优值系数。

Mosolov A B等人分别利用以SrTiO3座基地的YBaCuO超导薄膜和复合YBaCuO－Ag超导陶瓷片作为被动式HTSC臂材料，用Bi91Sb9合金作为n型材料，制成单级半导体制冷器。实验结果表明：利用YBaCuO超导薄膜制成的制冷器，热端温度维持在85K，零磁场时可达到9.5K的最大制冷温差，加上0.07T横向磁场时能达到14.4K利用YBaCuO－Ag超导陶瓷片制成的单击制冷器，热端温度维持在77K时，相应的最大制冷温差分别是11.4K和15.7K。从半导体制冷器最大制冷温差计算公式，可以反算出80Kzuoyou这种制冷电对的优值系数约为6.0×10-3K-1，可见这种电对组合是有着很好的应用潜力的。随着高Tc超导体材料的发展，这种制冷点队的热端温度将会逐渐提高，优值系数也将逐渐增大，必将获得更广泛的应用。

但令人遗憾的是，目前它的制冷效率只能达到普通氟里昂制冷机的1／3。“低效”意味着获得相同的制冷效果，要费更多的电。因此，半导体制冷的应用目前还不普及，仅仅主要用于一些特殊的场合。例如计算机芯片、激光器、微波放大器、光电放大器等精密器件的冷却。在运输过程中生物样品的冷却，小轿车中的食品冰柜有的也采用半导体制冷器。

导语：半导体这个东西对于大家来说肯能是比较陌生的，因为半导体是一种科研上用的东西，在我们日常生活中是比较少见的。我们日常生活中见到的主要是一些半导体制作的产品，比如说我们常用的半导体收音机以及半导体制作的其他的一些产品。最近几年来，随着科技的发展，人们又将半导体用于了制冷技术。那么到底什么是半导体呢?半导体制冷技术究竟是什么样的呢,它的工作原理是什么样的呢?今天小编就来给大家简单的介绍一下什么是半导体以及什么是半导体制冷技术。

什么是半导体：

要想很好的了解什么是半导体制冷技术，首先就必须要明确半导体的概念，也就是要知道什么是半导体以及和半导体相关的一些信息。半导体中的导指的就是是否导电的意思。半导体指的就是在平常的温度下，在导体和绝缘体之间的材料。半导体既不是导体又是绝缘体，而是介于二者之间的一种神奇的材料。半导体的最大的优点就是它的导电性可以受到人们的控制，人们只要改变温度就可以改变半导体的导电性，这就是人们青睐半导体的原因之一。

半导体制冷：

半导体因为它的独特的优点，所以它的作用是非常大的，而且它的用途非常广泛。半导体用于制冷就是近几年来人们开发利用半导体的一个很好的例子。半导体材料在最近几年里呈现出了迅速发展的趋势，所以各国科研部门都在加大对于半导体制冷技术的研究。半导体制冷其实是一种热电制冷，因为热电器本来就是一种半导体，所以人们把它叫做半导体制冷器。半导体制冷器的制冷效果是非常好的，所以一直是人们青睐的对象。

半导体制冷的应用：

既然半导体制冷器有这么好的效果，这么多的优点，那么半导体制冷技术都会应用到那些领域呢?接下来小编介绍一下。一般来说半导体的应用领域主要有农业领域、医疗领域以及日常生活等方面。农业方面主要是用来给温室大棚控制温度医疗方面主要是用来研究一些新的技术日常主要是用来给家用电器降温。

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以上就是小编今天为大家介绍的关于半导体以及半导体制冷的一些介绍。如果大家对半导体制冷感兴趣的话，可以了解一下具体的内容。

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