P型和N型制冷元件是如何制成的？

半导体制冷器由两根不同半导体圆柱构成，用一块金属导电板将两根圆柱连起来，圆柱空着的两端分别接通直流电源的正负极。这样，半导体制冷器就可以工作了。图中“P型柱”是P型半导体材料，也叫空穴型半导体；“N型柱”是N型半导体材料，也叫电子型半导体。以碲化铋(Bi2Te3)合金为基础，在其中掺上不同的杂质，就可以制成P型和N型制冷元件。

半导体制冷又称温差电制冷、或热电制冷。是未来电冰箱制冷技术发展的一个方向。半导体制冷是利用特种半导体材料，制成制冷器件，通电后直接制冷，因此得名半导体制冷。

用两种不同金属组成一对热电偶，当在热电偶中通以直流电流时，将在电偶的不同结点处，产生吸热和放热现象，这种现象称为珀尔帖效应。

利用珀尔帖效应制成的半导体制冷器的电偶，是由一种特制的N型和P型半导体组成的。N型半导体是靠电子导电的，而P型半导体是靠所谓“空穴”来导电的。

不论N型半导体中的自由电子，还是P型半导体中的空穴，它们都参与导电，统称为“载流子”，由“载流子”导电的现象，是半导体所特有的。

半导体制冷原理是把一个P型半导体和一个N型半导体，用铜连接片焊接而成电偶对，如图2-7所示。当直流电流从N型半导体流向P型半导体时，则在2、3端的铜连接片上产生吸热现象，此端称为冷端；而在1、4端的铜连接片上产生放热现象，此端称为热端。如果电流方向反过来，则冷、热端将互换。

图2-7 半导体制冷器电偶对的工作原理

当这个制冷器件中通入一定数量的直流电时，冷端会逐渐冷却下来，并出现结霜；而热端的温度逐渐升高，并向周围环境放热。载流子在金属和半导体中的势能大小是不同的，所以载流子在流过结点时，必然会引起能量的传递。当电流的极性如图2-7所示，电子从电源负极出发经金属片—结点4—P型半导体—结点3—金属片—结点2—N型半导体—结点1—金属片，回到电源正极。由于左半部是P型半导体，导电方式是空穴型的，空穴的流动方向与电子流动方向相反。所以空穴是从金属片—结点3—P型半导体—结点4—金属片，回到电源负极。

空穴在金属中具有的能量、低于在P型半导体中空穴所具有的能量：当空穴在电场作用下，由金属片通过结点3到达P型半导体时，必须增加一部分能量，但空穴本身是无法增加能量的，只有从金属片中吸收能量、并把这部分热能转变为空穴的势能，因此，在结点3处的金属片被冷却下来。当空穴沿P型半导体通向结点4流向金属片时，由于P型半导体中空穴能量大于金属中空穴的能量，因而要释放出多余的势能，并将其以热能的形式放出来，所以结点4处的金属被加热。

图2-7中右半部是N型半导体与金属的联结，是靠自由电子导电的，而电子在金属中的势能低于N型半导体中电子的势能。在电场作用下，电子从金属中通过结点2到达N型半导体时，必然要增加势能，这部分势能也只能从金属片的热能取得，因此使结点2处的金属片“冷却”下来。当电子从N型半导体经过结点1流向金属片时，因电子是由势能较高的地方流向势能较低的地方，故释放出多余的势能，并将其变成热能，使结点1处的金属片加热，这样上部的金属片被冷却下来，成为冷端；而下部的两个联接片均放出热量，成为热端。

当电源正负极性调换时，因电子空穴的流动方向将与上述相反，故冷热端将互换。

综上所述，半导体制冷的吸热和放热是由载流子（电子和空穴）流过结点时，由势能的变化而引起能量的传递，这就是半导体制冷的本质。

由于一个电偶对产生的热电效应较小（一般约为1.163W左右，视元件的尺寸大小而异），所以实际应用时是将数十个电偶对串联起来，将冷端放在一起，热端放在一起，称为热电堆，将热电堆和热交换器用焊接方式连接起来制成半导体制冷器，如图2-8所示。其特点是结合强度高、接触热阻小，适用于热流密度较大的情况。为了保持电绝缘，在热电堆和热交换器之间用金属化瓷片材料进行绝缘。

图2-8 半导体制冷器的热电堆

我国目前应用的制冷半导体材料，多数是以碲化铋为基体的三元固熔体合金，其中P型材料是Bi2Te3-Sb2Te3；N型材料是Bi2Te3-Bi2Se3。由于半导体材料性能的限制，目前半导体制冷的效率比一般压缩式要低，耗电量约大1倍。但在几十瓦小能量的情况下，由于半导体制冷器的效率与能量大小无关，故对微小型制冷装置，反而比压缩式经济。此外由于半导体制冷器必需使用直流电源，价格贵，使它的应用受到一定的限制。

半导体空调原理：

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。

磁制冷冰箱原理：

磁冰箱是根据磁热效应的原理制成的。稀土元素钆（Gd）是一种具有巨磁热效应的金属，在等温磁化时向外界放出热量，在绝热去磁时温度降低，因而可从外界吸取热量，达到制冷目的。为了完成制冷循环过程，可先在高温环境中对工质施加外磁场，并等温地实现伴随着熵减少而进行的放热过程；然后在低温下撤去外磁场，让工质进行等温吸热，最后在这两个过程之间用适当的过程加以连接，就可完成制冷 *** 作。用不同种类的过程连接上述两个过程可以得到不同的磁制冷循环，如磁卡诺循环、磁斯特林循环、磁埃里克森循环以及磁布雷顿循环等。

  磁卡诺循环是用绝热去磁和绝热磁化过程连接两个等温过程（见图1）。在这个循环中，外部对制冷工质所做的功相当于四边形ABCD的面积。下面以最简单的磁卡诺循环为例对绝热去磁制冷过程进行说明（见图2）。

等温磁化过程（图1中的AB过程）：热开关Ⅰ闭合、Ⅱ断开，磁场施加于磁工质，使熵减小，通过高温热源与磁工质的热端连接，热量从磁工质传入高温热源。   绝热去磁过程（图1中的BC过程）：热开关Ⅰ断开、Ⅱ仍断开，逐渐移去磁场，磁工质内自旋系统逐渐无序，在去磁过程中消耗内能，使磁工质温度下降到低温热源温度。   等温去磁过程（图1中的CD过程）：Ⅱ闭合、Ⅰ仍断开，磁场继续减弱，磁工质从低温热源吸热。   绝热磁化过程（图1中的DA过程）：Ⅱ断开、Ⅰ仍断开，施加一较小磁场，磁工质温度逐渐上升到高温热源温度。

  由于室温附近磁性离子系统的热运动大大加强，磁性工质的磁有序度难以形成，在受外磁场作用前后的磁熵变大大减小，同时强磁场的产生也受到许多条件的限制，磁热效应也大减弱。为了进一步提高室温磁制冷机的效率，通常主要应用磁埃里克森循环制冷机，图3是金属钆在200～300K条件下的T-S图。若按磁卡诺循环制冷（图中1'23'4'1'），则温降很小。埃里克森循环（图中12341）由四个过程组成，1→2为等温磁化、2→3为等磁场过程（温度降低）、3→4为等温去磁（吸热制冷）、4→1为等磁场过程（温度上升）。

磁冰箱的核心是一个旋转装置，该装置包括含有金属钆片的转轮和一块高磁场强度稀土永磁铁。工作时，钆轮通过永磁铁缺口进入磁场后出现巨大的磁热效应，由此导致钆轮升温，系统内第一条循环管道的水将钆轮温度升高获得的热量带走，以使钆轮冷却；当钆轮离开磁场后，钆轮温度就会下降到低于它进入磁场前的温度，此时系统内第二条循环管道的水通过钆轮并被钆轮冷却，被冷却的水成为制冷源，可用于制冷；若用凝固点远低于纯水的液体（如水和乙醇的1：1混合液）作为制冷源，就可制成有冷冻功能的实用型冰箱。

这一科研成果彻底改变了传统的冰箱制冷系统，工作时只需驱动钆轮转动的发动机、抽水机的电力，从而节约了能源。该系统工作时无声、几乎无振动。如果用近年来新发现的GdSiGe系磁致冷材料（在室温附近，Gd5Si2Ge2的磁热效应是金属钆的两倍）或新近研究出的铁锰磷砷合金材料替代金属钆片，其制冷效率将更高。

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