浅谈半导体制冷技术的研究现状及前景.pdfVIP

科 学研 究 戡鸯 囊絮 浅谈半导体制冷技术的研究现状及前景 安景飞 耿李姗 张 宇 (西华大学能源与环境学院，成都 610039) 摘 要：目前节能和环保已经成为衡量一种新技术的基本标准，半导体制冷技术被誉为是21世纪的绿色“冷源”，它的发展具有广阔的空间和重大的 意义。本文介绍了半导体制冷技术在国内外的研究现状、工作原理以及影响其制冷效率的因素；提出了提高其制冷效率的有效途径；总结了半导体制冷技 术的应用与前景。 关键词：半导体制冷 研究现状 制冷效率 应用与前景 引 言 显然，Q Ql+wo 随着经济的发展，全球能耗剧增，能源资源几近危机，想要降低能耗，实现 制冷器的效率：s=QW／o=Q Q-Q) 可持续发展，研究和开发新型的环境友好型技术就成为了必须。半导体制冷 热端散热量为：Q2=Q1[1+1／s】 起源于20世纪5O年代，由于它结构简单、通电制冷迅速，受到家电厂家的青 即热端散热量是冷端散热量的(I+I／s)倍 (s为制冷器的效率)。制冷 睐。但是由于当时局限于材料元件性能的不足而没有普遍使用。近年来，科学 片接通电源开始工作后，其冷端不断的吸收热源的热量Q-，此即为制冷量， 技术迅猛发展，半导体制冷器件的各个技术难题逐步攻破，使半导体制冷的 这部分热量连同所消耗的电热需一起不断地从热端散出去，这样才能保证 优势重新显现出来，广泛应用于军事、航空航天、农业、工业等诸多领域。 制冷片持续的正常工作，发挥半导体制冷装置的功效。因此热端散热对半导 1、半导体制冷国内外研究现状 体制冷有非常大的影响。 从国内外文献研究来看，半导体制冷技术的理论研究已基本成熟。随着 4、提高半导体制冷效率的途径 半导体物理学的发展，前苏联科学院半导体研究所约飞院士发现掺杂的半 制冷效率低成为半导体制冷最大的不足，这限制了半导体制冷的推广 导体材料 ，有 良好的发电和制冷性。这一发现引起学者们对热电现象的重 和应用。为了提高半导体制冷的效率，就要从上文所介绍的两个影响因素入 视，开启了半导体材料的新篇章，各国的研究学者均致力于寻找新的半导体 手，找出有效的解决方法。 材料。2001年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半导体 (1)寻找高优值系数z的半导体材料：研制功能性非均质材料、方钻矿的 材料系数2．4。宜向春等人又对影响半导体材料优值系数的因素进行了详细 研究、带量子空穴的超晶格研究。 的分析。指出半导体材料的优值系数除与电极材料有关，也与电极的截面和 (2)优化设计半导体制冷热端散热系统，以保证热端的散热处于 良好的 长度有关，不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸，只有符合最优 状态 。 尺寸才能获得最大优值系数的半导体制冷器。 5、半导体制冷应用与前景 2、半导体制冷的工作原理 随着低温电子学得到迅速的发展，在多种元器件和设备冷却上，半导体 半导体制冷又称热电制冷，系统仅包括冷热端、电源、电路等设备。P型 制冷有独特的作用 采用半导体制冷技术，对电子元件进行冷却，能有效 半导体元件和N型半导体元件构成热电对，热电对两端均有金属片导流条。 改善其参数的稳定性，或使信噪比得到改善，从而提高放大和测量装置的灵 如图1所示：当电流流经热电对时，就会发射帕尔贴效应，电流在上端由N流 敏度和准确度。半导体制冷器可以用直接制冷方式和间接制冷方式来冷 却电子器件和设备。 向P，