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半导体制冷器件分类
半导体制冷器件大致可以分为四类
（1）用于冷却某一对象或者对某个特定对象进行散热，这种情况大量出现在电子工业领域中；
（2）用于恒温，小到对个别电子器件维持恒温 ，大到如制造恒温槽，空调器等;
(3)制造成套仪器设备，如环境实验箱，小型冰箱，各种热物性测试仪器等;
(4)民用产品，冷藏烘烤两用箱，冷暖风机等。

半导体制冷的应用
（1）在高技术领域和军事领域
   对红外探测器，激光器和光电倍增管等光电器件的制冷。比如，德国Micropelt公司的半导体制冷器体积非常小，只有1个平方毫米，可以和激光器一起使用TO封装。
（2）在农业领域的应用
温室里面过高或过低的温度，都将导致秧苗坏死，尤其部分名贵植物对环境更加敏感，迫切需要将适宜的温度检测及控制系统应用于现代农业。
（3）在医疗领域中的应用
半导体温控系统在医学上的应用更为广泛。如：用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及一些智能精确温控的恒温仪培养箱等；用于开发具有特殊温度平台的扫描探针显微镜等。
（4）在激光领域中的应用
激光技术用美容仪器，微型零件加工等，其在工作中都产生局部热，通过半导体制冷器，采用水冷或微型制冷器冷却。
（5）在实验室装置方面
如实验用的显微镜摄像头[1]，冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片
（6）在日常生活方面的应用
空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱、电脑以及其他电器等。此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了

半导体制冷的优点
  半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm小的制冷器；重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够正常地工作;通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率；通过切换电流方向，可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长，且易于控制。

半导体制冷器件的工作原理
  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。

半导体制冷材料的发展
     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。

几种热电性能较好的半导体制冷材料
  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Bi2Te3－Sb2Te3和Bi2Te3－Bi2Se3固溶体
   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。
三元Bi2Te3－Sb2Te3－Sb2Se3固溶体
   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。
P型Ag(1-x)Cu(x)Ti Te材料
   AgTi Te材料由于具有很低的热导率（k=0.3 W/cm K）,因此如能通过合适的掺杂提高其载流子迁移率μ和电导率σ，将有可能得到较高的优值系数Z。RMAyral-Marin等人通过实验研究，发现将AgTi Te和CuTi Te通过理想的配比形成固溶体，利用Cu原子替换掉部分Ag原子后，可以得到一种性能较好的P型半导体制冷材料Ag(1-x)Cu(x)Ti Te，其中x在0.3左右时，材料的热电性能最好。由此可见Ag(1-x)Cu(x)Ti Te的确是一种较好的P型半导体制冷材料。
N型Bi－Sb合金材料
    无掺杂的Bi－Sb合金是目前20K到220K温度凡内优值系数最高的半导体制冷材料，其在富Bi区域内为N型，而当Sb含量超过75%时将转变为P型。在Bi的单晶体中引入Sb，没有改变晶体结构，也没有改变载流子（包括电子和空穴）浓度，但是拉大了导带和禁带之间的宽度。Sb的含量为0～5%时禁带宽度约为0eV，即导带和禁带相连，属于半金属；Sb含量在5%～40%时，禁带宽度值基本是在0.005eV左右，当Sb的含量在12%～15%时，达到最大，约为0.014eV，属于窄带本征半导体。由上文所述，禁带宽度的增加必将提高材料的温差电动势。80K到110K温度范围内，是Bi85Sb15的优值系数最高，高温时则是Bi92Te8最高。
YBaCuO超导材料
   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。：
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

   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，比将获得跟广泛的应用。

      温差半导体发电技术，它的工作原理是在两块不同性质的半导体两端设置一个温差，于是在半导体上就产生了直流电压。温差半导体发电有着无噪音、寿命长、性能稳定等特点。可在零下40摄氏度的寒冷环境中迅速启动，因此在实际中得到越来越广泛的应用。
   温差发电是一种新型的发电方式，利用塞贝尔效应将热能直接转换为电能。以半导体温差发电模块制造的半导体发电机,只要有温差存在即能发电。工作时无噪音、无污染，使用寿命超过十年，免维护，因而是一种应用广泛的便携电源。
   半导体温差发电机,目前主要用于油田、野外、军事等领域。如美国Teledyne Inc. 开发的军用、油田专用发电机年销售额超过十亿美元。该项目的另一市场化领域在于将发电装置用于太阳能、地热、工业废能等的利用，使热能直接转化为电能。另外，半导体发电模块体积小，重量轻，便于携带，可广泛用于小家电制造、仪器仪表、玩具及旅游业。
随着保护环境、节约能源的呼声越来越高、利用温差发电可能是发展大方向、从小型器件到大型电站,越来越多地从实验室理论应用到实践中去。
   目前最新开发的半导体温差发电组件,属国内领先水平，其内阻小、耐高温、长寿命。完全符合开发温差发电机的需要。
   若两面温差能达到摄氏60度，则发电电压可达到3.5V电流可达到3-5A
随着保护环境，节约能源的呼声越来越高，利用温差电组件发电可能是大方向，要达到半导体温差发电的目的需做到：
1、内阻小，否则功率输不出来；
2、耐高温；
3、长寿命

DB-JD45半导体制冷技术实训装置

一、 概述
“DB-JD45半导体制冷技术实训装置“采用大功率半导体制冷片，并通过面板上的钮子开关使半导体制冷片工作于热泵和热机不同的状态，分别来演示并验证帕尔帖效应和塞贝克效应。
半导体制冷技术实训装置适合于高职院校、职业学校制冷专业和非制冷类专业的《半导体制冷》、《制冷设备维修工》、《制冷设备维修工技师培训教材》的教学与技能的提高。本实训装置也适合技工学校、职业培训学校、职教中心、鉴定站/所、制冷类专业的技能鉴定考核。

 

二、 装置特点
1． 采用大功率半导体制冷组件作为冷源，不需要干冰、氨、氮、氟利昂等制冷剂，温度低、制冷快、寿命长。具有无污染、无噪声、无振动、无磨损，可连续工作。
2． 直观快强：可以直观的观察制冷片冷端结冰的全过程，深入掌握半导体制冷片的工作原理。
3． 可操作性强：用面板上提供的钮子开关，可以方便的切换半导体制冷片的工作状态，既能定性观察实训现象，又能通过测量仪表定量测量。
三、 技术性能
1． 输入电源：单相三线~220V±10% 50HZ
2． 工作环境：温度-10℃~+40℃  相对湿度<85%（25℃）海拔<4000m
3． 装置容量：<0.8KWA
4． 外型尺寸:1200mm×730mm×1400mm
5． 安全保护:具有漏电保护装置,安全符合国家标准
四、实训装置的基本配置及功能
实训装置由控制屏、实训桌及半导体制冷机组等组成。
1．控制屏（铁质双层亚光密纹喷塑结构，铝质面板）
（1）直流数字电压表（1个）：测量范围0~20V，按键切换档位，采用三位半数码显示，精度0.5%。输入阻抗为10M。通过琴键切换可分别显示半导体制冷片A的输入电压、半导体制冷片B的输入电压、半导体制冷片A的输出电压、半导体制冷片B的输出电压。
（2）直流稳压电源（2个）：提供0~15V连续可调的直流电源，电流为10A，为半导体制冷片提供电源。
（3）计时器：按下复位按钮时，开始计时，单位为秒。
（4）直流数字电流表（2个）：测量范围0~10A，采用三位半数码显示，精度0.5%。直流数字电压表（一）显示半导体制冷片A的输入电流，直流数字电压表（二）显示半导体制冷片B的输入电流。
（5）温度控制器（3个）：PID智能温度调节器，具有PID智能温度控制加AI人工智能调节功能，分别可以监测半导体制冷片A的冷热端温度、半导体制冷片B的冷热端温度、空器的温度。
（6）加热器（2个）：功率为180W，当制冷片工作在热机时，加热器对其表面进行加热。
（7）微型水泵（1个）：使水冷液循环对半导体制冷片的热端进行散热。
（8）音乐片和直流电机：当半导体制冷片工作在热机时，其输出的电压可以驱动音乐片和直流电机。
   2．实训桌
     实训桌为铁质双层亚光密纹喷塑结构，桌面为防火、防水、耐磨高密度板，结构坚固，造型美观大方；桌面用于安装电源控制屏并提供一个宽敞舒适的工作台面，设有两个抽屉。实训桌还设有四个万向轮，便于移动和固定。
3． 半导体制冷机组
由两片半导体制冷片、水冷头、散热排、水泵、水冷液、水管、有机玻离水箱、传热铝板等组成的水冷式半导体制冷机组，可直观观察水冷散热系统的工作原理及现象。
五、 实训项目
1． 半导体制冷实训台的认识
2． 半导体制冷片工作在热泵时的工作原理
3． 半导体制冷片工作在热泵时的参数测试
4． 半导体制冷片工作在热机时的工作原理
5． 半导体制冷片工作在热机时的参数测试