半导体致冷器件

半导体致冷器件是一种新的换能器件，通过它将电能直接转换为热能。虽然说它的作用类似于冰箱一类制冷机械，但在结构与工作原理上，与机械式致冷却是截然不同的。

当前得到广泛应用的致冷器件是由半导体材料n—Bi\(_{2}\)Te3·Bi\(_{2}\)Se3和P—Bi\(_{2}\)Te3·Sb\(_{2}\)Te3制成的。这种器件的工作原理是基于帕尔帖（Peltier）效应。帕尔帖效应可定性地解释为在不同的材料中参与电流的载流子的能量不同。当载流子在两种材料的接触界面处从具有较高能量的一种材料移出时，多余的能量将传给第二种材料的晶格，这时在接点上有热量放出。如果电流方向相反。则载流子靠晶格来补充能量，于是在这个接点吸收热量，即开始致冷。

致冷器件的模型如图1所示。图中的1、2和3均为金属材料，一般为铜板，称为导流片。2起连接1、3的作用。在1、3之间接有直流电源E，这样就构成了一个包括电源E在内的闭合回路。图中的Ⅰ和Ⅱ分别为n—和P—半导体元件。在电流的驱动下，由于帕尔帖效应的作用，热量由T\(_{1}\)端转向T2端，使T\(_{1}\)端的温度逐渐降低。通常，T1端叫做致冷器的冷端或者工作端，而T\(_{2}\)端一般是与一个散热器相连接，称为散热端。

任何半导体致冷器，都可以在两种状态下工作，即最大致冷效率（η\(_{最大}\)）状态和最大产冷量（Q最大）状态。在前者的情形下，致冷器能够最有效地将电能转换为“冷”；后一种情形下电耗大，但能获得最大温度降低。所以，致冷器的设计应视不同的使用要求而有所不同。如果用在不大的温差下，例如在空调器中，那么致冷器就应按η\(_{最大}\)设计；如果是力求达到最大产冷量或者最低使用温度，就应按Q最大状态进行设计计算。

半导体致冷器通常由工作室、电堆和散热器三部分构成，核心部分是电堆。电堆一般是由一个一个的“致冷单元”采取串联或并联的方式构成的。“致冷单元”又叫做温差电单元。致冷单元又分为以下两种：

1．一级致冷单元：如图2所示。它由一个n—型臂和一个P—型臂，通过起连接导电作用的导流片焊接而成。

2．二级致冷单元：见图3。图3（a）所示是一种并联供点的二级致冷单元，第二级分出的电流等于该级的电流的额定值。第二级放出的热量，应恰恰为第一级所吸收。显然在并联电路的情况下，第二级的产冷量不会很大。因此，这种结构可用于热负载较小的场合为宜。

在许多情况下，需要第二级的产冷量也足够大，这可以由两级串联供电的二级致冷单元来实现，见图3（b）。图中第一级器件通过电绝缘的导流片2与第二级致冷器件3相连接。第一级和第二级最佳工作状态的选择取决于器件臂的截面积和高度。

以上所述结构仅仅是对二级致冷单元而言。实际上，三级以上的单元，其结构往往复杂得多。可采用第一、二级串联，而第三级与第二级并联的供电方式。

由于半导体致冷器较机械致冷有着一系列优点，所以，它在各个领域里都得到了广泛的应用。这些优点例如，由于半导体致冷器尺寸小，所以可制成体积不到1cm\(^{3}\)那样小的制冷器；重量轻，可制成微型致冷器，重量往往能够小到只有几克或几十克；无任何机械转动部分，工作中没有噪声；不必使用液态和气态工质，因而不造成环境污染；致冷器参数不受空间方向，即不受重力场的影响；在大的机械过载条件下，能够正常工作；调节工作电流的大小，可以方便地调节致冷速率；切换电流方向，能够使致冷器从致冷工作状态立即转变为致热状态，“致冷”、“致热”可运用自如；作用速度快，使用寿命长，且易于控制等等。以上这些长处，都是机械式致冷机难以媲美的。其缺点是产冷低、效率也比较低，而单位产冷量的价格又比较高。

致冷器件的工业生产，约有近40年的历史。它的应用几乎遍及理、工、农、医各个领域，名目繁多不胜枚举。如果粗略地分类可分为四种情形：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工业电子领域中；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，如环境试验箱、小型冰箱、各种热物性测试仪器等；④民用产品，如冷藏烘烤两用箱、冷暖风机等。

例如，在近代自动或遥感技术中，广泛地使用光敏电阻制造探测器。然而，光敏电阻的某些参数强烈地与温度有关。这时可用微型半导体致冷器很容易地把光敏电阻的温度，以一定的精度控制在所适宜的工作点上。

另外，还可将半导体致冷器用于光电信增管的冷却方面。通常锑—铯阴极的光电倍增管，在温度从20℃降至-30℃时，暗电流可减小19～29倍之多。目前，国外用于光电倍增管的由半导体致冷模块制成的恒温器，在温度为-20℃～室温的范围内，温度的恒定性可达±0.005℃。

目前，半导体致冷器在电子元器件中的应用趋势是将各种需要降温或恒温使用的电子元器件与致冷器制成一个一体化的组件。另一趋势是专业化，即配合不同的元器件，生产有一系列的致冷装置，专门用于降低各种光电探测器的温度。

总而言之，半导体致冷技术在电子科学领域内有着广阔的应用前景。(钟广学 马松涛)