半導體制冷器件分類
半導體制冷器件大致可以分為四類
（1）用于冷卻某一對象或者對某個特定對象進行散熱，這種情況大量出現(xiàn)在電子工業(yè)領域中；
（2）用于恒溫，小到對個別電子器件維持恒溫 ，大到如制造恒溫槽，空調(diào)器等;
(3)制造成套儀器設備，如環(huán)境實驗箱，小型冰箱，各種熱物性測試儀器等;
(4)民用產(chǎn)品，冷藏烘烤兩用箱，冷暖風機等。

半導體制冷的應用
（1）在高技術領域和軍事領域
   對紅外探測器，激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。比如，德國Micropelt公司的半導體制冷器體積非常小，只有1個平方毫米，可以和激光器一起使用TO封裝。
（2）在農(nóng)業(yè)領域的應用
溫室里面過高或過低的溫度，都將導致秧苗壞死，尤其部分名貴植物對環(huán)境更加敏感，迫切需要將適宜的溫度檢測及控制系統(tǒng)應用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。
（3）在醫(yī)療領域中的應用
半導體溫控系統(tǒng)在醫(yī)學上的應用更為廣泛。如：用于蛋白質(zhì)功能研究、基因擴增的高檔PCR儀、電泳儀及一些智能精確溫控的恒溫儀培養(yǎng)箱等；用于開發(fā)具有特殊溫度平臺的掃描探針顯微鏡等。
（4）在激光領域中的應用
激光技術用美容儀器，微型零件加工等，其在工作中都產(chǎn)生局部熱，通過半導體制冷器，采用水冷或微型制冷器冷卻。
（5）在實驗室裝置方面
如實驗用的顯微鏡攝像頭[1]，冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片
（6）在日常生活方面的應用
空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外，還有其它方面的應用，這里就不一一提了

半導體制冷的優(yōu)點
  半導體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm小的制冷器；重量輕，微型制冷器往往能夠小到只有幾克或幾十克。無機械傳動部分，工作中無噪音，無液、氣工作介質(zhì)，因而不污染環(huán)境，制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響，在大的機械過載條件下，能夠正常地工作;通過調(diào)節(jié)工作電流的大小，可方便調(diào)節(jié)制冷速率；通過切換電流方向，可使制冷器從制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹茻峁ぷ鳡顟B(tài)；作用速度快，使用壽命長，且易于控制。

半導體制冷器件的工作原理
  半導體制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理，該效應是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發(fā)現(xiàn)的，即利用當兩種不同的導體A和B組成的電路且通有直流電時，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強度I[A]成正比，且與兩種導體的性質(zhì)及熱端的溫度有關，即： Qab=Iπab
πab稱做導體A和B之間的相對帕爾帖系數(shù) ，單位為[V], πab為正值時，表示吸熱，反之為放熱，由于吸放熱是可逆的，所以πab=－πab
帕爾帖系數(shù)的大小取決于構成閉合回路的材料的性質(zhì)和接點溫度，其數(shù)值可以由賽貝克系數(shù)αab[V.K-1]和接頭處的絕對溫度T[K]得出πab=αabT與塞貝克效應相，帕爾帖系也具有加和性，即：
 Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I
  因此絕對帕爾帖系數(shù)有πab=πa－ πb
   金屬材料的帕爾帖效應比較微弱，而半導體材料則要強得多，因而得到實際應用的溫差電制冷器件都是由半導體材料制成的。

半導體制冷材料的發(fā)展
     AVIoffe和AFIoffe指出，在同族元素或同種類型的化合物質(zhì)間，晶格熱導率Kp隨著平均原子量A的增長呈下降趨勢。RWKeyes通過實驗推斷出，KpT近似于Tm3/2ρ2/3A-7/6成比例，即近似與原子量A成正比，因此      通常應選取由重元素組成的化合物作為半導體制冷材料。

  半導體制冷材料的另一個巨大發(fā)展是1956年由AFIoffe等提出的固溶體理論，即利用同晶化合物形成類質(zhì)同晶的固溶體。固溶體中摻入同晶化合物引入的等價置換原子產(chǎn)生的短程畸變，使得聲子散射增加，從而降低了晶格導熱率，而對載流子遷移率的影響卻很小，因此使得優(yōu)值系數(shù)增大。例如50%Bi2Te3－50%Bi2Se3固溶體與Bi2Te3相比較，其熱導率降低33%，而遷移率僅稍有增加，因而優(yōu)值系數(shù)將提高50%到一倍。

幾種熱電性能較好的半導體制冷材料
  Ag(1-x)Cu(x)Ti Te、Bi－Sb合金和YBaCuO超導材料等曾經(jīng)成為半導體制冷學者的研究對象，并通過實驗證明可以成為較好的低溫制冷材料。下面將分別介紹這幾種熱電性能較好的半導體制冷材料。
二元Bi2Te3－Sb2Te3和Bi2Te3－Bi2Se3固溶體
   二元固溶體，無論是P型還是N型，晶格熱導率均比Bi2Te3有較大降低，但N型材料的優(yōu)值系數(shù)卻提高很小，這可能是因為在Bi2Te3中引入Bi2Se3時，隨著Bi2Se3摩爾含量的不同呈現(xiàn)出兩種不同的導電特性，勢必會使兩種特性都不會很強，通過合適的摻雜雖可以增強材料的導電特性，提高材料的優(yōu)值系數(shù)，但歸根結底還是應該在本題物質(zhì)上有所突破。
三元Bi2Te3－Sb2Te3－Sb2Se3固溶體
   Bi2Te3 和Sb2Te3是菱形晶體結構，Sb2Se3是斜方晶體結構，在除去大Sb2Se3濃度外的較寬組份范圍內(nèi)，他們可以形成三元固溶體。無摻雜時，此固溶體呈現(xiàn)P型導電特性，通過合適的摻雜，也可以轉(zhuǎn)變?yōu)镹型導電特性。在二元固溶體上添加Sb2Se3有兩個優(yōu)點：首先是提高了固溶體材料的禁帶寬度。其次是可以進一步降低晶格熱導率，因此Sb2Se3不論是晶體結構還是還是平均原子量，都與Bi2Te3 和Sb2Te3相差很大。當三元固溶體中Sb2Te3+5% Sb2Se3的總摩爾含量在55%～75%范圍時，晶格熱導率最低，約為0.8×10-2W/cm K，這個值要略低于二元時的最低值0.9×10-2W/cm K。
但是，添加Sb2Se3也會降低載流子的遷移率，將會降低優(yōu)值系數(shù)，因此必須控制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熱導率（k=0.3 W/cm K）,因此如能通過合適的摻雜提高其載流子遷移率μ和電導率σ，將有可能得到較高的優(yōu)值系數(shù)Z。RMAyral-Marin等人通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)將AgTi Te和CuTi Te通過理想的配比形成固溶體，利用Cu原子替換掉部分Ag原子后，可以得到一種性能較好的P型半導體制冷材料Ag(1-x)Cu(x)Ti Te，其中x在0.3左右時，材料的熱電性能最好。由此可見Ag(1-x)Cu(x)Ti Te的確是一種較好的P型半導體制冷材料。
N型Bi－Sb合金材料
    無摻雜的Bi－Sb合金是目前20K到220K溫度凡內(nèi)優(yōu)值系數(shù)最高的半導體制冷材料，其在富Bi區(qū)域內(nèi)為N型，而當Sb含量超過75%時將轉(zhuǎn)變?yōu)镻型。在Bi的單晶體中引入Sb，沒有改變晶體結構，也沒有改變載流子（包括電子和空穴）濃度，但是拉大了導帶和禁帶之間的寬度。Sb的含量為0～5%時禁帶寬度約為0eV，即導帶和禁帶相連，屬于半金屬；Sb含量在5%～40%時，禁帶寬度值基本是在0.005eV左右，當Sb的含量在12%～15%時，達到最大，約為0.014eV，屬于窄帶本征半導體。由上文所述，禁帶寬度的增加必將提高材料的溫差電動勢。80K到110K溫度范圍內(nèi)，是Bi85Sb15的優(yōu)值系數(shù)最高，高溫時則是Bi92Te8最高。
YBaCuO超導材料
   根據(jù)上面的介紹可知,在50K到200K的溫度范圍內(nèi),性能最好的半導體制坑材料是n型Bi(100-x)Sbx合金，其中Sb的含量在8%～15%。在100K零磁場的情況下，Bi－Sb合金的最高優(yōu)值系數(shù)可達到6.0×10-3K-1，而基于Bi、Te的p型固溶體材料在100K時的優(yōu)值系數(shù)卻低于2.0×10-3K-1并且隨著溫度的下降迅速減小。因此，必須尋找一種新的p型低溫熱電材料，以和n型Bi－Sb合金組成半導體制冷電對。利用高Tc氧化物超導體代替p型材料，作為被動式p型電臂（稱為HTSC臂，即High Tc Supercon－ducting Legs）,理論上可以提高電隊的優(yōu)值系數(shù)，經(jīng)過實驗證明也確實可行。：
由于HTSC超導材料的溫差電動勢率α幾乎為零，但其電導率無限大，因此熱導率κ和電導率δ的比值κ/δ卻是無限小的

   Mosolov A B等人分別利用以SrTiO3座基地的YBaCuO超導薄膜和復合YBaCuO－Ag超導陶瓷片作為被動式HTSC臂材料，用Bi91Sb9合金作為n型材料，制成單級半導體制冷器。實驗結果表明：利用YBaCuO超導薄膜制成的制冷器，熱端溫度維持在85K，零磁場時可達到9.5K的最大制冷溫差，加上0.07T橫向磁場時能達到14.4K;利用YBaCuO－Ag超導陶瓷片制成的單擊制冷器，熱端溫度維持在77K時，相應的最大制冷溫差分別是11.4K和15.7K。從半導體制冷器最大制冷溫差計算公式，可以反算出80Kzuoyou這種制冷電對的優(yōu)值系數(shù)約為6.0×10-3K-1，可見這種電對組合是有著很好的應用潛力的。隨著高Tc超導體材料的發(fā)展，這種制冷點隊的熱端溫度將會逐漸提高，優(yōu)值系數(shù)也將逐漸增大，比將獲得跟廣泛的應用。

      溫差半導體發(fā)電技術，它的工作原理是在兩塊不同性質(zhì)的半導體兩端設置一個溫差，于是在半導體上就產(chǎn)生了直流電壓。溫差半導體發(fā)電有著無噪音、壽命長、性能穩(wěn)定等特點。可在零下40攝氏度的寒冷環(huán)境中迅速啟動，因此在實際中得到越來越廣泛的應用。
   溫差發(fā)電是一種新型的發(fā)電方式，利用塞貝爾效應將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能。以半導體溫差發(fā)電模塊制造的半導體發(fā)電機,只要有溫差存在即能發(fā)電。工作時無噪音、無污染，使用壽命超過十年，免維護，因而是一種應用廣泛的便攜電源。
   半導體溫差發(fā)電機,目前主要用于油田、野外、軍事等領域。如美國Teledyne Inc. 開發(fā)的軍用、油田專用發(fā)電機年銷售額超過十億美元。該項目的另一市場化領域在于將發(fā)電裝置用于太陽能、地熱、工業(yè)廢能等的利用，使熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。另外，半導體發(fā)電模塊體積小，重量輕，便于攜帶，可廣泛用于小家電制造、儀器儀表、玩具及旅游業(yè)。
隨著保護環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲越來越高、利用溫差發(fā)電可能是發(fā)展大方向、從小型器件到大型電站,越來越多地從實驗室理論應用到實踐中去。
   目前最新開發(fā)的半導體溫差發(fā)電組件,屬國內(nèi)領先水平，其內(nèi)阻小、耐高溫、長壽命。完全符合開發(fā)溫差發(fā)電機的需要。
   若兩面溫差能達到攝氏60度，則發(fā)電電壓可達到3.5V電流可達到3-5A
隨著保護環(huán)境，節(jié)約能源的呼聲越來越高，利用溫差電組件發(fā)電可能是大方向，要達到半導體溫差發(fā)電的目的需做到：
1、內(nèi)阻小，否則功率輸不出來；
2、耐高溫；
3、長壽命

DB-JD45半導體制冷技術實訓裝置

一、 概述
“DB-JD45半導體制冷技術實訓裝置“采用大功率半導體制冷片，并通過面板上的鈕子開關使半導體制冷片工作于熱泵和熱機不同的狀態(tài)，分別來演示并驗證帕爾帖效應和塞貝克效應。
半導體制冷技術實訓裝置適合于高職院校、職業(yè)學校制冷專業(yè)和非制冷類專業(yè)的《半導體制冷》、《制冷設備維修工》、《制冷設備維修工技師培訓教材》的教學與技能的提高。本實訓裝置也適合技工學校、職業(yè)培訓學校、職教中心、鑒定站/所、制冷類專業(yè)的技能鑒定考核。

 

二、 裝置特點
1． 采用大功率半導體制冷組件作為冷源，不需要干冰、氨、氮、氟利昂等制冷劑，溫度低、制冷快、壽命長。具有無污染、無噪聲、無振動、無磨損，可連續(xù)工作。
2． 直觀快強：可以直觀的觀察制冷片冷端結冰的全過程，深入掌握半導體制冷片的工作原理。
3． 可操作性強：用面板上提供的鈕子開關，可以方便的切換半導體制冷片的工作狀態(tài)，既能定性觀察實訓現(xiàn)象，又能通過測量儀表定量測量。
三、 技術性能
1． 輸入電源：單相三線~220V±10% 50HZ
2． 工作環(huán)境：溫度-10℃~+40℃  相對濕度<85%（25℃）海拔<4000m
3． 裝置容量：<0.8KWA
4． 外型尺寸:1200mm×730mm×1400mm
5． 安全保護:具有漏電保護裝置,安全符合國家標準
四、實訓裝置的基本配置及功能
實訓裝置由控制屏、實訓桌及半導體制冷機組等組成。
1．控制屏（鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑結構，鋁質(zhì)面板）
（1）直流數(shù)字電壓表（1個）：測量范圍0~20V，按鍵切換檔位，采用三位半數(shù)碼顯示，精度0.5%。輸入阻抗為10M。通過琴鍵切換可分別顯示半導體制冷片A的輸入電壓、半導體制冷片B的輸入電壓、半導體制冷片A的輸出電壓、半導體制冷片B的輸出電壓。
（2）直流穩(wěn)壓電源（2個）：提供0~15V連續(xù)可調(diào)的直流電源，電流為10A，為半導體制冷片提供電源。
（3）計時器：按下復位按鈕時，開始計時，單位為秒。
（4）直流數(shù)字電流表（2個）：測量范圍0~10A，采用三位半數(shù)碼顯示，精度0.5%。直流數(shù)字電壓表（一）顯示半導體制冷片A的輸入電流，直流數(shù)字電壓表（二）顯示半導體制冷片B的輸入電流。
（5）溫度控制器（3個）：PID智能溫度調(diào)節(jié)器，具有PID智能溫度控制加AI人工智能調(diào)節(jié)功能，分別可以監(jiān)測半導體制冷片A的冷熱端溫度、半導體制冷片B的冷熱端溫度、空器的溫度。
（6）加熱器（2個）：功率為180W，當制冷片工作在熱機時，加熱器對其表面進行加熱。
（7）微型水泵（1個）：使水冷液循環(huán)對半導體制冷片的熱端進行散熱。
（8）音樂片和直流電機：當半導體制冷片工作在熱機時，其輸出的電壓可以驅(qū)動音樂片和直流電機。
   2．實訓桌
     實訓桌為鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑結構，桌面為防火、防水、耐磨高密度板，結構堅固，造型美觀大方；桌面用于安裝電源控制屏并提供一個寬敞舒適的工作臺面，設有兩個抽屜。實訓桌還設有四個萬向輪，便于移動和固定。
3． 半導體制冷機組
由兩片半導體制冷片、水冷頭、散熱排、水泵、水冷液、水管、有機玻離水箱、傳熱鋁板等組成的水冷式半導體制冷機組，可直觀觀察水冷散熱系統(tǒng)的工作原理及現(xiàn)象。
五、 實訓項目
1． 半導體制冷實訓臺的認識
2． 半導體制冷片工作在熱泵時的工作原理
3． 半導體制冷片工作在熱泵時的參數(shù)測試
4． 半導體制冷片工作在熱機時的工作原理
5． 半導體制冷片工作在熱機時的參數(shù)測試