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半导体制冷芯片简介及其应用领域

一．半导体制冷片工作原理

1.1按导电能力物质可分为导体、绝缘体和半导体

一丁点物质大都由原子组成，原子是由原子核和电子分成。电子以高速度绕原子核转动，是被原子核使得，而且被一定的限制，所以我电子只能在不大的轨道上运转起来，没法不可以赶回，而各层轨道上的电子本身有所不同的能量(电子势能)。离原子核最远轨道上的电子，每天都这个可以脱离原子核吸引，而在原子互相间做运动，叫导体。如果没有电子又不能逃出轨道不能形成自由电子，故不能不能不参加导电，叫绝缘体。半导体导电能力介乎导体与绝缘体互相，叫半导体。

1.2半导体种类

半导体重要的特性是在一定数量的一种杂质透入半导体然后，不仅仅能大吓必然增加导电能力，而且可以依据什么加入添加剂杂质的种类和数量制造出相同性质、完全不同用途的半导体。

将一种杂质加入添加剂半导体后，会释放出来自由电子，这个半导体称为N型半导体。

将一种杂质掺人半导体后，在原子核中因电子数量将近而形成电子“空穴”，“电子空穴”就成导电体导电。外来电场作用下“p型半导体”流动方向和电子流动的方向而是，即“载流子”由正极流向负极，这是P型半导体原理。

N型半导体中的自由电子，P型半导体中的“空穴”，他们也是参与导电，亦称为“载流子”，它是半导体所浓重，是而掺入杂质的结果。

当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能有一种能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，蓝月帝国冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，拥有热端。这那就是半导体热电材料的工作机理。

1.3半导体制冷芯片

半导体制热片是一个传导热量的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端彼此间是会才能产生热量转移，热量变会从一端撤回到另一端，使产生温差连成冷热端。不过半导体自身存在电阻当电流在半导体时都会才能产生热量，从而会影响大热传递。不过两个极板之间的热量也会实际空气和半导体材料自身并且逆向运动热传递。当冷热端提升到一定温差，这两种热传导的量互相垂直时，变会达到一个平衡点，正分步热量的传递相互互相抵消。此时冷热端的温度就绝对不会继续发生了什么变化。为了至少更低的温度，这个可以根据不同情况散热等降底热端的温度来实现方法。这那就是半导体压缩机芯片的热电效应。

半导体制冷芯片是凭借半导体的热电效应的一种空调制冷方法。即在由n型和p型两种半导体材料横列的热电偶构件上受到电场，荷电载流子便在电场驱动安装下从热电偶一端流向另一端的运动过程中直接吸收和放热，随后在两端不能形成温差激励下获得冷端制冷效果。

按热电效应的基本原理和理论分析并且：热电材料应具备较高的塞贝尔（Seebeck）系数α，以绝对的保证材料有较高的温差电势率；低的热导率K以尽量温度的冷热两端的温差；同时应更具高的电导率б，让再产生的内部电子伏特热较小。这三个表征热电性能的参数可有下式先联系过来：Z=（α2б）/K，其中Z称热电材料质优系数，它表征热电材料性能优劣。习惯上，人们广泛ZT（T为材料来算温度）这一无量纲来请看材料热电性能，ZT值越大（一般＞1），材料的热电转换效率越高。在制冷模式下，热电转换效率（ηe）为：

Ηe=（rTC-Th）/[(Th-Tc)(r+1)]

其中Th和Tc分别为热冷两端温度，r=（1+ZT）1/2

早在1821年发现自己热电效应，仅在上世纪60年代才又开始产品应用。反展到现在为止，因此技术限制，热电汽体器产冷量不足以，所以，主要注意局限于于利用做成一百头制冷装置。虽然这等，科学家们始终期望很高，一齐在Bi2Te3（碲化铋）热电材料基础上参与了大量理论和实验研究，并著眼与材料科学和材料结构研究，相对应取得了重大进展，而现在，几乎大部分研究度思维禁锢于Bi2Te3单一材料上，聚集于新型材料结构探索上，有进展，却无重大技术突破。要明白，热电材料的三个主要参数，又不是各自独立的，在单一材料上被的制约更大，同时行最简形矩阵高要求根本不不可能。比如，在单一材料中，

调制就是被限制，这使ZT值想提高，也即热电转换效率的提高相对于很难。是否是也可以拓展思路，击溃民间的单一材料技术，寻求新的技术途径呢？一种不可行的技术途径是：将视野和立足点放在材料应用科学上，即现今的先到的微电子技术，以及常规诸多纳米层超晶格量子阱材料，和先去的MOCVD/MBE生长技术，对材料的σ-游离或调制桥杂技术，来国家公务员考试综合教材增强热电材料的α、б和K参数，尤其是需要颇为独特的技术，将材料的三种效应（功能）赋予了生命三种功能材料分别承担，再合么而拥有一种纯体热电偶，令ZT值小幅度提高想提高。.例如，α会改善：用一种宽禁带材料作接能金属势垒层，增加金属-半导体导带，价带的远离目标Ec和EV，最大限度地提高金属-热电材料的接触电势差，即温差电动势；

K改善：膺形体三元合金，量子阱超晶格层，有极低的热导率即为三马赫层；

Б可以改善：半金属-半导体特种材料作导电层，有它们组成如下图所示复合材料

金属层

势阱层

三马赫层

导电层

热防护系统层

调制搀杂

导电层

金属层

那样的新型热电材料不是什么普遍采用的单一材料，只是由更具根据上述规定三类优异性能的三种功能材料（它们是微电子技术中正确的材料）配对组合而成的复合法体材料。它们都能承受住700℃以上的高温，可极大可以改善热电材料的塞贝壳克效应的温度做出反应曲线（极高温范围的平坦型，而不是Bi2Te3的低温凸变曲线）。是可以想提高输入电流（不能温升提高温差）来能提高热电转换效率。业胎关系结构的优点，需要提供增加某些功能材料的选择空间，最佳组合很可能完成热电材料性能的实际性突破。

二．半导体制冷芯片应用领域

热电材料是一种新发明不友善的新能源材料。新能源材料和技术是二十一世纪人类可持续发展绝对不可缺少的的最重要物质和技术基础之一。热电材料用来热电效应来利用热能和电能与转换成，具有应用范围应用前景其应用无需在用传动部件，工作时无磨损、无噪声、无抛弃过物，对环境还没有污染，体积小，性能可靠，使用方便，寿命长。要注意应用到于温差电制冷和温差发电。

那样的半导体温差电制冷的很更适合发射器制冷和有特殊要求的用冷场所。.例如医学、生物、红外探测、光电子等民用和军用领域。半导体热电材料性能得到进一步能提高后，将有可能取代氟利昂压缩机制冷技术，最终达到应用到于必然越来越广泛市场，有提高经济效益的小型制冷装置。

2.1半导体制冷片制冷装置优势

半导体制热片充当管制品冷源，在技术应用上具有以下的特点：

（1）不必须压缩机等机械传动装置和完全没有制冷剂，可在不工作的话，是没有污染源也没旋转部件，应该不会才能产生回转效应，还没有向上滑部件是一种固体片件，工作时没有震荡、噪音、寿命长，直接安装不容易。

（2）半导体冰箱制冷片具备两种功能，既能制冷，又能加热，压缩机效率一般不高，但制热效率很高，永远不会大于01。但在用一个片件就是可以能用分立的加热系统和制冷系统。仅变动下电源正负极再试一下，控制方便些高效可靠，汉字拆分控制系统。

（3）半导体制热片是电流换能型片件，是从输入电流的控制，可基于高精度的温度控制，再再加温度检测和控制手段，很容易实现遥控器、位式控制、计算机完全控制，以便日后分成集群。

（4）半导体制冷片热惯性相当小，制冷制热时间马上，在热端散热良好冷端无负载的情况下，通电过了一分钟，制热片就能达到的最温差。

（5）半导体制冷片的单个冰箱制冷元件对的功率很小，但成组合成电堆，用同类型的电堆串、电源两端的方法阵列成制冷系统的话，功率就这个可以做的太大，所以空调制冷功率这个可以能做到几兆赫兹到上万瓦的范围。

（6）半导体制冷片的温差范围，从正温200℃到负温度170℃都这个可以实现。

（7）经测算，与目前人们巳经可以使用的半导体空调两者相比，该所研制出来的半导体空调你算算将节能78.28％不超过，同时而就没在用任何制冷剂，彻底尽量避免了对臭氧层的破坏。

主要注意规格及参数：

型号

电流(A)

电压(V)

外型尺寸(mm)

大温度(℃)

最大致冷量(W)

重量(g)

TEC1—24708

4

24

100×100×10

﹥60

192(166大卡/h)

100

TEC1—24705

2.5

24

80×80×10

﹥60

78(68大卡/h)

45

TEC1—24703

2.5

24

80×80×10

﹥60

50(44大卡/h)

55

温差（℃）

5

10

20

25

30

40

效热电制冷

13.2

8.3

7.4

6.2

5.1

4.6

效致热

11.7

6.7

6.1

5.7

4.3

3.8

2.2半导体空调制冷片温差水力发电优势

（1）发电环节少，热损小，效率高。

（2）发电系统简单啊，投资少，很易建设；

（3）芯片生产可在集成电路生产线上能完成，一体化成型，红外辐射芯片叠层，效率高，高ZT值，稳定可靠。

（4）有温差就有热能量，也可以进行36级串联水力发电。

（5）全气态系统热电直接转换、长寿命（20年以上）、芯片级模块化设计、可制热、可制冷.无机械运动，体积小、重量轻、无污染、无噪音、可快速有效降低红外特征。

（6）范围问题温度范围：-60~300℃；功率密度大：>3000W/m2（100℃温差）；日相位差运行小时数：24小时；模块化：瓦级到兆瓦级，可部分完全改变目前的机械发电系统；

（7）发电过程不必须加热，节省煤炭，无二氧化碳、硫化物、氮化物排放。无环境污染。

热电芯片组件（温差100℃）

热电芯片组件（温差60℃）

热电芯片组件（温差40℃）

光伏组件

标准组件尺寸（3ft）

100x100x2

100x100x2

100x100x2

100x100x4

单位面积发电机组功率（W/m2）

3010.5

1055.25

621

200

日均等效发电时间（h）

24

24

24

7

日均发电量（Kwh）

72.25

25.33

14.9

1.2

三．半导体制热芯片应用领域

3.1半导体制冷芯片制冷（热）功能的应用领域

高精尖科技领域的应用，卫星、导弹制导、半导体激光器、红外热成像、红外探测器、光电器件等。家电应用，除湿机、便携冷暖箱、冰热饮水机、冷枕、凉爽头盔、冷饮机、饮料红酒柜等。电子技术中的应用，电子设备、电子元件、计算机的冷却等。工业应用。汽车冷藏箱、四头空调器、除湿器、恒温仪、石油测试仪器、高真空冷等。医疗应用农业和生物方面的应用，物理降温医疗垫、半导体生理切片、疫苗保存等。

1．军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。在军事领域，半导体空调制冷片可应用于制造出一百头、灵活轻便的制冷设备，如导弹导引头温度控制系统、战场侦察设备的热成像系统、坦克步战车车内温度调节等。

2．医疗领域：，半导体冰箱制冷片可主要是用于可以制造大型、高效安全的制冷设备，如便携式血液冷藏箱、生物样本的冷冻储存设备、医疗仪器的温度控制系统等。冷力、冷合、白内障手术摘除片、血液分析仪等。半导体空调制冷器医学上应用。例如，该技术可以在医疗设备中用于维持体温、冷却病人、也可以是主要是用于医疗剂量计的冷却器就这些；

3．实验室装置方面：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。

4．清洁液装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。

5．日常生活方面：空调、冷热多功能箱、饮水机、电子冰箱等。

6．电子产业：半导体制热片可以不被用作电子元件和设备的冷却器，可用于制造出来四头、高效稳定的散热器，如笔记本电脑、智能手机等移动设备的散热系统、芯片散热，电脑CPU和GPU的散热器，光迅元件的制冷其他。该技术的微型化、高效率性和环保性也可以满足的条件电子产业对高标准要求的场合。7．机械加工：半导体空调制冷片可以不是从想提高机械设备的使用效率实现方法节能的目的，如应用于加工中心、数控车床的出口下高速刀具等。半导体制冷片的工作原理与悠久的传统的装换式制冷技术不同，不过就没使用制冷剂，绝对不会对环境再产生负面影响。

8．航空航天领域：在航空航天领域，半导体空调制冷片可主要是用于能制造小型、又高效的制冷设备，如飞机和火箭上的温度控制系统、卫星上的热控系统等。9.汽车领域：在汽车领域，半导体制热片可用于制造出汽车空调系统、汽车引擎冷却系统等。10.能源领域：在能源领域，半导体空调制冷片可应用于能制造太阳能电池板的冷却系统、风力发电设备的热控系统等。11.环境科学领域：在环境科学领域，半导体制冷片可应用于制造出来环境监测设备的温度控制系统、气候变化研究中的样品储存装置等。12.食品工业领域：在食品工业领域，半导体冰箱制冷片可用于制造食品冷冻设备、冷藏设备等。13.工业自动化领域：在工业自动化领域，半导体冰箱制冷片可主要用于能制造工业机器人的温度控制系统、自动化生产设备的热控系统等。

3.2半导体半导体制冷芯片温差发电站功能应用领域

1.低品质的余热回收工业上许多工厂排放的废气和废液中，也将大量热量排放掉，照成能源浪费。但因其排放温度一般不将近150度，比较传统技术回收装置结构复杂、以维护困难，且成本小于回收收益，不得不放弃回收二手。如果用半导体热电制冷芯片温差能发电，反而回收了余热，又能发电机组，挺好的能做到节能、节本、增效；

2.余热回收利用半导体热电芯片的另一个应用方法是能源回收。比如，它可以不作用于将废热被转化为电能，以提高能源利用率。在工业生产过程中，有大量能量以废热的形式水份蒸发。在用半导体热电芯片可以不将这个废热被转化为电能，节约能源消耗。

3.温度检测半导体热电芯片也可以用于温度检测。.例如，它可以不被作用于汽车发动机的温度监测，按照监测引擎温度，来一直保持引擎正处于最佳工作状态。

4.温差发电半导体半导体制冷芯片发电范围宽，如果有万分之一的温差就能能发电，与此同时冷端和热端温差的必然增加，其发电能力增加。如果没有维持温差不小于等于40度，发电效率为621w/m2，远大于目前的光伏发电的功率密度。可以依靠太阳全光谱发电站，极大增加太阳能的用来效率。

5.按照对家用型生活废热的回收利用，实现程序家庭分布式小发电站，安装维护简便，运行稳定、安全可靠。因半导体冰箱制冷片发电功率密度高，2-5块100cm*100cm的标准组件基本都满足的条件3-5人户的用电要求。

6.与太阳能光伏板组件特点不使用，通过降低光伏组件温度，最终达到想提高光伏组件发电效率，同时因半导体制冷组件的温差，还能能发电。幅度增加了投资效益。

7.中央空调的废热回收利用，既节约水资源、节约用电，也能想提高中央空调运行效率。

什么是车载冰箱

车载冰箱那是指也可以在汽车上附带的冷藏柜。车载冰箱是近年来国际市场上比较流行新一代制冷、冷藏器具。车载冰箱是家用型冰箱的延续，用以满足的条件快节奏生活下人们是对移动保鲜/冷藏的需求。

市场上主要有两种车载冰箱，一种是半导体车载冰箱，它的原理是靠电子芯片制冷；另一种是压缩机车载冰箱，压缩机是比较传统冰箱的传统技术，制冷温度低，为-18度10度。压缩机效率高，能造雪、保鲜，体积大。

半导体车载冰箱：

制冷原理

电子半导体车载冰箱是用来特种半导体材料近似的P-N结，自然形成热电偶对，按照一块较小的半导体芯片建议使用气体预处理原理，在两种有所不同的导体所构成的电路中直流电路通过时在结点的金属片接头处开释热量，实际差别的电流流向实现程序制冷和制热的到最后目的。

之福于这些空调制冷，电子半导体式的车载冷暖箱也可以制冷及制热，工作温度范围5℃到65℃。

压缩机车载冰箱：

制热原理

通电后压缩机工作，将蒸发器内已吸热的低压、低温气态制冷剂吸入，经高压缩后，无法形成温度为55℃～58℃，压强为112~8帕的高压、高温蒸气，再次进入冷凝器。而毛细管的减少开支，使压力以惊人的速度减低。

因蒸发器内压力少于冷凝器压力，液态制冷剂就立刻涌动蒸发，它吸收箱内的热量变成低压、低温的蒸气。立即被压缩机吸入。这般不时循环，将冰箱内部热量不时的撤回到箱外。

制冷步骤：压缩机（高压缩）---冷凝器（散热）---毛细管（开源和节流）---蒸发器（散冷）

通常用于移动冷藏/保鲜，移动保鲜需求自2012年起不显著增长的速度，以刚需人群（卡车运输司机、糖尿病患者、职场妈妈等）偏于；或者，大部分自驾、轻度越野人群这对车载冰箱的需求量高。

以压缩机车载冰箱为例，-18℃到10℃的压缩机温度区间，性能能媲美家用型冰箱，满足出行对此冷藏冷冻的需求。

.例如：糖尿病患者是需要定时查看注射胰岛素，而胰岛素的储存条件是3-8℃环境；当患者需要出行时，就不需要自身车载冰箱冷藏胰岛素，进而确保药品在出行期内绝对不会因环境温度问题变质腐烂。

伴随着近些年来人们生活消费水平努力提高，汽车保有量以惊人的速度膨胀，自驾游曾经的城市白领和都市精英等中产阶级人群之一比较喜欢的旅行之一。

越来越多的车主在行车过程、用车过程、自驾过程中地，而在异地支付出游时，是对移动冷藏的需求愈加再增长。以及饮品和食品的温度触感，有营养度的安全性；这也让车载冰箱逐渐拥有人们乘驾车出行的一个重要的是车品。

车载冰箱之外也可以冰镇饮料保鲜水果平添自驾乐趣之外，还都能够实现方法各地各地美食随买随带、生鲜食材冷藏冷冻、母乳药品保质储存等作用，在所有的自驾出行中都还能够发挥重要作用，下降提升到人们的横向出行体验。

车载冰箱是不属于能提高汽车出行品质，十分丰富出行生活很最重要的一个车品。

汽车不只是是很简单一种交通工具，更是汽车生活体验的载体。在全民消费升级浪潮的推动下，车载冰箱早成为汽车生活不可或缺的一部分，可起了提升到汽车生活品质，提升自驾游体验的重要作用。