半導體製冷試驗儀

一、實驗目的

1. 了解帕爾帖效應和半導體製冷原理；
2. 學習半導體製冷特性和應用，計算半導體製冷係統製冷係數；
3. 演示驗證帕爾帖效應。

二、實驗設備

THQBZ-1型半導體製冷試驗儀。

三、實驗原理

1. 帕爾帖效應
1834年，法國科學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電後，發現一個接頭變熱，另一個接頭變冷。這說明兩種不同材料組成的電回路在有直流電通過時，兩個接頭處分別發生了吸放熱現象。
當直流電通過兩種不同導電材料構成的回路時，結點上將產生吸熱或放熱現象，具體視電流方向而定，這種熱電致冷和致熱現象被稱為帕爾帖效應。
由帕爾貼效應產生的熱流量稱作帕爾帖熱，用符號QP表示。吸熱或放熱量由電流的大小來決定。
                 QP=aTcI                             (1)
式（1）中，QP為吸熱或放熱功率，a為溫差電動勢率；Tc為冷結點處的溫度，單位為K；I為流經導體的工作電流。
對帕爾帖效應的物理解釋是：點和載體在導體中運動形成電流。由於電荷載體在不同的材料中處於不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多餘的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界麵處以熱的形式吸收或放出。
材料的帕爾帖效應強弱用它相對於某參考材料的帕爾帖係數π表示，帕爾帖係數π與溫差電動勢率a之間存在下述關係
                 π=aTc                               (2)
對於P型半導體和N型半導體組成的電偶，其帕爾帖係數πPN為
                  πPN=πP-πN                            (3)
2. 半導體製冷原理
半導體製冷又稱熱電製冷或溫差電製冷，它是利用電熱效應的一種製冷方法
半導體製冷的基本原理是帕爾帖效應，半導體製冷時帕爾帖效應在工程技術上的具體應用。
 
圖1 半導體製冷原理示意圖
半導體製冷的原理如圖1所示。n型材料有多餘的電子，有負溫差電勢；p型材料電子不足，有正溫差電勢。當電子從p型穿過節點至n型時，其能量必然增加，而且增加的能量相當於節點消耗的能量，相反，當電子從n型流至p型材料時，結點的溫度就會升高。把一隻n型半導體元件和一隻p型半導體元件連結成熱電偶，接上直流電源後，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。上麵的一個接頭處，電流方向是n→p，溫度下降並且吸熱，為冷端。而下麵的一個接頭處，電流方向為p→n，溫度上升並且放熱，為熱端。在電流的作用下，由於帕爾帖效應，熱量由Tc轉向Th，使Tc溫度降低，成為冷端，Th溫度升高，為熱端。借助於散熱器等各種傳熱手段，是熱端的熱量不斷散發，將冷端 置於工作室中去吸熱降溫，即形成製冷。
半導體製冷模型示意圖如圖2所示。按圖示接上直流電源後，這個熱電堆的上麵是冷端，下麵是熱端。借助熱交換器等傳熱手段，使熱電堆的熱端不斷散熱並且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到工作環境中去吸熱降溫，這就是半導體製冷的工作原理。
 
圖2 半導體製冷模型示意圖
半導體製冷材料是對特殊半導體材料了，通過摻入雜質改變其溫差電動勢率、導電率和熱導率，使其滿足致冷要求的材料。溫差電致冷組件就是由這種特殊的P型和N型半導體製成的。
可供製冷用的半導體材料有很多，如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTez等。衡量半導體材料製冷效率高低的一個主要參數為優值係數Z，Z越大，則效率越高。
                                               (4)
式（4）中a為溫差電動勢，k為熱導率，為電阻率。
3. 半導體製冷片
半導體材料具有較高的熱電勢可以成功地用來做成小型熱電製冷器-半導體製冷片。半導體製冷片包含多組PN結，用銅板和銅導線將N型半導體和P型半導體連接成一個回路，銅板和銅導線起導電的作用，采用陶瓷封裝製成，側麵引出兩條導線，加上電壓後，當電流由半導體PN結的N型半導體流向P型半導體時，形成電子空穴對而吸收熱量，相反，電子空穴對結合而釋放熱量。如果電流方向相反，那麽結點處的冷熱作用互易。如圖3所示是一個半導體製冷片的典型結構，由很多N型和P型半極體之顆粒互相排列而成，而P、N之間以一般的導體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，最後用兩片陶瓷片象漢堡包一樣夾起來。
 
圖3 半導體製冷片結構
半導體內部結構如圖4所示
 
圖4 半導體製冷片內部結構圖
半導體製冷片的產冷量一般很小，所以不宜大規模和大製冷量使用。但由於它的靈活性強，簡單方便冷熱切換容易，非常適宜於微型製冷領域或有特殊要求的用冷場所。在實際應用中，當一級製冷不能達到所需的工作溫度時，可用二級或多級製冷進行工作。
4. 半導體製冷製熱係統（熱泵係統）
冷、熱端溫差對半導體製冷的效率有很大的影響，通過強化熱端散熱方法能使半導體製冷係統性能得到很大的改善。隻有半導體製冷片熱端的熱量被持續源源不斷地散發出去，才能使冷端不斷冷卻而始終保持良好的製冷效果，冷端才能保持在一個相對的恒溫狀態。另外，半導體製冷片本身也有一定的正常工作溫度，如果半導體製冷片熱端沒有良好的散熱而超出了熱度承受極限，就會燒毀損壞。所以，半導體製冷片的熱端一定要加裝散熱係統，保持良好的散熱效果。利用半導體製冷片的製冷原理，可以使半導體製冷片工作在熱泵狀態，構成半導體製冷製熱係統，如圖5所示。
 
圖5 半導體製冷片作為熱泵構成製冷製熱係統實驗結構圖
1.傳熱鋁板，2.半導體製冷片（帕爾帖），3.散熱銅片，5.風扇，
6.PID智能溫度調節器。
在圖5中，半導體製冷片（帕爾帖）、傳熱鋁板、散熱銅片、風扇組、成熱泵係統。製冷片冷端與傳熱鋁板、熱端與散熱銅片均用導熱矽脂良好接觸，表麵平整，在半導體製冷片正負極之間加0～14V直流電，冷熱端出現溫差，熱量不斷地通過晶格能的傳遞，從冷端移送到熱端，製冷片冷端（上表麵傳熱鋁板）製冷，熱端（下表麵散熱銅板）製熱。散熱銅板的熱量傳給散熱銅片，散熱銅片下方的風扇降溫，將熱量散發到空氣當中，熱量源源不斷從冷端傳送到熱端，傳送鋁板溫度不斷降低，用溫度傳感器熱電阻Pt100測溫，溫度可以達到零下。
改變製冷片正負極間直流電極性，製冷片冷端製熱，熱端製冷。改變製冷片正負極間直流電大小，可以通過測量冷熱端溫度，研究熱泵係統製冷效果與通直流電大小關係。半導體製冷片在溫度較高的環境下如果冷端溫度過低，空氣中的水蒸氣就會在其表麵凝結成為水滴，出現結露現象。在冷端傳熱鋁板中加水，可以觀察到結冰現象。隻要熱端能量有效的散發掉，則冷端就不斷的被冷卻，製冷片的製冷效果就很好。此熱泵係統可以長時間可靠運行。
5. 半導體製冷技術的應用與特點
使用半導體製冷係統時，既要考慮其製冷量，又要考慮其製冷率。半導體製冷係統在製冷量下工作，耗電量，理論上可獲得的降溫；在製冷效率下工作，其效率當然，理論上可獲得的溫度。一般半導體製冷係統到底在製冷量下工作，還是在製冷效率下工作，視使用要求而定。
半導體製冷應用成功的關鍵是散熱，當通過以一定電壓的直流電時，芯片就會一端製熱，一端製冷。製冷片製冷端向空間吸收熱量，製熱端通過散熱器將從製冷端吸收的熱量散發到空間。由於散發到空間的熱量除從製冷端吸收的外，還有半導體自身的電阻效應等，所以熱功率大於電功率。輸入電流太小，熱電堆製冷率不夠；輸入電流太大，焦耳熱增加，製冷效果反而不好。要達到理想的製冷效果，除熱端有良好的散熱條件，使兩端的熱量及時傳遞外，還要選用合適的輸入電壓電流。
半導體製冷技術具有以下特點：
（1）利用特種半導體材料組成PN結進行製冷（或製熱），體積小、重量輕，改變直流電源的極性，可實現製冷和製熱兩種功能，而且還能反向使用即溫差發電。
（2）高可靠性，無機械運動、製冷迅速，便於組成各種結構、形狀的製冷器，壽命大於二十萬小時。
（3）製冷量可在mW級～kW級變化，製冷溫差可達20～150℃範圍。
（4）由於無氣體工質，工作時不產生噪音，不會汙染環境，是一種真正的綠色製冷器。
（5）用於製冷時，其效率較低。但用於製熱時，其效率相當高。因此綜合起來評估時，其效率還是較高。
（6）目前成本較高，但隨著技術的發展及生產工藝的改進，成本會進一步下降。

四、實驗內容與步驟

1、半導體製冷特性測試實驗
（1）將實驗儀後麵板電源開光打到開，實驗儀上電。
（2）將半導體製冷片工作方式切換到熱泵,將製冷片輸入電壓極性切換到正，此時半導體製冷片工作在熱泵製冷狀態。
（3）將直流數字電壓表電壓顯示切換到輸入電壓，並根據輸入電壓大小通過琴鍵選擇合適的量程。
（4）調節製冷片輸入電壓調節電位器，改變輸入電壓大小，當輸入電壓為某一值時，，經過一段時間製冷，半導體製冷係統穩定在某一製冷狀態。
（5）實驗過程中可以用手小心觸摸傳熱鋁板、散熱銅板、感覺冷熱端溫度變化。
（6）記錄輸入電壓為1V、2V、3V、···、14V時穩態時輸入電流大小和方向；將PID智能溫度調節器功能選擇控溫，測半導體製冷片上表麵（冷端）溫度，選擇測溫，測下表麵（熱端）溫度，記錄穩態時冷端溫度TC、熱端溫度TH。
2.半導體製冷結露、結冰現象演示實驗
（1）調節製冷片輸入電壓調節電位器，使輸入電壓大小為實驗1中半導體製冷片冷端溫度時的輸入電壓值，經過一段時間製冷，觀察冷端結露現象。用注射器在冷端傳熱鋁板中加適量水，觀察結冰現象。
（2）將半導體製冷片工作方式切換到熱機或將輸入電壓調到0，半導體製冷片迅速停止製冷，冷端溫度上升，熱端溫度下降，傳熱鋁板中冰塊融化，將傳熱鋁板上的水清理幹淨。
3.半導體製冷特性測試實驗
半導體製冷片正在工作時不得瞬間通反向電壓，冷熱交換時必須待兩端麵恢複到室溫時，一般須在5分鍾之後方可進行，否則有可能損壞半導體製冷片。
半導體製冷片在正常工作情況下，熱端（含改變電流方向冷端變成熱端）的溫度必須低於80℃。否則由於熱端溫度太高有可能損壞半導體製冷片。

五、實驗數據

1.半導體製冷片負載特性測試實驗
用萬用表測試半導體製冷片靜態電阻，不準確，隻可供參考。可以通過實驗測試半導體製冷片負載特性，將實驗內容與步驟1中穩態時輸入電流大小和方向記錄在表1，用作圖法作半導體製冷片U-I負載特性曲線。
表1半導體製冷片負載特性測試記錄表

輸入電壓U（V）	1.00	2.00	3.00	4.00	···	11.00	12.00	13.00	14.00
輸入電流I（A)

2.半導體製冷特性測試實驗
將實驗內容與步驟1中輸入電壓為1V、2V、3V、···、14V時穩態時輸入電流I（A)大小和方向、冷端溫度Tc、熱端溫度、溫差記錄在表2中，用作圖法作半導體製冷-U、、特性曲線，研究半導體製冷與輸入電壓（電流）關係，找出冷端溫度輸入電壓（電流）、溫差電壓（電流）。
表2半導體製冷特性測試記錄表

輸入電壓U(V)	1.00	2.00	3.00	4.00	···	11.00	12.00	13.00	14.00
輸入電流I（A）
冷端溫度Tc（℃）
熱端溫度TH（℃）
溫差ΔT（℃）

3.半導體製冷製冷係數測試實驗
熱泵的製冷係數隻取決於係統的冷熱端溫度。
                         （5）
式（5）中Tc、單位用K表示。
根據表2中記錄實驗數據，計算熱泵的製冷係數。
4.半導體製熱特性測試實驗
將實驗內容與步驟3中輸入電壓為-1V、-2V、-3V、···時穩態時輸入電流I(A)大小和方向、冷端溫度Tc、熱端溫度TH、溫差ΔT記錄在表3中,用作圖法作半導體製熱-U、、特性曲線，研究半導體製熱與輸入電壓（電流）關係，分析半導體製冷製熱係統應用中的影響因素。
表3半導體製冷特性測試記錄表

輸入電壓U(V)	-1.00	-2.00	-3.00	-4.00	-5.00	-6.00
輸入電流I（A）
冷端溫度Tc（℃）
熱端溫度TH（℃）
溫差ΔT（℃）