什么叫半导体制冷 半导体制冷(2)
2023-04-07 来源:文库网
那么有没有一种看上去可控性高，使用简易，成本低廉的散热方式，来解决现有处理芯片的高温问题呢？答案可能还是有的，那就是利用热电效应原理的的半导体制冷技术。随着今年11月Intel Cryo相关项目的公布，接下也会有采用热电制冷的民用级散热器出现在DIY市场中，我们今天就来聊聊有关半导体制冷那些事。
什么是半导体制冷？
要了解半导体制冷这一具体到终端的技术应用，我们需要先了解的一个有关电与热的基础原理：热电效应 Thermoelectric effect。
图片来源：《理化检验-物理分册-热电材料的应用、研发及性能测试进展》 李蒙等著
热电效应是一个由温差产生电压的直接转换，且反之亦然。简单的放置一个热电装置，当他们的两端有温差时会产生一个电压，而当一个电压施加于其上，他也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度，冷却或加热物体。因为这个加热或制冷的方向决定于施加的电压，热电装置让温度控制变得非常的容易。
热电效应并非是一个独立存在的术语，这个理论包含了三个分别经定义过的效应，分别是：塞贝克效应 Seebeck effect，1821年，帕尔贴效应 Peltier effect，1834年与汤姆森效应 Thomson effect，1854年
塞贝克效应 Seebeck effect
1821年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：
ES=S.△T
式中：ES为温差电动势，S为温差电动势率 塞贝克系数，△T为接点之间的温差
帕尔贴效应 Peltier effect
1834年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的相反效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。
Q=.I=aTc
式中：Q为放热或吸热功率 为比例系数，称为珀尔帖系数，I为工作电流，a为温差电动势率，Tc为冷接点温度
汤姆森效应 Thomson effect
英国物理学家威廉汤姆森于1854年发现，当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：
Q=.I.△T
式中：Q为放热或吸热功率，为汤姆逊系数，I为工作电流，△T为温度梯度
通俗的讲就是，第一，热量能够产生电；第二，电也能让导体产生温差；第三，电流在温差不均匀导体中流过时，还会吸收并释放一定的热量，形成高温放热与低温吸热的状态。那么我们通过对导体成分的变化以及对电流的控制，便能够形成各种可控的具体应用，比如热能 温差发电：可运用于军事，航天，民用能源等各种领域；热电 温差电制冷：与温差发电相反，将电能转化为热能，制造出温差电制冷机，由于这种类型的只能装置无需压缩机，也无需氟利昂等制冷剂，而且具有结构简单、体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高、寿命长、无噪声等优点。此外，热电冷却不需要像机械制冷那样不断填充化学消耗品，没有活动部件，也就没有磨损，维护成本很低，同样适用于军事，航天，工业及民用制冷需求。我们今天重点要聊的“半导体制冷片”，便是热电效应在制冷应用中的一种具体装置形式。
什么是半导体制冷片 ThermoElectric Cooling？
刚才讲到的帕尔帖效应 Peltier effect自发现100多年来并未获得实际应用，因为金属半导体的珀尔帖效应很弱，无法应用于实际。直到上世纪90年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体电子致冷元件：热电致冷器 ThermoElectric Cooling，简称TEC。
与传统的风冷和水冷相比，半导体制冷片具有以下优势：1. 可以把温度降至室温以下；2. 精确温控 使用闭环温控电路，精度可达0.1℃；3. 高可靠性 制冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20万小时，失效率低；4. 没有工作噪音。
什么是半导体制冷？
要了解半导体制冷这一具体到终端的技术应用，我们需要先了解的一个有关电与热的基础原理：热电效应 Thermoelectric effect。
图片来源：《理化检验-物理分册-热电材料的应用、研发及性能测试进展》 李蒙等著
热电效应是一个由温差产生电压的直接转换，且反之亦然。简单的放置一个热电装置，当他们的两端有温差时会产生一个电压，而当一个电压施加于其上，他也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度，冷却或加热物体。因为这个加热或制冷的方向决定于施加的电压，热电装置让温度控制变得非常的容易。
热电效应并非是一个独立存在的术语，这个理论包含了三个分别经定义过的效应，分别是：塞贝克效应 Seebeck effect，1821年，帕尔贴效应 Peltier effect，1834年与汤姆森效应 Thomson effect，1854年
塞贝克效应 Seebeck effect
1821年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：
ES=S.△T
式中：ES为温差电动势，S为温差电动势率 塞贝克系数，△T为接点之间的温差
帕尔贴效应 Peltier effect
1834年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的相反效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。
Q=.I=aTc
式中：Q为放热或吸热功率 为比例系数，称为珀尔帖系数，I为工作电流，a为温差电动势率，Tc为冷接点温度
汤姆森效应 Thomson effect
英国物理学家威廉汤姆森于1854年发现，当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：
Q=.I.△T
式中：Q为放热或吸热功率，为汤姆逊系数，I为工作电流，△T为温度梯度
通俗的讲就是，第一，热量能够产生电；第二，电也能让导体产生温差；第三，电流在温差不均匀导体中流过时，还会吸收并释放一定的热量，形成高温放热与低温吸热的状态。那么我们通过对导体成分的变化以及对电流的控制，便能够形成各种可控的具体应用，比如热能 温差发电：可运用于军事，航天，民用能源等各种领域；热电 温差电制冷：与温差发电相反，将电能转化为热能，制造出温差电制冷机，由于这种类型的只能装置无需压缩机，也无需氟利昂等制冷剂，而且具有结构简单、体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高、寿命长、无噪声等优点。此外，热电冷却不需要像机械制冷那样不断填充化学消耗品，没有活动部件，也就没有磨损，维护成本很低，同样适用于军事，航天，工业及民用制冷需求。我们今天重点要聊的“半导体制冷片”，便是热电效应在制冷应用中的一种具体装置形式。
什么是半导体制冷片 ThermoElectric Cooling？
刚才讲到的帕尔帖效应 Peltier effect自发现100多年来并未获得实际应用，因为金属半导体的珀尔帖效应很弱，无法应用于实际。直到上世纪90年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体电子致冷元件：热电致冷器 ThermoElectric Cooling，简称TEC。
与传统的风冷和水冷相比，半导体制冷片具有以下优势：1. 可以把温度降至室温以下；2. 精确温控 使用闭环温控电路，精度可达0.1℃；3. 高可靠性 制冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20万小时，失效率低；4. 没有工作噪音。
