半导体热端温度

Willsunking@半导体制冷器（TEC）简介半导体制冷器（TEC）TEC (Thermoelectric Cooler)，即半导体制冷器：是利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，又称热电制冷器。

半导体制冷的工作原理用导体连接两块不同的金属，接通直流电，则一个接点处温度降低，另一个接点处温度升高。

若将电源反接，则接点处的温度相反变化。

这一现象称为珀耳帖效应，又称热-电效应。

纯金属的热电效应很小，若用一个N型半导体和一个P型半导体代替金属，效应就大得多。

接通电源后，上接点附近产生电子-空穴对，内能减小，温度降低，向外界吸热，称为冷端。

另一端因电子-空穴对复合，内能增加，温度升高，并向环境放热，称为热端。

一对半导体热电元件所产生的温差和冷量都很小，实用的半导体制冷器是由很多对热电元件（半导体晶粒）经并联、串联组合而成，也称热电堆。

将这些组合的晶粒上下面覆盖陶瓷片或其它导热的绝缘材料，在通电的状态下，便形成一面吸热、一面放热的效应。

其结构及原理图如下：半导体制冷器的应用半导体制冷器具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，操作简便，易于进行冷量调节。

但它的制冷系数较小，电耗量相对较大，故它主要用于耗冷量小和占地空间小的场合，如电子设备和无线电通信设备中某些元件的冷却；有的也用于家用冰箱，但不经济。

半导体制冷器的应用领域主要是在通信、医疗、食品及饮料，以及特殊的工业应用。

半导体制冷器的材料成份半导体制冷器主要由以下材料组成： Bi2Te3（碲化铋），Al2O3（氧化铝），PVC，Cu（铜）。

半导体制冷器的主要生产过程瓷片上锡——半导体晶粒摆模——半导体晶粒沾锡——冷面焊接——半导体晶粒沾锡——热面焊接——半成品清洗——导线焊接——封装。

实验12 温度传感器特性和半导体制冷温控实验【实验目的】1、了解半导体制冷和制热原理。

2、测量NTC热敏电阻、PTC热敏电阻及集成温度传感器的温度特性【实验原理】1、半导体制冷和制热原理如图1所示，由X和Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，冷端的热量移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是帕尔贴效应。

实际的半导体制冷片结构如图2所示，由许多N型P型办斗提之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其他导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好。

2、温度控制原理实验样品结构如下图所述，将半导体制冷片一面与铝制散热器津贴，并用风扇强行散热，使其与环境温度接近。

另一面与实验样品室紧贴，试验样品室采用优质导热材料，并装上温度传感器，温度传感器测量实验样品室的温度，由该温度与仪器设定的温度相比较，通过微型处理器确定半导体制冷片工作方式，即制冷或制热，由温度差确定制冷或制热的策略，即在不同的温度差之下，输出不同的制冷或制热功率，并以适当的速度改变温度的变化，从而实现实验样品室的温度控制，保持温度的稳定。

微型处理器工作框图如图3.3、NTC 电阻器的温度系数（负温度系数）——温度特性NTC 热敏电阻通常具有很大的负温度系数，在一定的温度范围内，NTC 热敏电阻的阻值与温度的关系满足下列经验公式：011()0B T T R R e -=------------------------（1）式中，R 为该热敏电阻在热力学温度T 时的电阻值，0R 为热敏电阻处于热力学温度0T 时的阻值，B 是材料的常数，它不仅与材料性质有关，而且与温度有关，在一个不太大的温度范围内，B 是常数。

由（1）式得该热敏电阻在0T 时的电阻温度系数α20B T α=----------------------------------（2） 进一步得到 0011()InR B InR T T =-+ 在一定温度范围内，可以用作图法或最小二乘法求得B 的值，并进一步求得α的值。

半导体除湿存在的缺点
半导体除湿其实就是对半导体制冷片在除湿领域的一种应用，但这种应用受到其自身条件的制约，在环境高温或低温条件下，除湿效果差甚至失效。

其主要原因是半导体制冷片工作时，其热端和冷端的温度差（即温差），不同型号的制冷片可能不一样，但同一型号的这个参数是是固定的，如温差为60度时，当环境温度为 30 度，在热端散热良好的情况下，其冷端的温度能降到接近0度（其实芯片冷端的核心肯定低于 0 度），热端的温度升高到30 几度，芯片热端的核心则可能达到50 多度，此时的除湿效果非常好；当环境温度降到几度时，芯片的冷端就降到 0 度以下，冷端结冰，除湿效果变差，甚至不能除湿；当环境温度升高时，冷端的温度也随之升高，当冷端温度高到露点以上时，也就失去除湿功能。

试验也印证了这个结果，当环境温度在16度时，我们的样机冷端就开始慢慢结冰，随着环境温度的逐渐降低，样机向外排水也越来越少，除湿效果随之下降；同样在我们把样机的环境温度渐渐调高时，当温度达到40度时，冷端的水珠越来越少，到45度时，可明显发现样机的冷端水珠不见了，只在靠近芯片中心还有点水迹，随着温度升高，这点水迹都没有了，当然也就没有除湿效果了。

因此这种除湿方法在常温下效果不错，在高低温时效果不明显甚至失效，不能满足设备全年大温差范围的除湿要求。

厦门巨特电气有限公司
研发部 2012-6-21。

半导体制冷器的原理与使用1半导体致冷器作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：1 不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。

2 半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效率一般不高，但致热效率很高，永远大于1。

因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和致冷系统。

3 半导体致冷器是电流换能型器件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

4 半导体致冷器热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，致冷器就能达到最大温差。

5 半导体致冷器的反向使用就是温差发电，半导体致冷器一般适用于中低温区发电。

6 半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

7 半导体致冷器的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

通过以上分析，半导体温差电器件应用范围有：致冷、加热、发电，致冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：8 军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。

9 医疗方面：冷力、冷合、白内障摘除器、血液分析仪等。

10 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、高低温实验仪器。

11 专用装置方面：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。

12 日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。

半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。

半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，以下的图就是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连结组成半导体制冷片的工作原理是：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，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。

半导体制热制冷的原理半导体制热制冷技术是一种利用半导体材料特性实现制热和制冷的技术。

它通过半导体材料的电热效应和热电效应来实现能量转换，从而实现制热和制冷的功能。

1. 半导体材料的电热效应半导体材料具有电阻和热阻的特性，当电流通过半导体材料时，会产生热量。

这是由于电流通过半导体材料时，材料内部的电子与晶格之间发生碰撞，导致能量转化为热能。

利用这一特性，可以通过控制电流的大小和方向来实现制热和制冷。

2. 半导体材料的热电效应半导体材料还具有热电效应，即当半导体材料两端温度存在温差时，会产生电压。

这是由于半导体材料的载流子在温度梯度作用下发生扩散，从而产生电荷不平衡。

利用这一特性，可以将温度差转化为电能，实现制热和制冷。

基于以上原理，半导体制热制冷技术可以通过以下步骤实现制热和制冷：1. 制热过程当需要制热时，通过控制半导体材料的电流方向和大小，使电流通过材料产生热量。

这些热量可以通过导热板或导热管传递给被加热物体，从而实现制热的目的。

2. 制冷过程当需要制冷时，可以利用半导体材料的热电效应。

通过将半导体材料的一端与低温环境接触，另一端与高温环境接触，形成温度梯度。

这时，半导体材料将产生电压，将热量从低温环境传递到高温环境，从而实现制冷。

半导体制热制冷技术具有以下优势：1. 高效节能半导体制热制冷技术相比传统的制热制冷技术，具有高能量转换效率和节能的特点。

因为它直接利用电能转化为热能或利用温度差转化为电能，减少了能量的浪费。

2. 环保无污染半导体制热制冷技术不需要使用化学制剂和制冷剂，不会产生废气和废液，对环境没有污染。

3. 体积小巧半导体材料具有小尺寸和灵活性，制热制冷设备体积小巧，适用于各种空间限制的场合。

4. 调节精度高半导体制热制冷技术可以通过调节电流和温度来实现对制热和制冷的精确控制，温度调节范围广，可满足不同需求。

然而，半导体制热制冷技术也存在一些挑战：1. 效能限制半导体材料的电热效应和热电效应受到材料本身性能的限制，效能相对较低，需要不断改进材料性能来提高制热制冷效率。

半导体热电特性实验报告半导体热电特性实验报告一、实验目的1.掌握半导体热电特性的基本原理和实验方法；2.分析不同类型半导体的热电性能差异；3.通过实验数据比较理论模型，提高对半导体热电特性的理解。

二、实验原理热电效应是指热能与电能之间的相互转换。

在半导体中，热电效应主要表现为Seebeck效应和Peltier效应。

1.Seebeck效应：在存在温度梯度的半导体两端之间会产生电动势，这种现象称为Seebeck效应。

电动势的大小与温度梯度和半导体的类型有关。

2.Peltier效应：当电流通过存在温度梯度的半导体时，热量会从低温端转移到高温端，这种现象称为Peltier效应。

热量转移量与电流和半导体的类型有关。

三、实验步骤1.准备实验器材：半导体材料（如硅、锗等）、加热器、温度传感器、电源、电阻等；2.搭建实验电路：将半导体材料连接成电桥电路，一端加热，另一端测量温度；3.加热与测量：开启加热器，将加热器的温度设为预定值，等待一段时间使半导体两端达到稳定温度；4.测量电动势：记录加热器两端的电动势；5.改变加热器温度，重复步骤3和4；6.数据处理与分析：根据实验数据计算半导体的热电系数、热电优值等。

四、实验结果与分析1.实验数据记录：2.数据处理：根据实验数据计算热电系数与热电优值。

热电系数是电动势与温度差的比值，表示单位温度差所产生的电动势。

热电优值是热电系数的平方与电阻的乘积，表示单位电阻所产生的热流量。

3.结果分析：比较不同类型半导体的热电系数和热电优值，可以发现不同类型半导体的热电性能存在差异。

例如，硅的热电系数为负值，而锗的热电系数为正值。

这说明在相同条件下，锗能将更多的热能转化为电能，而硅则能将更多的电能转化为热能。

此外，对于同一种半导体，随着温度的升高，热电系数和热电优值都会减小。

这可能是因为随着温度的升高，晶格振动加剧，导致载流子迁移率降低和电阻增加。

五、结论通过本次实验，我们深入了解了半导体热电特性的基本原理和实验方法。

半导体制冷器给我们带来散热新概念，使CPU的温度进一步得到控制。

随着夏日的来临，环境气温的升高，超频爱好者都想进一步改善CPU的散热条件，半导体制冷器在通电的情况下，两端极板会产生一定的温差，人们正是利用它的冷凝面为CPU提供一个低温环境。

半导体制冷器的用途很多，可用于制作便携冷藏/保温箱、冷热饮水机等。

也用于电子器件的散热。

目前制冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋，加入不纯物经过特殊处理而成 N 型或 P 型半导体温差组件。

以市面常见的TEC1-12605为例，其额定电压为：12v，额定电流为5A，最大温差可达60摄氏度，外型尺寸为4 X 4 X 0.4 Cm，重约25克。

它的工作特点是一面制冷而一面发热。

接通直流电源后，电子由负极(-)出发，首先经过 P 型半导体，在此吸收热量，到了 N 型半导体，又将热量放出，每经过一个NP 模块，就有热量由一边被送到另外一边，造成温差，从而形成冷热端。

安装使用参考制冷片的安装及使用很简单。

在安装前，最好准备一点导热硅脂，然后，找一节干电池，接在制冷器两根引线上，就可感到一端明显发凉而另一端发热，记住引线的极性并确定好制冷器的冷、热端。

正式安装时，在制冷器两端均匀涂上导热硅脂，在CPU与散热器之间插入制冷片，请注意先试好的冷热面方向，冷面贴着CPU，热面与强力的(功率越高越好)散热片接触。

然后想法固定好三者。

要注意风扇的卡子不能太短，否则会很难固定。

固定好后，就可以给制冷片和风扇接上电源了(一定要注意极性)，如果你机箱电源功率小于230W，我劝你别接到机箱电源上，否则有可能因电源功率不足，造成计算机无法正常工作。

推荐使用外接的 12V左右的电压，在此电压下制冷片的制冷量和冷热面温差都比较合适。

注意事项１、注意热端的散热。

半导体制冷的热面温度不应超过60℃，否则就有损坏的可能。

若在额定的工作电压（12V）下，一般的散热风扇根本无法为制冷片提供足够的散热能力，容易造成制冷片过热损坏。

晶体管(或半导体)的热阻与温度、功耗之间的关系为：Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja下图是等效热路图：公式中，Ta表示环境温度，Tj表示晶体管的结温， P表示功耗，Rjc表示结壳间的热阻，Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻，Rsa表示散热器与环境间的热阻。

Rja表示结与环境间的热阻。

当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta，晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。

此时Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式Ta=Tc=Tj-P*Rjc。

厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等参数。

一般Pcm是指在Tc=25℃或Ta=25℃时的最大允许功耗。

当使用温度大于25℃时，会有一个降额指标。

以ON公司的为例三级管2N5551举个实例：2N5551规格书中给出壳温Tc=25℃时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。

代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj 为150度。

一般芯片最大允许结温是确定的。

所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为：Tc=150-P*83.3。

比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。

注意，此管子Tc =25℃时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25℃,功率就要降额使用。

规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。

我们可以用公式来验证这个结论。

假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。

则此时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25)。

把此时的条件代入公式Tc=Tj- P*Rjc得出：Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))*83.3，公式成立。

一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Tj。

公式变为：Tj=Tc+P*Rjc同样以2N5551为例。

半导体制冷知识/半导体致冷器,也叫热电致冷器，或温差电制冷器件。

它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无致冷剂污染的场合。

半导体致冷器的工作运转是用直流电流，它既可致冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一致冷器上实现致冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，以下的图就是一个单片的致冷器，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连结组成.半导体致冷器的工作原理是：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，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。

吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定，以下三点是热电致冷的温差电效应。

1、塞贝克效应（SEEBECK EFFECT）一八二二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2、珀尔帖效应（PELTIER EFFECT）一八三四年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的效应，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。

Qл=л.Iл=aTc式中：Qπ为放热或吸热功率 I为工作电流 a为温差电动势 Tc为冷接点温度3、汤姆逊效应（THOMSON EFFECT）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：Qτ=τ.I.△TQτ为放热或吸热功率τ为汤姆逊系数 I为工作电流△T为温度梯度以上的理论直到本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的致冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差致冷中半导体材料的一种主要成份。