半导体制冷实验

实验题目：

半导体制冷实验

实验目的：

1.掌握半导体制冷的基本原理。

2.实验设计半导体制冷系统。

3.计算制冷系数

4.观察半导体制冷结露现象。

实验器材：

    蓄电池12V，绝缘陶瓷片两块，铜导体（薄铜片），N型和P型半导体若干，导线若干，灵敏温度计，控制开关，透明胶带。

实验原理：

1.帕尔帖效应

当电流通过同一导体时，放出的焦耳热量与电流强度的平方成正比，而与电流流动的方向无关。是一个可逆过程，但在一定条件下，电流通过两种不同材料的金属接触面时，热量的吸收和放出是一个不可逆过程，即当电流沿某一方向流动时，若接触点放出热量，则当电流沿反方向流动时，应吸收热量，这一效应称为帕尔帖效应。

2.半导体制冷原理

 半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，它是利用热电效应的一种制冷方法。半导体

制冷原理如图1所示。

              图1   

             图2

    N型材料有多余的电子，有负温差电势，P型材料电子不足，有正温差电势。当电子从P型穿过结点到N型时，其能量必然增加，相反当电子从N型流至P型时，结点温度会升高。把一只N型半导体元件和一只P型半导体元件联结成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。上面的一个接头处，电流方向从N到P，温度下降并吸热，是冷端；而下面的一个接头处，电流方向从P到N，温度上升并放热，是热端。在电流作用下，由于帕尔帖效应，热量由Tc转向Th，使Tc温度降低，成为冷端，Th温度升高，成为热端。借助散热器等各种传热手段，使热端的热量不断散发，将冷端置于工作室中去吸热降温而形成制冷。

目前采用半导体材料锑化铋做成N型和P型热电偶，用模块的方法组成半导体制冷器件。如图2所示，接上电流后，这个热电堆的上面是冷端，下面是热端，借助热交换器等传热手段，使热电堆的热端不断散热并保持一定的温度，把热电堆的冷端放到工作环境中去吸热降温，这就是半导体制冷的工作原理。

实验步骤：

1.制作半导体制冷片。按图1所示，首先将一个铜导体（薄铜片）和一个N型与一个P型半导体用透明胶带固结成n型；

2.用同样的方法将其余的半导体和铜导体（薄铜片）均固结成n型；

3.如图2所示，将所有连接好的n型部件在另一端间隔着用铜导体（薄铜片）连接起来，形成串联形式；

4.将步骤3中串联好的半导体的两端用透明胶带分别固定好绝缘陶瓷片。

图3

5.如图3所示，连接电路。

6.闭合开关，10分钟后，分别测试冷端温度Tc和热端温度Th，之后每隔5分钟分别测一组数据，共测5组数据并如实记录。

7.观察冷端是否出现结露现象，并如实记录。

8.断开开关，30分钟后方可拆卸实验装置。

实验数据：

1.实验过程中冷端温度和热端温度

2.实验过程中是否观察到冷端有结露现象？

实验数据处理：

实验总结：

1.该半导体制冷装置的制冷系数为

2.实验过程中观察到冷端有结露现象。

注意事项：

1.为使闭合开关10分钟后才开始测量冷端和热端温度。

2.温度每隔5分钟测量一次。

3.由于相关资料表明最高温差可达到60℃，所以不可将手直接接触冷端绝缘陶瓷，以免冻伤。

4.为避免热端烫伤和冷端冻伤，需要等热端和冷端的温度恢复到室温后方可拆卸实验器材。

                                  图4

《物理演示实验》结课论文

半导体制冷设计与应用

学生姓名：

学 号：

专业班级：

20xx年5月29日

半导体制冷设计与应用

摘要：介绍了半导体制冷技术的原理及其在工程上的应用，分析了该技术的优势和发展前景，并指出了半导体制冷技术存在的问题。

关键字：半导体；制冷；原理；应用；优势；问题

引言：

半导体制冷作为一种新兴发展起来的制冷技术，是一种具有良好前景的制冷方式。半导体制冷器件是一种利用珀尔帖效应，在冷端吸收热量，产生制冷效果，同时在热端排出大量热量的高热流密度器件。与传统制冷技术相比，半导体制冷器具有结构简单、无任何机械运动部件、无噪声、无磨损、可靠性高、寿命长、维修方便、体积小、重量轻、启动快、控制灵活、操作具有可逆性等独特优点，符合绿色环保要求，因此，对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义。但由于其效率比较低，再加上加工制造工艺比较复杂，在很大程度上限制了半导体制冷的推广和应用。本文系统地介绍了半导体制冷技术的基本原理，结合半导体制冷技术的优势，介绍了半导体制冷技术的工程应用，并分析指出了半导体制冷技术存在的问题和发展趋势。

1半导体制冷原理

半导体制冷是利用半导体材料组成P―N结，通过两端施加的直流电进行制冷，将电能直接转化为热能的技术。半导体制冷工作原理如图1所示，把一只P型半导体元件和一只N型半导体元件连接成热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量转移。在上端处，电流方向是N→P，温度下降并吸热，这就是冷端；而在下端处，电流方向是P→N，温度上升并放热，这就是热端。

图1半导体制冷工作原理图

2半导体制冷优势

半导体制冷器结构简单，尺寸小，整个制冷器由热电堆和导线组成，无任何机械运

动部件，噪音低，无磨损，寿命长；具有高度的可靠性和良好的可维修性；不用制冷剂，对环境没有污染，绿色环保；冷却速度和制冷温度可以通过改变工作电流和工作电压的大小任意调节，启动快，控制灵活，控制精度高；热电堆可以做成各种形状，在任何方向下，甚至在失重和超重状态下都可工作；操作具有可逆性，既可制冷，又可供热，而这只需改变电流的方向；制冷量可在mW级到kW级变化，制冷温差可达20℃至150℃范围。

3半导体制冷的应用

3.1半导体制冷在物理实验中的应用。

3.11半导体制冷型恒温量热器。在热学实验中，温度的控制和测量是一项必不可少的实验环节，但是这个实验环节又是难以控制的，以前教学中使用的量热器(或保温杯)由于保温性能差、重复性不好等缺点，造成实验效果不好。而半导体制冷不仅不需要任何制冷剂，没有污染源和机械振动，易于温度控制，而且使用1个器件就可以代替分立的加热和制冷系统，优势是其他任何制冷方式无法比拟的，借助这一优势，可以制成恒温量热器。

3.12半导体热电特性实验。半导体材料的热电特性在泊尔帖效应上表现得非常显著，而其电压-温度特性常被用来制作温度传感器。借助于半导体材料的这些特点，设计一些热电特性综合实验，不仅使学生对半导体材料的热电特性有全面了解，而且在实验中半导体既可以作为被测材料，又可提供实验条件，同时也可与计算机结合，实时采集温度数据。实验不但内容丰富，而且启发学生思维，是一类很好的综合性和设计性实验项目。

3.2半导体制冷在化工上的应用。

3.21用于某些工艺过程制冷。目前化工上的低温获取方法大多是压缩机制冷，这种制冷方法具有噪声大、震动大、质量和尺寸大、安装检修不方便、易成环境污染等缺点。如果采用半导体制冷技术，这些问题都能解决，而且最新的半导体制冷技术的制冷效率甚至高于压缩机制冷，因此还有利于节能。其次，使用半导体技术还有利于温度的精确控制。

3.22用于蒸发过程。用于蒸发过程，回收蒸发时产生的二次蒸汽的潜热。加热蒸汽由从加热室出来的冷凝水在半导体制冷片的热端被加热气化产生，二次蒸汽则与半导体制冷片的冷端接触而冷凝，此过程尤其适合于以回收溶剂为目的的蒸发过程，将能在一定程度上降低能耗，减小设备体积。

3.23用于精馏过程。将再沸器与冷凝器的进行集成，塔顶蒸汽与塔底液体通过半导体制冷片隔开，塔顶蒸汽与半导体制冷片的冷端接触，在此被冷凝为液体；塔底液体与半导体制冷片的热端接触，在此部分气化。此过程如果实现，不仅能够减小设备的体积和投入，而且还能够降低精馏过程的能耗。

3.3半导体制冷在其他领域的应用。

半导体制冷也在医疗卫生、军事等很多方面得到了广泛的应用。比如在医疗卫生上，它可以对高烧病人进行局部或全身快速降温，外科手术中实施冷冻麻醉等。在军事

上，它可应用于导弹、雷达装置中的红外探测器的冷却等。在我们的日常生活中，半导体制冷可用于冰箱、空调，也可以给的电脑CPU散热。在电子设备的散热方面，半导体制冷也有着广泛的应用，对温度反映敏感、使用条件严格的电子元器件，可以用半导体制冷使它们维持低温或恒温的工作条件，例如：对大规模集成电路、光敏器件、功率器件、高频晶体管等电子元器件以及热摄像仪、电视摄像管和电视摄像仪的冷却。在高精尖科技领域内，常对各种电子元器件的温度性能要求很高，为了定标测量标准电子元器件的温度性能，国产超级恒温槽采用半导体制冷，温度控制精度可在0．00 5℃左右。现在高效的半导体制冷器在温差50℃时，制冷系数大于3，制冷效率还能高于压缩机制冷。

4半导体制冷技术存在的问题

由于半导体制冷材料性能的限制，半导体制冷目前还不能与机械式制冷相抗衡，在工程应用方面还存在以下问题需要解决。

4.1价格昂贵。半导体元件价格很高，在大容量情况下，半导体制冷的效率不及蒸汽压缩式制冷且价格昂贵，需要寻求性价比更好的制冷材料。

4.2温度控制与调节电路开发少。半导体制冷在工程应用时，需要对制冷温度进行控制和调节，在满足控制精度和功耗的前提下又要有最低的成本是对控制系统的基本要求，单片机及电路选择成为智能控制电路所要考虑的重点问题。

4.3制冷效率低。由于单个半导体制冷量小，为获得更低的制冷温度可采用多级热电制冷，前一级的冷端是后一级的热端散热器。由于热电制冷的每级电堆散热量远大于制冷量，所以高温级的热电偶数目要比低温级大得多。此外，随着温度的降低，元件的温差电性能变差，总的温差并不随级数的增多成比例提高。

5结束语

随着科技的发展，半导体制冷技术已经在诸多领域得到应用，在这浩瀚的研究成果中，着重通过对半导体制冷材料优值系数的提高和半导体制冷的优化两方面综述国内外相关文献所取得的成就．得出的结论如下

5.1半导体制冷技术的理论研究基本成熟，优值系数较低，表明其在理论上有很大的发展空间，进一步研究和开发新材料，不断提高其优值系数将有广阔的发展空间。

5.2在生产技术和工艺方面要多做实验，有机地结合计算机辅助设计对降低实验成本、加速理论的完善和提高半导体的性能有很大的帮助。

5.3在应用方面应在不同的领域采用不同的研究方法。因为半导体制冷的运作过程受多因素的影响，最好采用系统分析和综合分析的方法，在适用性下进行应用性研究，让技术成为生产力。只有半导体制冷材料的不断发展才能使得其理论得到应用，半导体与现代制造技术相结合将会使其应用范围越来越广。可以深信，半导体制冷在未来将得到很好的发展和更广泛的应用。

参考文献：

[1]徐德胜．半导体制冷与应用技术[M]．上海：上海交通大学出版社，1991．

[2]陈振林，孙中泉．半导体制冷器原理与应用[J]．微电子技术，1999，27(5)：63―65．

[3]王凯，揭其良，荣军．小型半导体制冷器工作特性的实验研究[J]．材料与冶金学报，2003，2(1)：77―80．

[4]齐臣杰，卞之．半导体制冷器优化设计工作状态的实验研究[J]．低温工程，2007，155(1)：43―46．

[5]宜向春，王维扬．半导体制冷材料的发展[J]．制冷技术・2001(2)237-41．

[6]李茂德，卢希红．热电制冷过程中散热强度对制冷参数的影响分析[J]．同济大学学报．2002．30(7)：811-813．

[7]殷亮，李茂德，何文莉．半导体制冷系统非稳态温度工况的模型及实验分析[J]．能源技术．2004，25(1)：223―225．

半导体制冷实验实验目的1了解帕尔帖效应和半导体制冷原理2学习半导体制冷特性和应用计算半导体制冷系统最大制冷系数3演示验证帕尔帖效应实验仪器THQBZ1型半导体制冷实验仪实验原理1帕尔帖效应当电流通过同一导体时放...

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...

半导体物理实验报告实验一半导体的霍尔效应实验目的1、了解霍尔效应实验原理以及有关霍尔器件对材料要求的知识。2、学习用对称测量法消除副效应的影响，测量试样的VH-IS和VH-IM曲线。3、确定试样的导电类型、载流…

半导体制冷演示效果实验实验名称二级半导体制冷效果演示实验设备DC12V电源两片tec112706制冷片导冷模块散热片温度计5V风扇导线若干螺钉若干注tec112706带字面为冷面接线和注意事项图解散热片涂少许导...

半导体激光器实验报告课程光电子实验学号姓名专业信息工程南京大学工程管理学院半导体激光器一实验目的1通过实验熟悉半导体激光器的光学特性2掌握半导体激光器耦合准直等光路的调节3根据半导体激光器的光学特性考察其在光电...

成都信息工程学院物理实验报告姓名：##专业：班级：学号：实验日期：20##-9-15下午实验教室：5102-1指导教师：【实验名称】PN结物理特性综合实验【实验目的】1.在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明…

电路综合实验题目HX1082七管半导体收音机20xx1210目录一设计题目3二课程设计目的3三电路原理简介31四元件列表及HX1082型收音机装配图6五性能指标7六安装步骤91清点材料92二极管电容电阻的区分认...

实验6半导体谱仪实验目的1了解谱仪的工作原理及其特性2掌握应用谱仪测量粒子能谱的方法3测定Am核素的衰变的相对强度241内容1调整谱仪参量测量不同偏压下的粒子能量并确定探测器的工作偏压2测定谱仪的能量分辨率并进...

实验报告课程名称：_______________________________指导老师：________________成绩：__________________实验名称：__________________…

微电子学院半导体工艺检测实验实验报告实验名称作者姓名作者学号同作者实验日期实验报告应包含以下相关内容实验名称一实验目的二实验原理三实验内容四实验方法五实验器材及注意事项六实验数据与结果七数据分析八回答问题实验报...

成都信息工程学院物理实验报告姓名：##专业：班级：学号：实验日期：20##-9-15下午实验教室：5102-1指导教师：【实验名称】PN结物理特性综合实验【实验目的】1.在室温时，测量PN结电流与电压关系，证明…

实验13半导体PN结的物理特性实验目的1测量室温条件下半导体PN结电流与电压关系2通过不同温度条件下的PN结电流和电压的关系计算波尔兹曼常数3测定PN结温度传感器的灵敏度4计算0K温度时半导体材料的近似禁带宽度...

半导体制冷实验报告（15篇）