關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷片，TIM熱界面材料，熱導(dǎo)率，導(dǎo)熱填料，國產(chǎn)高端材料

引言：半導(dǎo)體制冷器(Thermo Electric Cooler)是利用半導(dǎo)體材料的珀爾帖效應(yīng)制成的。所謂珀爾帖效應(yīng)，是指當(dāng)直流電流通過兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時，其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。重?fù)诫s的N型和P型的碲化鉍主要用作TEC的半導(dǎo)體材料，碲化鉍元件采用電串聯(lián)，并且是并行發(fā)熱。TEC包括一些P型和N型對（組），它們通過電極連在一起，并且夾在兩個陶瓷電極之間；當(dāng)有電流從TEC流過時，電流產(chǎn)生的熱量會從TEC的一側(cè)傳到另一側(cè)，在TEC上產(chǎn)生″熱″側(cè)和″冷″側(cè)，這就是TEC的加熱與制冷原理。

是制冷還是加熱，以及制冷、加熱的速率，由通過它的電流方向和大小來決定。一對電偶產(chǎn)生的熱電效應(yīng)很小，故在實際中都將上百對熱電偶串聯(lián)在一起，所有的冷端集中在一邊，熱端集中在另一邊，這樣生產(chǎn)出用于實際的制冷器。如果在應(yīng)用中需要的制冷或加熱量較大，可以使用多級半導(dǎo)體制冷器，對于常年運(yùn)行的設(shè)備，增大制冷元件的對數(shù)，盡管增加了一些初成本，但可以獲得較高的制冷系數(shù)。

01TEC技術(shù)

自 1834 年發(fā)現(xiàn)珀爾帖效應(yīng)以來，固態(tài)熱泵就一直存在。幾十年前，隨著先進(jìn)半導(dǎo)體熱電偶材料以及陶瓷基板組合技術(shù)的發(fā)展，這種固態(tài)熱泵開始商業(yè)化。熱電冷卻器是一種固態(tài)熱泵，需要熱交換器通過珀爾帖效應(yīng)散熱。在運(yùn)行期間，直流電流經(jīng)過熱電冷卻器以在陶瓷基板上產(chǎn)生熱傳輸和溫差，導(dǎo)致熱電冷卻器的一側(cè)變冷，而另一側(cè)變熱。標(biāo)準(zhǔn)的單級熱電冷卻器可實現(xiàn)高達(dá) 70°C 的溫差。

標(biāo)準(zhǔn)熱電冷卻器的幾何尺寸從 2 x 2 毫米到 62 x 62 毫米不等。由于具有較小尺寸與較輕的重量，使熱電元件成為幾何空間和重量要求受限應(yīng)用的理想選擇。與熱電技術(shù)相比，傳統(tǒng)的基于壓縮機(jī)系統(tǒng)等冷卻技術(shù)通常體積和重量更大。熱電冷卻器還可以用作發(fā)電機(jī)，將廢熱轉(zhuǎn)換為可用的輸出直流電。對于需要在環(huán)境溫度以下進(jìn)行主動冷卻，且冷卻能力要求小于600瓦的應(yīng)用，熱電設(shè)備是理想的選擇。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)包括精確溫度控制、高可靠性、緊湊幾何尺寸、較輕重量和環(huán)保要求等因素時，設(shè)計工程師應(yīng)該考慮熱電冷卻器。

02 TEC產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)

制冷片的作用：就是把制冷對象的熱量帶到熱面。

TEC溫控器的作用：確保制冷對象的溫度工作在目標(biāo)溫度上下：

當(dāng)目標(biāo)對象的溫度高于目標(biāo)溫度是，給制冷片通電，讓制冷片把目標(biāo)對象的溫度帶走；

當(dāng)目標(biāo)對象的溫度低于某個溫度時，停止供電或反向供電，提高目標(biāo)對象的溫度。

散熱裝置：確保制冷片自身不會因為熱面的溫度過高而損壞。

傳感器：獲取目標(biāo)對象的溫度。

03TEC工作原理

半導(dǎo)體制冷片是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置，于1960年左右才出現(xiàn)。半導(dǎo)體制冷片，也叫熱電制冷片，是一種熱泵。它利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點是無運(yùn)動部件，可靠性也比較高。

電偶，是指由兩個電量相等，距離很近的正負(fù)電荷所組成的一個總體。正電荷稱為電偶的電源，負(fù)電荷稱為電偶的電穴。熱電偶 thermocouple：熱電偶是根據(jù)熱電效應(yīng)測量溫度的傳感器，是溫度測量儀表中常用的測溫元件. 熱電偶是兩個不同的金屬原件焊接在一起，電流通過時會有壓差，用壓差來顯示溫度。即利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度I［A］成正比，且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān)，即：

πab稱做導(dǎo)體A和B之間的相對帕爾帖系數(shù) ，單位為［V］， πab為正值時，表示吸熱，反之為放熱，由于吸放熱是可逆的，所以πab=－πab。金屬材料的帕爾帖效應(yīng)比較微弱，而半導(dǎo)體材料則要強(qiáng)得多，因而得到實際應(yīng)用的溫差電制冷器件都是由半導(dǎo)體材料制成的。

1.N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體。

因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。

2.P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。

因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

3.PN結(jié)

在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì)，分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程：

因濃度差

↓

多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

↓

空間電荷區(qū)形成形成內(nèi)電場

↓ ↓

內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。

PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況如圖所示。

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對多子擴(kuò)散運(yùn)動的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。而實際上電子在通過電場后勢能產(chǎn)生變化，能量轉(zhuǎn)換為各種形勢的表現(xiàn)，而熱量的吸收與散發(fā)都是其表現(xiàn)的一個方面。而半導(dǎo)體制冷片的工作原理實際上就是通過定向電流將熱能定向搬運(yùn)的過程。

04TEC的優(yōu)勢

TEC 熱電致冷器11個優(yōu)點：不需使用任何冷卻劑，既能致冷，又能加熱，主動冷卻,適合局部冷卻(spot cooling),具發(fā)電能力(溫差發(fā)電)等優(yōu)點

TEC

1.不需使用任何冷卻劑，可連續(xù)工作，無污染、無動件、無噪音，壽命長，安裝容易，且體積小重量輕，維護(hù)容易。2.具有兩種功能，既能致冷，又能加熱(效率高)，透過改變電流方向達(dá)冷卻或加熱兩種不同目的，并可做為多級的應(yīng)用方式，可使效率更高。3.其冷卻方式為主動冷卻，而能致冷使溫度低于室溫，一般的散熱片為被動冷卻，溫度需要高于環(huán)境才有散熱功能。若于熱電器件之熱端接上相同的散熱片，因熱電器件為主動冷卻，不斷帶走冷端的熱量，所以冷端可以低于室溫，可做為高發(fā)熱功率之電子器件冷卻之用，對于器件的性能提升有很大的幫助。4.為電流換能型器件，透過輸入電流的控制，可實現(xiàn)高精度的溫度控制，尤其體積小，效率高，非常適合于光通訊器件如AWG、Transceiver等器件、紅外sensor，以及Bio-MEMS器件之精密溫度控制。5.適合局部冷卻(spot cooling)，熱電器件可只對特定之發(fā)熱器件作冷卻，而不必冷卻整個封裝結(jié)構(gòu)，可節(jié)省耗電并增加效率。6.其熱慣性非常小，致冷致熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載情況下，通電不到一分鐘，就能達(dá)到最大溫差。7.具發(fā)電能力(溫差發(fā)電)，若在熱電器件兩面建立溫差，則可產(chǎn)生直流電，適用于中低溫區(qū)發(fā)電，如Seiko 公司的體溫發(fā)電腕表等。8.單串熱電器件作的功率很小，但用同類型的熱電堆組合成熱電堆串，采并聯(lián)方式組合成一個大系統(tǒng)，功率就可以做的很大，由幾毫瓦到上萬瓦的范圍都有可能。9.其溫差范圍，由+90℃到-130℃之間均可達(dá)成。10.冷卻速度快，其速度可透過調(diào)節(jié)工作電壓控制，且工作電流或電壓的精度要求不高。如額定12V 電壓，實際可使用到8~14V。11.不受重力和方向影響，因熱電器件不需循環(huán)流體，故不受重力和方向的影響，適合應(yīng)用在航天工業(yè)上。NASA應(yīng)用此技術(shù)提供幾百瓦的電力于太空探測裝置上。

05TEC產(chǎn)品類型及應(yīng)用

06 TEC產(chǎn)品技術(shù)的難點和挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體制冷的研究涉及傳熱學(xué)原理、熱力學(xué)定律以及帕爾貼效應(yīng)，還要考慮多種因素如材料的優(yōu)值系數(shù)、半導(dǎo)體多級制冷、冷熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計等，同時影響半導(dǎo)體制冷的各種因素都是相輔相成的，不是獨立的。所以半導(dǎo)體制冷的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點，但也面臨諸多難點。
首先，半導(dǎo)體制冷材料性能的優(yōu)劣取決于其半導(dǎo)體制冷優(yōu)值系數(shù)Z。構(gòu)成半導(dǎo)體制冷材料優(yōu)值系數(shù)的三個參數(shù)塞貝克系數(shù)(α)、電導(dǎo)率(σ)和熱導(dǎo)率(K)都是溫度的函數(shù)。與此同時，優(yōu)值系數(shù)又敏感地依賴于材料種類、組分、摻雜水平和結(jié)構(gòu)。能適合半導(dǎo)體制冷的半導(dǎo)體材料不僅要混合地加入少量雜質(zhì)改變它的溫差電動勢率、導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率，而且還應(yīng)該具有半導(dǎo)體本身特性，做到既要保持原來半導(dǎo)體的傳統(tǒng)半導(dǎo)體特性又要使它具有好的溫差電動勢率、導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率存在較大的困難，所以，高優(yōu)值系數(shù)的研究一直是半導(dǎo)體制冷研究的難點問題。
其次，半導(dǎo)體制冷是一個參數(shù)多、工況變化復(fù)雜的過程，幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)、散熱傳熱等對其影響都很大，采用常規(guī)的針對性實驗方法難以滿足多種需要，并且在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的參數(shù)選擇時需要實驗對比不同工況從而選擇最優(yōu)方案。所以如何選擇和設(shè)計研究過程和方案就顯得重要，而整體分析又把問題變得復(fù)雜起來。
再者，根據(jù)傳熱學(xué)原理、熱力學(xué)定律以及帕爾貼效應(yīng)可知，半導(dǎo)體制冷過程中冷、熱端的溫度差對半導(dǎo)體制冷的熱量和冷量的傳遞有極大的影響，兩端換熱性能差，就會大幅度地減小同等功率下的制冷能力，若熱端散熱效果差，往往達(dá)不到設(shè)計要求。因而冷、熱端散熱也是半導(dǎo)體制冷的又一個困難：即如何強(qiáng)化冷、熱端散熱以及對制冷電堆冷、熱端散熱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和改進(jìn)。
總而言之，半導(dǎo)體制冷的難點在于：高優(yōu)值系數(shù)的材料，復(fù)雜的多參數(shù)以及冷熱端散熱的設(shè)計。雖然半導(dǎo)體制冷的研究面臨諸多困難，但是可以欣喜地看到當(dāng)前研究仍然呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。到目前為止，國內(nèi)外的學(xué)者從不同角度去提高半導(dǎo)體的制冷效率，展現(xiàn)出各自的優(yōu)勢和實用性。但是半導(dǎo)體制冷的研究當(dāng)前還存在以下問題。
（1）半導(dǎo)體制冷要想達(dá)到機(jī)械壓縮制冷相當(dāng)?shù)闹评湫?，材料的?yōu)值系數(shù)就必須提高。然而，直到現(xiàn)在，科學(xué)家對半導(dǎo)體制冷材料的研究并未有很大突破。半導(dǎo)體制冷溫差較小和制冷系數(shù)不高是半導(dǎo)體制冷的最大缺點，而材料的優(yōu)值系數(shù)不高導(dǎo)致這些缺點從而是阻礙半導(dǎo)體制冷發(fā)展的最主要因素，因此半導(dǎo)體材料的性能即優(yōu)值系數(shù)Z還有待于進(jìn)一步的提高。
（2）有關(guān)冷、熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計的研究較少。這使得半導(dǎo)體制冷的設(shè)計多半處于理論計算階段，半導(dǎo)體制冷的實際運(yùn)行效果不能得到很好的保證。所以要不斷深入進(jìn)行半導(dǎo)體制冷器模塊設(shè)計和系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究。
（3）相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)與手段的引用較少，材料的優(yōu)值系數(shù)的停滯影響了整個半導(dǎo)體制冷行業(yè)的發(fā)展，所以運(yùn)用包括新理論和新技術(shù)來研究和完善就變得非常重要。半導(dǎo)體制冷也是一個交叉學(xué)科，需要不同方面的知識相互配合，共同進(jìn)步。
（4）隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品器件的尺寸有的越來越大，有的越來越小，有的狀況越來越復(fù)雜，需要考慮多種因素。這樣如何解決大功率半導(dǎo)體多級制冷的優(yōu)化問題、小尺寸器件的局部散熱問題和多因素的半導(dǎo)體熱電能量轉(zhuǎn)換問題就成為今后不斷努力研究的內(nèi)容。