半導體製冷簡介
一、半導體致冷原理
半導體致冷又稱為溫差電致冷或熱電致冷。具有熱電能量轉換特性的材料，在通過直流電時有致冷功能，因此而得名熱電致冷。
總的熱電效應由同時發生的五種不同的效應組成，它們是：賽貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應和富里葉效應。
1.賽貝克效應
在兩種不同導體構成的迴路中，如果兩個接頭出的溫度不同，迴路中有電動勢存在，這種電動勢就稱為賽貝克電動勢或溫差電動勢（圖一）。
圖一賽貝克效應示意圖
圖中△u是溫差電動勢，它的大小與兩結點間的溫差成正比，比例常數為賽貝克係數（也稱為溫差電動勢率），其值為
αab = △u/△t
式中△t為兩結點間的溫差
每種材料都有固定的賽貝克係數，若用αa和αb表示這兩種材料的賽貝克係數，那麼由這兩種材料所製成的熱電偶的賽貝克係數為：
αab =|αa－αb|
2.珀爾帖效應：
當直流電流通過由不同導體連線形成的迴路時，在結點會產生吸熱或放熱的現象，這種現象被稱為珀爾帖效應。
因為半導體的珀爾帖效應比金屬更為強烈，所以用半導體製作的元件可以達到較好的致冷效果（圖二）。
圖二半導體致冷示意圖
n型元件的載流子是電子，p型元件的載流子是空穴。當溫差電偶的n型元件接入直流電正極，p型元件接入負極時，n型元件中的電子在電場作用下向下移動，在下端與電源的正電荷聚合，聚合時放熱， 同樣p型元件中的空穴在電場作用下向下移動，在下端與電源的負電荷聚合，聚合時放熱；同時，電子與空穴在上端分離，分離時吸收熱量。當改變電流的方向時，吸熱端會變為放熱端，放熱端會變為吸熱端。
3.湯姆遜效應：
當電流通過有溫度梯度的導體時，則在導體和周圍環境之間進行能量交換（圖三）。這種效應只涉及一種材料。
圖三湯姆遜效應示意圖
4.焦耳效應：
單位時間內電流通過導體的產生的熱量等於導體的電阻和電流的平方的乘積。 q=r×i2
5.富里葉效應：
單位時間內經過均勻介質沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。
q=s×△t
二、半導體致冷元件的結構和效能
1.半導體致冷元件的結構
我們知道半導體按導電型別分n型材料和p型材料，將n型元件和p型元件大規模串聯成迴路，使每個元件相連線的都是不同導電型別的元件，這樣就形成了半導體致冷元件（圖四）。
圖四半導體致冷元件示意圖
從上圖可以看出，致冷元件的上下面是陶瓷片，它的主要成分是95％氧化鋁。它起電絕緣、導熱和支撐作用。在它的表面燒結有金屬化圖形。
與陶瓷片連線的是導流片，它的成分是無氧銅。它起導電和導熱作用。通過錫焊接在陶瓷片的金屬化圖形上。
上下導流片之間是半導體致冷元件，它的主要成分是碲化鉍。它是致冷元件的主功能部件，分n型元件和p型元件，通過錫焊接在導流片上。
2.致冷材料的電引數
致冷材料的主要電引數是：
α（溫差電動勢率）；一般在200v/℃左右
σ（電導率）；一般在1000μωcm－1左右
k（熱導率）；一般在17w/m·k左右
其綜合引數優值係數z＝α2×σ/k
影響致冷材料優值的是：
材料的純度；
材料配比的合理性；
工藝的有效控制。
3.半導體致冷元件最高使用電壓和最大溫差電流
常溫下每對半導體致冷元件最高所允許施加的是0.12v。每種致冷元件最高所允許施加的電壓是：
元件對數×0.12。每片致冷元件的最大溫差電流可以粗略的計算為：
元件對數×0.12×0.77/r。
有人也許要問為什麼我們所用的電壓和電流要比計算的低呢？這要從半導體致冷的特性曲線（圖五）看，以tec1-12705為例
圖五半導體致冷特性曲線
圖中縱座標是產冷功率，橫座標是工作電流，th是熱麵溫度。
從圖中看出：半導體致冷元件的工作電流和產冷功率的關係呈拋物線形狀。電流達到最大溫差電流時和略低的電流時（比如電流從5a降到4a）的產冷功率相差不大，但是輸入的電功率相差卻很大
三．半導體致冷元件的工藝過程
1.主要工藝流程
稱量熔煉拉晶切片測量噴塗電鍍切粒分選
鍍片上導流片點錫擺模合模研磨焊線檢測
其中：拉晶和合模是關鍵工序、噴塗電鍍是特殊工序
2.主要工藝簡介
（1）稱量：投入材料碲、鉍、銻、硒等半導體材料，按照工藝配比將以上材料裝入玻璃管中。
（2）熔煉：原材料裝入玻璃管中抽真空後在600℃的搖擺爐中熔煉，半導體材料在搖擺爐中熔化反應，同時爐體擺動，使材料混合反應充分，材料取出自然冷卻後形成一碲化鉍為主的多晶體。
（3）拉晶：熔煉後的晶體的排序是雜亂無章的，使用區域性熔化的工藝使晶體按照豎直的方向排列，晶體的優值達到最佳狀態。
拉晶是關鍵工序，影響晶體引數的主要因素是溫度和速度：
在速度的控制上採用變頻調速，其速度非常穩定；
對爐溫的控制採用pid智慧型控溫表控制，在800℃的高溫仍能控制在±2℃.
（4）測量：經過拉晶後的晶體（晶棒）由於工藝特點，晶棒的兩端引數較低，須經測量切去引數不符合要求的部分。
引數要求為：溫差電動勢率在190～230範圍內； 電導率在900～1150範圍內。
（5）噴塗電鍍：半導體元件需要焊接成串聯電路才能產生大的冷量，而半導體材料是不容易焊錫的。在致冷材料表面噴塗鎳再電鍍鎳錫，噴塗的鎳層與半導體致冷材料結合力很強，電鍍的鎳錫層與噴塗的結合力也很強，電鍍的鎳錫層有極易焊錫，這樣保證了焊接的可靠性；噴塗電鍍是特殊工序，噴塗的首片厚度和拉力的測量。
（6）切粒：把電鍍後的晶元切割成設計的長方體，允許偏差±0.03mm。
（7）分選：將不符合規定要求的元件挑出。
（8）鍍片：在電子陶瓷的金屬化圖形上熱浸鍍錫。
（9）上導流片：將導流片焊接在陶瓷板的金屬化圖形上。
（10）點錫：在導流片上均勻圖上錫。
（11）擺模：將元件裝入模具中，使每個n型元件四周是p型元件，同時每個p型元件都是n型元件
（12）合模：合模是致冷元件生產的關鍵工序，其目的是使致冷元件焊接成串聯電路。
工藝過程：將點好錫的瓷板蓋在裝有致冷元件的模具上，瓷板上導流片與元件對齊，放在專用的直公升焊機中，待直公升焊機的加熱板公升溫至300~ 320℃ ，轉動直公升焊機的手輪，使元件、瓷板上公升與加熱板貼緊，這時瓷板上的焊料開始熔化，元件焊接在瓷板上，用降溫錘給加熱板降溫，冷卻後，取下元件和瓷板。
工藝控制的關鍵點：溫度控制：
採用智慧型溫控表pid控制，使溫度控制在設定值的± 5℃ 內。
工藝的質量標準:阻值的離散率± 5％以內。
（13）研磨：致冷元件與陶瓷板焊接在一起後形成半導體致冷元件，元件經過研磨使其平整度達到要求。
（14）焊線：在元件的兩端焊接引線。
（15）檢測：使用電腦測試儀測量元件的溫差，使用lcr電橋測量元件的阻值。
溫差在67℃以上，阻值在規定值的± 5％以內。
四、產品質量的保證和控制
1、**商的選擇：
先確定**商的範圍，統計能夠提供所需產品的廠家，從其中挑選信譽好的、質量穩定的廠家作為候選**商，要求**商提供樣品進行檢測、試驗，經檢驗、試驗合格的，提供小批量試投入生產（能夠生產5000至10000片致冷元件的材料），小批量生產合格後，進行批量生產（10萬片至20萬片），經批量生產無質量問題，該公司可列入《合格**商名單》（關鍵的材料須進行現場質量體系審核）。
2、**商的複評：
每年對**商進行複評，複評內容為一年內**商提供產品的質量情況、年產量、供貨是否及時，**商的質量保證體系情況，必要時進行現場審核。
3、材料的採購：
材料須從《合格**商名單》的公司採購，75%的材料從年產量大，***、穩定，供貨及時，**合理的**商採購，其餘25%的材料從質量穩定，供貨及時的**商採購。
4、進貨產品的檢驗：
檢驗部根據不同的進貨產品依據公司的檢驗檔案進行檢驗和試驗，檢驗合格後檢驗員在《檢驗報告》上填寫檢驗資料並註明合格，庫管員檢定《檢驗報告》的合格標記辦理入庫手續。如果檢驗不合格，檢驗員在《檢驗報告》上填寫檢驗資料並註明不合格，庫管員將相應的採購品隔離，並用醒目的紅色註明不合格。不合格品進行退貨或換貨處理。
影響成本的因素
影響成本的因素主要有以下四個方面：
材料的純度：半導體致冷元件使用的半導體材料都應是99.99％以上，不同純度的材料**相差很多，材料純度不足會影響致冷元件的溫差、產冷量等電引數；
工藝的選用：我公司採用噴塗技術，此技術提高元件的可靠性，但是每片元件增加0.6～0.7元人民幣的成本；
晶棒的出材率：前文說到由於工藝本身的特點晶棒的兩端引數偏低，按照我公司的引數指標溫差電動勢率在190～230範圍內；電導率在900～1150範圍內。其餘超出範圍的部分必須切除，切除部分約佔總重量的15～20％，如果上述兩個引數指標定的過寬，晶棒的使用率就會提高，成本降低，但是所生產的致冷元件的溫差、產冷量、阻值的離散率會受到影響。
元件尺寸：我公司生產的元件的截面積是傳統的標準尺寸，有些公司生產的元件截面積小，高度短，這樣焊接面積相應的減小，造成可靠性降低，溫差、產冷量等電引數也會降低。
半導體製冷片作為特種冷源，在技術應用上具有以下的優點和特點：
1、 不需要任何製冷劑，可連續工作，沒有汙染源沒有旋轉部件，不會產生迴轉效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。
2、 半導體製冷片具有兩種功能，既能製冷，又能加熱，製冷效率一般不高，但製熱效率很高，永遠大於1。因此使用乙個片件就可以代替分立的加熱系統和製冷系統。
3、 半導體製冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現遙控、程式控制、計算機控制，便於組成自動控制系統。
4、 半導體製冷片熱慣性非常小，製冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，製冷片就能達到最大溫差。
5、 半導體製冷片的反向使用就是溫差發電，半導體製冷片一般適用於中低溫區發電。
6、 半導體製冷片的單個製冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同型別的電堆串、併聯的方法組合成製冷系統的話，功率就可以做的很大，因此製冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的範圍。
7、 半導體製冷片的溫差範圍，從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現。
通過以上分析，半導體溫差電片件應用範圍有：製冷、加熱、發電；特別在製冷和加熱應用方面比較普遍，有以下幾個方面：
1、 軍事方面：飛彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導行系統。
ZY37804A1半導體製冷技術實訓考核臺
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