教學(xué)設(shè)備

半導(dǎo)體制冷器件分類
半導(dǎo)體制冷器件大致可以分為四類
（1）用于冷卻某一對象或者對某個特定對象進(jìn)行散熱，這種情況大量出現(xiàn)在電子工業(yè)領(lǐng)域中；
（2）用于恒溫，小到對個別電子器件維持恒溫 ，大到如制造恒溫槽，空調(diào)器等;
(3)制造成套儀器設(shè)備，如環(huán)境實驗箱，小型冰箱，各種熱物性測試儀器等;
(4)民用產(chǎn)品，冷藏烘烤兩用箱，冷暖風(fēng)機(jī)等。

半導(dǎo)體制冷的應(yīng)用
（1）在高技術(shù)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域
   對紅外探測器，激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。比如，德國Micropelt公司的半導(dǎo)體制冷器體積非常小，只有1個平方毫米，可以和激光器一起使用TO封裝。
（2）在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
溫室里面過高或過低的溫度，都將導(dǎo)致秧苗壞死，尤其部分名貴植物對環(huán)境更加敏感，迫切需要將適宜的溫度檢測及控制系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。
（3）在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用
半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用更為廣泛。如：用于蛋白質(zhì)功能研究、基因擴(kuò)增的高檔PCR儀、電泳儀及一些智能精確溫控的恒溫儀培養(yǎng)箱等；用于開發(fā)具有特殊溫度平臺的掃描探針顯微鏡等。
（4）在激光領(lǐng)域中的應(yīng)用
激光技術(shù)用美容儀器，微型零件加工等，其在工作中都產(chǎn)生局部熱，通過半導(dǎo)體制冷器，采用水冷或微型制冷器冷卻。
（5）在實驗室裝置方面
如實驗用的顯微鏡攝像頭[1]，冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片
（6）在日常生活方面的應(yīng)用
空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外，還有其它方面的應(yīng)用，這里就不一一提了

半導(dǎo)體制冷的優(yōu)點(diǎn)
  半導(dǎo)體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm小的制冷器；重量輕，微型制冷器往往能夠小到只有幾克或幾十克。無機(jī)械傳動部分，工作中無噪音，無液、氣工作介質(zhì)，因而不污染環(huán)境，制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響，在大的機(jī)械過載條件下，能夠正常地工作;通過調(diào)節(jié)工作電流的大小，可方便調(diào)節(jié)制冷速率；通過切換電流方向，可使制冷器從制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹茻峁ぷ鳡顟B(tài)；作用速度快，使用壽命長，且易于控制。

半導(dǎo)體制冷器件的工作原理
  半導(dǎo)體制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理，該效應(yīng)是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發(fā)現(xiàn)的，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： Qab=Iπab
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
帕爾帖系數(shù)的大小取決于構(gòu)成閉合回路的材料的性質(zhì)和接點(diǎn)溫度，其數(shù)值可以由賽貝克系數(shù)αab[V.K-1]和接頭處的絕對溫度T[K]得出πab=αabT與塞貝克效應(yīng)相，帕爾帖系也具有加和性，即：
 Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I
  因此絕對帕爾帖系數(shù)有πab=πa－ πb
   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。

半導(dǎo)體制冷材料的發(fā)展
     AVIoffe和AFIoffe指出，在同族元素或同種類型的化合物質(zhì)間，晶格熱導(dǎo)率Kp隨著平均原子量A的增長呈下降趨勢。RWKeyes通過實驗推斷出，KpT近似于Tm3/2ρ2/3A-7/6成比例，即近似與原子量A成正比，因此      通常應(yīng)選取由重元素組成的化合物作為半導(dǎo)體制冷材料。

  半導(dǎo)體制冷材料的另一個巨大發(fā)展是1956年由AFIoffe等提出的固溶體理論，即利用同晶化合物形成類質(zhì)同晶的固溶體。固溶體中摻入同晶化合物引入的等價置換原子產(chǎn)生的短程畸變，使得聲子散射增加，從而降低了晶格導(dǎo)熱率，而對載流子遷移率的影響卻很小，因此使得優(yōu)值系數(shù)增大。例如50%Bi2Te3－50%Bi2Se3固溶體與Bi2Te3相比較，其熱導(dǎo)率降低33%，而遷移率僅稍有增加，因而優(yōu)值系數(shù)將提高50%到一倍。

幾種熱電性能較好的半導(dǎo)體制冷材料
  Ag(1-x)Cu(x)Ti Te、Bi－Sb合金和YBaCuO超導(dǎo)材料等曾經(jīng)成為半導(dǎo)體制冷學(xué)者的研究對象，并通過實驗證明可以成為較好的低溫制冷材料。下面將分別介紹這幾種熱電性能較好的半導(dǎo)體制冷材料。
二元Bi2Te3－Sb2Te3和Bi2Te3－Bi2Se3固溶體
   二元固溶體，無論是P型還是N型，晶格熱導(dǎo)率均比Bi2Te3有較大降低，但N型材料的優(yōu)值系數(shù)卻提高很小，這可能是因為在Bi2Te3中引入Bi2Se3時，隨著Bi2Se3摩爾含量的不同呈現(xiàn)出兩種不同的導(dǎo)電特性，勢必會使兩種特性都不會很強(qiáng)，通過合適的摻雜雖可以增強(qiáng)材料的導(dǎo)電特性，提高材料的優(yōu)值系數(shù)，但歸根結(jié)底還是應(yīng)該在本題物質(zhì)上有所突破。
三元Bi2Te3－Sb2Te3－Sb2Se3固溶體
   Bi2Te3 和Sb2Te3是菱形晶體結(jié)構(gòu)，Sb2Se3是斜方晶體結(jié)構(gòu)，在除去大Sb2Se3濃度外的較寬組份范圍內(nèi)，他們可以形成三元固溶體。無摻雜時，此固溶體呈現(xiàn)P型導(dǎo)電特性，通過合適的摻雜，也可以轉(zhuǎn)變?yōu)镹型導(dǎo)電特性。在二元固溶體上添加Sb2Se3有兩個優(yōu)點(diǎn)：首先是提高了固溶體材料的禁帶寬度。其次是可以進(jìn)一步降低晶格熱導(dǎo)率，因此Sb2Se3不論是晶體結(jié)構(gòu)還是還是平均原子量，都與Bi2Te3 和Sb2Te3相差很大。當(dāng)三元固溶體中Sb2Te3+5% Sb2Se3的總摩爾含量在55%～75%范圍時，晶格熱導(dǎo)率最低，約為0.8×10-2W/cm K，這個值要略低于二元時的最低值0.9×10-2W/cm K。
但是，添加Sb2Se3也會降低載流子的遷移率，將會降低優(yōu)值系數(shù)，因此必須控制Sb2Se3的含量。
P型Ag(1-x)Cu(x)Ti Te材料
   AgTi Te材料由于具有很低的熱導(dǎo)率（k=0.3 W/cm K）,因此如能通過合適的摻雜提高其載流子遷移率μ和電導(dǎo)率σ，將有可能得到較高的優(yōu)值系數(shù)Z。RMAyral-Marin等人通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)將AgTi Te和CuTi Te通過理想的配比形成固溶體，利用Cu原子替換掉部分Ag原子后，可以得到一種性能較好的P型半導(dǎo)體制冷材料Ag(1-x)Cu(x)Ti Te，其中x在0.3左右時，材料的熱電性能最好。由此可見Ag(1-x)Cu(x)Ti Te的確是一種較好的P型半導(dǎo)體制冷材料。
N型Bi－Sb合金材料
    無摻雜的Bi－Sb合金是目前20K到220K溫度凡內(nèi)優(yōu)值系數(shù)最高的半導(dǎo)體制冷材料，其在富Bi區(qū)域內(nèi)為N型，而當(dāng)Sb含量超過75%時將轉(zhuǎn)變?yōu)镻型。在Bi的單晶體中引入Sb，沒有改變晶體結(jié)構(gòu)，也沒有改變載流子（包括電子和空穴）濃度，但是拉大了導(dǎo)帶和禁帶之間的寬度。Sb的含量為0～5%時禁帶寬度約為0eV，即導(dǎo)帶和禁帶相連，屬于半金屬；Sb含量在5%～40%時，禁帶寬度值基本是在0.005eV左右，當(dāng)Sb的含量在12%～15%時，達(dá)到最大，約為0.014eV，屬于窄帶本征半導(dǎo)體。由上文所述，禁帶寬度的增加必將提高材料的溫差電動勢。80K到110K溫度范圍內(nèi)，是Bi85Sb15的優(yōu)值系數(shù)最高，高溫時則是Bi92Te8最高。
YBaCuO超導(dǎo)材料
   根據(jù)上面的介紹可知,在50K到200K的溫度范圍內(nèi),性能最好的半導(dǎo)體制坑材料是n型Bi(100-x)Sbx合金，其中Sb的含量在8%～15%。在100K零磁場的情況下，Bi－Sb合金的最高優(yōu)值系數(shù)可達(dá)到6.0×10-3K-1，而基于Bi、Te的p型固溶體材料在100K時的優(yōu)值系數(shù)卻低于2.0×10-3K-1并且隨著溫度的下降迅速減小。因此，必須尋找一種新的p型低溫?zé)犭姴牧希�以和n型Bi－Sb合金組成半導(dǎo)體制冷電對。利用高Tc氧化物超導(dǎo)體代替p型材料，作為被動式p型電臂（稱為HTSC臂，即High Tc Supercon－ducting Legs）,理論上可以提高電隊的優(yōu)值系數(shù)，經(jīng)過實驗證明也確實可行。：
由于HTSC超導(dǎo)材料的溫差電動勢率α幾乎為零，但其電導(dǎo)率無限大，因此熱導(dǎo)率κ和電導(dǎo)率δ的比值κ/δ卻是無限小的

   Mosolov A B等人分別利用以SrTiO3座基地的YBaCuO超導(dǎo)薄膜和復(fù)合YBaCuO－Ag超導(dǎo)陶瓷片作為被動式HTSC臂材料，用Bi91Sb9合金作為n型材料，制成單級半導(dǎo)體制冷器。實驗結(jié)果表明：利用YBaCuO超導(dǎo)薄膜制成的制冷器，熱端溫度維持在85K，零磁場時可達(dá)到9.5K的最大制冷溫差，加上0.07T橫向磁場時能達(dá)到14.4K;利用YBaCuO－Ag超導(dǎo)陶瓷片制成的單擊制冷器，熱端溫度維持在77K時，相應(yīng)的最大制冷溫差分別是11.4K和15.7K。從半導(dǎo)體制冷器最大制冷溫差計算公式，可以反算出80Kzuoyou這種制冷電對的優(yōu)值系數(shù)約為6.0×10-3K-1，可見這種電對組合是有著很好的應(yīng)用潛力的。隨著高Tc超導(dǎo)體材料的發(fā)展，這種制冷點(diǎn)隊的熱端溫度將會逐漸提高，優(yōu)值系數(shù)也將逐漸增大，比將獲得跟廣泛的應(yīng)用。

      溫差半導(dǎo)體發(fā)電技術(shù)，它的工作原理是在兩塊不同性質(zhì)的半導(dǎo)體兩端設(shè)置一個溫差，于是在半導(dǎo)體上就產(chǎn)生了直流電壓。溫差半導(dǎo)體發(fā)電有著無噪音、壽命長、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。可在零下40攝氏度的寒冷環(huán)境中迅速啟動，因此在實際中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
   溫差發(fā)電是一種新型的發(fā)電方式，利用塞貝爾效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能。以半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊制造的半導(dǎo)體發(fā)電機(jī),只要有溫差存在即能發(fā)電。工作時無噪音、無污染，使用壽命超過十年，免維護(hù)，因而是一種應(yīng)用廣泛的便攜電源。
   半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī),目前主要用于油田、野外、軍事等領(lǐng)域。如美國Teledyne Inc. 開發(fā)的軍用、油田專用發(fā)電機(jī)年銷售額超過十億美元。該項目的另一市場化領(lǐng)域在于將發(fā)電裝置用于太陽能、地?zé)帷⒐�業(yè)廢能等的利用，使熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。另外，半導(dǎo)體發(fā)電模塊體積小，重量輕，便于攜帶，可廣泛用于小家電制造、儀器儀表、玩具及旅游業(yè)。
隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲越來越高、利用溫差發(fā)電可能是發(fā)展大方向、從小型器件到大型電站,越來越多地從實驗室理論應(yīng)用到實踐中去。
   目前最新開發(fā)的半導(dǎo)體溫差發(fā)電組件,屬國內(nèi)領(lǐng)先水平，其內(nèi)阻小、耐高溫、長壽命。完全符合開發(fā)溫差發(fā)電機(jī)的需要。
   若兩面溫差能達(dá)到攝氏60度，則發(fā)電電壓可達(dá)到3.5V電流可達(dá)到3-5A
隨著保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源的呼聲越來越高，利用溫差電組件發(fā)電可能是大方向，要達(dá)到半導(dǎo)體溫差發(fā)電的目的需做到：
1、內(nèi)阻小，否則功率輸不出來；
2、耐高溫；
3、長壽命

DB-JD45半導(dǎo)體制冷技術(shù)實訓(xùn)裝置

一、 概述
“DB-JD45半導(dǎo)體制冷技術(shù)實訓(xùn)裝置“采用大功率半導(dǎo)體制冷片，并通過面板上的鈕子開關(guān)使半導(dǎo)體制冷片工作于熱泵和熱機(jī)不同的狀態(tài)，分別來演示并驗證帕爾帖效應(yīng)和塞貝克效應(yīng)。
半導(dǎo)體制冷技術(shù)實訓(xùn)裝置適合于高職院校、職業(yè)學(xué)校制冷專業(yè)和非制冷類專業(yè)的《半導(dǎo)體制冷》、《制冷設(shè)備維修工》、《制冷設(shè)備維修工技師培訓(xùn)教材》的教學(xué)與技能的提高。本實訓(xùn)裝置也適合技工學(xué)校、職業(yè)培訓(xùn)學(xué)校、職教中心、鑒定站/所、制冷類專業(yè)的技能鑒定考核。

 

二、 裝置特點(diǎn)
1． 采用大功率半導(dǎo)體制冷組件作為冷源，不需要干冰、氨、氮、氟利昂等制冷劑，溫度低、制冷快、壽命長。具有無污染、無噪聲、無振動、無磨損，可連續(xù)工作。
2． 直觀快強(qiáng)：可以直觀的觀察制冷片冷端結(jié)冰的全過程，深入掌握半導(dǎo)體制冷片的工作原理。
3． 可操作性強(qiáng)：用面板上提供的鈕子開關(guān)，可以方便的切換半導(dǎo)體制冷片的工作狀態(tài)，既能定性觀察實訓(xùn)現(xiàn)象，又能通過測量儀表定量測量。
三、 技術(shù)性能
1． 輸入電源：單相三線~220V±10% 50HZ
2． 工作環(huán)境：溫度-10℃~+40℃  相對濕度<85%（25℃）海拔<4000m
3． 裝置容量：<0.8KWA
4． 外型尺寸:1200mm×730mm×1400mm
5． 安全保護(hù):具有漏電保護(hù)裝置,安全符合國家標(biāo)準(zhǔn)
四、實訓(xùn)裝置的基本配置及功能
實訓(xùn)裝置由控制屏、實訓(xùn)桌及半導(dǎo)體制冷機(jī)組等組成。
1．控制屏（鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑結(jié)構(gòu)，鋁質(zhì)面板）
（1）直流數(shù)字電壓表（1個）：測量范圍0~20V，按鍵切換檔位，采用三位半數(shù)碼顯示，精度0.5%。輸入阻抗為10M。通過琴鍵切換可分別顯示半導(dǎo)體制冷片A的輸入電壓、半導(dǎo)體制冷片B的輸入電壓、半導(dǎo)體制冷片A的輸出電壓、半導(dǎo)體制冷片B的輸出電壓。
（2）直流穩(wěn)壓電源（2個）：提供0~15V連續(xù)可調(diào)的直流電源，電流為10A，為半導(dǎo)體制冷片提供電源。
（3）計時器：按下復(fù)位按鈕時，開始計時，單位為秒。
（4）直流數(shù)字電流表（2個）：測量范圍0~10A，采用三位半數(shù)碼顯示，精度0.5%。直流數(shù)字電壓表（一）顯示半導(dǎo)體制冷片A的輸入電流，直流數(shù)字電壓表（二）顯示半導(dǎo)體制冷片B的輸入電流。
（5）溫度控制器（3個）：PID智能溫度調(diào)節(jié)器，具有PID智能溫度控制加AI人工智能調(diào)節(jié)功能，分別可以監(jiān)測半導(dǎo)體制冷片A的冷熱端溫度、半導(dǎo)體制冷片B的冷熱端溫度、空器的溫度。
（6）加熱器（2個）：功率為180W，當(dāng)制冷片工作在熱機(jī)時，加熱器對其表面進(jìn)行加熱。
（7）微型水泵（1個）：使水冷液循環(huán)對半導(dǎo)體制冷片的熱端進(jìn)行散熱。
（8）音樂片和直流電機(jī)：當(dāng)半導(dǎo)體制冷片工作在熱機(jī)時，其輸出的電壓可以驅(qū)動音樂片和直流電機(jī)。
   2．實訓(xùn)桌
     實訓(xùn)桌為鐵質(zhì)雙層亞光密紋噴塑結(jié)構(gòu)，桌面為防火、防水、耐磨高密度板，結(jié)構(gòu)堅固，造型美觀大方；桌面用于安裝電源控制屏并提供一個寬敞舒適的工作臺面，設(shè)有兩個抽屜。實訓(xùn)桌還設(shè)有四個萬向輪，便于移動和固定。
3． 半導(dǎo)體制冷機(jī)組
由兩片半導(dǎo)體制冷片、水冷頭、散熱排、水泵、水冷液、水管、有機(jī)玻離水箱、傳熱鋁板等組成的水冷式半導(dǎo)體制冷機(jī)組，可直觀觀察水冷散熱系統(tǒng)的工作原理及現(xiàn)象。
五、 實訓(xùn)項目
1． 半導(dǎo)體制冷實訓(xùn)臺的認(rèn)識
2． 半導(dǎo)體制冷片工作在熱泵時的工作原理
3． 半導(dǎo)體制冷片工作在熱泵時的參數(shù)測試
4． 半導(dǎo)體制冷片工作在熱機(jī)時的工作原理
5． 半導(dǎo)體制冷片工作在熱機(jī)時的參數(shù)測試