關鍵詞：半導體制冷片，TIM熱界面材料，熱導率，導熱填料，國產高端材料

引言：半導體制冷器(Thermo Electric Cooler)是利用半導體材料的珀爾帖效應制成的。所謂珀爾帖效應，是指當直流電流通過兩種半導體材料組成的電偶時，其一端吸熱，一端放熱的現象。重摻雜的N型和P型的碲化鉍主要用作TEC的半導體材料，碲化鉍元件采用電串聯，并且是并行發熱。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；當有電流從TEC流過時，電流產生的熱量會從TEC的一側傳到另一側，在TEC上產生″熱″側和″冷″側，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。一對電偶產生的熱電效應很小，故在實際中都將上百對熱電偶串聯在一起，所有的冷端集中在一邊，熱端集中在另一邊，這樣生產出用于實際的制冷器。如果在應用中需要的制冷或加熱量較大，可以使用多級半導體制冷器，對于常年運行的設備，增大制冷元件的對數，盡管增加了一些初成本，但可以獲得較高的制冷系數。

01TEC技術

自 1834 年發現珀爾帖效應以來，固態熱泵就一直存在。幾十年前，隨著先進半導體熱電偶材料以及陶瓷基板組合技術的發展，這種固態熱泵開始商業化。熱電冷卻器是一種固態熱泵，需要熱交換器通過珀爾帖效應散熱。在運行期間，直流電流經過熱電冷卻器以在陶瓷基板上產生熱傳輸和溫差，導致熱電冷卻器的一側變冷，而另一側變熱。標準的單級熱電冷卻器可實現高達 70°C 的溫差。

標準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用的理想選擇。與熱電技術相比，傳統的基于壓縮機系統等冷卻技術通常體積和重量更大。熱電冷卻器還可以用作發電機，將廢熱轉換為可用的輸出直流電。對于需要在環境溫度以下進行主動冷卻，且冷卻能力要求小于600瓦的應用，熱電設備是理想的選擇。當系統設計標準包括精確溫度控制、高可靠性、緊湊幾何尺寸、較輕重量和環保要求等因素時，設計工程師應該考慮熱電冷卻器。

02 TEC產品的結構

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溫度上下：

當目標對象的溫度高于目標溫度是，給制冷片通電，讓制冷片把目標對象的溫度帶走；

當目標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：獲取目標對象的溫度。

03TEC工作原理

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

電偶，是指由兩個電量相等，距離很近的正負電荷所組成的一個總體。正電荷稱為電偶的電源，負電荷稱為電偶的電穴。熱電偶 thermocouple：熱電偶是根據熱電效應測量溫度的傳感器，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。即利用當兩種不同的導體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，且帕爾帖效應所引起的這種現象是可逆的，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度I［A］成正比，且與兩種導體的性質及熱端的溫度有關，即：

πab稱做導體A和B之間的相對帕爾帖系數 ，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比較微弱，而半導體材料則要強得多，因而得到實際應用的溫差電制冷器件都是由半導體材料制成的。

1.N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體，也稱電子型半導體。

因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導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型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供;空穴是少數載流子， 由熱激發形成。

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

2.P型半導體

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

因三價雜質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型半導體中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成;電子是少數載流子，由熱激發形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。

3.PN結

在一塊本征半導體的兩側通過擴散不同的雜質，分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程：

因濃度差

↓

多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區

↓

空間電荷區形成形成內電場

↓ ↓

內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散

最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。PN結的內電場方向由N區指向P區。

PN結加正向電壓時的導電情況如圖所示。

外加的正向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是，內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，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生變化，能量轉換為各種形勢的表現，而熱量的吸收與散發都是其表現的一個方面。而半導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的過程。

04TEC的優勢

TEC 熱電致冷器11個優點：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),具發電能力(溫差發電)等優點

TEC

1.不需使用任何冷卻劑，可連續工作，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冷卻或加熱兩種不同目的，并可做為多級的應用方式，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熱器件作冷卻，而不必冷卻整個封裝結構，可節省耗電并增加效率。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，就能達到最大溫差。7.具發電能力(溫差發電)，若在熱電器件兩面建立溫差，則可產生直流電，適用于中低溫區發電，如Seiko 公司的體溫發電腕表等。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，采并聯方式組合成一個大系統，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℃之間均可達成。10.冷卻速度快，其速度可透過調節工作電壓控制，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流體，故不受重力和方向的影響，適合應用在航天工業上。NASA應用此技術提供幾百瓦的電力于太空探測裝置上。

05TEC產品類型及應用

06 TEC產品技術的難點和挑戰

半導體制冷的研究涉及傳熱學原理、熱力學定律以及帕爾貼效應，還要考慮多種因素如材料的優值系數、半導體多級制冷、冷熱端散熱系統的優化設計等，同時影響半導體制冷的各種因素都是相輔相成的，不是獨立的。所以半導體制冷的研究一直是國內外學者關注的熱點，但也面臨諸多難點。
首先，半導體制冷材料性能的優劣取決于其半導體制冷優值系數Z。構成半導體制冷材料優值系數的三個參數塞貝克系數(α)、電導率(σ)和熱導率(K)都是溫度的函數。與此同時，優值系數又敏感地依賴于材料種類、組分、摻雜水平和結構。能適合半導體制冷的半導體材料不僅要混合地加入少量雜質改變它的溫差電動勢率、導熱率和導電率，而且還應該具有半導體本身特性，做到既要保持原來半導體的傳統半導體特性又要使它具有好的溫差電動勢率、導熱率和導電率存在較大的困難，所以，高優值系數的研究一直是半導體制冷研究的難點問題。
其次，半導體制冷是一個參數多、工況變化復雜的過程，幾何結構參數、散熱傳熱等對其影響都很大，采用常規的針對性實驗方法難以滿足多種需要，并且在進行優化設計的參數選擇時需要實驗對比不同工況從而選擇最優方案。所以如何選擇和設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雜起來。
再者，根據傳熱學原理、熱力學定律以及帕爾貼效應可知，半導體制冷過程中冷、熱端的溫度差對半導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，往往達不到設計要求。因而冷、熱端散熱也是半導體制冷的又一個困難：即如何強化冷、熱端散熱以及對制冷電堆冷、熱端散熱進行優化設計和改進。
總而言之，半導體制冷的難點在于：高優值系數的材料，復雜的多參數以及冷熱端散熱的設計。雖然半導體制冷的研究面臨諸多困難，但是可以欣喜地看到當前研究仍然呈現出一片欣欣向榮的景象。到目前為止，國內外的學者從不同角度去提高半導體的制冷效率，展現出各自的優勢和實用性。但是半導體制冷的研究當前還存在以下問題。
（1）半導體制冷要想達到機械壓縮制冷相當的制冷效率，材料的優值系數就必須提高。然而，直到現在，科學家對半導體制冷材料的研究并未有很大突破。半導體制冷溫差較小和制冷系數不高是半導體制冷的最大缺點，而材料的優值系數不高導致這些缺點從而是阻礙半導體制冷發展的最主要因素，因此半導體材料的性能即優值系數Z還有待于進一步的提高。
（2）有關冷、熱端散熱系統的優化設計的研究較少。這使得半導體制冷的設計多半處于理論計算階段，半導體制冷的實際運行效果不能得到很好的保證。所以要不斷深入進行半導體制冷器模塊設計和系統性能優化的研究。
（3）相關領域的技術與手段的引用較少，材料的優值系數的停滯影響了整個半導體制冷行業的發展，所以運用包括新理論和新技術來研究和完善就變得非常重要。半導體制冷也是一個交叉學科，需要不同方面的知識相互配合，共同進步。
（4）隨著科學技術的飛速發展，產品器件的尺寸有的越來越大，有的越來越小，有的狀況越來越復雜，需要考慮多種因素。這樣如何解決大功率半導體多級制冷的優化問題、小尺寸器件的局部散熱問題和多因素的半導體熱電能量轉換問題就成為今后不斷努力研究的內容。