紅外技術-半導體製冷器
2020-09-05 有毅說兵利用半導體P-N結的溫差電效應可以製造製冷器。用於紅外探測器的半導體製冷器可以獲得低達乾冰溫度195K（零下78℃）的製冷溫度。
半導體製冷器的工作原理
半導體製冷器基於固體內三種有內在聯繫的電子與聲子相互作用的效應製冷——賽貝克（Seebeck）溫差電效應、珀爾帖（Peltier）電致溫差效應和湯姆遜（Thomson）電子輸運熱能效應。因此將其稱為珀爾帖製冷器（Peltier Cooler）不太準確。
在賽貝克效應中，2個結處於T1、T2兩個不同的溫度，溫度高的結電子能量大，溫度低的結電子能量小，當高溫端的電子向低溫端擴散並堆積在低溫端，直到堆積的電子數量產生的內建電場——溫差電壓Vab可以平衡高溫端電子向低溫端擴散。
賽貝克效應
珀爾帖效應與賽貝克效應正好相反。同樣在由兩種不同的導體材料串聯構成的異質結中，在其中通電流I，則2個結處分別產生放熱和吸熱現象，反之亦然。在這一結構中，兩種導體中的載流子勢能不同，通電後勢能高的載流子向勢能低的一端飄移，在異質結處要將多餘能量釋放產生放熱，勢能低的載流子向勢能高的一端飄移，在異質結處要吸收外界的熱量產生吸熱。
珀爾帖效應
湯姆遜效應是電子運動傳輸熱能的物理效應。在一均勻的長導體中，其兩端的溫度處於兩個不同的溫度T1、T2，當電流流過時，同一導體兩端的溫度不同，導致相應部分的載流子勢能不同。通電後，勢能高的載流子向勢能低的一端飄移，將其多餘能量與晶格交換產生放熱；反之，勢能低的載流子向勢能高的一端飄移時則吸收外界的熱量。
湯姆遜效應
由於金屬材料的溫差電係數在10μV/K的量級，半導體材料的可達到100μV/K的量級，所以實用的溫差電製冷器都是用碲化鉍（BiTe）等半導體材料製造的，以至於人們更多的使用半導體製冷器一詞。
半導體製冷器優點
可靠性高，壽命長，一般可以達到無故障工作10萬小時以上
工作無振動和電磁幹擾
結構簡單
控制製冷溫度方便，適合於高精度的控溫和恆溫
缺點：
電冷轉換效率低，適合於小冷量的製冷
製冷溫度最低只能達到170K的溫度
半導體製冷器的基本結構
有多種半導體材料可用於製造半導體製冷器，最先用於半導體製冷器的是碲化鉍（BiTe），之後發展了性能更好的碲銻鉍（BiSbTe）合金半導體，現已經大量用於製造半導體製冷器。
半導體製冷器是用若干對P-N結串聯、並聯或串-並聯構成的。根據其冷端面或熱端面的數量可以分為一級和多級，有一個冷端面的是一級半導體製冷器；將多個一級半導體製冷器串聯起來，就構成多級半導體製冷器。
一個半導體製冷器單元基本的結構示意圖
最基本的半導體製冷器是一級半導體製冷器。一般是在絕緣性好、導熱率高的氧化鈹（BeO）基板上，用銅導流片將切成小柱體的P型、N型的半導體材料一一串聯、並聯或串-並聯起來。兩塊氧化鈹基板一面作為製冷面，一面作為散熱面，散熱面還要通過一個散熱器向環境中散熱。典型的一級半導體製冷器冷-熱兩個端面的溫差可以達60K。當環境溫度變化時，會引起製冷面溫度的變化。為保持冷端面溫度的穩定性，工程應用時需要進行溫度控制。在熱-冷端面的溫差為50K時，半導體製冷器的效率約為5～8%。
一級半導體製冷器的結構示意圖
多級半導體製冷器將多個一級製冷器串聯起來，使下一級半導體製冷器的製冷面作為上一級半導體製冷器的散熱面，可增大半導體製冷器的總的製冷溫差。由於製冷效率很低，級數越多，每一級的製冷量下降也越多。利用六級半導體製冷器，雖然最大可以獲得130K的總溫差，但製冷量只有10mW量級。
二級半導體製冷器的結構示意圖
5種實際的多級半導體製冷器
2種四級半導體製冷器的應用實例
半導體製冷器的主要技術參數
（1）級數（單位：級）
串聯的半導體製冷器的級數，目前最多可達6級。
（2）最大溫差（單位：K或℃）
半導體製冷器冷、熱兩端的最大溫差，目前一級半導體製冷器可以獲得最大溫差為67K（℃），市售的商品一般可達60K（℃）。
（3）最大製冷功率（單位：W）
半導體製冷器可提供的最大製冷功率，一級半導體製冷器的典型值為1 W量級，六級半導體製冷器的典型值為10mW。
（4）最大溫差電流Imax（單位：A）
半導體製冷器在最大溫差時的工作電流，典型值為1 A量級。
（5）最大溫差電壓Vmax（單位：V）
半導體製冷器在最大溫差時的工作電壓，典型值為1V量級。
（6）冷裝載基板尺寸（單位：mm）
一般半導體製冷器的製冷面的尺寸即為冷裝載面的尺寸，典型值為1cm×1 cm量級。
（7）外形尺寸（單位：mm）
半導體製冷器的外形尺寸，典型值為10mm量級。
（8）質量（單位：g）
半導體製冷器的質量，不計外散熱器時，其典型值為10g量級。
半導體製冷器技術的發展趨勢
半導體製冷器用於工作溫度在170K（-103℃）以上紅外探測器的製冷，半導體製冷器還用於近室溫封裝的紅外探測器製冷，或作為室溫封裝紅外探測器的溫度穩定器使用。在熱像儀中，半導體製冷器作為一個用於非均勻性校正黑體的使用。此外，也用於高性能CCD的製冷。
半導體製冷器技術的發展趨勢
提高製冷效率
提高製冷效率始終是半導體製冷器技術的努力方向，其核心是尋找溫差電係數更大的半導體材料。
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直接將半導體製冷器製作在被製冷的半導體晶片上，或是提高晶片工作的穩定性，或是提高晶片的可靠性，或是提高晶片的功率，等等。
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