半导体制冷元件特性参数测量

半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm³的制冷器；重量轻，微型制冷器能够做到只有几十克甚至数克；无机械传动部分，工作中无噪音，无液态、气态工作介质，因而不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响，在大的机械过载条件下，能够正常地工作；通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率；通过切换电流方向，可使制冷器从制冷状态转变为制热工作状态；作用速度快，使用寿命长，且易于控制。

半导体制冷模块单元

半导体材料的帕尔贴效应比金属材料的帕尔贴强得多。因而，得到实际应用电-热制冷器件都是半导体制成的。一个电-热制冷单元就是一个最简单的制冷器件，它可以用下图来说明。

半导体制冷单元

它是由n型和p型半导体材料组成的半导体制冷的电偶，电偶之间利用导电的金属片焊接而成。当直流电从n型半导体流向p型半导体时，则在金属片2和3上产生吸热现象，这端就称为冷端，而在金属片1和4便产生放热现象，这端就称为热端。如果切换电流方向，冷、热端就会相互转换，原来的热端就变成冷端，原来的冷端就变成热端。

由于单个电偶产生的电-热效应较小，实际上都是将若干个电偶串联、并联或串并联，这便构成半导体制冷模块（帕尔贴模块）。

制冷模块的性能参数

制冷模块的性能参数包括：

最佳工作电流I（A），最佳工作电压U（V），交流内阻R（Ω），制冷效率n，制冷量Q0（W）和散热功率Qn（W）。

制冷模块的结构参数包括，元件尺寸，器件散量，级数，冷端工作面积，热端散热面积，外形尺寸，重量，使用寿命，可靠性等。

国内在制冷模块标准化方面做了不少工作，例如国产CT1型模块已实现了产品的系列化，共分为14个品种。主要技术性能指标，以达到目前国外市场上同类产品的水平。CT1系列模块，就其主要特征而言，属微型半导体制冷器，为陶瓷平板型一级制冷模块。下表列出了这种制冷模块的参数。

CT1型制冷模块参数表

半导体制冷元件的特性参数

表征半导体制冷性能的重要参数是优值系数Z，单位为K^-1，它决定了半导体制冷元件所能达到的最大温差，也直接影响制冷系数（COP）

式中：Α为温差电动势;R为电阻;Kt为总的导热系数。半导体P2N结点在一定的温度和电流下，温差电动势越大，该结点从周围介质中吸收的热量越多，制冷效果就越明显。电阻则越低越好，否则产生的焦耳热使制冷效果不明显，甚至无法产生制冷量。导热系数也要低，这样才能在半导体制冷元件冷热结点之间维持一个大的温差。本文设计筹建的实验测量装置主要用于测量分析Α，R，Kt，Z.

半导体制冷元件特性参数测量方法

利用半导体材料热电制冷过程电学和热力学基本公式，代入测得的Η、U、R和I基本物理量，就可以算出半导体制冷元件的特性参数：

制冷元件上的电压降

输入功率

冷端产冷量

热端散热量

定义制冷系数

需要测得的特性参数是半导体制冷元件的温差电动势Α（V・°C-1）、导热系数K（W・°C-1）和电阻R（8）。这些参数都是温度的函数，本实验测量它们在制冷元件冷热端算术平均温度Ηm在0～50°C内变化时的值。首先测的是Α和Kt，它们可在同一个测试过程中得到。给电加热块通上一定的电流，忽略通过保温材料的传热，将电加热块的发热量看作半导制冷元件的制冷负荷。在调温用的元件两电极通上直流电，一方面可调节被测元件的热端温度，从而调节被测元件的Ηm从0～50°C变化;另一方面，可以增加冷热端之间的温差，减小测温误差对测试结果的影响。实验表明，冷热端维持的温差小于15°C时，所得的特性参数有较大的偏差。

测量塞贝克系数时，利用式（2），令I=0，调节加热块功率和调温元件电流，使制冷元件在不同的Ηm下其冷热端维持一个温差，同时测出半导体制冷元件的塞贝克电动势，就可得出不同Ηm下的塞贝克系数。在测量Α的同时，利用式（4），令I=0，根据不同制冷负荷和冷热端温差，计算出Kt.

测量元件电阻时，利用式（2）和已测得的塞贝克系数，给被测元件的两端通上不同电流，同时和上述方法一样，控制Ηm，测出冷热端温度和被测元件电流和两端电压，就可得出元件不同Ηm下的电阻值.