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什么叫半导体制冷 半导体制冷


什么叫半导体制冷 半导体制冷

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半导体制冷(什么是半导体制冷)
风冷、水冷是常见的散热方式 。其实大家平时用的一体化水冷的部分原理还是属于“风冷”的范畴 。而散热器的导热介质由热管的“蒸发-冷凝”自动循环原理变为水泵电机主动循环驱动的液体传导 。最后，所有的热量都是通过风扇的旋转强制对流，将翅片(风冷)或冷排(水冷)的热量传递到环境中，帮助芯片降温 。所以无论是风冷还是水冷散热器都是被动散热的形式 。由于芯片高温与环境低温的温差，传统散热器作为“热量的搬运工”，最多只能将芯片温度降低到接近环境温度 。
随着对芯片计算能力的不断追求，越来越多的晶体管被插入到计算芯片中，每个计算单元的密度也在不断增加 。同时，更高的频率也给芯片带来了更高的工作电压和功耗 。可以预见的是，在未来几年，我们将继续追求提高芯片的计算性能，这意味着我们还需要不断克服芯片温度的散热问题 。仅仅依靠现有的“被动散热”已经有点力不从心了 。你需要一种“主动冷却”的新模式吗？
其实处理器的散热方式并不局限于常见的风冷/水冷 。为了解决温度问题，实现一些极端的目标(比如极限超频)，极客们不断尝试油冷、压缩机冷却、液氮、干冰等冷却方式 。最接近零售市场的OCZ CRYO-Z系列压缩机，通过相变制冷使蒸发器温度达到-45℃ 。甚至国外一些发烧友自制了三级压缩机系统，将温度降到-196℃，相当于液氮的蒸发温度 。然而，由于高成本和复杂的使用，压缩机系统不可能在家庭中广泛使用 。液氮和干冰只是针对极端超频的特定目标的特殊手段 。蒸发/升华速度很快，只能带来短期的极致效率 。这些方法没有足够的可控性和再现性 。
那么，有没有一种看似可控性高、使用方便、成本低的散热方式来解决现有处理芯片的高温问题呢？可能还是有答案的，就是利用热电效应原理的半导体制冷技术 。随着今年11月Intel Cryo相关项目的公布，DIY市场上也将出现使用热电制冷的民用散热器 。今天，我们来谈谈半导体制冷 。
什么是半导体制冷？要了解半导体制冷在终端的应用，我们需要知道一个电和热的基本原理:热电效应 。
图片来源:李蒙等人的《理化检验-物理量-热电材料的应用、R&D和性能测试进展》 。
热电效应是温差产生的电压的直接转换，反之亦然 。简单地放置一个热电装置 。当它的两端有温差时，就会产生电压，当有电压施加在它上面时，也会产生温差 。这种效应可以用来发电，测量温度，冷却或加热物体 。因为加热或冷却的方向取决于施加的电压，热电装置使得温度控制非常容易 。
热电效应不是一个独立的术语 。这个理论包括三个定义的效应:塞贝克效应(1821)，珀耳帖效应(1834)和汤姆逊效应(1854) 。
塞贝克效应(塞贝克效应)1821年，德国人Zeebek发现，当两个不同的导体相连时，如果两个连接点保持不同的温差，导体中就会产生热电电动势:
ES=S.△T
其中:ES为温差电动势，S为温差电动势率(Zeebek系数)，△T为触点间的温差 。
珀耳帖效应(珀耳帖效应)1834年，法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应相反的效应，即当电流流过两个不同导体形成的结时，结处会发生放热和吸热，放热或吸热由电流决定 。
Q= 。I=aTc
其中:Q为作为比例系数的放热或吸热功率，称为帕尔贴系数，I为工作电流，A为热电电动势率，Tc为冷端温度 。
汤姆逊效应(汤姆逊效应)英国物理学家威廉·汤姆孙在1854年发现，当电流流过有温度梯度的导体时，除了导体电阻产生的焦耳热外，导体还会放出或吸收热量 。在温差为△T的导体两点之间，释放或吸收的热量为:
Q=.I.△T
其中:Q为放热或吸热功率，为汤姆逊系数，I为工作电流，△T为温度梯度 。
一般来说，第一，热可以发电；第二，电还能使导体产生温差；第三，当电流流过温差不均匀的导体时，也会吸收和释放一定的热量，形成高温放热、低温吸热的状态 。然后通过改变导体的成分，控制电流，就可以形成各种可控的具体应用，比如热能(温差)发电:可用于军事、航天、民用能源等领域；热电(热电)制冷:与热电发电相反，热电冰箱是通过将电能转化为热能来制造的 。由于这种冰箱只能在没有压缩机或氟利昂等制冷剂的情况下安装，因此具有结构简单、体积小、重量轻、动作速度快、可靠性高、寿命长、无噪音等优点 。另外，热电制冷不需要像机械制冷那样填充化学耗材，没有运动部件，所以没有磨损，维护成本很低 。它也适用于军事，航空航天，工业和民用制冷需求 。我们今天将重点介绍的“半导体制冷片”是热电效应在制冷应用中的一种具体器件形式 。


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