【正文】 能的大量科學(xué)實驗中發(fā)現(xiàn)某些金屬材料有熱電效應(yīng)。單位時間內(nèi)經(jīng)過均勻介質(zhì)沿某一方向傳導(dǎo)的熱量與垂直這個方向和該方向溫度梯度的乘積成正比。湯姆遜效應(yīng)是導(dǎo)體兩端有溫差時產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象，帕爾帖效應(yīng)是帶電導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生溫差（其中的一端產(chǎn)生熱量，另一端吸收熱量）的現(xiàn)象，兩者結(jié)合起來就構(gòu)成了塞貝克效應(yīng)[3]?；蛘叻催^來，當(dāng)一根金屬棒的兩端溫度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。湯姆遜認(rèn)為，在絕對零度時，帕爾帖系數(shù)與塞貝克系數(shù)之間存在簡單的倍數(shù)關(guān)系。直到上世紀(jì)90年代，原蘇聯(lián)科學(xué)家約飛的研究表明，以碲化鉍為基的化合物是最好的熱電半導(dǎo)體材料，從而出現(xiàn)了實用的半導(dǎo)體電子致冷元件熱電致冷器（ThermoElectric cooling，簡稱TEC）。通常將塞貝克效應(yīng)稱為熱電第一效應(yīng)，帕爾帖效應(yīng)稱作熱電第二效應(yīng)，后面即將介紹的湯姆遜效應(yīng)則稱作熱電第三效應(yīng)。這就是帕爾帖效應(yīng)。這說明兩種不同材料組成的電回路在有直流電通過時，兩個接頭處分別發(fā)生了吸放熱現(xiàn)象。所以，多數(shù)人都認(rèn)可熱電效應(yīng)的觀點(diǎn)，后來也就這樣被確定下來了。對于這樣的解釋，塞貝克十分惱火，他反駁說，科學(xué)家們的眼睛讓奧斯特（電磁學(xué)的先驅(qū)）的經(jīng)驗給蒙住了，所以他們只會用“磁場由電流產(chǎn)生”的理論去解釋，而想不到還有別的解釋。塞貝克確實已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)，但他卻做出了錯誤的解釋：他認(rèn)為，導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場的原因，是溫度梯度導(dǎo)致金屬在一定方向上被磁化，而非形成了電流。他實在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構(gòu)成的一個結(jié)時會有電流產(chǎn)生，這只能用熱磁電流或熱磁現(xiàn)象來解釋他的發(fā)現(xiàn)。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導(dǎo)線連接在一起，構(gòu)成一個電流回路。在此期間，塞貝克還曾研究過光致發(fā)光、太陽光譜不同波段的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、偏振，以及電流的磁特性等等。　熱電效應(yīng)發(fā)展簡史1818年前后，塞貝克返回柏林大學(xué)，獨(dú)立開展研究活動，主要內(nèi)容是電流通過導(dǎo)體時對鋼鐵的磁化。哺乳動物靠細(xì)胞表面的離子通道感知溫度，外界溫度變化導(dǎo)致帶電的離子進(jìn)出通道，產(chǎn)生電流，刺激神經(jīng)，從而使動物感知冷暖。海水的溫度變化使膠體內(nèi)產(chǎn)生電流，刺激神經(jīng)，使鯊魚感知到溫度差異。美國舊金山大學(xué)的一位科學(xué)家在1月30日出版的英國《自然》雜志上報告說，他從鯊魚鼻子的皮膚小孔里提取了一種與普通明膠相似的膠體，發(fā)現(xiàn)它對溫度非常敏感，℃的溫度變化都會使它產(chǎn)生明顯的電壓變化?？茖W(xué)家猜測，其他動物體內(nèi)也可能存在類似的膠體。選用具有明顯的熱電效應(yīng)的稀有礦物石為原料，加入到墻體材料中，在與空氣接觸中，可發(fā)生極化，并向外放電，起到凈化室內(nèi)空氣的作用。金瓜石之明礬石，在礦床及變質(zhì)圍巖中呈粒狀或鱗片狀產(chǎn)出。不溶于水，幾乎不溶于鹽酸，硝酸，氫氟酸和氨水等，但能溶于強(qiáng)堿及硫酸或高氯酸。　自然界熱電效應(yīng)明顯的物質(zhì)明礬石Alunite六方晶系KAl3(OH)6(SO4)2為含氫氧根的鉀，鈉，鋁硫酸鹽礦物，其解理面呈珍珠光澤，其余的面呈玻璃光澤。由于半導(dǎo)體材料具有最佳的熱電能量轉(zhuǎn)換持性，它的應(yīng)用才真正使熱電制冷實用化，為此人們又把熱電制冷稱為半導(dǎo)體制冷。熱電制冷又稱半導(dǎo)體制冷或溫差電制冷。總的熱電效應(yīng)由同時發(fā)生的五種不同效應(yīng)組成，其中塞貝克、帕爾帖和湯姆遜三種效應(yīng)表明電和熱能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的。目　　錄第1章　緒論 1　概述 1　熱電效應(yīng)概述 1　自然界熱電效應(yīng)明顯的物質(zhì) 1　生物的熱電效應(yīng) 2　熱電效應(yīng)發(fā)展簡史 2　國內(nèi)外熱電效應(yīng)應(yīng)用歷史和現(xiàn)狀 4　熱電效應(yīng)應(yīng)用發(fā)展趨勢 5　半導(dǎo)體制冷應(yīng)用展望 5　半導(dǎo)體發(fā)電應(yīng)用展望 6　課題簡介 6第2章　半導(dǎo)體制冷片基礎(chǔ)知識 8　半導(dǎo)體及PN結(jié) 8　半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 8　雜質(zhì)半導(dǎo)體 8　PN結(jié) 10　熱電效應(yīng) 10　塞貝克效應(yīng) 10　帕爾帖效應(yīng) 13　湯姆遜效應(yīng) 16　半導(dǎo)體制冷片工作原理 17　半導(dǎo)體制冷片的結(jié)構(gòu) 19　半導(dǎo)體制冷片的命名方法 20　半導(dǎo)體制冷片的特性 20　半導(dǎo)體制冷片的選擇過程 21　使用半導(dǎo)體制冷片時的注意事項 22　半導(dǎo)體制冷片的性能參數(shù) 23　本章小結(jié) 24第3章　溫差發(fā)電演示儀的設(shè)計 26　溫差實現(xiàn)方案設(shè)計 26　實驗方案概述 26　三種溫差實現(xiàn)方案的比較與選擇 28　系統(tǒng)框圖 29　直流電源部分設(shè)計 29　電容降壓直流電源 29　變壓器降壓直流電源 30　散熱方案的設(shè)計和選擇 31　空氣自然對流散熱 31　強(qiáng)迫通風(fēng)散熱 33　水冷散熱 33　環(huán)流散熱 33　利用物質(zhì)的熔化潛熱散熱 34　五種散熱方案的比較與選擇 35　驅(qū)動電路部分設(shè)計 35　DCDC轉(zhuǎn)換電路 36　采用電流放大LED照明電路 36　本章小結(jié) 37第4章　溫差發(fā)電演示儀的實現(xiàn)與測試 38　設(shè)計概述 38　直流電源部分的實現(xiàn)和測試 38　直流電源部分的實現(xiàn) 38　直流電源部分的測試 40　溫差發(fā)電部分的實現(xiàn)與測試 40　溫差發(fā)電部分的實現(xiàn) 40　溫差發(fā)電部分的測試 44　驅(qū)動電路的制作與測試 48　驅(qū)動電路的制作 48　驅(qū)動電路的測試 50　本章小結(jié) 52結(jié)論 53參考文獻(xiàn) 54致謝 56第1章　緒論　概述　熱電效應(yīng)概述所謂的熱電效應(yīng)，是當(dāng)受熱物體中的電子(空穴)，因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動時，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象[1]。而這個效應(yīng)的大小，則是用稱為thermopower(Q)的參數(shù)來測量，其定義為(E為因電荷堆積產(chǎn)生的電場，dT則是溫度梯度)。另外兩種效應(yīng)是熱的不可逆效應(yīng)，即焦耳和傅里葉效應(yīng)[2]。具有熱電能量轉(zhuǎn)換特性的材料，在通過直流電時有制冷功能，因此而得名熱電制冷。至于溫差電制冷名稱的由來，是由于人們先發(fā)現(xiàn)了材料的溫差電動勢之后再發(fā)現(xiàn)其反效應(yīng)，即具有制冷功能的帕爾帖效應(yīng)與溫差發(fā)電對應(yīng)，把后者稱為溫差電制冷。條痕白色，有灰，白，稍黃，稍紅等顏色，具強(qiáng)烈的熱電效應(yīng)。明礬石為不規(guī)則礦床及礦脈，大屯山火山群之明礬石成細(xì)粒結(jié)晶而與石英，蛋白石及粘土礦物共生，有些成脈狀，有些交代安山巖中之基質(zhì)及結(jié)晶。為明礬及硫酸鉀的來源，另可提煉鋁及造紙，食品加工，凈水劑，染料等用途?！∩锏臒犭娦?yīng)美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，鯊魚鼻子里的一種膠體能把海水溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號，傳送給神經(jīng)細(xì)胞，使鯊魚能夠感知細(xì)微的溫度變化，從而準(zhǔn)確地找到食物。這種因溫差而產(chǎn)生電流的性質(zhì)與半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)類似，人工合成這種膠體，有望在微電子工業(yè)領(lǐng)域獲得應(yīng)用。鯊魚鼻子的皮膚小孔布滿了對電流非常敏感的神經(jīng)細(xì)胞。科學(xué)家認(rèn)為，借助這種膠體，℃的溫度變化，這會有利于它們在海水中覓食。與哺乳動物的這種方式不同，鯊魚利用膠體，不需要離子通道也能感知溫度變化。當(dāng)時，阿雷格（Arago）和大衛(wèi)（Davy）才發(fā)現(xiàn)電流對鋼鐵的磁化效應(yīng)，塞貝克對不同金屬進(jìn)行了大量的實驗，發(fā)現(xiàn)了磁化的熾熱的鐵的不規(guī)則反應(yīng)，也就是我們現(xiàn)在所說的磁滯現(xiàn)象。1820年初期，塞貝克通過實驗方法研究了電流與熱的關(guān)系。他將兩條導(dǎo)線首尾相連形成一個結(jié)點(diǎn)，他突然發(fā)現(xiàn)，如果把其中的一個結(jié)加熱到很高的溫度而另一個結(jié)保持低溫的話，電路周圍存在磁場。在接下來的兩年里時間里（18221823），塞貝克將他的持續(xù)觀察報告給普魯士科學(xué)學(xué)會，把這一發(fā)現(xiàn)描述為“溫差導(dǎo)致的金屬磁化”?？茖W(xué)學(xué)會認(rèn)為，這種現(xiàn)象是因為溫度梯度導(dǎo)致了電流，繼而在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生了磁場。但是，塞貝克自己卻難以解釋這樣一個事實：如果將電路切斷，溫度梯度并未在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場。1834年法國物理學(xué)家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，再將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負(fù)極上，通電后，發(fā)現(xiàn)一個接頭變熱，另一個接頭變冷。兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產(chǎn)生溫差。帕爾帖效應(yīng)可以視為塞貝克效應(yīng)的反效應(yīng)。帕爾帖效應(yīng)發(fā)現(xiàn)100多年來并未獲得實際應(yīng)用，因為金屬半導(dǎo)體的帕爾帖效應(yīng)很弱。1856年，湯姆遜利用他所創(chuàng)立的熱力學(xué)原理對塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)進(jìn)行了全面分析，并將本來互不相干的塞貝克系數(shù)和帕爾帖系數(shù)之間建立了聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，他又從理論上預(yù)言了一種新的溫差電效應(yīng)，即當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體中流過時，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆遜熱）。這一現(xiàn)象后叫湯姆遜效應(yīng)，成為繼塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)之后的第三個熱電效應(yīng)（thermoelectric effect）。1841年，英國物理學(xué)家焦耳發(fā)現(xiàn)載流導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量Q（稱為焦耳熱）與電流I的平方、導(dǎo)體的電阻R、通電時間t成正比，這個規(guī)律叫焦耳定律，也就是焦耳效應(yīng)。這就是傅里葉效應(yīng)。其中最著名的是塞貝克發(fā)現(xiàn)的溫差電流現(xiàn)象和帕爾帖發(fā)現(xiàn)的溫度反?，F(xiàn)象。利用塞貝克效應(yīng)，可制成溫差電偶（thermocouple，即熱電偶[4]）來測量溫度?，F(xiàn)在，通過采用鉑和鉑合金制作的熱電偶溫度計，甚至可以測量高達(dá)+2800℃的溫度。由于當(dāng)時只能使用熱電性能較差的金屬材料，能量轉(zhuǎn)換的效率很低。因此，一百多年來除了把金屬熱電偶用于溫度測量外，熱電效應(yīng)在技術(shù)上沒有得到實際應(yīng)用。例如，在宇宙航行器上應(yīng)用的砷化鉛(PbTe)半導(dǎo)體熱電發(fā)生器(以放射性同位素為熱源)的效率已達(dá)7%；在核潛艇上應(yīng)用的碲化鉍半導(dǎo)體熱電空調(diào)器的制冷系數(shù)已接近2。以后又在核潛艇上研制了熱電空調(diào)系統(tǒng)和熱電冷庫。美國最大的熱電空調(diào)器制冷量已達(dá)9冷噸(31kw)，多級熱電制冷的最低溫度可達(dá)150K?？墒?，目前由于半導(dǎo)體制冷的效率尚不如壓縮制冷器高，加上能源緊張，因此，未能廣泛應(yīng)用?！“雽?dǎo)體發(fā)電應(yīng)用展望隨著人類空間探索活動的日漸展開，醫(yī)用物理學(xué)的進(jìn)展以及在地球難于到達(dá)地區(qū)日益增加的資源考察與探查活動，需要開發(fā)一類能夠自身供能且無需照看的電源系統(tǒng)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、無運(yùn)動部件、無噪聲等特點(diǎn)。隨著全球石油消耗的劇增而伴隨的全球能源價格的不斷攀升，人們開始對全球目前以石化能源為主體的能源結(jié)構(gòu)所帶來的社會和經(jīng)濟(jì)問題進(jìn)行反思，越來越多的技術(shù)活動集中到新能源的開發(fā)及各類能源的綜合利用方面。盡管目前溫差發(fā)電的效率一般不超過14%，遠(yuǎn)低于普通發(fā)動機(jī)40%的效率。因此，對溫差發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用必將隨著社會的進(jìn)步而得到更廣泛的推廣[7]。我的設(shè)計任務(wù)是對半導(dǎo)體制冷和溫差發(fā)電的基本原理、特性、參數(shù)、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢、LED的驅(qū)動電路、目前半導(dǎo)體制冷和溫差發(fā)電存在的問題和解決方案進(jìn)行一定的學(xué)習(xí)與研究。本設(shè)計要求獨(dú)立設(shè)計出溫差發(fā)電演示儀并做出樣機(jī)，探究實驗測量方法，計算溫差發(fā)電的效率，并針對如何提高溫差發(fā)電的效率進(jìn)行一定的研究。有些物體，如鋼、鋁等具有良好的導(dǎo)電性能，我們稱它們?yōu)閷?dǎo)體。還有一些物體，如鍺、硅、砷化鎵及大多數(shù)的金屬氧化物和金屬硫化物，它們既不像導(dǎo)體那樣容易導(dǎo)電，也不像絕緣體那樣不易導(dǎo)電，而是介于導(dǎo)體和絕緣體之間，我們稱它們?yōu)榘雽?dǎo)體[8]。所謂電阻率，就是某種物體單位長度及單位截面積的體積內(nèi)的電阻值。半導(dǎo)體的電阻率隨溫度變化很大，每升高1℃，它的電阻率下降達(dá)百分之幾到百分之幾十。半導(dǎo)體中含有雜質(zhì)時對它的導(dǎo)電性能影響也很大。鍺是典型的半導(dǎo)體元素，是制造晶體管的一種常用材料。為了改善電性能并使其具有可控性，需在本征半導(dǎo)體中摻入微量的其它元素(稱為雜質(zhì))。N型半導(dǎo)體在硅(或鍺)本征半導(dǎo)體中摻入少量五價元素，如磷(P)，原晶體中的有些原子就被磷原子所取代，形成N型半導(dǎo)體。由于雜質(zhì)原子給出了多余的電子后成為不能移動的正離子，故稱為施主原子。N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電。硼原子的三個價電子與周圍的三個硅(或鍺)原子的價電子形成共價鍵，而與第四個相鄰硅(或鍺)原子形成的共價鍵中卻留下了一個空位。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，而自由電子是少數(shù)載流子。綜上所述，摻入雜質(zhì)后，由于載流子的濃度提高，因而雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能將增強(qiáng)，而且摻入的雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性能也就越強(qiáng)，實現(xiàn)了導(dǎo)電性能的可控性。應(yīng)當(dāng)指出，雖然少子濃度很低，但它對溫度非常敏感，將影響半導(dǎo)體器件的性能[9]。因為這時在它們的交界面上形成了一個所謂PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，單向?qū)щ姮F(xiàn)象就發(fā)生在這一薄薄的PN結(jié)中。電子和空穴的擴(kuò)散是同時進(jìn)行的，總的結(jié)果，P型區(qū)薄層Ⅱ流走了空穴，流進(jìn)了電子，所以帶負(fù)電，而N型區(qū)的薄層Ⅰ流走了電子，流進(jìn)了空穴，因而帶正電，而且隨著擴(kuò)散現(xiàn)象的繼續(xù)進(jìn)行，薄層逐漸變厚，所帶的電量也逐漸增加。所謂PN結(jié)，就是指薄層Ⅰ和Ⅱ所構(gòu)成的帶電結(jié)構(gòu)。它們之間的電位差一般稱勢壘或位壘[10]。進(jìn)一步實驗之后，發(fā)現(xiàn)了回路中有一電動勢存在，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)或溫差電效應(yīng)?！∪惪诵?yīng)示意圖，溫差電流I和溫差電動勢是同向的，而的大小與結(jié)點(diǎn)的溫差成正比。塞貝克系數(shù)不是由一種材料，而是由一對材料形成的。因此，塞貝克系數(shù)不只是大小，符號也很重要。這樣，熱電偶由兩種不同的材料組成，則結(jié)點(diǎn)的塞貝克系數(shù)為兩種材料絕對值的差。實際上，這種理想材料只能是處在極低溫度下的超導(dǎo)體。當(dāng)對銅進(jìn)行這樣的測量時，得到室溫下絕對塞貝克系數(shù)約為2μV/K。若用和表示材料1和2的絕對塞貝克系數(shù)，由這兩種材料所制成的熱電偶其系數(shù)為。一般由純金屬構(gòu)成的熱電偶，的平均值約為20μV/K；由合金材料構(gòu)成的熱電偶，的平均值約為50μV/K；而對半導(dǎo)體材料，可達(dá)1000μV/K。體積電動勢是任何兩端存在溫差的導(dǎo)電材料內(nèi)部產(chǎn)生的電動勢，在物理學(xué)中又稱湯姆遜電動勢。金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是價電子，價電子在金屬晶體中作不規(guī)則的自由運(yùn)動。兩端的正負(fù)電荷在金屬棒中建立起一個靜電場，它阻止電子從高溫端向低溫端運(yùn)動，而使反向運(yùn)動的電子加速。體積電動勢與這個電位差大小相等且方向相反。（a）N型半導(dǎo)體 （b）P型半導(dǎo)體　體積電動勢的產(chǎn)生半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是自由電子和空穴。自由電子和空穴是價電子受熱激發(fā)后改變運(yùn)動狀態(tài)所產(chǎn)生的。對于P型半導(dǎo)體，其導(dǎo)電機(jī)構(gòu)是空穴，與自由電子的區(qū)別是電荷相等且符號相反，所以體積電動勢的方向與金屬相反。接觸電動勢是在熱電偶接頭處存在的電動勢，它在物理學(xué)