半导体制冷技术研究
3 半导体制冷材料及器件的发展动向
在过去的二十多年里，半导体制冷材料及其器件的研究没有取得突破性的进展，要想制造出性能优良的半导体制冷组件，制冷材料必须具有较高的优值系数(zT)。目前世界上具有最高zT值的半导体制冷材料是Bi21b合金。最近，在热电(电子)制冷领域，世界上出现了对两种新型半导体制冷
材料及其器件的研究热潮，并取得了一定的进展。这两种新型半导体制冷材料及器件分别为半导体量子阱超晶格薄膜材料及其器件与方钴矿类高温半导体制冷材料及其器件。用半导体量子阱超晶格结构获得较高zT值的设想是美国Massachusetts技术学院的L．D．Hievs及M．S．Dre8 L halls于1993年首先提出来的。他们在理论上计算了用单带材料及双带材料分别形成二维量子阱结构后对zI’值的影响。所谓单带材料就是指具有一种载流子(电子或空穴)的半导体热
电材料，目前具有最高zI'值的热电材料都是单带材料。双带材料如半金属不是理想的热电材料，用这些材料形成二维量子阱超晶格结构之后，可以有效地分离双带，转变成有效的单载流子系统材料。他们的理论计算表明二维量子阱超品格结构的zr值比单带材料有显著提高。在300K下，zT值可以达到3．0以上，是传统热电材料Bi2 合金的3倍。这一理论结果的发表，引起了科研工作者的研究兴趣，因为如果从实验上zT值能够达到这一值，可望热电制冷技术能与其它制冷技术如机械制冷技术相抗衡。目前开展量子阱超晶格结构的半导体制冷材料及其器件研究的国家有美国，日本，乌克兰，德国等，其中以美国，日本的研究力量最为强大。
另一个值得关注的问题足高温半导体热电材料及其器件的研究。美国发现一种新型的热电材料，这种材料在高温下具有优良的输运特性，它是方钴大家族的成员，在热电应用方面显示出巨大的潜力。这种热电材料具有多晶结构，在高温下(一般在650度 750度)用粉末冶金技术制备而成，在350度一750度的温度范围内显示出超常的热电特性。例如，CeFe3．5Co0．5Sb12体材料，具有P型电导率，在600度下优值系数zT达到1．4，与其它能量转换材料相比，用这种材料制成的组件有一定的优势，如可靠性强，适应于高温不良环境，有利于环保等。但这种材料也有其弱点，其晶格热导率较高，在300K下可以达到0．01 0．15W／cmK。目前科研工作者正在尝试用不同技术来减小该材料的晶格热导率，已有的实验结果表明，这种材料的热导率有可能得到进一步降低，以获得较大的优值系数。
我国在以上两个方面的研究工作尚有一个空白。就最近两届国际热电技术年会来说，第十五届国际热电技术年会于1996年3月在美国加利福尼亚州召开，我国没有代表参加这次年会，第十六届国际热电技术年会于1997年8月在德国召开，我国有两个单位提交了论文，但工作主要集中在传统热电制冷组件方面，据了解，我国已有实验室开始从事量子阱超晶格热电材料的研究工作。运用半导体技术进行家电制冷，将消除由生产工艺带来的环境污染，同时也大大的节约了能源，因此对于这项技术的研发成为一个热点。然而，由于技术水平等原因，开发大功率的半导体制冷元件
也一直是个难点。
目前国内对半导体制冷技术也有进展，已经研制出双内循环储冷式半导体交换器，它与半导体能源组件、散热系统构成一个能量转换系统。这种交换器可以方便应用于冰箱、空调器等制冷产品中，是取代机械压缩泵和氟里昂制冷剂的绿色环保产品。此项技术在大功率半导体制冷复合技术方面在国内应属领先水平。而在半导体制热效率应用方面则率先开辟了新的领域。
在过去的二十多年里，半导体制冷材料及其器件的研究没有取得突破性的进展，要想制造出性能优良的半导体制冷组件，制冷材料必须具有较高的优值系数(zT)。目前世界上具有最高zT值的半导体制冷材料是Bi21b合金。最近，在热电(电子)制冷领域，世界上出现了对两种新型半导体制冷
材料及其器件的研究热潮，并取得了一定的进展。这两种新型半导体制冷材料及器件分别为半导体量子阱超晶格薄膜材料及其器件与方钴矿类高温半导体制冷材料及其器件。用半导体量子阱超晶格结构获得较高zT值的设想是美国Massachusetts技术学院的L．D．Hievs及M．S．Dre8 L halls于1993年首先提出来的。他们在理论上计算了用单带材料及双带材料分别形成二维量子阱结构后对zI’值的影响。所谓单带材料就是指具有一种载流子(电子或空穴)的半导体热
电材料，目前具有最高zI'值的热电材料都是单带材料。双带材料如半金属不是理想的热电材料，用这些材料形成二维量子阱超晶格结构之后，可以有效地分离双带，转变成有效的单载流子系统材料。他们的理论计算表明二维量子阱超品格结构的zr值比单带材料有显著提高。在300K下，zT值可以达到3．0以上，是传统热电材料Bi2 合金的3倍。这一理论结果的发表，引起了科研工作者的研究兴趣，因为如果从实验上zT值能够达到这一值，可望热电制冷技术能与其它制冷技术如机械制冷技术相抗衡。目前开展量子阱超晶格结构的半导体制冷材料及其器件研究的国家有美国，日本，乌克兰，德国等，其中以美国，日本的研究力量最为强大。
另一个值得关注的问题足高温半导体热电材料及其器件的研究。美国发现一种新型的热电材料，这种材料在高温下具有优良的输运特性，它是方钴大家族的成员，在热电应用方面显示出巨大的潜力。这种热电材料具有多晶结构，在高温下(一般在650度 750度)用粉末冶金技术制备而成，在350度一750度的温度范围内显示出超常的热电特性。例如，CeFe3．5Co0．5Sb12体材料，具有P型电导率，在600度下优值系数zT达到1．4，与其它能量转换材料相比，用这种材料制成的组件有一定的优势，如可靠性强，适应于高温不良环境，有利于环保等。但这种材料也有其弱点，其晶格热导率较高，在300K下可以达到0．01 0．15W／cmK。目前科研工作者正在尝试用不同技术来减小该材料的晶格热导率，已有的实验结果表明，这种材料的热导率有可能得到进一步降低，以获得较大的优值系数。
我国在以上两个方面的研究工作尚有一个空白。就最近两届国际热电技术年会来说，第十五届国际热电技术年会于1996年3月在美国加利福尼亚州召开，我国没有代表参加这次年会，第十六届国际热电技术年会于1997年8月在德国召开，我国有两个单位提交了论文，但工作主要集中在传统热电制冷组件方面，据了解，我国已有实验室开始从事量子阱超晶格热电材料的研究工作。运用半导体技术进行家电制冷，将消除由生产工艺带来的环境污染，同时也大大的节约了能源，因此对于这项技术的研发成为一个热点。然而，由于技术水平等原因，开发大功率的半导体制冷元件
也一直是个难点。
目前国内对半导体制冷技术也有进展，已经研制出双内循环储冷式半导体交换器，它与半导体能源组件、散热系统构成一个能量转换系统。这种交换器可以方便应用于冰箱、空调器等制冷产品中，是取代机械压缩泵和氟里昂制冷剂的绿色环保产品。此项技术在大功率半导体制冷复合技术方面在国内应属领先水平。而在半导体制热效率应用方面则率先开辟了新的领域。
编审： 杨科
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