半导体制冷在投影仪散热中应用的前景

温度对发光二极管的电学和光谱参数均有较大影响。一些采用发光二极管作为光源的投影仪，为了保证仪器性能并且能正常工作，需要对其光源受温度影响的特性作深入的研究，进而掌握仪器的最佳工作环境温度。

半导体制冷，又称电子制冷、温差电制冷、热电制冷或珀尔帖制冷等，半导体制冷器的尺寸小，可以制成体积不到1cm小的制冷器；重量轻，微型制冷器往往能够小到只有几克或几十克。无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，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。

1 半导体制冷基本原理

所谓的热电效应，是当受热物体中的电子（洞），因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小，则是用称为thermopower（Q）的参数来测量，其定义为Q=E/-dT（E为因电荷堆积产生的电场，dT则是温度梯度）。

半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的，改变电流方向时，放热和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比，且与两种导体的性质及热端的温度有关。

热电效应是半导体制冷的最基本依据，其中最着名的是塞贝尔效应和珀尔帖效应。1821年，塞贝尔发现在用两种不同导体组成闭合回路中，当2个连接点温度不同时（T1T2），导体回路就会产生电动势（电流），如图1所示。1834年，法国科学家珀尔帖在此基础上做了一个相反的实验：用两种不同导体组成闭合回路并通直流电，连接处出现了一端冷、一端热的现象，即珀尔帖效应，如图2所示。

2 半导体制冷的材料特性

普通金属导体的珀尔帖效应微弱，例如当时曾用金属材料中导热和导电性能最好的锑-铋（Sb-Bi）热电偶做成制冷器，但其制冷效率还不到1%，根本没有实用价值，因此珀尔帖效应长时间不受重视。

由3块金属板和1对电偶臂组成的热电偶，在通上如图3所示的电流时，金属板1会从周围吸收热量，而金属板2、3则释放热量。金属板1作为工作端可达到制冷的目的，而将电源极性反过来（即通以反方向电流），金属板2、3吸收热量，金属板1释放热量。在这种情况下，若金属板1作为工作端，则如图3所示的就是制热器了。实验表明，与普通金属相比，半导体电路的珀尔帖效应明显增强。图3中这对电偶制冷量很小，通常只有几百毫瓦到2~3 W之间，为了得到更好的制冷效果，通常串联、并联、混联上述电偶组成制冷电堆，获得数瓦到数千瓦的制冷量。

通常半导体制冷器由许多N型和P型半导体组成，N、P结之间以一般导体连接成完整线路，通常采用铝、铜或其他金属导体，最后像夹心饼干一样，外夹2片陶瓷片。陶瓷片必须绝缘，而且导热性能要良好，如图4所示。

并非所有半导体材料[5]都能制作半导体制冷器，这里所说的半导体材料不是人们熟悉和常见的制造二极管、三极管等电子器件的硅（Si）或锗（Ge），而是相对复杂的化合物半导体，如P型的Bi2Te3-Sb2Te3、AgTiTe、AgCuTiTe及N型的Bi-Sb合金等。衡量半导体材料热电性能的系数用Z表示，称为优值系数。它是一个与材料的温差电动势率、电导率、电阻率、热导率（包括晶格热导率、电子热导率）相关的综合参数，其量纲为K-1。上述几种材料的Z值在3×10-3K-1左右。Z值越大，说明材料的热电性能越好，制作的制冷器在相同条件下的制冷效率就越高。此外，同种半导体材料的Z值还与温度有关，温度不同Z值也不同。

3 半导体制冷的特点

与传统的蒸气压缩式、蒸气喷射式和吸收式制冷等技术相比，半导体制冷具有以下特点：不使用制冷剂、不污染环境，绿色环保；体积小、重量轻、结构简单、容易操作；可只冷却某一专门元件或指定空间；可在失重或超重等极端环境下运行；制冷系统无机械转动，所以无噪音、无磨损、运行可靠、维护方便；便于通过改变电流方向达到冷却和加热的不同目的；具有发电能力，在制冷组件两面建立温差可产生直流电；冷却速度不仅快，而且便于通过工作电流大小实现可控调节。

4 半导体制冷应用于投影仪展望

投影仪产生的热量最主要来自于灯泡。无论是传统的金属卤素灯泡，还是UHE、UHP等冷光源灯泡，在使用过程中都会发出很