热电偶与半导体制冷

本文关注热电效应与应用，即测试用用到的热电偶与半导体制冷。

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热电效应

热电效应包括三个效应，内容是热能量与电能量的转换。

1. Seebeck effect: 温差-->电势差/电流。热电偶工作利用该效应。该效应也可用于发电。

2. Peltier effect: 电流-->温差，可以看作是Seebeck effect的逆过程。半导体制冷工作利用该效应。

3. Thomson effect: 前面两种效应关注不同材料接触点，本效应关注同一材料在温度梯度与电流下吸放热的情况。本文暂不关注该效应。

下面结合两种应用分析一下热电效应的本质原理。

热电偶

热电偶是使用两种不同金属材料丝，一端将两种材料丝连接并放入要测试的温度环境中，另一端接到常温环境的测量仪表上。通过测量产生的电压计算补测点与常温的温度差，从而知道被测点的温度。

在之前的文章肖特基势垒与欧姆接触中提到过材料的功函数。不同金属材料有不同的功函数，两种材料的接触与之前文章中提到的金属与半导体的接触也有相似的过程。电子会自发的向更低的能量状态流动，如下图所示，Metal A中的电子会流向更低能量状态的Metal B，从而形成电势差，称为接触电势。费米能级也是金属中自由电子数量和速度的体现，更高的费米能级代表自由电子数量更多，动能更大，所以会扩散到另一个导体中。

另一种称为温差电势，在每一种金属中，由温度差带来的电势差。对金属而言，其本质也是扩散，不过对金属而言，载流子数量跟温度关系相对较小，影响扩散的因素是载流子动能速度和平均自由程。温差电势差就是下图中的eA(T,T0)/eB(T,T0)。

from 能源科学与工程学院ppt

接触电势差与温差电势差共同组成seebeck效应。（更多细节待学习）

实际使用的热电偶一般如下图所示，Tsense为要测试的温度点，Tref为参考温度点（一般为室温）。后面连接的铜线不影响前面的分析。

半导体制冷

半导体材料的热电效应与金属略有不同，因为半导体中的载流子数量是会随温度的升高而增加的，所以半导体材料，热端的载流子数量要大于冷端的数量，所以载流子扩散是主要作用，对于N型半导体，一些电子移动到冷端，使热端正离子更多，热端电势高于冷端。对于P型半导体，空穴移动到冷端，热端电势低于冷端。因为有载流子数量的变化，所以半导体的热电效应要强于金属。

from wikipedia

理解半导体制冷的过程：在环路中电流是相同的，但载流子在不同材料中的能量是不同的；电子从电源负极出发，经金属导线进入P型半导体，与空穴结合释放热量，冷端吸热产生电子-空穴对，电子进入金属，空穴在P型半导体中传输；电子经金属进入N型半导体，金属中电子能级低于N型半导体中导带电子能级，吸热，并在热端放热再进入金属，最终返回电源正极。

如果将电源正负极互换，则上述分析过程反过来，原来的冷端成为热端，热端成为冷端。半导体制冷设备也可以制热。通过改变电源的极性与电流的大小就可以控制温度。

实际使用中往往使用多组半导体电串联/热并联的方式组合增强制冷/制热效果。

from wikipedia

半导体制冷器件用于需要温度控制的场景，如冷冻相机，光模块中的TEC，如测试温度调节等。但因为成本与能效原因不适用于大功率温度控制场景，如空调。

总结：

1. 温度测量利用金属的温度稳定性和seebeck效应，通过测量电势差得到被测点与参考点的温度差，从而得到被测点的温度。

2. 半导体制冷利用半导体的高热电系数和Peltier效应，通过调整电流极性和大小来控制温度。

3. 本文理论部分有点乱，后续可能需要刷新。