一种微型温差电制冷器建模与性能分析

　　1 引言

　　在半导体电子元器件发展过程中，研究的重点主要是通过提高集成度丰富器件的功能，同时在同等功能条件下，降低器件的物理尺寸。然而，在这一研究过程中，阻碍器件集成度的因素不仅仅是器件本身的生产工艺，而且还与器件的散热和制冷有关。并且，随着器件集成度的不断提高，器件内部的制冷成为了越来越重要的研究问题。

　　强调电子元件的微型化趋势直接关系到制冷器的微型化: 为与冷却物体相匹配，必须减小制冷器的尺寸。随着现代集成电路变得越来越小，越来越密集，过热便成了问题。除制造超小元件的困难外，这也是限制制冷器微型化的原因。

　　目前，电子产品中采用的一些集成电路和激光使用温差电制冷器进行冷却。与普通冰箱不同的是: 温差电制冷装置没有运动机件，所以非常牢固而可靠。但它们不是非常高效，因此，目前的趋势是将它们应用在紧密度和光亮度更为重要的地方。在微电子学中，温差电制冷器通常与芯片和器件分开制造，然后用螺栓紧固到整个芯片上。新的微制冷器的制造和使用效率更高，因为它们直接制造在芯片上。微小的尺寸使它们能够调节可大幅度降低芯片工作寿命的“热点”。

　　由此，在设计和开发带有局部降温功能的电子元件时就出现了问题。从成本和效率方面来看，热电方法的使用看似是冷却电子元件的最实用方法，热电冷却的现代成果能够成功地解决这些问题。

　　新的带有厚薄膜的冷却温差电微型装置的设计应适用于 100—300W/cm2的高电平输出功率。

　　加利福尼亚的一个科学家小组刚刚获得温差电制冷器微型化中的一个基本过程。他们用量子阱与超晶格作为膜微型制冷器的材料，该膜微型制冷器厚度为几百纳米，面积为 40 微米 × 40 微米。当芯片以 100℃ 的温度工作时，分层可使硅片的局部温度降低最多 7℃。

　　温差电制冷器的传统理论应加以修正，以适应采用厚薄膜的温差电制冷器以及它们在高电平热功率输出下工作时。本文旨在确定影响温差电微制冷器中的传输过程的物理原因，并讨论运动学系数变化模式、最优值以及温差电微制冷器的制冷系数。

　　2 微型温差电制冷器建模与分析

　　2. 1 微型温差电制冷器工作规律研究

　　从微型温差电制冷器常规运动过程中得出的一个规律: 研究温差电制冷过程中，应该注意半导体薄膜的厚度 h ( 也称热电臂的高度) 是否和其他决定问题的长度相匹配，这也是由其自身的物理规律所决定。根据对微型温差电制冷器的工作过程进行分析，可以发现微观长度表现为一种给定材料的特点，意味着自由的电子路径、空穴、声子以及载流子和声子的能量持续的长度等等。影响制冷效能的最重要的因素是能量持续的长度，因为这个长度是其他微观长度之间的总长度。这个长度可以通过公式得出: LE≈Vrτετp。LE表示的是总长度，Vr是携带物的热速度，τε和 τp分别是电子和空穴的能量和动量的持续时间; 此外，对于微型温差电制冷器而言。长度信息还描述了其物理上的变化。根据温差电制冷器工作过程的研究，热场是相当重要的一个因素。决定热场变化的长度是由改变这个长度的温度所决定，因此根据长度的变化情况可以推断出温度的变化情况。Lr=T / │gradT│。Lr表示的是变化长度，对半导体薄膜的厚度、总长度以及变化长度这三个数据的相互比较和研究，可以看到传输现象的各种各样完全不同的情况。这些物理因素应该导致出温差电制冷器的一些额外过程，有些过程前人已经研究过。