星空XK·(中国)体育官方网站 -半导体控温原理

一、核心原理：珀尔帖效应

• 半导体材料的选择：
  半导体（如碲化铋 Bi₂Te₃及其合金）的珀尔帖效应远强于金属（金属的效应仅为半导体的 1/100~1/10），因此成为核心材料。其原理是：半导体中的载流子（电子或空穴）在电场作用下运动时，会携带能量跨越不同材料的界面，导致能量（热量）的转移。

• 当电子从 P 型半导体（空穴导电）流向 N 型半导体（电子导电）时，接口处吸收热量（制冷端）；

• 当电子从 N 型半导体流向 P 型半导体时，接口处释放热量（制热端）。

• 可逆性：若改变电流方向，吸热和放热的接口会互换，即制冷端变制热端，反之亦然，这一特性使其可灵活实现升温和降温控制。

二、半导体控温系统的组成与工作流程

1. 半导体致冷片（TEC，Thermoelectric Cooler）

• 核心元件，由多个 P 型和 N 型半导体颗粒交替排列，通过金属导流片连接成电偶对，封装在陶瓷基板之间（陶瓷绝缘且导热）。

• 一片 TEC 的制冷 / 制热功率有限（通常几瓦到数百瓦），实际应用中可通过多片叠加或阵列组合提升功率。

2. 温度传感器

• 用于实时监测被控对象的温度（如热电偶、铂电阻 Pt100、NTC 热敏电阻等），精度可达 ±0.1℃甚至更高，为反馈控制提供数据。

3. 控制电路（PID 控制器）

• 若被控温度高于设定值，控制 TEC 制冷端工作，电流方向使目标端吸热；

• 若被控温度低于设定值，切换电流方向，使目标端放热（制热）；

• 通过微调电流强度，实现温度的稳定（波动可控制在 ±0.01℃以内，适用于高精度场景）。

• 接收温度传感器的信号，与设定温度对比后，通过 PID（比例 - 积分 - 微分）算法调节输入 TEC 的电流大小和方向：

4. 散热系统

• TEC 的制热端（或制冷时的放热端）会产生大量热量，需通过散热片、风扇或水冷系统及时导出，否则会影响制冷效率甚至烧毁 TEC。