ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Кафедра технологических и автоматизированных

систем электронного машиностроения

Методические указания

к лабораторным работам № 5—8

по дисциплине «Материалы и элементы

электронной техники»

для студентов специальности 210107

«Электронное машиностроение»

очной формы обучения

Воронеж 2010

Составители: д-р техн. наук С.А. Акулинин,

ст. преп. С.А. Минаков

УДК 621.382

Методические указания к лабораторным работам № 5—8 по дисциплине «Материалы и элементы электронной техники» для студентов специальности 210107 «Электронное машиностроение» очной формы обучения / ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. С.А. Акулинин, С.А. Минаков. Воронеж, 2010. 49 с.

Методические указания содержат краткие теоретические и практические сведения об эффекте Пельтье, ВАХ контакта металл-полупроводник, МНОП-структурах, явлениях в сильных электрических полях.

Предназначены для оказания помощи студентам при выполнении лабораторных работ и закреплении теоретических сведений по дисциплине ««Материалы и элементы электронной техники». Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе Microsoft Word 2003 и содержатся в файле Техника2.doc.

Табл. 1. Ил. 15. Библиогр.: 4 назв.

Рецензент д-р техн. наук, доц. К.А. Разинкин

Ответственный за выпуск зав. кафедрой

д-р техн. наук, проф. О.Н. Чопоров

Печатается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет», 2010

Лабораторная работа № 5 исследование термоэлектрических явлений в полупроводниках

Цель работы: изучение эффекта Пельтье, его использования в термоэлектрических модулях, расчет стационарных режимов термоэлектрических систем охлаждения с помощью программы Kryotherm.

Введение

Эффект Пельтье и термоэлектрический модуль

В основе работы термоэлектрического модуля лежит эффект Пельтье, открытый в 1834 г. Суть этого эффекта состоит в том, что при протекании электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников (термопара), в местах контактов проводников поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока, теплота Пельтье. Количество тепла пропорционально току, проходящего через термопару.

Особую эффективность имеет эффект Пельтье при использовании термопар, изготовленных из полупроводников различного типа проводимости (n- и p- типа). Для производства термоэлектрических модулей Инженерно-Производственная Фирма КРИОТЕРМ использует сплав теллура и висмута с добавками селена и сурьмы. Тщательно очищенные и подготовленные материалы сплавляются таким образом, чтобы получить поликристаллический материал с анизотропными термоэлектрическими свойствами.

1.Теоретическая часть

Модули Пельтье

В холодильниках Пельтье используется обычный, так называемый термоэлектрический холодильник, действие которого основано на эффекте Пельтье. Данный эффект назван в честь французского часовщика Пельтье (1785-1845 г.), сделавшего свое открытие более полутора столетий назад - в 1834 г.

С ам Пельтье не совсем понимал сущность открытого им явления. Истинный смысл явления был установлен несколькими годами позже в 1838 году Ленцем (1804-1865 г.).

Рис. 1. Схема опыта для измерения тепла Пельтье, Cu - медь, Bi - висмут.

В углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы Ленц поместил каплю воды. При пропускании электрического тока в одном направлении капля воды замерзала. При пропускании тока в противоположном направлении образовавшийся лед таял. Тем самым было установлено, что при прохождении через контакт двух проводников электрического тока, в зависимости от направления последнего, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Это явление получило название явления Пельтье (эффекта Пельтье). Таким образом, оно является обратным по отношению к явлению Зеебека.. Если в замкнутой цепи, состоящей из нескольких металлов или полупроводников, температуры в местах контактов металлов или полупроводников разные, то в цепи появляется электрический ток. Это явление термоэлектрического тока и было открыто в 1821 году немецким физиком Зеебеком (1770-1831 г.).

В отличие от тепла Джоуля-Ленца, которое пропорционально квадрату силы тока (Q=R·I·I·t), тепло Пельтье пропорционально первой степени силы тока и меняет знак при изменении направления последнего. Тепло Пельтье, как показали экспериментальные исследования, можно выразить формулой:

Qп = П ·q

где q - количество прошедшего электричества (q=I·t), П - так называемый коэффициент Пельтье, величина которого зависит от природы контактирующих материалов и от их температуры.

Тепло Пельтье Qп считается положительным, если оно выделяется, и отрицательным, если оно поглощается.

В представленной схеме опыта измерения тепла Пельтье при одинаковом сопротивлении проводов R (Cu+Bi), опущенных в калориметры, выделится одно и то же джоулево тепло в каждом калориметре, а именно по Q=R·I·I·t. Тепло Пельтье, напротив, в одном калориметре будет положительно, а в другом отрицательно. В соответствии с данной схемой можно измерить тепло Пельтье и вычислить значения коэффициентов Пельтье для разных пар проводников.

Необходимо отметить, что коэффициент Пельтье находится в существенной зависимости от температуры. Некоторые значения коэффициента Пельтье для различных пар металлов представлены в таблице.

Коэффициент Пельтье, являющийся важной технической характеристикой материалов, как правило, не измеряется, а вычисляется через коэффициент Томсона:

П = α · T

где П - коэффициент Пельтье, α - коэффициент Томсона, T - абсолютная температура.

Открытие эффекта Пельтье оказало большое влияние на последующее развитие физики, а в дальнейшем и различных областей техники.

Р ис. 2. Использование полупроводников p- и n-типа в термоэлектрических холодильниках.

Итак, суть открытого эффекта заключается в следующем: при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значительной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электрических режимов.

Рис. 3. Структура модуля Пельтье

Классическая теория объясняет явление Пельтье тем, что электроны, переносимые током из одного метала в другой, ускоряются или замедляются под действием внутренней контактной разности потенциалов между металлами. В первом случае кинетическая энергия электронов увеличивается, а затем выделяется в виде тепла. Во втором случае кинетическая энергия электронов уменьшается, и эта убыль энергии пополняется за счет тепловых колебаний атомов второго проводника. В результате происходит охлаждение. Более полная теория учитывает изменение не потенциальной энергии при переносе электрона из одного металла в другой, а изменение полной энергии.

Наиболее сильно эффект Пельтье наблюдается в случае использования полупроводников p- и n-типа проводимости. В зависимости от направления электрического тока через контакт полупроводников разного типа - p-n- и n-p-переходов вследствие взаимодействия зарядов, представленных электронами (n) и дырками (p), и их рекомбинации энергия либо поглощается, либо выделяется. В результате данных взаимодействий и порожденных энергетических процессов тепло либо поглощается, либо выделяется. Использование полупроводников p- и n-типа проводимости в термоэлектрических холодильниках иллюстрирует рис. 2.

Объединение большого количества пар полупроводников p- и n-типа позволяет создавать охлаждающие элементы - модули Пельтье сравнительно большой мощности. Структура полупроводникового термоэлектрического модуля Пельтье представлена на рис. 3.

2. Экспериментальная часть

ИНЖЕНЕРНАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ

В последние годы широкое развитие получило серийное производство полупроводниковых термоэлектрических модулей (ТЭМ) и, как следствие, систем охлаждения и термостабилизации на их основе. В настоящее время в мире производится несколько миллионов модулей, и все они находят свое применение в различных устройствах – в бытовых, автомобильных холодильниках, в медицинской технике, в системах охлаждения активных элементов твердотельных лазеров, компьютерных процессоров. С недавних пор научно-технический прогресс, новые принципы эко­номики и организации производства существенно изменили подход к проектированию таких сис­тем. Широкое распространение термоэлектрических модулей приводит к тому, что разработчик системы охлаждения, как правило, не является производителем модулей. В этой связи многолет­ний опыт и знание методов расчета, которые десятилетиями накапливались в научно-производст­венных организациях, выпускавших термоэлектрические батареи и модули, зачастую становятся недоступными большинству специалистов, занимающихся разработкой термоэлектрических систем охлаждения и термостатирования (ТЭСОТ). С целью восполнить недостаток в удобных средствах вычислений и оценки эффективности термоэлектрических устройств в инженерно-произв­одственной фирме Криотерм была построена и реализована в виде компьютерной программы инженерная методика расчета стационарных режимов систем охлаждения. Термоэлектричество является достаточно сложной и специфичной областью науки. Процессы, происходящие в термоэлектрических системах, характеризуются тесной связью тепловых и электрических явлений, наличием множества нелинейных параметров, по-своему влияющих на режимы работы устройств. Поэтому в начале разработки системы охлаждения целесообразно уделить основное внимание особенностям функционирования главного элемента системы – термоэлектрического модуля. Впоследствии, в ходе выяснения принципа действия отдельного модуля и определения требований к показателям термоэлектрической системы перед разработчиком встает вопрос, – какой из вариантов комплектации модулями конкретного типа и количества будет оптимальным для решения поставленной задачи? После решения выбора варианта комплектации модулями и определения остальных конструктивных элементов системы охлаждения разработчик обычно проводит поверочный расчет.

Целью расчета является нахождение окончательных показателей системы охлаждения, а также выяснение влияния элементов конструкции на характеристики системы. Такая последовательность проектирования является общей для различных систем, и она нашла свое отражение в структуре программы, реализующей методы расчета термоэлектрических устройств. Программа "Криотерм" состоит из трех частей:

"Performance Graphs" (Графики характеристик);

"Choice of modules" (Выбор модулей);

"ThermoElectric System Calculation" (TESC, Расчет термоэлектрической системы).

При определенных параметрах (коэффициент Зеебека модуля E, электрическое сопротивление R, тепловая проводимость K) и количестве модулей n программа вычисляет ток I согласно следующей формуле:

(2)

где - добротность термоэлектрического модуля,

Исходя из условия равенства нулю дискриминанта уравнения (2) записывается выражение для минимального числа используемых модулей:

(3)

где

При минимальном количестве ТЭМ модуль фактически работает в режиме максимальной холодопроизводительности. Для данного типа модулей минимум количества соответствует минимуму их стоимости, поэтому найденное значение n_min является оптимальным по стоимости. По значению тока (2) легко вычислить остальные характеристики модулей, в т. ч. и холодильный коэффициент COP:

(4)

На рис.3 представлена типичная зависимость холодильного коэффициента от числа модулей, из которой видно, что существует некоторое оптимальное количество ТЭМ, дающее наибольший холодильный коэффициент.

Рис. 4 Зависимость холодильного коэффициента COP от количества используемых модулей n.

Программа проводит вычисления по определению оптимальных количеств модулей для каждого типа, и далее позволяет отсортировать полученные решения по холодильному коэффициенту или стоимости. При этом пользователь имеет возможность видеть не только одно решение, наилучшее с точки зрения оптимизируемого параметра, но и полный список решений для всей номенклатуры термоэлектрических модулей производства ИПФ "Криотерм". Это позволяет ему проводить выбор модулей и по неформальным критериям - в частности, по размерам, по электрическим параметрам. Пользователь также имеет возможность сравнить различные варианты использования модулей, что важно при наличии у него конкретных ТЭМ. Заложенная в программу обширная база данных по модулям (150 наименований) позволяет проводить различного рода исследования. Так, было получено, что при температуре горячего спая 300 К и суммарной холодопроизводительности 10 Вт, максимальный холодильный коэффициент в интервале разностей температур спаев от 0 до 51 К обеспечивается использованием однокаскадных модулей, от 52 К до 80 К - двухкаскадных ТЭМ, от 81 К до 92 К - трехкаскадных, свыше 93 К - четырехкаскадных.

Наибольший практический интерес для разработчиков систем охлаждения представляет третья часть программы - "ThermoElectric System Calculation". Она позволяет проводить поверочный расчет температуры объекта Tob при известных параметрах элементов конструкции ТЭСОТ. Для этого необходимо ввести следующие исходные данные:

-температуру среды Ta;

-тип и количество модулей, схему их электрического соединения;

-напряжение U или ток питания I системы;

-тепловое сопротивление изоляции Rins;

-тепловые сопротивления горячего Rh и холодного Rc радиаторов;

-мощность тепловыделений объекта Wob.

В программе предусмотрен вариант охлаждения потока жидкости или газа, когда основной целью работы системы является получение пониженной температуры потока на выходе относительно его температуры на входе. Инженерная методика расчета стационарных режимов основана на решении системы уравнений теплового баланса (5)-(9):

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Результатом решения являются температуры Tc, Th, тепловые потоки Qc, Qh, ток I или напряжение питания U. Алгоритм расчета построен таким образом, что вычисления систем охлаждения могут быть проведены с различной степенью детализации. Можно ограничиться вводом численных значений безотносительно их соответствия элементам конструкции системы, а можно выполнить подробные расчеты, вплоть до определения коэффициента теплоотдачи между ребрами радиатора и средой. Наличие дополнительных алгоритмов по определению характеристик теплоизоляции и теплообменников позволяет использовать программу как удобное средство для чисто теплофизических расчетов.

Программа "Криотерм" позволяет проводить анализ работы термоэлектрической системы не только в качестве охладителя, но и в качестве интенсификатора теплопередачи. Данный режим работы модулей активно используется для охлаждения электронной техники, в частности компьютерных процессоров. С помощью программы было проведено моделирование охлаждения объекта, имеющего тепловыделение 15 Вт. Температура объекта не должна превышать 80 0С при температуре среды 50 0С. Получено, что использование модуля FROST-74 позволяет добиться снижения температуры на 9 градусов, а оптимальное напряжение при этом составляет 6 В, что существенно меньше стандартного напряжения для этого модуля, равного 12 В.

Таким образом, инженерная методика расчета стационарных тепловых режимов, реализованная в виде программы "Криотерм", позволяет выполнять оптимизационные и поверочные расчеты систем охлаждения и термостабилизации на базе полупроводниковых термоэлектрических модулей самой широкой номенклатуры. Разработанная методика восполняет недостаток в удобных и надежных средствах расчета ТЭСОТ, и ее использование поможет разработчикам систем охлаждения глубже понять проблемы и перспективы термоэлектричества.

ШАГ 1. Определение мощности, необходимой для охлаждения жидкости до требуемой температуры (Q₁):

Q₁ = M*С*(Т_- Т_с ) / t

Подставляя численные данные, имеем: Q₁ =1 х 4190 x (25-5) / 3600 =23. 3 Вт.

ШАГ 2. Определение потерь за счет теплонатекания (Q ₂):

Площадь внутренней поверхности S_нар =6 х 0.1² = 0. 06 м ²

Площадь наружной поверхности S_вн =6 х 0.14 ² = 0.118 м ²

Средняя площадь S = (S _вн + S _нар ) / 2= 0. 089 м ²

Q₂ = *S*(Т_ - Т_с ) / t

Подставляя численные данные, имеем: Q₂ =0.035 x 0.089 x (25-5)/20х10 ^-3=3.1 Вт.

ШАГ 3. Определение требуемой суммарной холодопроизводительности термоэлектрического модуля (Q_c):

Холодопроизводительность термоэлектрического модуля в рабочей точке определяется как:

Q_c=Q₁ + Q₂

Используя расчеты, проведенные ранее на шаге 1 и шаге 2, получим:

Q_c  23.3+3.1 = 26.4 Вт.

Таким образом, в результате шагов 1-3 определено требуемое значение холодопроизводительности Q_c для заданной разности температур  Т =20 C.

ШАГ 4. Определение температуры горячей стороны термоэлектрического модуля Т_h и разности температур на модуле  Т:

На основе практических рекомендаций температуру горячей стороны термоэлектрического модуля Т_h следует взять на 20 C выше температуры окружающей среды (для эффективной работы радиатора).

В этом случае достигается эффективная работа радиатора, близкая к максимальной:

T_h=T_a+20=45 ⁰C.

Разность температур между сторонами модуля :

 T=T_h-T_c=45–5=40 ⁰C.

ШАГ 5 . Определение максимальной холодопроизводительности Q _max, термоэлектрического модуля:

Q_max оценивается по следующей формуле:

Подставляя численные значения, имеем :

Qmax=2.54 х 26.4 = 67 Вт.

Как правило, для большинства практических примений могут быть использованы также термоэлектрические модули, имеющие в итервале [Q_max – 10%; Q_max + 20%].

ШАГ 6. Выбор термоэлектрического модуля:

Используя значения Q_max, полученные на шаге 5, следует обратиться к каталогу термоэлектрических модулей ИПФ КРИОТЕРМ, выбрать термоэлектический модуль с Q_max, максимально близким к значению, рассчитанному на шаге 5.

Анализируя каталог и результаты расчета, выбираем термоэлектрический модуль FROST – 74.

Как правило, для большинства практических примений могут быть использованы также термоэлектрические модули, имеющие Q в интервале [Q_max – 10%; Q_max + 20%]

ШАГ 7. Определение потребляемого тока I, напряжения U и потребляемой электрической мощности:

Определим ток I через модуль FROST-74, необходимый для обеспечения холодопроизводительности Q_c=26.4 Вт при температурах горячей стороны T_h =318 K и холодной стороны T_с=278 K. Холодопроизводительность модуля зависит от поглощения теплоты за счет эффекта Пельтье, которое прямо пропорционально протекающему току, от выделения теплоты Джоуля (квадратично возрастает при увеличении тока) и от потока теплоты в модуле за счет теплопроводности. Для нахождения требуемого тока необходимо решить следующее квадратичное уравнение:

,

где - безразмерный ток, или ;

;

.

Определив коэффициенты b и c , можно найти требуемый ток как решение квадратного уравнения по известной формуле:

.

Для численного расчета коэффициентов d, b, c необходимо использовать следующие параметры выбранного модуля (FROST-74) :

максимальный ток I_max =6.3 А;

максимальная холодопроизводительность Q_max=65. 0 Вт;

максимальное напряжение U_max=16.7 В;

максимальная разность температур на модуле  T_max=74 К ;

Подставляя численные значения, имеем:

Коэффициент b= - 2.46

Коэффициент с=1,21

Постоянный ток питания I равен:

Напряжение питания U можно определить по следующей формуле :

.

Потребляемая электрическая мощность P определяется как произведение тока на напряжение питания:

P=U*I

P=10.8 х 4.3=46.4 Вт

Таким образом, определены все электрические параметры: ток I=4 .3 A, напряжение U=10.8 В, потребляемая мощность P=46.4 Вт.

ШАГ 8. Определение теплового сопротивления радиатора на горячей стороне термоэлектрического модуля:

Для отвода тепла, выделяющегося на горячей стороне термоэлектрического модуля необходимо использовать радиатор с определенным тепловым сопротивлением R _h. Оно определяется разностью температур между горячей стороной модуля и средой и тепловой мощностью, выделяющейся на горячей стороне:

R_hot=(T_h-T_a) / (Q_c+P).

Используя численные значения примера, имеем:

R_hot=(45-25) / (26+56) =0.24 К/Вт.

Необходимый радиатор может быть выбран по справочникам или по каталогам фирм – производителей радиаторов.

ЗАДАНИЕ

С помощью программы «Kryotherm» выбрать необходимый термоэлектрический модуль.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: cправочник/ Л.И.Анатычук. — Киев. "Наукова думка", 1979.

2. Дульнев Г. Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре/ Г.Н.Дульнев. — М.: Высш. шк., 1984.