羅 毅

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軟控半導體制冷技術在CPU散熱器上的應用*

羅 毅

（貴陽學院機械工程學院，貴州貴陽550005）

摘 要：利用珀爾帖原理，在一種由N型和P型半導體所組成的電偶對中通以直流電，在電偶對的不同結點處會產(chǎn)生吸熱和放熱的現(xiàn)象，再將該半導體制冷片應用于CPU上。因其具有實時性好、可控性高、體積小、壽命長等優(yōu)點，非常適合于CPU的散熱領域。

關鍵詞：半導體制冷；珀爾帖效應；電偶對；散熱器

0 引言

自1946年世界上第一臺計算機誕生至今，其數(shù)量一直以指數(shù)的形式增長，有關數(shù)據(jù)顯示：2016年世界計算機的市場容量為8.41億臺。從第一代電子管計算機到今天的超大規(guī)模集成電路計算機，其性能更加優(yōu)越，功能更加完善，隨著科學技術的不斷發(fā)展，高端計算機也將逐漸問世。而計算機的核心器件——CPU，其發(fā)展也得到了很大的突破，尤其是其工作頻率的不斷提高，使其速度得到了空前的飛躍，大大提高了計算機的處理速度。高端機必然會用到高端的芯片組，市場上的奔騰系列、AMD系列的雙核、四核甚至是八核也必將成為消費者的目標。高端的CPU也將帶來一些問題，如：傳統(tǒng)的風冷散熱系統(tǒng)將不能滿足用戶的要求，高速運轉的風扇不僅散熱效果不好，而且在它高速運轉的同時還會產(chǎn)生熱量，因此沒有良好的散熱系統(tǒng)為高端的計算機保駕護航，它良好的性能將得不到充分的發(fā)揮。散熱系統(tǒng)將成為未來計算機發(fā)展的瓶頸，怎樣才能解決呢？在這里我們引出了半導體制冷技術。

1 半導體制冷技術研究

1.1 制冷原理

我們可以將珀爾帖原理（Peltier principle）應用到CPU散熱器領域，珀爾帖效應是在兩種不同的金屬半導體材料之間所產(chǎn)生的一種電子效應。采用特制的N型半導體材料（我國的N型半導體材料為Bi2Te3-Sb2Te3）以及特制的P型半導體材料（我國的P型半導體材料為Bi2Te3-Sb2Se3），然后用銅連接片將兩種半導體焊接成一電偶對而組成的，如圖1所示。

圖　1 半導體電偶對原理Fig.1 The principle of semiconductor galvanic couple

直流電從N型半導體流向P型半導體時，在2、3端的銅片上產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，在1、4端的銅片上產(chǎn)生放熱現(xiàn)象［3］。因為空穴在金屬中具有的能量，低于在P型半導體中空穴所具有的能量，所以當空穴在電場的作用下，由金屬片通過結點3到達P型半導體時必然增加一部分能量。但空穴本身是無法增加能量的，因而只有從金屬片中吸收能量，并把這部分熱能轉化為空穴的勢能，從而使得在結點3處的金屬片冷卻下來。而當空穴沿P型半導體通過結點流向金屬片時，由于P型半導體的空穴能量大于金屬中空穴的能量而要釋放多余能量，并將其以熱能的形式釋放出來，所以結點4處的金屬被加熱。

同時，電子在金屬中具有的勢能低于在N型半導體中電子所具有的勢能，在電場的作用下，電子從金屬中通過結點2到達N型半導體時，必然增加勢能，這部分勢能也只能從金屬片的熱能中吸收獲得，因此使結點2處的金屬片冷卻下來。當電子從N型半導體通過結點流向金屬片時，因電子是由勢能較高的地方運動到勢能較低的地方，故釋放多余的勢能，并將它變成熱能，使結點1處的金屬被加熱。這樣上部分的金屬被冷卻下來，成為冷端，而下部分的金屬放出熱量，成為熱端。

1.2 珀爾帖效應中能量的計算

若不考慮電子的熱平均動能，則當一個點自左邊的金屬進入半導體材料的導帶時（能量為E），其吸收或放出的熱量為E-EF，這里EC＜E＜ECM，EC和ECM分別為導帶底和導帶頂?shù)哪芰俊＜俣▽У纂x開費米能級較遠，即費米分布可以用波爾茲曼分布近似，并把積分上限外推到無窮大，則每個電子平均吸收的能量為

2 軟控半導體散熱器的組成及技術特點

2.1 散熱器的組成

應用于計算機的軟控半導體散熱器，可在原始的“CPU散熱器-CPU組合體”中加裝一個半導體制冷片（厚約5 mm），試驗證明完全可以在已有的CPU上加裝該制冷片。具體組成結構是在CPU上加裝一個陶瓷框（避免制冷片的局部高溫或局部低溫導致結霜、結露），在陶瓷框里充填硅膠（一種具有良好導熱性能的材料），在CPU和制冷片之間形成改良好的導熱通道，再將半導體制冷片壓入陶瓷框里，如圖2所示。

這樣就構成了散熱器的基本結構，如果使用在臺式機上還可以加裝風扇，以滿足更高的設備要求。但隨著社會的進步，筆記本電腦、掌上電腦等以其體積小、輕便、節(jié)能等諸多優(yōu)點越來越受到人們的關注，但體積小也導致了風扇的無法加裝，這就限制了它所使用的制冷片的功率（大功率的制冷片會在熱端和冷端之間產(chǎn)生很大的溫差，導致制冷片損壞）。

圖2 CPU散熱器組成結構Fig.2 The structure of CPU radiator

2.2 散熱器的技術特點

2.2.1 散熱效果好

由原理易知，半導體散熱器的效果要比傳統(tǒng)的散熱器效果好的多。用戶一般認為在風冷散熱器中，只要風扇的轉速越高它的散熱效果就越好，甚至許多用戶在選購CPU時，風扇的轉速也成為他們考慮的一個硬件指標，其實這種做法是不完全正確的。傳統(tǒng)的風冷散熱器在一個小的范圍內，它的散熱效果是和它的轉速成正比的，隨著轉速的加大，風扇在高速運轉的過程中本身也會產(chǎn)生熱量，因此它的散熱效果反而會受到限制。而將制冷技術應用于散熱器，效果就會非常好，例如：2013年Nextreme公司發(fā)布了全世界最小的半導體散熱塊，這款名為UPFOptocooler的散熱塊面積僅有0.55 mm2，而且散熱效果非常好。在25℃的環(huán)境下，它最高可以吸收420 mW的熱量，效率可達78 W/ cm2，而在85℃時，效率可達112 W/cm2。

2.2.2 體積小，對任何計算機都適用

半導體制冷技術的飛速發(fā)展為半導體制冷散熱片的成熟提供了保障，它逐漸向著體積小，效率高的方向發(fā)展。這使得它不僅可以加裝在CPU成品上，用于臺式機，也可以集成在CPU內部用于筆記本電腦，而對于大型的服務器，則可以加裝大功率的制冷片，以滿足需求。

2.2.3 易于控制

（1）手動控制

可以開發(fā)一款應用軟件，來控制散熱器，在計算機主板上有一個對CPU風扇供電的電路（CPU -FAN電路）。我們可以通過集成在CPU上的感溫頭檢測溫度，用軟件將檢測信息反饋給用戶，用戶得知溫度的變化后，對軟件做相應的設置，然后通過調節(jié)可控硅片，來調節(jié)CPU-FAN電路上的電壓。

（2）自動控制

用戶在安裝軟件時對軟件做相應的設置，當溫度的變化激活軟件時，軟件作自動處理，從而實現(xiàn)自動控制的功能，控制原理如圖3所示。

圖3 循環(huán)自動控制原理Fig.3 The principle of loop automatic controlling

3 結論

利用珀爾帖原理，將制冷技術應用于CPU散熱領域，具有實時性好、可控性高、體積小、壽命長等優(yōu)點。它將作為新型的散熱技術，以其高效的散熱能力，為高端的計算機在未來普及打下堅實的基礎，它將帶來又一次的技術革新，為我們的生活帶來越來越多的便利。

參考文獻：

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［5］何燕.半導體制冷研究概述［J］.科技創(chuàng)新導報，2009 （7）：162-164.

中圖分類號：TP332

文獻標識碼：A

文章編號：1673-6125（2016）02-0037-03

收稿日期：2016-04-28

作者簡介：羅 毅（1980-），男，貴州貴陽人，講師、碩士。主要研究方向：電子信息工程。

Software controlling semiconductor refrigerating technology in the application of CPU radiators

LUO Yi
（Guiyang university，School of mechanical engineering，Guiyang 550005，China）

Abstract：Using the peltier principle，when set up a direct current to galvanic couple which composed of N model and P mode transmit，it will produce the phenomenon of absorbing heat and giving out heat on the different nodal point of the galvanic couples，then apply the semiconductor refrigeration piece on CPU.because it has many advantages such as good real-time operation，highly control engineering，small volume and long life etc，so it’s appropriate for the domain of heat radiation of CPU.

Key words：Semiconductor refrigeration；Peltier effect；galvanic couple；radiator