半导体的技术模板(10篇)

导言：作为写作爱好者，不可错过为您精心挑选的10篇半导体的技术，它们将为您的写作提供全新的视角，我们衷心期待您的阅读，并希望这些内容能为您提供灵感和参考。

篇1

关键词

半导体材料;多晶硅;单晶硅;砷化镓;氮化镓

1前言

半导体材料是指电阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金属和绝缘体之间的材料。半导体材料是制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件的重要基础材料[1]，支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等电子信息产业的发展。电子信息产业规模最大的是美国和日本，其2002年的销售收入分别为3189亿美元和2320亿美元[2]。近几年来，我国电子信息产品以举世瞩目的速度发展，2002年销售收入以1.4亿人民币居全球第3位，比上年增长20，产业规模是1997年的2.5倍，居国内各工业部门首位[3]。半导体材料及应用已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

半导体材料的种类繁多，按化学组成分为元素半导体、化合物半导体和固溶体半导体;按组成元素分为一元、二元、三元、多元等;按晶态可分为多晶、单晶和非晶;按应用方式可分为体材料和薄膜材料。大部分半导体材料单晶制片后直接用于制造半导体材料，这些称为“体材料”;相对应的“薄膜材料”是在半导体材料或其它材料的衬底上生长的，具有显著减少“体材料”难以解决的固熔体偏析问题、提高纯度和晶体完整性、生长异质结，能用于制造三维电路等优点。许多新型半导体器件是在薄膜上制成的，制备薄膜的技术也在不断发展。薄膜材料有同质外延薄膜、异质外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。

在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料;将砷化镓、磷化铟、磷化镓、砷化铟、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料;而将宽禁带eg2.3ev的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料[4]。上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。本文沿用此分类进行介绍。

2主要半导体材料性质及应用

材料的物理性质是产品应用的基础，表1列出了主要半导体材料的物理性质及应用情况[5]。表中禁带宽度决定发射光的波长，禁带宽度越大发射光波长越短蓝光发射;禁带宽度越小发射光波长越长。其它参数数值越高，半导体性能越好。电子迁移速率决定半导体低压条件下的高频工作性能，饱和速率决定半导体高压条件下的高频工作性能。

硅材料具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体等优点，处在成熟的发展阶段。目前，硅材料仍是电子信息产业最主要的基础材料，95以上的半导体器件和99以上的集成电路ic是用硅材料制作的。在21世纪，可以预见它的主导和核心地位仍不会动摇。但是硅材料的物理性质限制了其在光电子和高频高功率器件上的应用。

砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能，并可在同一芯片同时处理光电信号，被公认是新一代的通信用材料。随着高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不可取代的重要地位。

gan材料的禁带宽度为硅材料的3倍多，其器件在大功率、高温、高频、高速和光电子应用方面具有远比硅器件和砷化镓器件更为优良的特性，可制成蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件。近年来取得了很大进展，并开始进入市场。与制造技术非常成熟和制造成本相对较低的硅半导体材料相比，第三代半导体材料目前面临的最主要挑战是发展适合gan薄膜生长的低成本衬底材料和大尺寸的gan体单晶生长工艺。

主要半导体材料的用途如表2所示。可以预见以硅材料为主体、gaas半导体材料及新一代宽禁带半导体材料共同发展将成为集成电路及半导体器件产业发展的主流。

3半导体材料的产业现状

3.1半导体硅材料

3.1.1多晶硅

多晶硅是制备单晶硅和太阳能电池的原料，主要生产方法为改良西门子法。目前全世界每年消耗约18000t25000t半导体级多晶硅。2001年全球多晶硅产能为23900t，生产高度集中于美、日、德3国。美国先进硅公司和哈姆洛克公司产能均达6000t/a，德国瓦克化学公司和日本德山曹达公司产能超过3000t/a，日本三菱高纯硅公司、美国memc公司和三菱多晶硅公司产能超过1000t/a，绝大多数世界市场由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求为22000t，达到峰值，随后全球半导体市场滑坡;2001年多晶硅实际产量为17900t，为产能的75左右。全球多晶硅市场供大于求，随着半导体市场的恢复和太阳能用多晶硅的增长，多晶硅供需将逐步平衡。

我国多晶硅严重短缺。我国多晶硅工业起步于50年代，60年代实现工业化生产。由于技术水平低、生产规模太小、环境污染严重、生产成本高，目前只剩下峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂2个厂家生产多晶硅。2001年生产量为80t[7]，仅占世界产量的0.4，与当今信息产业的高速发展和多晶硅的市场需求急剧增加极不协调。我国这种多晶硅供不应求的局面还将持续下去。据专家预测，2005年国内多晶硅年需求量约为756t，2010年为1302t。

峨嵋半导体材料厂和洛阳单晶硅厂1999年多晶硅生产能力分别为60t/a和20t/a。峨嵋半导体材料厂1998年建成的100t/a规模的多晶硅工业性生产示范线，提高了各项经济技术指标，使我国拥有了多晶硅生产的自主知识产权。该厂正在积极进行1000t/a多晶硅项目建设的前期工作。洛阳单晶硅厂拟将多晶硅产量扩建至300t/a，目前处在可行性研究阶段。

3.1.2单晶硅

生产单晶硅的工艺主要采用直拉法cz、磁场直拉法mcz、区熔法fz以及双坩锅拉晶法。硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业，在国际市场上产业相对成熟，市场进入平稳发展期，生产集中在少数几家大公司，小型公司已经很难插手其中。

目前国际市场单晶硅产量排名前5位的公司分别是日本信越化学公司、德瓦克化学公司、日本住友金属公司、美国memc公司和日本三菱材料公司。这5家公司2000年硅晶片的销售总额为51.47亿元，占全球销售额的70.9，其中的3家日本公司占据了市场份额的46.1，表明日本在全球硅晶片行业中占据了主导地位[8]。

集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求详见文献[8]，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。目前全球主流硅晶片已由直径8英寸逐渐过渡到12英寸晶片，研制水平达到16英寸。

我国单晶硅技术及产业与国外差距很大，主要产品为6英寸以下，8英寸少量生产，12英寸开始研制。随着半导体分立元件和硅光电池用低档和廉价硅材料需求的增加，我国单晶硅产量逐年增加。据统计，2001年我国半导体硅材料的销售额达9.06亿元，年均增长26.4。单晶硅产量为584t，抛光片产量5183万平方英寸，主要规格为3英寸6英寸，6英寸正片已供应集成电路企业，8英寸主要用作陪片。单晶硅出口比重大，出口额为4648万美元，占总销售额的42.6，较2000年增长了5.3[7]。目前，国外8英寸ic生产线正向我国战略性移动，我国新建和在建的f8英寸ic生产线有近10条之多，对大直径高质量的硅晶片需求十分强劲，而国内供给明显不足，基本依赖进口，我国硅晶片的技术差距和结构不合理可见一斑。在现有形势和优势面前发展我国的硅单晶和ic技术面临着巨大的机遇和挑战。

我国硅晶片生产企业主要有北京有研硅股、浙大海纳公司、洛阳单晶硅厂、上海晶华电子、浙江硅峰电子公司和河北宁晋单晶硅基地等。有研硅股在大直径硅单晶的研制方面一直居国内领先地位，先后研制出我国第一根6英寸、8英寸和12英寸硅单晶，单晶硅在国内市场占有率为40。2000年建成国内第一条可满足0.25μm线宽集成电路要求的8英寸硅单晶抛光片生产线;在北京市林河工业开发区建设了区熔硅单晶生产基地，一期工程计划投资1.8亿元，年产25t区熔硅和40t重掺砷硅单晶，计划2003年6月底完工;同时承担了投资达1.25亿元的863项目重中之重课题“12英寸硅单晶抛光片的研制”。浙大海纳主要从事单晶硅、半导体器件的开发、制造及自动化控制系统和仪器仪表开发，近几年实现了高成长性的高速发展。

3.2砷化镓材料

用于大量生产砷化镓晶体的方法是传统的lec法液封直拉法和hb法水平舟生产法。国外开发了兼具以上2种方法优点的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸气压控制直拉法，成功制备出4英寸6英寸大直径gaas单晶。各种方法比较详见表3。

移动电话用电子器件和光电器件市场快速增长的要求，使全球砷化镓晶片市场以30的年增长率迅速形成数十亿美元的大市场，预计未来20年砷化镓市场都具有高增长性。日本是最大的生产国和输出国，占世界市场的7080;美国在1999年成功地建成了3条6英寸砷化镓生产线，在砷化镓生产技术上领先一步。日本住友电工是世界最大的砷化镓生产和销售商，年产gaas单晶30t。美国axt公司是世界最大的vgf

gaas材料生产商[8]。世界gaas单晶主要生产商情况见表4。国际上砷化镓市场需求以4英寸单晶材料为主，而6英寸单晶材料产量和市场需求快速增加，已占据35以上的市场份额。研制和小批量生产水平达到8英寸。

我国gaas材料单晶以2英寸3英寸为主，

4英寸处在产业化前期，研制水平达6英寸。目前4英寸以上晶片及集成电路gaas晶片主要依赖进口。砷化镓生产主要原材料为砷和镓。虽然我国是砷和镓的资源大国，但仅能生产品位较低的砷、镓材料6n以下纯度，主要用于生产光电子器件。集成电路用砷化镓材料的砷和镓原料要求达7n，基本靠进口解决。

国内gaas材料主要生产单位为中科镓英、有研硅股、信息产业部46所、55所等。主要竞争对手来自国外。中科镓英2001年起计划投入近2亿资金进行砷化镓材料的产业化，初期计划规模为4英寸6英寸砷化镓单晶晶片5万片8万片，4英寸6英寸分子束外延砷化镓基材料2万片3万片，目前该项目仍在建设期。目前国内砷化镓材料主要由有研硅股供应，2002年销售gaas晶片8万片。我国在努力缩小gaas技术水平和生产规模的同时，应重视具有独立知识产权的技术和产品开发，发展我国的砷化镓产业。

3.3氮化镓材料

gan半导体材料的商业应用研究始于1970年，其在高频和高温条件下能够激发蓝光的特性一开始就吸引了半导体开发人员的极大兴趣。但gan的生长技术和器件制造工艺直到近几年才取得了商业应用的实质进步和突破。由于gan半导体器件在光电子器件和光子器件领域广阔的应用前景，其广泛应用预示着光电信息乃至光子信息时代的来临。

2000年9月美国kyma公司利用aln作衬底，开发出2英寸和4英寸gan新工艺;2001年1月美国nitronex公司在4英寸硅衬底上制造gan基晶体管获得成功;2001年8月台湾powdec公司宣布将规模生产4英寸gan外延晶片。gan基器件和产品开发方兴未艾。目前进入蓝光激光器开发的公司包括飞利浦、索尼、日立、施乐和惠普等。包括飞利浦、通用等光照及汽车行业的跨国公司正积极开发白光照明和汽车用gan基led发光二极管产品。涉足gan基电子器件开发最为活跃的企业包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。

目前，日本、美国等国家纷纷进行应用于照明gan基白光led的产业开发，计划于2015年-2020年取代白炽灯和日光灯，引起新的照明革命。据美国市场调研公司strstegiesunlimited分析数据，2001年世界gan器件市场接近7亿美元，还处于发展初期。该公司预测即使最保守发展，2009年世界gan器件市场将达到48亿美元的销售额。

因gan材料尚处于产业初期，我国与世界先进水平差距相对较小。深圳方大集团在国家“超级863计划”项目支持下，2001年与中科院半导体等单位合作，首期投资8千万元进行gan基蓝光led产业化工作，率先在我国实现氮化镓基材料产业化并成功投放市场。方大公司已批量生产出高性能gan芯片，用于封装成蓝、绿、紫、白光led，成为我国第一家具有规模化研究、开发和生产氮化镓基半导体系列产品、并拥有自主知识产权的企业。中科院半导体所自主开发的gan激光器2英寸外延片生产设备，打破了国外关键设备部件的封锁。我国应对大尺寸gan生长技术、器件及设备继续研究，争取在gan等第三代半导体产业中占据一定市场份额和地位。

4结语

不可否认，微电子时代将逐步过渡到光电子时代，最终发展到光子时代。预计到2010年或2014年，硅材料的技术和产业发展将走向极限，第二代和第三代半导体技术和产业将成为研究和发展的重点。我国政府决策部门、半导体科研单位和企业在现有的技术、市场和发展趋势面前应把握历史机遇，迎接挑战。

参考文献

[1]师昌绪.材料大辞典[m].北京化学工业出版社，19941314

[2]http//bjjc.org.cn/10zxsc/249.htm.我国电子信息产业总规模居世界第三.北方微电子产业基地门户网

[3]蓬勃发展的中国电子信息产业.信息产业部电子信息产品管理司司长张琪在“icchina2003”上的主题报告

[4]梁春广.gan-第三代半导体的曙光.新材料产业，2000，53136

[5]李国强.第三代半导体材料.新材料产业，2002,61417

[6]万群，钟俊辉.电子信息材料[m].北京冶金工业出版社，199012

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中图分类号：TQ163+.4 文献标识码：A 文章编号：

引言

随着科学技术的发展，宇脱国防,是有勘探等领域对半导体电子器件提出了极为严格的要求，开发研制高温、高频、高功率、高耐压及抗辐射等新型半导体器件成为日益紧迫的问题.目前，半导体行业中常用的Si材料由于本身条件的限制，对上述要求难以胜任;而作为N-N族二元半导体材料的SiC具有较大的热导率、高临界击穿电场、宽禁带、高载流子迁移率等特点，越来越引起人们的重视.国外现已研制出多种SiC器件.特别是在高沮功率器件方面，所制备的SiC MC3SFET等器件的性能远远超出同类Si器件.目前已有SiC蓝色发光器件作为商品出售.随着SiC单晶生长技术和薄膜生长技术的突破，SiC材料在研制高温、高频、大功率、抗辐射半导体器件方面受到极大关注，并加速了该领域的发展步伐.近两年来，国际上已掀起了对SiC材料及器件研究的热潮。

一、半导体材料的特征

半导体材料在自然界及人工合成的材料中是一个大的部类。顾名思义，半导体在其电的传导性方面，其电导率低于导体，而高于绝缘体。它具有如下的主要特征。（1）在室温下，它的电导率在103—10-9S/cm之间,S为西门子，电导单位，S=1/r(W. cm) ；一般金属为107—104S/cm,而绝缘体则

二、晶体生长

SiC具有同质异型体的特点，其每一种晶体结构都有着自己独特的电学及光学性质.表1给出了常见的几种具有不同晶体结构的SiC的电学特性与硅及砷化稼的比较.在许多器件应用中，SiC的高击穿电场(比硅的5倍还大、宽的禁带宽度吸大于硅的2倍、高载流子饱和漂移速度(是硅的2倍)以及大热导率(大于硅的3倍)将充分发挥器件的应用潜力。

尽管许多年以前人们就已经知道了SiC的一些潜在的优良电学特性，但由于材料生长的原因，直到现在还不能将这些特性充分应用到器件或集成电路中去.目前通过改进型Lely升华的方法得到了大面积重复性好的&H-SiC单晶,1989年2. 54 cm的6H-SiC单晶片首先商业化，此后SiC半导体器件技术得到迅猛发展。

在众多的SiC晶休结构中，4H-sic和6H-S〔由于其单晶生长工艺的成熟性以及较好的重复性，使它们在电子器件中应用比较广泛.市场上可得到的4H或8H SiC晶片的直径已经达到4.445 cm，具体价格根据其规格的不同从800 -2 000美元/片不等，这些产品主要来自于美国的Cree公司.如果晶片的价格有所下降，将会更加促进SiC技术的发展.另外，Westinghouse公司在SiG材料方面也取得了一些可喜的成果:他们成功地制备了半绝缘SiC晶片，其室温下的电阻率大于10Ωcm，并首次得到7. 82 cm的SFC晶片。

4H-S iC的载流子迁移率较8H-SiC.的要高，这使其成为大多数SiC器件的首选材料. 8H-SiG本身固有的迁移率各向异性使之在平行于G轴方向导通率有所下降，导致纵向MOSFET功率器件多选用4H-SiC.为减小纵向MOSFET功率器件中衬底寄生电阻，目前4H-SiC电阻率可达到0.0028dΩcm.4H-SIG的高迁移率掩盖了利用8H-SiG为衬底进行同质外延而生成3G-SiG薄膜所带来的优点。

目前影响SiG电子器件实现的首要因素之一就是控制生长高质量的SiC外延薄膜.在SiC电子器件的实现过程中，控制生长高质量的外延层是关键的一步、目前，化学气相淀积技术可满足制备重复性好的外延层及批t生产这两方面的需求.为了减少由于晶格失配、热膨胀系数不同所带来的缺陷等间题，生长时选用SiC基片.首先要抛光SiC基片使其表面偏离(0001)基面3 ^4度，这将使外延层中原子堆垛顺序与SiC衬底内的原子堆垛顺序相同.同时，为得到N 型外延层，可在反应气体中加人氮气(N2);而P型则加入三甲基铝或三乙基铝.如果在今后的工作中能够很好地解决在大面权Si上异质外延生长低块陷的3GSiC薄膜的问题。那么3C-SiC必将在以后的SiG器件和集成电路中发挥越来越重要的作用。

随着从SiC器件向着SiC集成电路的发展，SiC外延层的均匀性和外延层表面形态的好坏也越来越重要.目前，商业上SiC外延层厚度的容差为士25%，而研究人员报道了修杂均匀性为士20%厚度均匀性容差为士7%的大于5. 08 cm的SiC基片.对于所有的SiC同质外延层，目前均为观察到具有十分理想的表面形貌、据预侧，借助于精密的CVD反应装置、日益成熟的反应条件，在不远的将来这些问题都会迎刃而解、

三、分立器件

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引 言

随着经济的发展，全球能耗剧增，能源资源几近危机，想要降低能耗，实现可持续发展，研究和开发新型的环境友好型技术就成为了必须。半导体制冷起源于20世纪50年代，由于它结构简单、通电制冷迅速，受到家电厂家的青睐。但是由于当时局限于材料元件性能的不足而没有普遍使用。近年来，科学技术迅猛发展，半导体制冷器件的各个技术难题逐步攻破，使半导体制冷的优势重新显现出来，广泛应用于军事、航空航天、农业、工业等诸多领域。

1、半导体制冷国内外研究现状

从国内外文献研究来看，半导体制冷技术的理论研究已基本成熟。随着半导体物理学的发展， 前苏联科学院半导体研究所约飞院士发现掺杂的半导体材料 ， 有良好的发电和制冷性。这一发现引起学者们对热电现象的重视， 开启了半导体材料的新篇章， 各国的研究学者均致力于寻找新的半导体材料。2001年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半导体材料系数2.4。宜向春等人又对影响半导体材料优值系数的因素进行了详细的分析。指出半导体材料的优值系数除与电极材料有关，也与电极的截面和长度有关， 不同电阻率和导热率的电极应有不同的几何尺寸， 只有符合最优尺寸才能获得最大优值系数的半导体制冷器。

2、半导体制冷的工作原理

半导体制冷又称热电制冷，系统仅包括冷热端、电源、电路等设备。P型半导体元件和N型半导体元件构成热电对，热电对两端均有金属片导流条。如图1所示：当电流流经热电对时，就会发射帕尔贴效应，电流在上端由N流向P，温度降低形成冷端，从外界吸热；电流在下端有P流向N，温度升高形成热端，向外界放热。

3、半导体制冷效率的影响因素

半导体制冷的研究涉及传热学原理、热力学定律以及帕尔贴效应， 还要考虑多种因素， 同时影响半导体制冷的各种因素都是相辅相成的， 不是独立的。所以半导体制冷的研究一直是国内外学者关注的热点， 但也面临诸多难点，其中影响其制冷效率主要有两个基本因素：

（1） 半导体材料优值系数Z

半导体制冷的核心部件是热电堆，热电堆的半导体制冷材料热电转换效率不高，是半导体制冷空调器效率较低的主要原因。决定热电材料性能优劣的是优值系数Z 。若要半导体制冷效率达到机械制冷效率水平，制冷材料优值系数必须从3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如图2 给出了不同优值Z时，半导体制冷与机械式制冷制冷系数的比较结果。

（2） 半导体制冷装置热端散热效果的影响。

热电堆热端的散热效果是影响热电堆性能的重要因素。实际应用的半导体制冷装置总要通过热交换器与冷、热源进行不断的热交换才能维持工作。而热端散热比冷端更为关键，如若设制冷器冷端散热量为Q1，热端散热量为Q2，系统工作消耗的电功为W0。

显然，Q2=Q1+W0

4、提高半导体制冷效率的途径

制冷效率低成为半导体制冷最大的不足，这限制了半导体制冷的推广和应用。为了提高半导体制冷的效率，就要从上文所介绍的两个影响因素入手，找出有效的解决方法。

（1）寻找高优值系数Z的半导体材料：研制功能性非均质材料、方钴矿的研究、带量子空穴的超晶格研究。

（2）优化设计半导体制冷热端散热系统，以保证热端的散热处于良好的状态。

5、半导体制冷应用与前景

随着低温电子学得到迅速的发展， 在多种元器件和设备冷却上， 半导体制冷有独特的作用。 采用半导体制冷技术， 对电子元件进行冷却， 能有效改善其参数的稳定性， 或使信噪比得到改善， 从而提高放大和测量装置的灵敏度和准确度。 半导体制冷器可以用直接制冷方式和间接制冷方式来冷却电子器件和设备。

为了解决石油资源匮乏的问题，部分车辆使用天然气、乙醇作为燃料，但与使用汽油相比，汽车空调运行比较困难。半导体制冷空调冷热一体，独立运行，可直接利用车辆直流电源，因而系统简单，且与车辆具有很好的兼容性，因此半导体制冷在汽车领域内有较好的发展前景。

千瓦级以上的半导体制冷空调成本比压缩制冷空调成本要高的多。但百瓦级的小型空调装置的成本与压缩制冷空调的成本相差不大，且无制冷剂、调控方便、无噪音等特点，用于某些特殊的小型空间非常方便；而十瓦级的微型空调装置的成本则远低于压缩制冷装置，在电子设备冷却、局部微环境温度控制方面，具备压缩制冷装置无法替代的优势，使中小型半导体制冷空调器进入民用领域成为可能。

在半导体制冷技术的应用中，需要因地制宜，根据不用的使用要求，设计出不用的性能，以拓展该技术的应用领域，可以坚信，半导体制冷技术的未来会发展得越来越好，越来越广。■

参考文献

[1]谢玲，汤广发。半导体制冷技术的发展与应用[J]。洁净与空调技术，2008，01：68-71。

[2]罗清海，汤广发，李涛。半导体制冷空调的应用与发展前景[J]。制冷与空调，2005，06：5-9。

[3]宣向春，王维扬。 半导体制冷材料的发展[J]。 制冷技术，2001，02：37-41+48

[4] Venkatasubramanian R， etal[ J]1Nature12001， 413- 597

[5] 张文杰1 热电器件的热弹性应力分析及外加电、磁场环境下的性能测试[ D] 1 甘肃： 兰州大学， 2010

[6]马乔矢。半导体制冷技术的应用和发展[J]。沈阳建筑工程学院学报，1999，01：83-87。

[7]陈振林，孙中泉。半导体制冷器原理与应用[J]。微电子技术，1999，05：63-65。

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0 引言

在专业技术领域，如大型服务器及服务集群等商业化的大规模计算服务中心，仍然需要高效的散热及温控技术来保证高精度的数据服务。这就需要必须采用高效的散热技术来解决实际问题。对比常规的风冷技术、水冷技术，半导体制冷技术的优势在于提供了主动的制冷方式，其散热效果是其他技术无法比拟的，并且在半导体制冷的实际应用中，证明了主动的制冷散热方式为服务器运行的保障是具有实际效果的。但是，对于半导体制冷技术应用的条件很严格，根据其技术的基础情况，要从服务器环境管理、温度监测及控制、辅助散热技术等多方面技术进行综合运用，实现服务器的环境管控。

1 服务器环境

1.1 服务器构架复杂

服务器由于用途与传统的计算机并不相同，所以在服务器主板与其他服务器配件都与普通的计算机有所出入，服务器内部构造是与其主要用途决定的，所以很多服务器并非采用传统的兼容构架，而是根据其特定用途进行设计的。例如：单一的主板对多CPU的支持，多内存，多显卡，多外接设备等的支持。如图1所示。

1.2 服务器空间有限

服务器的空间是由服务器机箱规格决定的，按照1U、2U、刀片服务器等不同规格决定，由于在有限的空间中需要放置更多的设备，所以决定不能将更大面积的散热设备至于其中，这就决定了服务器散热必须采用高效地的设备来解决实际问题。

1.3 服务器散热方式

传统的服务器散热方式与普通PC机基本相同，主要由风冷式散热、水冷式散热。其中：风冷式散热主要由导热片和风扇组成，导热片多采用铜、铝材质的不同制程工艺制造，风扇多为带有温控设计。风冷散热优点是制造简单、价格低廉，但由于散热方式决定了其效能不高，不能满足要求较高的环境；水冷式散热是将风冷式的风扇替换为液体，通过液体循环传热体质达到散热效果。

2 半导体制冷技术

2.1 半导体制冷的原理

热电制冷是具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时具有制冷功能，由于半导体材料具有最佳的热电能量转换性能特性，所以人们把热电制冷称为半导体制冷。详见图2所示。半导体制冷是建立于塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应、傅立叶效应共五种热电效应基础上的制冷新技术。其中，塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的，另外两种效应是热的不可逆效应。

（1）塞贝克效应， 1821年，塞贝克发现在用两种不同导体组成闭合回路中，当两个连接点温度不同时（T1

（2）珀尔帖效应，珀尔帖效应是塞贝克效应的逆过程。由两种不同材料构成回路时，回路的一端吸收热量，另一端则放出热量。

（3）汤姆逊效应，若电流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行能量交换。

（4）焦耳效应，单位时间内由稳定电流产生的热量等于导体电阻和电流平方的乘积。

（5）傅立叶效应，单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比。

2.2 半导体制冷的效果测试

本文主要进行 CPU 在只有风扇情况下和CPU 在接入半导体制冷片时的试验： （ 1） CPU 在只有风冷（ 风扇） 情况下的散热： 先把半导体制冷片从整个装置中取出，将 CPU 直接贴在散热器上，然后给 CPU 和电扇都接通直流电源，风扇两端电压稳定在 12V，CPU 两端加电压从 5V ～8V，每次增加 1V，用数据采集仪记录在每个电压下的CPU 从初始状态到稳态的温度数据； （ 2） CPU 在接入半导体制冷片时的散热： 把半导体制冷片放入装置，冷端贴在 CPU 上，热端贴在散热器上，先给 CPU 和风扇接通直流电源，风扇两端电压仍稳定在 12V。给 CPU 两端加 5V 电压，一段时间后给制冷片两端加电压 3V ～7V，每次增加 1V，记录在每个制冷片输入电压下制冷片冷端和热端从初态到稳态的温度数据，再分别给 CPU 两端加 7 ～8V 电压，进行相同的操作。

在进行试验时，整个装置除了风冷装置以外全部放入隔热槽中，这样热量只能纵向传导，所以整个问题可以近似为一维导热问题。

2.3 试验结果的分析与讨论

半导体制冷片的降温效果详见图3 为 CPU 输入电压为 5. 0V 时，有无制冷片时的 CPU 温度对比。有无制冷片时的 CPU 温度随时间变化曲线从图中可明显看出半导体制冷片对 CPU 的降温效果明显。不接入制冷片时，CPU 温度从室温上升至平衡温度而保持稳定。当制冷片接入时，CPU 温度开始降低，约经过 300s 后达到稳定状态。制冷片输入电压为 3. 0V 时，CPU 温度从38. 7℃ 降至 25. 2℃ ，明显低于了测量时的环境温度。

3 总结

在计算机发展中，服务器的散热环境是非常复杂的，对于传统散热方式与半导体制冷方式的对比可以直接反映出半导体制冷技术的优越性。本文经过分析，证明了半导体制冷技术在计算机服务器中的实际应用的可行性和其价值的体现。

参考文献：

[1]扶新， ， 贺俊杰 ， 等 . 基于半导体制冷器的 CPU 散热研究 [J]. 制冷技术 ，2009.37（2）：48-50.

[2]唐春晖.半导体制冷―21 世纪的绿色“冷源”[J].半导体技术， 2005， 30 （5） ： 32- 34.

[3]徐晓斌，刘长敏，陈照章，等.基于半导体制冷器的微机温控显微系统[J]. 微计算机信息， 2006， 22 （12 ） ： 28 - 30.

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中图分类号：TN37 文献标识码：A

0 引言

便携式样品恒温箱是卫生防疫、医学、农林畜牧、生物实验、工业化工等行业和大专院校、科研机构、部门实验室或生产单位的重要的实验设备。由于便携式样品恒温箱具有特定的使用范围和专业性强的特点，因此对该产品有着特别的要求。在各种制冷技术中，半导体制冷由于具有体积小、重量轻、作用速度快、可靠性高等特点，近年来在国内外得到广泛的重视，因此，半导体制冷技术在研发便携式样品恒温箱产品方面具有不可替代的优势。

1 半导体制冷技术原理及其优、缺点

1.1 半导体制冷原理

半导体制冷是建立在温差电效应基础上的，所以半导体制冷也称温差电制冷。如果把两种不同的金属导线的一端连在一起，另一端接上直流电源，则一端将会产生吸热（制冷）效应，另一端产生放热效应（图1），这就是著名的珀尔贴效应。

事实上，组成温差电制冷器的材料不是任意两种不同金属就能达到理想效果的。一般是取N型和P型两种半导体组件组成热电堆。图2为半导体制冷器工作原理图。

直流电流沿回路依次从N型半导体流向P型半导体，然后又从P型半导体流向N型半导体，电流这样连续流过去，半导体的A、B两端便产生吸、放热现象。如果不断地把放热端B的热量移走，那么A端就不断地向周围吸取热量，从而达到制冷之目的。

1.2 半导体制冷的优、缺点

半导体制冷，它的优点十分明显：制冷迅速，操作简单，可靠性强，容易实现高精度的温度控制，无噪音污染和有害物质排放，寿命长，稳定性好等。但同时，也有其缺点：主要表现在制冷系数低，制冷量小而且电流大。半导体制冷效果主要取决于半导体材料的选择和热端散热冷却的程度。由于当今科技，特别是电子技术的飞速发展，世界各国的科技人员从改进半导体材料和开发新工艺两方面，做了大量工作，来不断提高半导体制冷的制冷系数。在一些制冷量要求小，热流量大，传统蒸气压缩制冷不方便或不经济的场合，半导体制冷得到了很多的应用。

2 半导体制冷技术在便携式样品恒温箱的应用

由于半导体制冷便携式样品恒温箱采用箱体底部固定连接半导体控温元件，半导体控温元件与可充电电池固定连接，箱体的正面左上端固定连接电子温度控制及显示装置，箱体上盖和箱体内壁固定连接保温层的结构形式，箱体的背后右下端固定连接电源插孔，插入家庭交流电直接使用，也可插接到汽车点烟器上，另外，在没有交流电的情况下，还可以使用充电电池内的电能来控制温度。

2.3.2 半导体制冷便携式样品恒温箱的驱动电路设计

半导体制冷便携式样品恒温箱的最核心部件是半导体制冷片的控制及驱动电路，因为半导体制冷片根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的（电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果）。为了使半导体制冷片能够自动进行恒温控制，就必须设计好其驱动电路和控制电路。PID控制系统是目前精度较高的技术，可以用来对半导体制冷片的电流进行控制，以实现高精度的控温效果。

A、总体框图：见图5。B、基于H桥的驱动电路：见图6

当设置OUT3为高、OUT4为低电平，OUT2为低、OUT1为高电平时，Q3和Q4断开，Q1和Q2导通，电流由TEC（半导体制冷片）左至右；反之OUT3为低、OUT4为高电平，OUT2为高、OUT1为低电平时，Q3和Q4导通，Q1和Q2断开，电流由右至左。通过单片机PID控制设置OUT1或者OUT4的PWM（脉冲宽度调制）波占空比，控制Q1或者Q4的导通时间来控制TEC的工作时间，从而达到控温的效果。

2.3.3 半导体制冷便携式样品恒温箱半导体制冷器的散热装置

热端散热冷却的程度是影响半导体制冷效果的重要因素，所以解决好散热问题对制冷效率的提高起到至关重要的作用。

半导体制冷的几种散热方式：（1）自然散热，采用导热较好的材料，做成各种散热器，利用空气的自然对流来带走热量，优点是使用方便，缺点是体积较大；（2）充液散热，它是用较好的材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温，缺点是用水不方便，浪费太大，优点是体积小，散热效果好；（3）强迫风冷散热，散热器采用的材料和自然散热器相同，使用方便，体积比自然散热小，缺点是增加一个风机，出现噪音和耗用功率；（4）“热管”散热器，是最常用的一种形式，它利用蒸发潜热快速传递热量。因此本半导体制冷便携式样品恒温箱的半导体制冷散热采用热管散热。结构设计要点：热管散热热管采用铜铝复合管制成，冷凝段很长，而蒸发段很短，工质为戊烷，自然对流散热。

3 结束语

随着目前半导体制冷片已经规模化生产、大功率可充式锂电池组工艺的成熟、汽车的普及、光伏电池的普及以及高精度半导体制冷式温度控制系统技术的成熟和塑料工业的发展，为生产出轻便、节能、环保、高效的便携式样品恒温箱提供了有利条件。便携式样品恒温箱具有特定的使用环境和条件的要求，而这些要求与半导体制冷技术的特点又相符，因此半导体制冷技术在便携式样品恒温箱及其类似产品的开发必将得到广泛的应用。

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1.引言

为了推进绿色能源能发展，国家正在大力发展纯电动汽车项目，电动汽车充换电站所用的电池箱是该项目运行中的必不可少的设备，它们的安全与稳定运行也是纯电动客车安全可靠供电的基础，因此电池成组技术的研究成为电池箱安全与稳定运行的前提。

电池管理系统的设计是电池模块成组技术的核心，而电池热管理方式又是电池管理系统设计的一个重要组成部分，电池箱温度过高或过低都会对其性能及寿命产生影响，考虑到电池实际使用时一般工作在放电状态下，当工况条件苛刻时，电池可能会大倍率放电，此时会产生大量热量，因此电池的散热管理相对而言更为重要，动力电池箱目前最常用的散热管理方式是强制风冷散热，但是强制风冷散热的缺陷是温度的不可控性和只能给电池箱散热不能加热的单一性，为突破现有热管理方式的局限性，本文设计了半导体制冷风扇在动力电池箱中的应用模型，提出了半导体制冷风扇的制冷及制热双向控制的策略。

2.半导体制冷的原理及基本计算公式

半导体制冷又称热电制冷，主要是塞贝克效应的逆效应珀耳帖效应在制冷技术方面的应用，是一种新型的制冷方式。

图1为热电制冷原理示意图，当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料连成电偶对，在电路中接上直流电源，就会发生能量的转移。位于上面的结点1，电流方向由N至P，温度降低，并且从外界吸收热量，成为冷端。位于下面的结点2，电流方向由P至N，温度升高，并且向外界释放热量，成为热端。

对热电堆的热端采用有效的散热方式，使其产生的热量不断的被散出，并且保持一定的温度，把热电堆的冷端放到需要制冷的环境中，吸收环境中的热量，达到降温的目的，这就是半导体制冷的基本原理[1-5]。

设冷端温度为Tc，热端温度为Th，冷热端温差为ΔT=Th-Tc，冷端从外界吸取的热量（即制冷量）为Qc，热端向外放出的热量（即散热量）为Qh，热电偶输入功率为N，电路中电流为I。假设PN型半导体材料侧面为绝热，并可忽略汤姆逊热及接触电阻的影响，温差电动势α（μV/K）、电导率σ（1/（Ω・cm））、热导率k（W（cm・K））和汤姆逊系数τ参数与温度无关，则根据热力学分析和拍尔巾占效应，制冷器从热端散出的热量Qh应等于从冷端吸入的热量Qc和外界输入的电功率N之和。

半导体制冷电堆的基本计算公式如表1所列[6]。

表1 半导体制冷电堆的基本计算公式

制冷量QC

散热量Qh +

功耗N

输入电压U

制冷系数ε

3.半导体制冷风扇的设计

3.1 半导体制冷风扇的基本结构

半导体制冷风扇主要包括热电堆、冷热端散热器、风扇、基板和直流电源等部件组成，强迫通风散热半导体制冷风扇的基本结构如图2所示。

半导体制冷风扇工作时，电池箱内空气与热电堆冷端散热器利用箱体内风扇进行对流换热，箱体内部的余热被冷端散热器吸收，热量经热电制冷效应移至热端，箱体外部空气与热电堆热端散热器通过外部风扇进行对流换热，将热量散到环境中去，使热电堆的热端温度恒定，从而达到制冷的目的。

3.2 半导体制冷风扇的特点

半导体制冷风扇与传统的强制风冷散热相比具有以下优点：

（1）热惯性非常小，制冷制热很快;

（2）直流供电，电流方向转换方便，可实现制冷和制热双向控制;

（3）强制风冷最多可将电池箱内空气温度将至外部环境温度，而半导体制冷可以将温度调至高于或低于外部环境温度;

（4）能量调节性能好，可以通过改变工作电压或电流即可，容易实现高精度的温度控制[9]。

半导体制冷风扇与传统的强制风冷散热相比的缺点如下：

（1）自身转换效率比较低，会增加电池箱辅助电源的功耗;

（2）加工制造工艺比较复杂，导致成本可能会比单一的强制风冷高一些。

图3 半导体制冷风扇的应用环境实物图

3.3 半导体制冷风扇的应用环境设计

动力电池箱主要由电池箱体、电池管理系统、单体电池和固定托架组成，其中电池箱体包括机箱、面板、盖板、推拉机构、定位套、蓄电池模组挡板与压条、通风栅板与滤网、熔断器盒等组成，其中半导体制冷风扇安装在电池箱背面的两侧。如图3所示，两个风机的位置即为半导体制冷风扇热端风扇，每个半导体制冷风扇的功耗约为75W。

改进后的电池箱采用全密封形式，考虑到半导体制冷时，电池箱内空气会冷凝，在散热片靠近制冷端处产生水珠，在箱体内部设置一个专门收集水珠的小水盒，可以通过电池管理系统检测水位，定期进行检察和维护，这样的设计不仅提高了原有的IP防护等级，而且可以起到电池箱内除湿的双重功效。

3.4 半导体制冷风扇的双向控制策略

电池箱内的电池管理系统提供半导体制冷风扇的直流输入可调电源，温度传感器实时采集各个温度布点的温度，上送至电池管理系统。

在电池充放电过程中，电池产生大量热量，使得密闭的电池箱内温度逐渐升高，当温度采样值达到温度报警阈值时，电池管理系统输出正向直流电压，开启半导体制冷模式，制冷端作为冷源吸收热量，并通过风扇将冷风送出，电池箱内会形成冷热空气循环气流直到整个空间内实现热平衡，吸收的热量通过热端散热片及外部风扇排到电池箱外部环境中，达到电池箱内降温的目的。

相反，当电池箱内温度低于电池正常工作所需温度时，电池管理系统向半导体制冷风扇提供反相直流电压，开启半导体制热模式，上述的制冷端变为制热端，制热端作为热源释放热量，并通过风扇将热风送至电池箱内，冷端通过外部环境吸收热量，最终达到电池箱内电池加热的目的。

4.系统试验数据验证

为了验证半导体制冷风扇在电池箱热管理系统中应用的可行性，分别在电池箱静置、不同电流充电和不同电流充电时，对其制热和制冷情况进行测试了验证，数据结果如下所述。

4.1 静置状态下电池箱内温升情况（制热）

如图4所示，T1-T5为分布在电池箱内部不同部位的温度探头采样的温度，不用电池管理系统，强制开启半导体制热模式，测试共进行60min，从图中可以看出电池箱内温度大概在开启半导体制冷风扇20min左右时趋于平稳，由开始的25℃左右稳定至50℃左右。

4.2 静置状态下电池箱内温升情况（制冷）

如图5所示，T1-T5为分布在电池箱内部不同部位的温度探头采样的温度，不用电池管理系统，强制开启半导体制冷模式，测试共进行60min， 从图中可以看出电池箱内温度大概在开启半导体制冷风扇20min左右时趋于平稳，由开始的25℃左右稳定至13℃左右。

4.3 充电状态下电池箱内温升情况（不启动制冷）

如图6所示，T1-T5为分布在电池箱内部不同部位的温度探头采样的温度，以60A电流对电池进行恒流充电，测试共进行60min，从图中可以看出电池箱内温度由开始的25℃左右升至50℃左右。

4.4 充电状态下电池箱内温升情况（制冷）

如图7所示，T1-T5为分布在电池箱内部不同部位的温度探头采样的温度，以60A电流对电池进行恒流充电，使用电池管理系统智能控制半导体风扇直流输入工作电压，设定电池工作温度范围为20℃-30℃，测试共进行60min，从图7中可以看出电池箱内温度由开始的25℃左右上升至30℃左右时，智能开启制冷，使温度控制在20℃-30℃之间。

5.结果分析

从上述试验数据可以看出，半导体制冷风扇对电池箱热管理，无论是制冷还是制热，都起到了很明显的作用，特别是在电池管理系统的智能控制下，半导体制冷风扇在短时间内将电池箱内部温度始终控制在所设温度范围内。

制冷和制热试验数据验证了半导体制冷风扇的双向控制策略的正确性，也证实了半导体制冷风扇在纯电动客车BPA11系列快换电池箱中的可行性和有效性。

6.结语

本文设计了用半导体制冷风扇代替原有强制风冷的热管理系统的电池箱，通过对半导体制冷风扇在电池箱热管理系统中应用讨论及试验数据表明，在优化目前电池箱热管理系统方面，半导体制冷制热模式可以替代原有电池箱的强制风冷模式和加热模式。

从国内外对半导体制冷研究的现状看半导体制冷技术远没有成熟，目前也尚有一些制约因素受到关切，例如热电材料的制取、制冷系数和温度控制精度的提高等等。但是半导体制冷作为一种新兴发展起来的制冷技术，是一种具有良好发展前景的制冷方式[7]。

参考文献

[1]徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海：上海交通大学出版社，1992.

[2]张芸芸，李茂德，徐纪华.半导体制冷空调器的应用前景[J].应用能源技术，2007，144（6）：32-34.

[3]谢玲，汤广发.半导体制冷技术的发展与应用[J].洁净与空调技术，2008（1）：68-71.

[4]康春晖.21世纪的绿色冷源[J].半导体，2005（6）.

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中图分类号：TP368.1 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 06-0000-02

Application of Semiconductor Refrigeration Technology in LED Heat Dissipation Fang Wei

(School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

Abstract:This paper introduced the semiconductor refrigeration technology to LED cooling research,the MCU AT89C51 as the control center,the use of PWM modulation technology of semiconductor cooling piece of the input voltage and input current control,thus achieving a cooling power control of the MCU,through the experimental results demonstrate the feasibility of the method.

Keywords:Semiconductor refrigeration;PWM modulation;Thermal control

随着LED技术日新月异的发展，LED已经走进普通照明的市场。然而，LED照明系统的发展在很大程度上受到散热问题的影响。对于大功率LED而言，散热问题已经成为制约其发展的一个瓶颈问题。半导体制冷与其他的制冷系统相比，没有机械转动部分、无需制冷剂、无污染可靠性高、寿命长而且易于控制，体积和功率都可以做的很小，随着半导体材料技术的进步，以及高热电转换材料的发现，利用半导体制冷技术来解决LED照明系统的散热问题，将具有很现实的意义。

一、半导体制冷原理

半导体制冷又称电子制冷，或者温差电制冷，是从50年展起来的一门介于制冷技术和半导体技术边缘的学科，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。半导体制冷器的基本器件是热电偶对，即把一只N型半导体和一只P型半导体连接成热电偶，通上直流电后，在接口处就会产生温差和热量的转移。在电路上串联起若干对半导体热电偶对，而传热方面是并联的，这样就构成了一个常见的制冷热电堆。借助于热交换器等各种传热手段，实现热量的快速传导，这就是半导体制冷的原理。

二、系统总体设计方案

本文所设计的LED散热控制系统由温度[2]设定模块、显示模块、温度采集模块、电平转换模块及功率调整模块组成，系统总体框图如图1所示。该系统以微处理器为控制核心。温度采集模块采集被控对象的实时温度；温度设定模块设定制冷启动温度和强制冷温度。利用汇编语言对微处理器编程可实现，当采集的实时温度小于制冷启动温度时，输占空比为0的PWM调制波[1]，制冷模块处于闲置状态（PWM波占空比为0）；当采集的实时温度大于制冷启动温度但小于强制冷温度时，输出占空比为50%的PWM调制波，功率调整模块启动小功率的制冷方式；当采集的实时温度大于强制冷温度时，输出占空比为55.6%的PWM调制波，制冷模块启动大功率的制冷方式。

三、硬件电路设计及其元件选择

本方案采用低价位、高性能的AT89C51作为主控芯片，实现整个系统的逻辑控制功能；采用单线通信的高精度温度传感器DS18B20，实现对被控对象LED芯片实时温度的采集；同时设计了4*3输入键盘，制冷启动温度和强制冷温度由键盘输入；设计了电平转换电路，实现了+5V电压到+15V电压的变换；设计了功率调整电路，实现对半导体制冷片TEC的工作电压和电流的控制，进而实现对半导体制冷片TEC散热功率的控制，以达到对LED芯片及时散热的效果。

（一）主控芯片AT89C51

该系统的主控芯片选用的是单片机AT89C51。单片机AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能的处理器，为嵌入式控制系统提供了一种灵活性高的廉价方案。单片机AT89C51主要功能：接收键盘的温度设定输入；接收温度传感器的实时温度输入；产生占空比为0、占空比为50%及占空比为55.6%三个等级的PWM调制波。

（二）键盘电路

该系统采用4*3键盘[4]，包含0-9共10个数字键、一个“温度上限”键和一个“温度下限”键。

键盘电路的功能是输入设定的启动散热温度值和启动强散热温度值。

（三）温度采集电路

该系统采用美国DALLAS公司的生产的数字温度传感器DS18B20。DS18B20用一根信号线（1-Wire）与单片机通信的温度测量芯片。温度采集电路的功能是采集LED芯片的温度，并将温度转化为数字量输入到单片机AT89C51中。

（四）电平转换电路

电平转换电路的核心器件是光电耦合器，因为光电耦合器不但能完成电平转换，而且还有效地把控制电路与开关电路隔离，有利于保护前面的单片机芯片，提高了系统的可靠性。当输入为高电平时，三极管T1处于导通状态，光电耦合器的发光二极管不导通，三极管T2和T3截止，输出端的电压为+15V；当输入为低电平时，三极管T1处于截止状态，光电耦合器的发光二极管发光，三极管T2和T3通状态，输出端的电压为零。输入端输入的方波时，输出端也是方波，二者的频率近似相同，二者的区别的是幅度不同。输出端输出方波的幅度由外部供电源决定。

（五）功率调整电路

功率调整电路是一个Cuk电路[3]，根据CUK电路的输出电压和供电电源电压的关系，可得出PWM波占空比和半导体制冷片TEC输入电压的关系：

（式1）

其中D为PWM波的占空比， 为半导体制冷片TEC的工作电压，E为供电电源的电压（在此电路中E=12V）。由上式可知，控制PWM波的占空比就可以控制半导体制冷片TEC的工作电压和电流。

（六）仿真结果

当AT89C51输出的PWM波占空比为50%时，半导体制冷片的工作电压和工作电流如图4和图5所示，此时的半导体制冷片的工作功率约为48W。

四、结束语

随着电力技术不断的发展，大功率LED日益普及，然而大功率LED照明系统的散热问题严重制约了其进一步发展，因此大功率LED照明系统的散热问题也受到越来越多的重视。各个学科的研究人员也都投入到其中的研究当中，诸如寻找导热性能更好的材料和提高其电光转换效率等。针对这种情况，本文选择一些成本低廉相对高性能的元器件，对LED芯片工作温度不同的情况，进行不同的功率制冷，在一定程度上节约电力资源。此方案与传统的散热方案相比较，具有可控性好和制冷效果良好等优点，对于解决大功率LED照明系统散热问题具有很现实的意义。

参考文献：

[1]王晓华,朱思先.基于单片机PWM控制技术的实现[J].武汉理工大学学报,2010,32(1):94-98

[2]刘学文,过振,王石语,蔡德芳,文建国.DPL温度控制电路的优化设计[J].电子科技,2009,22(4):29-30

[3]王兆安,黄俊等.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009:106-107

[4]杨宁,胡学军等.单片机与控制技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:208-214

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DOI：10.14163/ki.11-5547/r.2016.23.174

良性前列腺增生（BPH）是中老年男性常见疾病之一， 随全球人口老年化发病日渐增多。随着激光技术的发展， 激光逐渐应用于BPH的治疗， 且手术效果更好， 并发症更少[1]。但患者围术期很容易出现焦虑不安、失眠、甚至抑郁， 术后常并发血压升高、膀胱痉挛疼痛等情况。近年来， 舒适护理模式作为优质护理举措能给患者生理、心理、社会以及灵性全方面的舒适感受[2]， 已被逐渐应用于患者的围手术期的护理， 并且取得了一定的疗效。本院对行经尿道前列腺半导体激光切除术患者给予舒适护理干预， 取得满意的临床效果， 现报告如下。

1 资料与方法

1. 1 一般资料 选择2014年6月～2015年10月连云港市第二人民医院泌尿外科良性前列腺增生择期行经尿道前列腺半导体激光切除术患者150例。患者年龄61～86岁， 平均年龄（69.6±6.20）岁。随机分为观察组和对照组， 各75例。

1. 2 方法 对照组给予围手术期常规护理；观察组在围手术期常规护理基础上增加舒适护理干预。

1. 2. 1 术前舒适护理 术前详细了解患者病情及顾虑， 向患者介绍手术室环境、术式、麻醉方式、优点及安全性、术中可能出现的不适及对策、手术预后等情况。提高患者对于手术的认识， 并且介绍同病种患者手术成功康复范例， 减轻患者恐惧及紧张心理， 身心放松， 以较好的心态积极配合手术。

1. 2. 2 术中舒适护理 ①心理舒适护理：患者准备手术当日， 管床护士执行术前准备时， 与患者进行有效沟通以减轻紧张心理。术前访视护士核对患者的身份后热情接待患者入手术室并全程陪护， 使患者心理上获得满足感和安全感；②环境的舒适护理：保持室内整洁安静， 温、湿度适宜， 术中不断询问患者的冷暖情况， 适当给予患者增减覆盖物及温、湿度调节。由于手术患者老年居多， 术中尽量减少隐私部位的暴露， 增加其舒适度；③生理舒适护理：麻醉前摆时， 向患者解释目的和注意事项， 同时在下肢各支撑点垫好海绵衬垫并询问是否舒适并给予调整。指导患者麻醉时行深呼吸达到放松效果。术中巡回过程中注意密切观察， 记录患者的生命体征变化， 适时安慰鼓励患者， 控制适宜室温， 注意保暖， 注意保护患者隐私， 增加患者舒适度和安全感[3]。术中如患者出现口干不适， 可用棉签蘸水湿润口唇以减轻不适。手术过程中给予下肢定时按摩或者行压力泵， 促进下肢血液循环以防血栓形成。由于手术当中需要大量的膀胱灌洗液， 患者容易出现寒冷不适， 甚至出现寒战， 术中灌洗液体需加温至37～40℃， 增加患者的生理舒适度。

1. 2. 3 术后舒适护理：①心理及环境舒适护理：向患者及家属交代手术情况及冲洗液颜色， 让患者放松心情， 增强治疗疾病的信心， 减少患者对手术效果及出血的担心。保持室内相对安静， 促使患者心情舒畅及充分的休息， 促进患者康复。②膀胱冲洗、尿管护理干预措施：依据患者膀胱冲洗液的颜色变化， 对冲洗速度给予相应调整， 保持冲出液呈粉红色或澄清状态， 滴速保持在80～100滴/min；冲洗液温度控制在20～30℃， 减少膀胱痉挛的发生率。待膀胱冲洗液颜色变清后， 将导尿管充气量保留在10～15 ml， 以减膀胱颈及膀胱三角区由气囊刺激导致的不适。引流管给予定时挤压以保持通畅， 防止血块堵塞诱发引起膀胱痉挛。尿管拔除过程中抽出气囊内盐水后， 即时向气囊内注射1 ml空气或者生理盐水， 保持气囊略为隆起和皱褶消失状态， 减少患者不适感[4]。③疼痛的舒适护理：术后给予患者镇痛泵留置， 可有效减轻术后疼痛， 减少膀胱痉挛的发生。加强巡视观察患者膀胱痉挛情况， 指导患者进行深呼吸， 全身放松， 分散注意力， 减轻疼痛。向患者家属宣教， 增强护士与患者及家属的互动， 从而得到更多的家庭情感支持， 使患者能够感受到家庭、社会温暖， 从而减轻疼痛。根据患者膀胱痉挛的程度和频率， 可酌情给予解痉、镇痛药物以减轻不舒适感。

1. 3 观察指标及疗效评价标准：①术前心理反应评价标准：根据患者的生理及情感方面的反应将其分为二个等级：正常、焦虑。②术后近期疗效指标：包括术后膀胱冲洗时间、留置导尿管时间和术后平均住院时间。③术后并发症：主要包括膀胱痉挛， 采用疼痛视觉模拟评分法（VAS）间接评估膀胱痉挛。评分1分：术后出现尿意急迫感， 便意急迫感， 膀胱区疼痛， 膀胱内压升高导致冲洗不畅。2分：膀胱区疼痛难忍， 导尿管周围有尿液外溢， 冲洗出现反流症状。全部出现为10分， 累计>4分即为膀胱痉挛[5]。④患者满意度调查：自制满意度调查表， 分为：满意、基本满意、不满意。

1. 4 统计学方法 采用SPSS16.0统计学软件进行统计分析。计量资料以均数±标准差（ x-±s）表示， 采用t检验；计数资料以率（%）表示， 采用χ2检验。P

2 结果

2. 1 两组患者术前心理反应的比较 观察组患者术前1 d心理反应正常者46例（61.33%）， 焦虑者29例（38.67%）；对照组心理反应正常者27例（36.00%）， 焦虑者48例（64.00%）， 观察组明显优于对照组（P

2. 2 两组患者血压、心率及术后近期疗效比较 两组患者术前平均动脉压（MAP）和心率（HR）水平比较差异无统计学意义（P>0.05）；与术前比较， 术中两组患者的MAP和HR水平均明显上升， 但观察组患者上升的幅度明显低于对照组；观察组患者术后留置尿管和膀胱冲洗时间、平均住院时间均明显少于对照组， 差异均具有统计学意义（P

2. 3 两组膀胱痉挛和满意度比较观察组和对照组患者膀胱痉挛发生分别为6例（8.0%）和15例（20.0%）， 观察组患者术后膀胱痉挛的发生率明显低于对照组， 差异具有统计学意义（P

3 讨论

良性前列腺增生是老年男性患者中较为常见的一种良性疾病， 并且发病率呈逐年上升的趋势。近年来， 随着激光技术的广泛开展和适用手术发展， 经尿道前列腺激光切除术已经成为现在新的治疗前列腺增生的手术方式， 其具有创伤小、恢复过程短及临床并发症少等特点。尽管微创手术较以前有许多优点， 但对患者的身心都会产生一定影响， 患者术前可能出现一些负面情绪， 比如焦虑、 烦躁、 抑郁等， 患者术后易发生膀胱痉挛等不适症状， 严重影响患者的舒适程度和术后的恢复。

本研究结果显示：观察组患者的心理反应、血压、心率的变化明显低于对照组， 提示舒适护理干预提高患者的手术应激反应能力及稳定患者术中血流动力学状态， 提高患者手术安全性 ；观察组患者术后留置尿管及膀胱冲洗时间、平均住院日、膀胱痉挛的发生率均明显少于对照组， 说明临床优质护理服务中运用舒适护理干预模式， 可显著改善激光手术患者术后疗效， 缩短住院时间减少医疗成本， 减少患者术后并发症的发生率。观察组患者的满意度调查明显高于对照组， 提示舒适护理干预能够明显改善护患的关系， 提高护理质量。

综上所述， 舒适护理是一种“以人为本， 以患者为中心”现代护理模式， 能使患者在生理、心理、社会上达到愉快状态， 真正做到人性化服务， 提高患者的手术安全性及术后患者的恢复及舒适度， 也促进了护理质量的进一步提高。

参考文献

[1] 张洪博， 史庆路， 杨青松， 等. 980 nm半导体激光治疗高危BPH安全性分析.中华泌尿外科杂志， 2010， 31（9）：629-631.

[2] 箫丰富.萧氏舒适护理模式.台湾：华杏出版社， 1998：5.

[3] 盛树力.老年痴呆发病机制研究进展和药物治疗未来战略.中国医学科学院学报， 2004， 26（2）：101-103.

篇9

doi:10.3969/j.issn.1006-1959.2010.09.089文章编号:1006-1959(2010)-09-2379-02

痔疮是人类常见疾病,随年龄增大其发病率逐渐上升,严重困扰着人们的生活。而对于痔术后创面的愈合,更加为人所关注。2009.7-2010.5,笔者采取中药熏治加半导体激光照射治疗痔术后患者165例,疗效满意,现报道如下:

1.资料与方法

1.1一般资料:选择165例混合痔住院患者,均行外切内扎术。术后随机分为2组:治疗组84例,男38例,女46例,年龄19～72岁,平均44岁,病程1年～20年,平均24月;对照组81例,男40例,女41例,年龄21～76岁,平均45岁,病程1年～24年,平均19月。2组性别、年龄、病程等经统计学处理,无显著性差异(P均>0.05),具有可比性。

1.2治疗方法:治疗组:给予中药熏治加半导体激光照射治疗。自制中药熏洗方:马齿苋30g、荆芥15g、防风15g、黄柏15g、苦参30g、紫花地丁30g、鱼腥草30g、蒲公英30g、马齿苋15g、透骨草12g、川椒15g、甘草6g,水煎后取汁备用。中药熏治采用LC-B型超声药物熏洗治疗机,将中药汁200ml置于储药杯内,打开电源开关,嘱患者坐于治疗仪座椅上,待水箱内温度达到设置温度(43℃)后,可交替调节雾化、冲洗的整个过程。每次熏洗10min,每日早晚各1次。半导体激光治疗采用SUNDOM半导体激光治疗仪(北京三顿电子技术有限责任公司生产),于中药熏洗后,患者取侧卧位,暴露患处,将直径16cm的圆形辐射器对准患处照射,输出波长810nm/650nm,输出功率(300～500mw),每次20min,每日2次,靠近患处调好,以患者感到温热舒适为佳。治疗完毕,常规换药。对照组:给予中药坐浴10min,常规肛肠科换药,碘伏棉球清洁患处,肛内纳入普济痔疮栓1枚,肛泰软膏外用,用凡士林纱条覆盖,无菌敷料包扎,每日2次。两组在治疗过程中注意调理,避免大便干燥和负重用力,忌食辛辣刺激食物等。1.3观察指标:以7d为1个疗程,1疗程后评估术后创面疼痛、水肿、愈合情况,以及住院时间。

1.4评价标准:①疼痛:参照WHO疼痛程度分组标准:无疼痛:不感疼痛或稍感下坠不适;轻度疼痛:持续或间断隐痛,但可忍受,并能正常生活,睡眠不受干扰;中度疼痛:疼痛明显,不能忍受,要求服用镇痛药,睡眠受干扰;重度疼痛:疼痛剧烈,不能忍受,需要镇痛药,睡眠严重受干扰,可伴有植物神经功能紊乱。②水肿:无水肿:切口边缘皮肤柔软,无异常凸起;轻度:切口边缘稍凸起,皮肤光亮但柔软,不影响活动;中度:切口局部红肿、变硬,皮肤透亮,活动轻度受限;重度:切口呈肿块状突出,活动明显受限。

1.5统计学方法:等级资料采用秩和检验,计量资料采用t检验,P

2.结果

患者术后创面观察结果(见表1～表4),可见两组术后创面疼痛、水肿、愈合情况,以及住院时间均有统计学意义,中药熏治加半导体激光照射能明显减少疼痛、减轻水肿、加速愈合创面,且大大缩短了住院时间。

表1疼痛(例数n)

P=0.019

表2水肿(例数n)

P=0.013

表3创面面积(cm2)

*P=0.001

表4疗程(day)

P=0.000

3.讨论

直肠疾病中对于痔最常用的治疗方法是手术治疗。手术损伤肛管皮肤,创面神经末梢暴露,手术操作在齿线下有痛区,术后创口受粪便的冲击,以及愈合时形成瘢痕等均可导致神经受外界的刺激均可以引起疼痛;直肠手术损伤引起的血液、淋巴循环障碍,或术后的排便困难、便秘、局部的炎症反应均可以引起水肿;大便秘结,便时用力又可引起术后切口创面血运不畅而水肿[1]。痔手术后,中医认为脉络受损,气血凝滞,气机运行不畅,不通则痛,而引起疼痛,气血瘀滞局部而引起水肿。

我们采用中药熏洗,取其清热解毒、活血化瘀、消肿止痛之效。熏洗可使药力和热力直接作用于患处,超声雾化熏洗主要是利用超声波的作用,使药液变成微细的雾状颗粒,并直接作用于病灶局部,达到创面与药液的紧密接触而起效,加速对炎症的控制,促进分泌物液化[2],另外冲洗液一次使用后直接排出,不再重复使用,避免了交叉感染[3]。

半导体激光照射引起血流增加,促进致痛物质代谢,缓解疼痛,另外照射可促进新生血管生长和肉芽组织增生,减轻水肿,刺激蛋白质合成。毛细血管是肉芽组织的基本成分之一,是完成伤口愈合的前提条件,肉芽组织毛细血管越丰富,组织供氧量越充分,有助于各种组织修复细胞的代谢和成熟,促进胶原纤维的产生、沉积和交联,并能激活或诱导T、B淋巴细胞和巨噬细胞产生细胞因子,通过淋巴细胞再循环而活化全身免疫系统,增强巨噬细胞的吞噬能力,提高机体免疫力。

总之,中药熏治联合半导体激光照射在痔术后减轻疼痛、减轻水肿、加速创面愈合方面较之传统的换药治疗,本法优势明显、且疗程短、简便易行,值得临床推广。

参考文献

篇10

2　影响列阵半导体激光器输出功率因素

3　器件外延结构

4　器件制备及其特性

4. 1　激光器的制备

4. 2　器件特性