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篇1

關鍵詞

半導體材料;多晶硅;單晶硅;砷化鎵;氮化鎵

1前言

半導體材料是指電阻率在107Ωcm10-3Ωcm，界于金屬和絕緣體之間的材料。半導體材料是制作晶體管、集成電路、電力電子器件、光電子器件的重要基礎材料[1]，支撐著通信、計算機、信息家電與網絡技術等電子信息產業的發展。電子信息產業規模最大的是美國和日本，其2002年的銷售收入分別為3189億美元和2320億美元[2]。近幾年來，我國電子信息產品以舉世矚目的速度發展，2002年銷售收入以1.4億人民幣居全球第3位，比上年增長20，產業規模是1997年的2.5倍，居國內各工業部門首位[3]。半導體材料及應用已成為衡量一個國家經濟發展、科技進步和國防實力的重要標志。

半導體材料的種類繁多，按化學組成分為元素半導體、化合物半導體和固溶體半導體;按組成元素分為一元、二元、三元、多元等;按晶態可分為多晶、單晶和非晶;按應用方式可分為體材料和薄膜材料。大部分半導體材料單晶制片后直接用于制造半導體材料，這些稱為“體材料”;相對應的“薄膜材料”是在半導體材料或其它材料的襯底上生長的，具有顯著減少“體材料”難以解決的固熔體偏析問題、提高純度和晶體完整性、生長異質結，能用于制造三維電路等優點。許多新型半導體器件是在薄膜上制成的，制備薄膜的技術也在不斷發展。薄膜材料有同質外延薄膜、異質外延薄膜、超晶格薄膜、非晶薄膜等。

在半導體產業的發展中，一般將硅、鍺稱為第一代半導體材料;將砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、砷化銦、砷化鋁及其合金等稱為第二代半導體材料;而將寬禁帶eg2.3ev的氮化鎵、碳化硅、硒化鋅和金剛石等稱為第三代半導體材料[4]。上述材料是目前主要應用的半導體材料，三代半導體材料代表品種分別為硅、砷化鎵和氮化鎵。本文沿用此分類進行介紹。

2主要半導體材料性質及應用

材料的物理性質是產品應用的基礎，表1列出了主要半導體材料的物理性質及應用情況[5]。表中禁帶寬度決定發射光的波長，禁帶寬度越大發射光波長越短藍光發射;禁帶寬度越小發射光波長越長。其它參數數值越高，半導體性能越好。電子遷移速率決定半導體低壓條件下的高頻工作性能，飽和速率決定半導體高壓條件下的高頻工作性能。

硅材料具有儲量豐富、價格低廉、熱性能與機械性能優良、易于生長大尺寸高純度晶體等優點，處在成熟的發展階段。目前，硅材料仍是電子信息產業最主要的基礎材料，95以上的半導體器件和99以上的集成電路ic是用硅材料制作的。在21世紀，可以預見它的主導和核心地位仍不會動搖。但是硅材料的物理性質限制了其在光電子和高頻高功率器件上的應用。

砷化鎵材料的電子遷移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高頻、高速和光電性能，并可在同一芯片同時處理光電信號，被公認是新一代的通信用材料。隨著高速信息產業的蓬勃發展，砷化鎵成為繼硅之后發展最快、應用最廣、產量最大的半導體材料。同時，其在軍事電子系統中的應用日益廣泛，并占據不可取代的重要地位。

gan材料的禁帶寬度為硅材料的3倍多，其器件在大功率、高溫、高頻、高速和光電子應用方面具有遠比硅器件和砷化鎵器件更為優良的特性，可制成藍綠光、紫外光的發光器件和探測器件。近年來取得了很大進展，并開始進入市場。與制造技術非常成熟和制造成本相對較低的硅半導體材料相比，第三代半導體材料目前面臨的最主要挑戰是發展適合gan薄膜生長的低成本襯底材料和大尺寸的gan體單晶生長工藝。

主要半導體材料的用途如表2所示。可以預見以硅材料為主體、gaas半導體材料及新一代寬禁帶半導體材料共同發展將成為集成電路及半導體器件產業發展的主流。

3半導體材料的產業現狀

3.1半導體硅材料

3.1.1多晶硅

多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原料，主要生產方法為改良西門子法。目前全世界每年消耗約18000t25000t半導體級多晶硅。2001年全球多晶硅產能為23900t，生產高度集中于美、日、德3國。美國先進硅公司和哈姆洛克公司產能均達6000t/a，德國瓦克化學公司和日本德山曹達公司產能超過3000t/a，日本三菱高純硅公司、美國memc公司和三菱多晶硅公司產能超過1000t/a，絕大多數世界市場由上述7家公司占有。2000年全球多晶硅需求為22000t，達到峰值，隨后全球半導體市場滑坡;2001年多晶硅實際產量為17900t，為產能的75左右。全球多晶硅市場供大于求，隨著半導體市場的恢復和太陽能用多晶硅的增長，多晶硅供需將逐步平衡。

我國多晶硅嚴重短缺。我國多晶硅工業起步于50年代，60年代實現工業化生產。由于技術水平低、生產規模太小、環境污染嚴重、生產成本高，目前只剩下峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠2個廠家生產多晶硅。2001年生產量為80t[7]，僅占世界產量的0.4，與當今信息產業的高速發展和多晶硅的市場需求急劇增加極不協調。我國這種多晶硅供不應求的局面還將持續下去。據專家預測，2005年國內多晶硅年需求量約為756t，2010年為1302t。

峨嵋半導體材料廠和洛陽單晶硅廠1999年多晶硅生產能力分別為60t/a和20t/a。峨嵋半導體材料廠1998年建成的100t/a規模的多晶硅工業性生產示范線，提高了各項經濟技術指標，使我國擁有了多晶硅生產的自主知識產權。該廠正在積極進行1000t/a多晶硅項目建設的前期工作。洛陽單晶硅廠擬將多晶硅產量擴建至300t/a，目前處在可行性研究階段。

3.1.2單晶硅

生產單晶硅的工藝主要采用直拉法cz、磁場直拉法mcz、區熔法fz以及雙坩鍋拉晶法。硅晶片屬于資金密集型和技術密集型行業，在國際市場上產業相對成熟，市場進入平穩發展期，生產集中在少數幾家大公司，小型公司已經很難插手其中。

目前國際市場單晶硅產量排名前5位的公司分別是日本信越化學公司、德瓦克化學公司、日本住友金屬公司、美國memc公司和日本三菱材料公司。這5家公司2000年硅晶片的銷售總額為51.47億元，占全球銷售額的70.9，其中的3家日本公司占據了市場份額的46.1，表明日本在全球硅晶片行業中占據了主導地位[8]。

集成電路高集成度、微型化和低成本的要求對半導體單晶材料的電阻率均勻性、金屬雜質含量、微缺陷、晶片平整度、表面潔凈度等提出了更加苛刻的要求詳見文獻[8]，晶片大尺寸和高質量成為必然趨勢。目前全球主流硅晶片已由直徑8英寸逐漸過渡到12英寸晶片，研制水平達到16英寸。

我國單晶硅技術及產業與國外差距很大，主要產品為6英寸以下，8英寸少量生產，12英寸開始研制。隨著半導體分立元件和硅光電池用低檔和廉價硅材料需求的增加，我國單晶硅產量逐年增加。據統計，2001年我國半導體硅材料的銷售額達9.06億元，年均增長26.4。單晶硅產量為584t，拋光片產量5183萬平方英寸，主要規格為3英寸6英寸，6英寸正片已供應集成電路企業，8英寸主要用作陪片。單晶硅出口比重大，出口額為4648萬美元，占總銷售額的42.6，較2000年增長了5.3[7]。目前，國外8英寸ic生產線正向我國戰略性移動，我國新建和在建的f8英寸ic生產線有近10條之多，對大直徑高質量的硅晶片需求十分強勁，而國內供給明顯不足，基本依賴進口，我國硅晶片的技術差距和結構不合理可見一斑。在現有形勢和優勢面前發展我國的硅單晶和ic技術面臨著巨大的機遇和挑戰。

我國硅晶片生產企業主要有北京有研硅股、浙大海納公司、洛陽單晶硅廠、上海晶華電子、浙江硅峰電子公司和河北寧晉單晶硅基地等。有研硅股在大直徑硅單晶的研制方面一直居國內領先地位，先后研制出我國第一根6英寸、8英寸和12英寸硅單晶，單晶硅在國內市場占有率為40。2000年建成國內第一條可滿足0.25μm線寬集成電路要求的8英寸硅單晶拋光片生產線;在北京市林河工業開發區建設了區熔硅單晶生產基地，一期工程計劃投資1.8億元，年產25t區熔硅和40t重摻砷硅單晶，計劃2003年6月底完工;同時承擔了投資達1.25億元的863項目重中之重課題“12英寸硅單晶拋光片的研制”。浙大海納主要從事單晶硅、半導體器件的開發、制造及自動化控制系統和儀器儀表開發，近幾年實現了高成長性的高速發展。

3.2砷化鎵材料

用于大量生產砷化鎵晶體的方法是傳統的lec法液封直拉法和hb法水平舟生產法。國外開發了兼具以上2種方法優點的vgf法垂直梯度凝固法、vb法垂直布里支曼法和vcz法蒸氣壓控制直拉法，成功制備出4英寸6英寸大直徑gaas單晶。各種方法比較詳見表3。

移動電話用電子器件和光電器件市場快速增長的要求，使全球砷化鎵晶片市場以30的年增長率迅速形成數十億美元的大市場，預計未來20年砷化鎵市場都具有高增長性。日本是最大的生產國和輸出國，占世界市場的7080;美國在1999年成功地建成了3條6英寸砷化鎵生產線，在砷化鎵生產技術上領先一步。日本住友電工是世界最大的砷化鎵生產和銷售商，年產gaas單晶30t。美國axt公司是世界最大的vgf

gaas材料生產商[8]。世界gaas單晶主要生產商情況見表4。國際上砷化鎵市場需求以4英寸單晶材料為主，而6英寸單晶材料產量和市場需求快速增加，已占據35以上的市場份額。研制和小批量生產水平達到8英寸。

我國gaas材料單晶以2英寸3英寸為主，

4英寸處在產業化前期，研制水平達6英寸。目前4英寸以上晶片及集成電路gaas晶片主要依賴進口。砷化鎵生產主要原材料為砷和鎵。雖然我國是砷和鎵的資源大國，但僅能生產品位較低的砷、鎵材料6n以下純度，主要用于生產光電子器件。集成電路用砷化鎵材料的砷和鎵原料要求達7n，基本靠進口解決。

國內gaas材料主要生產單位為中科鎵英、有研硅股、信息產業部46所、55所等。主要競爭對手來自國外。中科鎵英2001年起計劃投入近2億資金進行砷化鎵材料的產業化，初期計劃規模為4英寸6英寸砷化鎵單晶晶片5萬片8萬片，4英寸6英寸分子束外延砷化鎵基材料2萬片3萬片，目前該項目仍在建設期。目前國內砷化鎵材料主要由有研硅股供應，2002年銷售gaas晶片8萬片。我國在努力縮小gaas技術水平和生產規模的同時，應重視具有獨立知識產權的技術和產品開發，發展我國的砷化鎵產業。

3.3氮化鎵材料

gan半導體材料的商業應用研究始于1970年，其在高頻和高溫條件下能夠激發藍光的特性一開始就吸引了半導體開發人員的極大興趣。但gan的生長技術和器件制造工藝直到近幾年才取得了商業應用的實質進步和突破。由于gan半導體器件在光電子器件和光子器件領域廣闊的應用前景，其廣泛應用預示著光電信息乃至光子信息時代的來臨。

2000年9月美國kyma公司利用aln作襯底，開發出2英寸和4英寸gan新工藝;2001年1月美國nitronex公司在4英寸硅襯底上制造gan基晶體管獲得成功;2001年8月臺灣powdec公司宣布將規模生產4英寸gan外延晶片。gan基器件和產品開發方興未艾。目前進入藍光激光器開發的公司包括飛利浦、索尼、日立、施樂和惠普等。包括飛利浦、通用等光照及汽車行業的跨國公司正積極開發白光照明和汽車用gan基led發光二極管產品。涉足gan基電子器件開發最為活躍的企業包括cree、rfmicrodevice以及nitronex等公司。

目前，日本、美國等國家紛紛進行應用于照明gan基白光led的產業開發，計劃于2015年-2020年取代白熾燈和日光燈，引起新的照明革命。據美國市場調研公司strstegiesunlimited分析數據，2001年世界gan器件市場接近7億美元，還處于發展初期。該公司預測即使最保守發展，2009年世界gan器件市場將達到48億美元的銷售額。

因gan材料尚處于產業初期，我國與世界先進水平差距相對較小。深圳方大集團在國家“超級863計劃”項目支持下，2001年與中科院半導體等單位合作，首期投資8千萬元進行gan基藍光led產業化工作，率先在我國實現氮化鎵基材料產業化并成功投放市場。方大公司已批量生產出高性能gan芯片，用于封裝成藍、綠、紫、白光led，成為我國第一家具有規模化研究、開發和生產氮化鎵基半導體系列產品、并擁有自主知識產權的企業。中科院半導體所自主開發的gan激光器2英寸外延片生產設備，打破了國外關鍵設備部件的封鎖。我國應對大尺寸gan生長技術、器件及設備繼續研究，爭取在gan等第三代半導體產業中占據一定市場份額和地位。

4結語

不可否認，微電子時代將逐步過渡到光電子時代，最終發展到光子時代。預計到2010年或2014年，硅材料的技術和產業發展將走向極限，第二代和第三代半導體技術和產業將成為研究和發展的重點。我國政府決策部門、半導體科研單位和企業在現有的技術、市場和發展趨勢面前應把握歷史機遇，迎接挑戰。

參考文獻

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篇2

中圖分類號：TQ163+.4 文獻標識碼：A 文章編號：

引言

隨著科學技術的發展，宇脫國防,是有勘探等領域對半導體電子器件提出了極為嚴格的要求，開發研制高溫、高頻、高功率、高耐壓及抗輻射等新型半導體器件成為日益緊迫的問題.目前，半導體行業中常用的Si材料由于本身條件的限制，對上述要求難以勝任;而作為N-N族二元半導體材料的SiC具有較大的熱導率、高臨界擊穿電場、寬禁帶、高載流子遷移率等特點，越來越引起人們的重視.國外現已研制出多種SiC器件.特別是在高沮功率器件方面，所制備的SiC MC3SFET等器件的性能遠遠超出同類Si器件.目前已有SiC藍色發光器件作為商品出售.隨著SiC單晶生長技術和薄膜生長技術的突破，SiC材料在研制高溫、高頻、大功率、抗輻射半導體器件方面受到極大關注，并加速了該領域的發展步伐.近兩年來，國際上已掀起了對SiC材料及器件研究的熱潮。

一、半導體材料的特征

半導體材料在自然界及人工合成的材料中是一個大的部類。顧名思義，半導體在其電的傳導性方面，其電導率低于導體，而高于絕緣體。它具有如下的主要特征。（1）在室溫下，它的電導率在103—10-9S/cm之間,S為西門子，電導單位，S=1/r(W. cm) ；一般金屬為107—104S/cm,而絕緣體則

二、晶體生長

SiC具有同質異型體的特點，其每一種晶體結構都有著自己獨特的電學及光學性質.表1給出了常見的幾種具有不同晶體結構的SiC的電學特性與硅及砷化稼的比較.在許多器件應用中，SiC的高擊穿電場(比硅的5倍還大、寬的禁帶寬度吸大于硅的2倍、高載流子飽和漂移速度(是硅的2倍)以及大熱導率(大于硅的3倍)將充分發揮器件的應用潛力。

盡管許多年以前人們就已經知道了SiC的一些潛在的優良電學特性，但由于材料生長的原因，直到現在還不能將這些特性充分應用到器件或集成電路中去.目前通過改進型Lely升華的方法得到了大面積重復性好的&H-SiC單晶,1989年2. 54 cm的6H-SiC單晶片首先商業化，此后SiC半導體器件技術得到迅猛發展。

在眾多的SiC晶休結構中，4H-sic和6H-S〔由于其單晶生長工藝的成熟性以及較好的重復性，使它們在電子器件中應用比較廣泛.市場上可得到的4H或8H SiC晶片的直徑已經達到4.445 cm，具體價格根據其規格的不同從800 -2 000美元/片不等，這些產品主要來自于美國的Cree公司.如果晶片的價格有所下降，將會更加促進SiC技術的發展.另外，Westinghouse公司在SiG材料方面也取得了一些可喜的成果:他們成功地制備了半絕緣SiC晶片，其室溫下的電阻率大于10Ωcm，并首次得到7. 82 cm的SFC晶片。

4H-S iC的載流子遷移率較8H-SiC.的要高，這使其成為大多數SiC器件的首選材料. 8H-SiG本身固有的遷移率各向異性使之在平行于G軸方向導通率有所下降，導致縱向MOSFET功率器件多選用4H-SiC.為減小縱向MOSFET功率器件中襯底寄生電阻，目前4H-SiC電阻率可達到0.0028dΩcm.4H-SIG的高遷移率掩蓋了利用8H-SiG為襯底進行同質外延而生成3G-SiG薄膜所帶來的優點。

目前影響SiG電子器件實現的首要因素之一就是控制生長高質量的SiC外延薄膜.在SiC電子器件的實現過程中，控制生長高質量的外延層是關鍵的一步、目前，化學氣相淀積技術可滿足制備重復性好的外延層及批t生產這兩方面的需求.為了減少由于晶格失配、熱膨脹系數不同所帶來的缺陷等間題，生長時選用SiC基片.首先要拋光SiC基片使其表面偏離(0001)基面3 ^4度，這將使外延層中原子堆垛順序與SiC襯底內的原子堆垛順序相同.同時，為得到N 型外延層，可在反應氣體中加人氮氣(N2);而P型則加入三甲基鋁或三乙基鋁.如果在今后的工作中能夠很好地解決在大面權Si上異質外延生長低塊陷的3GSiC薄膜的問題。那么3C-SiC必將在以后的SiG器件和集成電路中發揮越來越重要的作用。

隨著從SiC器件向著SiC集成電路的發展，SiC外延層的均勻性和外延層表面形態的好壞也越來越重要.目前，商業上SiC外延層厚度的容差為士25%，而研究人員報道了修雜均勻性為士20%厚度均勻性容差為士7%的大于5. 08 cm的SiC基片.對于所有的SiC同質外延層，目前均為觀察到具有十分理想的表面形貌、據預側，借助于精密的CVD反應裝置、日益成熟的反應條件，在不遠的將來這些問題都會迎刃而解、

三、分立器件

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引 言

隨著經濟的發展，全球能耗劇增，能源資源幾近危機，想要降低能耗，實現可持續發展，研究和開發新型的環境友好型技術就成為了必須。半導體制冷起源于20世紀50年代，由于它結構簡單、通電制冷迅速，受到家電廠家的青睞。但是由于當時局限于材料元件性能的不足而沒有普遍使用。近年來，科學技術迅猛發展，半導體制冷器件的各個技術難題逐步攻破，使半導體制冷的優勢重新顯現出來，廣泛應用于軍事、航空航天、農業、工業等諸多領域。

1、半導體制冷國內外研究現狀

從國內外文獻研究來看，半導體制冷技術的理論研究已基本成熟。隨著半導體物理學的發展， 前蘇聯科學院半導體研究所約飛院士發現摻雜的半導體材料 ， 有良好的發電和制冷性。這一發現引起學者們對熱電現象的重視， 開啟了半導體材料的新篇章， 各國的研究學者均致力于尋找新的半導體材料。2001年，Venkatasubramanian等人制成了目前世界最高水平的半導體材料系數2.4。宜向春等人又對影響半導體材料優值系數的因素進行了詳細的分析。指出半導體材料的優值系數除與電極材料有關，也與電極的截面和長度有關， 不同電阻率和導熱率的電極應有不同的幾何尺寸， 只有符合最優尺寸才能獲得最大優值系數的半導體制冷器。

2、半導體制冷的工作原理

半導體制冷又稱熱電制冷，系統僅包括冷熱端、電源、電路等設備。P型半導體元件和N型半導體元件構成熱電對，熱電對兩端均有金屬片導流條。如圖1所示：當電流流經熱電對時，就會發射帕爾貼效應，電流在上端由N流向P，溫度降低形成冷端，從外界吸熱；電流在下端有P流向N，溫度升高形成熱端，向外界放熱。

3、半導體制冷效率的影響因素

半導體制冷的研究涉及傳熱學原理、熱力學定律以及帕爾貼效應， 還要考慮多種因素， 同時影響半導體制冷的各種因素都是相輔相成的， 不是獨立的。所以半導體制冷的研究一直是國內外學者關注的熱點， 但也面臨諸多難點，其中影響其制冷效率主要有兩個基本因素：

（1） 半導體材料優值系數Z

半導體制冷的核心部件是熱電堆，熱電堆的半導體制冷材料熱電轉換效率不高，是半導體制冷空調器效率較低的主要原因。決定熱電材料性能優劣的是優值系數Z 。若要半導體制冷效率達到機械制冷效率水平，制冷材料優值系數必須從3。5×10-3 1/K升高到13×10-3 1/K。如圖2 給出了不同優值Z時，半導體制冷與機械式制冷制冷系數的比較結果。

（2） 半導體制冷裝置熱端散熱效果的影響。

熱電堆熱端的散熱效果是影響熱電堆性能的重要因素。實際應用的半導體制冷裝置總要通過熱交換器與冷、熱源進行不斷的熱交換才能維持工作。而熱端散熱比冷端更為關鍵，如若設制冷器冷端散熱量為Q1，熱端散熱量為Q2，系統工作消耗的電功為W0。

顯然，Q2=Q1+W0

4、提高半導體制冷效率的途徑

制冷效率低成為半導體制冷最大的不足，這限制了半導體制冷的推廣和應用。為了提高半導體制冷的效率，就要從上文所介紹的兩個影響因素入手，找出有效的解決方法。

（1）尋找高優值系數Z的半導體材料：研制功能性非均質材料、方鈷礦的研究、帶量子空穴的超晶格研究。

（2）優化設計半導體制冷熱端散熱系統，以保證熱端的散熱處于良好的狀態。

5、半導體制冷應用與前景

隨著低溫電子學得到迅速的發展， 在多種元器件和設備冷卻上， 半導體制冷有獨特的作用。 采用半導體制冷技術， 對電子元件進行冷卻， 能有效改善其參數的穩定性， 或使信噪比得到改善， 從而提高放大和測量裝置的靈敏度和準確度。 半導體制冷器可以用直接制冷方式和間接制冷方式來冷卻電子器件和設備。

為了解決石油資源匱乏的問題，部分車輛使用天然氣、乙醇作為燃料，但與使用汽油相比，汽車空調運行比較困難。半導體制冷空調冷熱一體，獨立運行，可直接利用車輛直流電源，因而系統簡單，且與車輛具有很好的兼容性，因此半導體制冷在汽車領域內有較好的發展前景。

千瓦級以上的半導體制冷空調成本比壓縮制冷空調成本要高的多。但百瓦級的小型空調裝置的成本與壓縮制冷空調的成本相差不大，且無制冷劑、調控方便、無噪音等特點，用于某些特殊的小型空間非常方便；而十瓦級的微型空調裝置的成本則遠低于壓縮制冷裝置，在電子設備冷卻、局部微環境溫度控制方面，具備壓縮制冷裝置無法替代的優勢，使中小型半導體制冷空調器進入民用領域成為可能。

在半導體制冷技術的應用中，需要因地制宜，根據不用的使用要求，設計出不用的性能，以拓展該技術的應用領域，可以堅信，半導體制冷技術的未來會發展得越來越好，越來越廣。■

參考文獻

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篇4

0 引言

在專業技術領域，如大型服務器及服務集群等商業化的大規模計算服務中心，仍然需要高效的散熱及溫控技術來保證高精度的數據服務。這就需要必須采用高效的散熱技術來解決實際問題。對比常規的風冷技術、水冷技術，半導體制冷技術的優勢在于提供了主動的制冷方式，其散熱效果是其他技術無法比擬的，并且在半導體制冷的實際應用中，證明了主動的制冷散熱方式為服務器運行的保障是具有實際效果的。但是，對于半導體制冷技術應用的條件很嚴格，根據其技術的基礎情況，要從服務器環境管理、溫度監測及控制、輔助散熱技術等多方面技術進行綜合運用，實現服務器的環境管控。

1 服務器環境

1.1 服務器構架復雜

服務器由于用途與傳統的計算機并不相同，所以在服務器主板與其他服務器配件都與普通的計算機有所出入，服務器內部構造是與其主要用途決定的，所以很多服務器并非采用傳統的兼容構架，而是根據其特定用途進行設計的。例如：單一的主板對多CPU的支持，多內存，多顯卡，多外接設備等的支持。如圖1所示。

1.2 服務器空間有限

服務器的空間是由服務器機箱規格決定的，按照1U、2U、刀片服務器等不同規格決定，由于在有限的空間中需要放置更多的設備，所以決定不能將更大面積的散熱設備至于其中，這就決定了服務器散熱必須采用高效地的設備來解決實際問題。

1.3 服務器散熱方式

傳統的服務器散熱方式與普通PC機基本相同，主要由風冷式散熱、水冷式散熱。其中：風冷式散熱主要由導熱片和風扇組成，導熱片多采用銅、鋁材質的不同制程工藝制造，風扇多為帶有溫控設計。風冷散熱優點是制造簡單、價格低廉，但由于散熱方式決定了其效能不高，不能滿足要求較高的環境；水冷式散熱是將風冷式的風扇替換為液體，通過液體循環傳熱體質達到散熱效果。

2 半導體制冷技術

2.1 半導體制冷的原理

熱電制冷是具有熱電能量轉換特性的材料，在通過直流電時具有制冷功能，由于半導體材料具有最佳的熱電能量轉換性能特性，所以人們把熱電制冷稱為半導體制冷。詳見圖2所示。半導體制冷是建立于塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應、傅立葉效應共五種熱電效應基礎上的制冷新技術。其中，塞貝克效應、帕爾貼效應和湯姆遜效應三種效應表明電和熱能相互轉換是直接可逆的，另外兩種效應是熱的不可逆效應。

（1）塞貝克效應， 1821年，塞貝克發現在用兩種不同導體組成閉合回路中，當兩個連接點溫度不同時（T1

（2）珀爾帖效應，珀爾帖效應是塞貝克效應的逆過程。由兩種不同材料構成回路時，回路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。

（3）湯姆遜效應，若電流過有溫度梯度的導體，則在導體和周圍環境之間將進行能量交換。

（4）焦耳效應，單位時間內由穩定電流產生的熱量等于導體電阻和電流平方的乘積。

（5）傅立葉效應，單位時間內經過均勻介質沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。

2.2 半導體制冷的效果測試

本文主要進行 CPU 在只有風扇情況下和CPU 在接入半導體制冷片時的試驗： （ 1） CPU 在只有風冷（ 風扇） 情況下的散熱： 先把半導體制冷片從整個裝置中取出，將 CPU 直接貼在散熱器上，然后給 CPU 和電扇都接通直流電源，風扇兩端電壓穩定在 12V，CPU 兩端加電壓從 5V ～8V，每次增加 1V，用數據采集儀記錄在每個電壓下的CPU 從初始狀態到穩態的溫度數據； （ 2） CPU 在接入半導體制冷片時的散熱： 把半導體制冷片放入裝置，冷端貼在 CPU 上，熱端貼在散熱器上，先給 CPU 和風扇接通直流電源，風扇兩端電壓仍穩定在 12V。給 CPU 兩端加 5V 電壓，一段時間后給制冷片兩端加電壓 3V ～7V，每次增加 1V，記錄在每個制冷片輸入電壓下制冷片冷端和熱端從初態到穩態的溫度數據，再分別給 CPU 兩端加 7 ～8V 電壓，進行相同的操作。

在進行試驗時，整個裝置除了風冷裝置以外全部放入隔熱槽中，這樣熱量只能縱向傳導，所以整個問題可以近似為一維導熱問題。

2.3 試驗結果的分析與討論

半導體制冷片的降溫效果詳見圖3 為 CPU 輸入電壓為 5. 0V 時，有無制冷片時的 CPU 溫度對比。有無制冷片時的 CPU 溫度隨時間變化曲線從圖中可明顯看出半導體制冷片對 CPU 的降溫效果明顯。不接入制冷片時，CPU 溫度從室溫上升至平衡溫度而保持穩定。當制冷片接入時，CPU 溫度開始降低，約經過 300s 后達到穩定狀態。制冷片輸入電壓為 3. 0V 時，CPU 溫度從38. 7℃ 降至 25. 2℃ ，明顯低于了測量時的環境溫度。

3 總結

在計算機發展中，服務器的散熱環境是非常復雜的，對于傳統散熱方式與半導體制冷方式的對比可以直接反映出半導體制冷技術的優越性。本文經過分析，證明了半導體制冷技術在計算機服務器中的實際應用的可行性和其價值的體現。

參考文獻：

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篇5

中圖分類號：TN37 文獻標識碼：A

0 引言

便攜式樣品恒溫箱是衛生防疫、醫學、農林畜牧、生物實驗、工業化工等行業和大專院校、科研機構、部門實驗室或生產單位的重要的實驗設備。由于便攜式樣品恒溫箱具有特定的使用范圍和專業性強的特點，因此對該產品有著特別的要求。在各種制冷技術中，半導體制冷由于具有體積小、重量輕、作用速度快、可靠性高等特點，近年來在國內外得到廣泛的重視，因此，半導體制冷技術在研發便攜式樣品恒溫箱產品方面具有不可替代的優勢。

1 半導體制冷技術原理及其優、缺點

1.1 半導體制冷原理

半導體制冷是建立在溫差電效應基礎上的，所以半導體制冷也稱溫差電制冷。如果把兩種不同的金屬導線的一端連在一起，另一端接上直流電源，則一端將會產生吸熱（制冷）效應，另一端產生放熱效應（圖1），這就是著名的珀爾貼效應。

事實上，組成溫差電制冷器的材料不是任意兩種不同金屬就能達到理想效果的。一般是取N型和P型兩種半導體組件組成熱電堆。圖2為半導體制冷器工作原理圖。

直流電流沿回路依次從N型半導體流向P型半導體，然后又從P型半導體流向N型半導體，電流這樣連續流過去，半導體的A、B兩端便產生吸、放熱現象。如果不斷地把放熱端B的熱量移走，那么A端就不斷地向周圍吸取熱量，從而達到制冷之目的。

1.2 半導體制冷的優、缺點

半導體制冷，它的優點十分明顯：制冷迅速，操作簡單，可靠性強，容易實現高精度的溫度控制，無噪音污染和有害物質排放，壽命長，穩定性好等。但同時，也有其缺點：主要表現在制冷系數低，制冷量小而且電流大。半導體制冷效果主要取決于半導體材料的選擇和熱端散熱冷卻的程度。由于當今科技，特別是電子技術的飛速發展，世界各國的科技人員從改進半導體材料和開發新工藝兩方面，做了大量工作，來不斷提高半導體制冷的制冷系數。在一些制冷量要求小，熱流量大，傳統蒸氣壓縮制冷不方便或不經濟的場合，半導體制冷得到了很多的應用。

2 半導體制冷技術在便攜式樣品恒溫箱的應用

由于半導體制冷便攜式樣品恒溫箱采用箱體底部固定連接半導體控溫元件，半導體控溫元件與可充電電池固定連接，箱體的正面左上端固定連接電子溫度控制及顯示裝置，箱體上蓋和箱體內壁固定連接保溫層的結構形式，箱體的背后右下端固定連接電源插孔，插入家庭交流電直接使用，也可插接到汽車點煙器上，另外，在沒有交流電的情況下，還可以使用充電電池內的電能來控制溫度。

2.3.2 半導體制冷便攜式樣品恒溫箱的驅動電路設計

半導體制冷便攜式樣品恒溫箱的最核心部件是半導體制冷片的控制及驅動電路，因為半導體制冷片根據流過半導體的電流方向和大小來決定其工作狀態的（電流的方向決定制冷或者制熱，電流的大小決定制冷或者制熱的程度和效果）。為了使半導體制冷片能夠自動進行恒溫控制，就必須設計好其驅動電路和控制電路。PID控制系統是目前精度較高的技術，可以用來對半導體制冷片的電流進行控制，以實現高精度的控溫效果。

A、總體框圖：見圖5。B、基于H橋的驅動電路：見圖6

當設置OUT3為高、OUT4為低電平，OUT2為低、OUT1為高電平時，Q3和Q4斷開，Q1和Q2導通，電流由TEC（半導體制冷片）左至右；反之OUT3為低、OUT4為高電平，OUT2為高、OUT1為低電平時，Q3和Q4導通，Q1和Q2斷開，電流由右至左。通過單片機PID控制設置OUT1或者OUT4的PWM（脈沖寬度調制）波占空比，控制Q1或者Q4的導通時間來控制TEC的工作時間，從而達到控溫的效果。

2.3.3 半導體制冷便攜式樣品恒溫箱半導體制冷器的散熱裝置

熱端散熱冷卻的程度是影響半導體制冷效果的重要因素，所以解決好散熱問題對制冷效率的提高起到至關重要的作用。

半導體制冷的幾種散熱方式：（1）自然散熱，采用導熱較好的材料，做成各種散熱器，利用空氣的自然對流來帶走熱量，優點是使用方便，缺點是體積較大；（2）充液散熱，它是用較好的材料做成水箱，用通液體或通水的方法降溫，缺點是用水不方便，浪費太大，優點是體積小，散熱效果好；（3）強迫風冷散熱，散熱器采用的材料和自然散熱器相同，使用方便，體積比自然散熱小，缺點是增加一個風機，出現噪音和耗用功率；（4）“熱管”散熱器，是最常用的一種形式，它利用蒸發潛熱快速傳遞熱量。因此本半導體制冷便攜式樣品恒溫箱的半導體制冷散熱采用熱管散熱。結構設計要點：熱管散熱熱管采用銅鋁復合管制成，冷凝段很長，而蒸發段很短，工質為戊烷，自然對流散熱。

3 結束語

隨著目前半導體制冷片已經規模化生產、大功率可充式鋰電池組工藝的成熟、汽車的普及、光伏電池的普及以及高精度半導體制冷式溫度控制系統技術的成熟和塑料工業的發展，為生產出輕便、節能、環保、高效的便攜式樣品恒溫箱提供了有利條件。便攜式樣品恒溫箱具有特定的使用環境和條件的要求，而這些要求與半導體制冷技術的特點又相符，因此半導體制冷技術在便攜式樣品恒溫箱及其類似產品的開發必將得到廣泛的應用。

篇6

1.引言

為了推進綠色能源能發展，國家正在大力發展純電動汽車項目，電動汽車充換電站所用的電池箱是該項目運行中的必不可少的設備，它們的安全與穩定運行也是純電動客車安全可靠供電的基礎，因此電池成組技術的研究成為電池箱安全與穩定運行的前提。

電池管理系統的設計是電池模塊成組技術的核心，而電池熱管理方式又是電池管理系統設計的一個重要組成部分，電池箱溫度過高或過低都會對其性能及壽命產生影響，考慮到電池實際使用時一般工作在放電狀態下，當工況條件苛刻時，電池可能會大倍率放電，此時會產生大量熱量，因此電池的散熱管理相對而言更為重要，動力電池箱目前最常用的散熱管理方式是強制風冷散熱，但是強制風冷散熱的缺陷是溫度的不可控性和只能給電池箱散熱不能加熱的單一性，為突破現有熱管理方式的局限性，本文設計了半導體制冷風扇在動力電池箱中的應用模型，提出了半導體制冷風扇的制冷及制熱雙向控制的策略。

2.半導體制冷的原理及基本計算公式

半導體制冷又稱熱電制冷，主要是塞貝克效應的逆效應珀耳帖效應在制冷技術方面的應用，是一種新型的制冷方式。

圖1為熱電制冷原理示意圖，當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料連成電偶對，在電路中接上直流電源，就會發生能量的轉移。位于上面的結點1，電流方向由N至P，溫度降低，并且從外界吸收熱量，成為冷端。位于下面的結點2，電流方向由P至N，溫度升高，并且向外界釋放熱量，成為熱端。

對熱電堆的熱端采用有效的散熱方式，使其產生的熱量不斷的被散出，并且保持一定的溫度，把熱電堆的冷端放到需要制冷的環境中，吸收環境中的熱量，達到降溫的目的，這就是半導體制冷的基本原理[1-5]。

設冷端溫度為Tc，熱端溫度為Th，冷熱端溫差為ΔT=Th-Tc，冷端從外界吸取的熱量（即制冷量）為Qc，熱端向外放出的熱量（即散熱量）為Qh，熱電偶輸入功率為N，電路中電流為I。假設PN型半導體材料側面為絕熱，并可忽略湯姆遜熱及接觸電阻的影響，溫差電動勢α（μV/K）、電導率σ（1/（Ω?cm））、熱導率k（W（cm?K））和湯姆遜系數τ參數與溫度無關，則根據熱力學分析和拍爾巾占效應，制冷器從熱端散出的熱量Qh應等于從冷端吸入的熱量Qc和外界輸入的電功率N之和。

半導體制冷電堆的基本計算公式如表1所列[6]。

表1 半導體制冷電堆的基本計算公式

制冷量QC

散熱量Qh +

功耗N

輸入電壓U

制冷系數ε

3.半導體制冷風扇的設計

3.1 半導體制冷風扇的基本結構

半導體制冷風扇主要包括熱電堆、冷熱端散熱器、風扇、基板和直流電源等部件組成，強迫通風散熱半導體制冷風扇的基本結構如圖2所示。

半導體制冷風扇工作時，電池箱內空氣與熱電堆冷端散熱器利用箱體內風扇進行對流換熱，箱體內部的余熱被冷端散熱器吸收，熱量經熱電制冷效應移至熱端，箱體外部空氣與熱電堆熱端散熱器通過外部風扇進行對流換熱，將熱量散到環境中去，使熱電堆的熱端溫度恒定，從而達到制冷的目的。

3.2 半導體制冷風扇的特點

半導體制冷風扇與傳統的強制風冷散熱相比具有以下優點：

（1）熱慣性非常小，制冷制熱很快;

（2）直流供電，電流方向轉換方便，可實現制冷和制熱雙向控制;

（3）強制風冷最多可將電池箱內空氣溫度將至外部環境溫度，而半導體制冷可以將溫度調至高于或低于外部環境溫度;

（4）能量調節性能好，可以通過改變工作電壓或電流即可，容易實現高精度的溫度控制[9]。

半導體制冷風扇與傳統的強制風冷散熱相比的缺點如下：

（1）自身轉換效率比較低，會增加電池箱輔助電源的功耗;

（2）加工制造工藝比較復雜，導致成本可能會比單一的強制風冷高一些。

圖3 半導體制冷風扇的應用環境實物圖

3.3 半導體制冷風扇的應用環境設計

動力電池箱主要由電池箱體、電池管理系統、單體電池和固定托架組成，其中電池箱體包括機箱、面板、蓋板、推拉機構、定位套、蓄電池模組擋板與壓條、通風柵板與濾網、熔斷器盒等組成，其中半導體制冷風扇安裝在電池箱背面的兩側。如圖3所示，兩個風機的位置即為半導體制冷風扇熱端風扇，每個半導體制冷風扇的功耗約為75W。

改進后的電池箱采用全密封形式，考慮到半導體制冷時，電池箱內空氣會冷凝，在散熱片靠近制冷端處產生水珠，在箱體內部設置一個專門收集水珠的小水盒，可以通過電池管理系統檢測水位，定期進行檢察和維護，這樣的設計不僅提高了原有的IP防護等級，而且可以起到電池箱內除濕的雙重功效。

3.4 半導體制冷風扇的雙向控制策略

電池箱內的電池管理系統提供半導體制冷風扇的直流輸入可調電源，溫度傳感器實時采集各個溫度布點的溫度，上送至電池管理系統。

在電池充放電過程中，電池產生大量熱量，使得密閉的電池箱內溫度逐漸升高，當溫度采樣值達到溫度報警閾值時，電池管理系統輸出正向直流電壓，開啟半導體制冷模式，制冷端作為冷源吸收熱量，并通過風扇將冷風送出，電池箱內會形成冷熱空氣循環氣流直到整個空間內實現熱平衡，吸收的熱量通過熱端散熱片及外部風扇排到電池箱外部環境中，達到電池箱內降溫的目的。

相反，當電池箱內溫度低于電池正常工作所需溫度時，電池管理系統向半導體制冷風扇提供反相直流電壓，開啟半導體制熱模式，上述的制冷端變為制熱端，制熱端作為熱源釋放熱量，并通過風扇將熱風送至電池箱內，冷端通過外部環境吸收熱量，最終達到電池箱內電池加熱的目的。

4.系統試驗數據驗證

為了驗證半導體制冷風扇在電池箱熱管理系統中應用的可行性，分別在電池箱靜置、不同電流充電和不同電流充電時，對其制熱和制冷情況進行測試了驗證，數據結果如下所述。

4.1 靜置狀態下電池箱內溫升情況（制熱）

如圖4所示，T1-T5為分布在電池箱內部不同部位的溫度探頭采樣的溫度，不用電池管理系統，強制開啟半導體制熱模式，測試共進行60min，從圖中可以看出電池箱內溫度大概在開啟半導體制冷風扇20min左右時趨于平穩，由開始的25℃左右穩定至50℃左右。

4.2 靜置狀態下電池箱內溫升情況（制冷）

如圖5所示，T1-T5為分布在電池箱內部不同部位的溫度探頭采樣的溫度，不用電池管理系統，強制開啟半導體制冷模式，測試共進行60min， 從圖中可以看出電池箱內溫度大概在開啟半導體制冷風扇20min左右時趨于平穩，由開始的25℃左右穩定至13℃左右。

4.3 充電狀態下電池箱內溫升情況（不啟動制冷）

如圖6所示，T1-T5為分布在電池箱內部不同部位的溫度探頭采樣的溫度，以60A電流對電池進行恒流充電，測試共進行60min，從圖中可以看出電池箱內溫度由開始的25℃左右升至50℃左右。

4.4 充電狀態下電池箱內溫升情況（制冷）

如圖7所示，T1-T5為分布在電池箱內部不同部位的溫度探頭采樣的溫度，以60A電流對電池進行恒流充電，使用電池管理系統智能控制半導體風扇直流輸入工作電壓，設定電池工作溫度范圍為20℃-30℃，測試共進行60min，從圖7中可以看出電池箱內溫度由開始的25℃左右上升至30℃左右時，智能開啟制冷，使溫度控制在20℃-30℃之間。

5.結果分析

從上述試驗數據可以看出，半導體制冷風扇對電池箱熱管理，無論是制冷還是制熱，都起到了很明顯的作用，特別是在電池管理系統的智能控制下，半導體制冷風扇在短時間內將電池箱內部溫度始終控制在所設溫度范圍內。

制冷和制熱試驗數據驗證了半導體制冷風扇的雙向控制策略的正確性，也證實了半導體制冷風扇在純電動客車BPA11系列快換電池箱中的可行性和有效性。

6.結語

本文設計了用半導體制冷風扇代替原有強制風冷的熱管理系統的電池箱，通過對半導體制冷風扇在電池箱熱管理系統中應用討論及試驗數據表明，在優化目前電池箱熱管理系統方面，半導體制冷制熱模式可以替代原有電池箱的強制風冷模式和加熱模式。

從國內外對半導體制冷研究的現狀看半導體制冷技術遠沒有成熟，目前也尚有一些制約因素受到關切，例如熱電材料的制取、制冷系數和溫度控制精度的提高等等。但是半導體制冷作為一種新興發展起來的制冷技術，是一種具有良好發展前景的制冷方式[7]。

參考文獻

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中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A文章編號：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

隨著LED技術日新月異的發展，LED已經走進普通照明的市場。然而，LED照明系統的發展在很大程度上受到散熱問題的影響。對于大功率LED而言，散熱問題已經成為制約其發展的一個瓶頸問題。半導體制冷與其他的制冷系統相比，沒有機械轉動部分、無需制冷劑、無污染可靠性高、壽命長而且易于控制，體積和功率都可以做的很小，隨著半導體材料技術的進步，以及高熱電轉換材料的發現，利用半導體制冷技術來解決LED照明系統的散熱問題，將具有很現實的意義。

一、半導體制冷原理

半導體制冷又稱電子制冷，或者溫差電制冷，是從50年展起來的一門介于制冷技術和半導體技術邊緣的學科，與壓縮式制冷和吸收式制冷并稱為世界三大制冷方式。半導體制冷器的基本器件是熱電偶對，即把一只N型半導體和一只P型半導體連接成熱電偶，通上直流電后，在接口處就會產生溫差和熱量的轉移。在電路上串聯起若干對半導體熱電偶對，而傳熱方面是并聯的，這樣就構成了一個常見的制冷熱電堆。借助于熱交換器等各種傳熱手段，實現熱量的快速傳導，這就是半導體制冷的原理。

二、系統總體設計方案

本文所設計的LED散熱控制系統由溫度[2]設定模塊、顯示模塊、溫度采集模塊、電平轉換模塊及功率調整模塊組成，系統總體框圖如圖1所示。該系統以微處理器為控制核心。溫度采集模塊采集被控對象的實時溫度；溫度設定模塊設定制冷啟動溫度和強制冷溫度。利用匯編語言對微處理器編程可實現，當采集的實時溫度小于制冷啟動溫度時，輸占空比為0的PWM調制波[1]，制冷模塊處于閑置狀態（PWM波占空比為0）；當采集的實時溫度大于制冷啟動溫度但小于強制冷溫度時，輸出占空比為50%的PWM調制波，功率調整模塊啟動小功率的制冷方式；當采集的實時溫度大于強制冷溫度時，輸出占空比為55.6%的PWM調制波，制冷模塊啟動大功率的制冷方式。

三、硬件電路設計及其元件選擇

本方案采用低價位、高性能的AT89C51作為主控芯片，實現整個系統的邏輯控制功能；采用單線通信的高精度溫度傳感器DS18B20，實現對被控對象LED芯片實時溫度的采集；同時設計了4*3輸入鍵盤，制冷啟動溫度和強制冷溫度由鍵盤輸入；設計了電平轉換電路，實現了+5V電壓到+15V電壓的變換；設計了功率調整電路，實現對半導體制冷片TEC的工作電壓和電流的控制，進而實現對半導體制冷片TEC散熱功率的控制，以達到對LED芯片及時散熱的效果。

（一）主控芯片AT89C51

該系統的主控芯片選用的是單片機AT89C51。單片機AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能的處理器，為嵌入式控制系統提供了一種靈活性高的廉價方案。單片機AT89C51主要功能：接收鍵盤的溫度設定輸入；接收溫度傳感器的實時溫度輸入；產生占空比為0、占空比為50%及占空比為55.6%三個等級的PWM調制波。

（二）鍵盤電路

該系統采用4*3鍵盤[4]，包含0-9共10個數字鍵、一個“溫度上限”鍵和一個“溫度下限”鍵。

鍵盤電路的功能是輸入設定的啟動散熱溫度值和啟動強散熱溫度值。

（三）溫度采集電路

該系統采用美國DALLAS公司的生產的數字溫度傳感器DS18B20。DS18B20用一根信號線（1-Wire）與單片機通信的溫度測量芯片。溫度采集電路的功能是采集LED芯片的溫度，并將溫度轉化為數字量輸入到單片機AT89C51中。

（四）電平轉換電路

電平轉換電路的核心器件是光電耦合器，因為光電耦合器不但能完成電平轉換，而且還有效地把控制電路與開關電路隔離，有利于保護前面的單片機芯片，提高了系統的可靠性。當輸入為高電平時，三極管T1處于導通狀態，光電耦合器的發光二極管不導通，三極管T2和T3截止，輸出端的電壓為+15V；當輸入為低電平時，三極管T1處于截止狀態，光電耦合器的發光二極管發光，三極管T2和T3通狀態，輸出端的電壓為零。輸入端輸入的方波時，輸出端也是方波，二者的頻率近似相同，二者的區別的是幅度不同。輸出端輸出方波的幅度由外部供電源決定。

（五）功率調整電路

功率調整電路是一個Cuk電路[3]，根據CUK電路的輸出電壓和供電電源電壓的關系，可得出PWM波占空比和半導體制冷片TEC輸入電壓的關系：

（式1）

其中D為PWM波的占空比， 為半導體制冷片TEC的工作電壓，E為供電電源的電壓（在此電路中E=12V）。由上式可知，控制PWM波的占空比就可以控制半導體制冷片TEC的工作電壓和電流。

（六）仿真結果

當AT89C51輸出的PWM波占空比為50%時，半導體制冷片的工作電壓和工作電流如圖4和圖5所示，此時的半導體制冷片的工作功率約為48W。

四、結束語

隨著電力技術不斷的發展，大功率LED日益普及，然而大功率LED照明系統的散熱問題嚴重制約了其進一步發展，因此大功率LED照明系統的散熱問題也受到越來越多的重視。各個學科的研究人員也都投入到其中的研究當中，諸如尋找導熱性能更好的材料和提高其電光轉換效率等。針對這種情況，本文選擇一些成本低廉相對高性能的元器件，對LED芯片工作溫度不同的情況，進行不同的功率制冷，在一定程度上節約電力資源。此方案與傳統的散熱方案相比較，具有可控性好和制冷效果良好等優點，對于解決大功率LED照明系統散熱問題具有很現實的意義。

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篇8

DOI：10.14163/ki.11-5547/r.2016.23.174

良性前列腺增生（BPH）是中老年男性常見疾病之一， 隨全球人口老年化發病日漸增多。隨著激光技術的發展， 激光逐漸應用于BPH的治療， 且手術效果更好， 并發癥更少[1]。但患者圍術期很容易出現焦慮不安、失眠、甚至抑郁， 術后常并發血壓升高、膀胱痙攣疼痛等情況。近年來， 舒適護理模式作為優質護理舉措能給患者生理、心理、社會以及靈性全方面的舒適感受[2]， 已被逐漸應用于患者的圍手術期的護理， 并且取得了一定的療效。本院對行經尿道前列腺半導體激光切除術患者給予舒適護理干預， 取得滿意的臨床效果， 現報告如下。

1 資料與方法

1. 1 一般資料 選擇2014年6月～2015年10月連云港市第二人民醫院泌尿外科良性前列腺增生擇期行經尿道前列腺半導體激光切除術患者150例。患者年齡61～86歲， 平均年齡（69.6±6.20）歲。隨機分為觀察組和對照組， 各75例。

1. 2 方法 對照組給予圍手術期常規護理；觀察組在圍手術期常規護理基礎上增加舒適護理干預。

1. 2. 1 術前舒適護理 術前詳細了解患者病情及顧慮， 向患者介紹手術室環境、術式、麻醉方式、優點及安全性、術中可能出現的不適及對策、手術預后等情況。提高患者對于手術的認識， 并且介紹同病種患者手術成功康復范例， 減輕患者恐懼及緊張心理， 身心放松， 以較好的心態積極配合手術。

1. 2. 2 術中舒適護理 ①心理舒適護理：患者準備手術當日， 管床護士執行術前準備時， 與患者進行有效溝通以減輕緊張心理。術前訪視護士核對患者的身份后熱情接待患者入手術室并全程陪護， 使患者心理上獲得滿足感和安全感；②環境的舒適護理：保持室內整潔安靜， 溫、濕度適宜， 術中不斷詢問患者的冷暖情況， 適當給予患者增減覆蓋物及溫、濕度調節。由于手術患者老年居多， 術中盡量減少隱私部位的暴露， 增加其舒適度；③生理舒適護理：麻醉前擺時， 向患者解釋目的和注意事項， 同時在下肢各支撐點墊好海綿襯墊并詢問是否舒適并給予調整。指導患者麻醉時行深呼吸達到放松效果。術中巡回過程中注意密切觀察， 記錄患者的生命體征變化， 適時安慰鼓勵患者， 控制適宜室溫， 注意保暖， 注意保護患者隱私， 增加患者舒適度和安全感[3]。術中如患者出現口干不適， 可用棉簽蘸水濕潤口唇以減輕不適。手術過程中給予下肢定時按摩或者行壓力泵， 促進下肢血液循環以防血栓形成。由于手術當中需要大量的膀胱灌洗液， 患者容易出現寒冷不適， 甚至出現寒戰， 術中灌洗液體需加溫至37～40℃， 增加患者的生理舒適度。

1. 2. 3 術后舒適護理：①心理及環境舒適護理：向患者及家屬交代手術情況及沖洗液顏色， 讓患者放松心情， 增強治療疾病的信心， 減少患者對手術效果及出血的擔心。保持室內相對安靜， 促使患者心情舒暢及充分的休息， 促進患者康復。②膀胱沖洗、尿管護理干預措施：依據患者膀胱沖洗液的顏色變化， 對沖洗速度給予相應調整， 保持沖出液呈粉紅色或澄清狀態， 滴速保持在80～100滴/min；沖洗液溫度控制在20～30℃， 減少膀胱痙攣的發生率。待膀胱沖洗液顏色變清后， 將導尿管充氣量保留在10～15 ml， 以減膀胱頸及膀胱三角區由氣囊刺激導致的不適。引流管給予定時擠壓以保持通暢， 防止血塊堵塞誘發引起膀胱痙攣。尿管拔除過程中抽出氣囊內鹽水后， 即時向氣囊內注射1 ml空氣或者生理鹽水， 保持氣囊略為隆起和皺褶消失狀態， 減少患者不適感[4]。③疼痛的舒適護理：術后給予患者鎮痛泵留置， 可有效減輕術后疼痛， 減少膀胱痙攣的發生。加強巡視觀察患者膀胱痙攣情況， 指導患者進行深呼吸， 全身放松， 分散注意力， 減輕疼痛。向患者家屬宣教， 增強護士與患者及家屬的互動， 從而得到更多的家庭情感支持， 使患者能夠感受到家庭、社會溫暖， 從而減輕疼痛。根據患者膀胱痙攣的程度和頻率， 可酌情給予解痙、鎮痛藥物以減輕不舒適感。

1. 3 觀察指標及療效評價標準：①術前心理反應評價標準：根據患者的生理及情感方面的反應將其分為二個等級：正常、焦慮。②術后近期療效指標：包括術后膀胱沖洗時間、留置導尿管時間和術后平均住院時間。③術后并發癥：主要包括膀胱痙攣， 采用疼痛視覺模擬評分法（VAS）間接評估膀胱痙攣。評分1分：術后出現尿意急迫感， 便意急迫感， 膀胱區疼痛， 膀胱內壓升高導致沖洗不暢。2分：膀胱區疼痛難忍， 導尿管周圍有尿液外溢， 沖洗出現反流癥狀。全部出現為10分， 累計>4分即為膀胱痙攣[5]。④患者滿意度調查：自制滿意度調查表， 分為：滿意、基本滿意、不滿意。

1. 4 統計學方法 采用SPSS16.0統計學軟件進行統計分析。計量資料以均數±標準差（ x-±s）表示， 采用t檢驗；計數資料以率（%）表示， 采用χ2檢驗。P

2 結果

2. 1 兩組患者術前心理反應的比較 觀察組患者術前1 d心理反應正常者46例（61.33%）， 焦慮者29例（38.67%）；對照組心理反應正常者27例（36.00%）， 焦慮者48例（64.00%）， 觀察組明顯優于對照組（P

2. 2 兩組患者血壓、心率及術后近期療效比較 兩組患者術前平均動脈壓（MAP）和心率（HR）水平比較差異無統計學意義（P>0.05）；與術前比較， 術中兩組患者的MAP和HR水平均明顯上升， 但觀察組患者上升的幅度明顯低于對照組；觀察組患者術后留置尿管和膀胱沖洗時間、平均住院時間均明顯少于對照組， 差異均具有統計學意義（P

2. 3 兩組膀胱痙攣和滿意度比較觀察組和對照組患者膀胱痙攣發生分別為6例（8.0%）和15例（20.0%）， 觀察組患者術后膀胱痙攣的發生率明顯低于對照組， 差異具有統計學意義（P

3 討論

良性前列腺增生是老年男性患者中較為常見的一種良性疾病， 并且發病率呈逐年上升的趨勢。近年來， 隨著激光技術的廣泛開展和適用手術發展， 經尿道前列腺激光切除術已經成為現在新的治療前列腺增生的手術方式， 其具有創傷小、恢復過程短及臨床并發癥少等特點。盡管微創手術較以前有許多優點， 但對患者的身心都會產生一定影響， 患者術前可能出現一些負面情緒， 比如焦慮、 煩躁、 抑郁等， 患者術后易發生膀胱痙攣等不適癥狀， 嚴重影響患者的舒適程度和術后的恢復。

本研究結果顯示：觀察組患者的心理反應、血壓、心率的變化明顯低于對照組， 提示舒適護理干預提高患者的手術應激反應能力及穩定患者術中血流動力學狀態， 提高患者手術安全性 ；觀察組患者術后留置尿管及膀胱沖洗時間、平均住院日、膀胱痙攣的發生率均明顯少于對照組， 說明臨床優質護理服務中運用舒適護理干預模式， 可顯著改善激光手術患者術后療效， 縮短住院時間減少醫療成本， 減少患者術后并發癥的發生率。觀察組患者的滿意度調查明顯高于對照組， 提示舒適護理干預能夠明顯改善護患的關系， 提高護理質量。

綜上所述， 舒適護理是一種“以人為本， 以患者為中心”現代護理模式， 能使患者在生理、心理、社會上達到愉快狀態， 真正做到人性化服務， 提高患者的手術安全性及術后患者的恢復及舒適度， 也促進了護理質量的進一步提高。

參考文獻

[1] 張洪博， 史慶路， 楊青松， 等. 980 nm半導體激光治療高危BPH安全性分析.中華泌尿外科雜志， 2010， 31（9）：629-631.

[2] 簫豐富.蕭氏舒適護理模式.臺灣：華杏出版社， 1998：5.

[3] 盛樹力.老年癡呆發病機制研究進展和藥物治療未來戰略.中國醫學科學院學報， 2004， 26（2）：101-103.

篇9

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

痔瘡是人類常見疾病,隨年齡增大其發病率逐漸上升,嚴重困擾著人們的生活。而對于痔術后創面的愈合,更加為人所關注。2009.7-2010.5,筆者采取中藥熏治加半導體激光照射治療痔術后患者165例,療效滿意,現報道如下:

1.資料與方法

1.1一般資料:選擇165例混合痔住院患者,均行外切內扎術。術后隨機分為2組:治療組84例,男38例,女46例,年齡19～72歲,平均44歲,病程1年～20年,平均24月;對照組81例,男40例,女41例,年齡21～76歲,平均45歲,病程1年～24年,平均19月。2組性別、年齡、病程等經統計學處理,無顯著性差異(P均>0.05),具有可比性。

1.2治療方法:治療組:給予中藥熏治加半導體激光照射治療。自制中藥熏洗方:馬齒莧30g、荊芥15g、防風15g、黃柏15g、苦參30g、紫花地丁30g、魚腥草30g、蒲公英30g、馬齒莧15g、透骨草12g、川椒15g、甘草6g,水煎后取汁備用。中藥熏治采用LC-B型超聲藥物熏洗治療機,將中藥汁200ml置于儲藥杯內,打開電源開關,囑患者坐于治療儀座椅上,待水箱內溫度達到設置溫度(43℃)后,可交替調節霧化、沖洗的整個過程。每次熏洗10min,每日早晚各1次。半導體激光治療采用SUNDOM半導體激光治療儀(北京三頓電子技術有限責任公司生產),于中藥熏洗后,患者取側臥位,暴露患處,將直徑16cm的圓形輻射器對準患處照射,輸出波長810nm/650nm,輸出功率(300～500mw),每次20min,每日2次,靠近患處調好,以患者感到溫熱舒適為佳。治療完畢,常規換藥。對照組:給予中藥坐浴10min,常規肛腸科換藥,碘伏棉球清潔患處,肛內納入普濟痔瘡栓1枚,肛泰軟膏外用,用凡士林紗條覆蓋,無菌敷料包扎,每日2次。兩組在治療過程中注意調理,避免大便干燥和負重用力,忌食辛辣刺激食物等。1.3觀察指標:以7d為1個療程,1療程后評估術后創面疼痛、水腫、愈合情況,以及住院時間。

1.4評價標準:①疼痛:參照WHO疼痛程度分組標準:無疼痛:不感疼痛或稍感下墜不適;輕度疼痛:持續或間斷隱痛,但可忍受,并能正常生活,睡眠不受干擾;中度疼痛:疼痛明顯,不能忍受,要求服用鎮痛藥,睡眠受干擾;重度疼痛:疼痛劇烈,不能忍受,需要鎮痛藥,睡眠嚴重受干擾,可伴有植物神經功能紊亂。②水腫:無水腫:切口邊緣皮膚柔軟,無異常凸起;輕度:切口邊緣稍凸起,皮膚光亮但柔軟,不影響活動;中度:切口局部紅腫、變硬,皮膚透亮,活動輕度受限;重度:切口呈腫塊狀突出,活動明顯受限。

1.5統計學方法:等級資料采用秩和檢驗,計量資料采用t檢驗,P

2.結果

患者術后創面觀察結果(見表1～表4),可見兩組術后創面疼痛、水腫、愈合情況,以及住院時間均有統計學意義,中藥熏治加半導體激光照射能明顯減少疼痛、減輕水腫、加速愈合創面,且大大縮短了住院時間。

表1疼痛(例數n)

P=0.019

表2水腫(例數n)

P=0.013

表3創面面積(cm2)

*P=0.001

表4療程(day)

P=0.000

3.討論

直腸疾病中對于痔最常用的治療方法是手術治療。手術損傷肛管皮膚,創面神經末梢暴露,手術操作在齒線下有痛區,術后創口受糞便的沖擊,以及愈合時形成瘢痕等均可導致神經受外界的刺激均可以引起疼痛;直腸手術損傷引起的血液、淋巴循環障礙,或術后的排便困難、便秘、局部的炎癥反應均可以引起水腫;大便秘結,便時用力又可引起術后切口創面血運不暢而水腫[1]。痔手術后,中醫認為脈絡受損,氣血凝滯,氣機運行不暢,不通則痛,而引起疼痛,氣血瘀滯局部而引起水腫。

我們采用中藥熏洗,取其清熱解毒、活血化瘀、消腫止痛之效。熏洗可使藥力和熱力直接作用于患處,超聲霧化熏洗主要是利用超聲波的作用,使藥液變成微細的霧狀顆粒,并直接作用于病灶局部,達到創面與藥液的緊密接觸而起效,加速對炎癥的控制,促進分泌物液化[2],另外沖洗液一次使用后直接排出,不再重復使用,避免了交叉感染[3]。

半導體激光照射引起血流增加,促進致痛物質代謝,緩解疼痛,另外照射可促進新生血管生長和肉芽組織增生,減輕水腫,刺激蛋白質合成。毛細血管是肉芽組織的基本成分之一,是完成傷口愈合的前提條件,肉芽組織毛細血管越豐富,組織供氧量越充分,有助于各種組織修復細胞的代謝和成熟,促進膠原纖維的產生、沉積和交聯,并能激活或誘導T、B淋巴細胞和巨噬細胞產生細胞因子,通過淋巴細胞再循環而活化全身免疫系統,增強巨噬細胞的吞噬能力,提高機體免疫力。

總之,中藥熏治聯合半導體激光照射在痔術后減輕疼痛、減輕水腫、加速創面愈合方面較之傳統的換藥治療,本法優勢明顯、且療程短、簡便易行,值得臨床推廣。

參考文獻

篇10

2　影響列陣半導體激光器輸出功率因素

3　器件外延結構

4　器件制備及其特性

4. 1　激光器的制備

4. 2　器件特性