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摘 要：针对现有半导体特性测量实验无法对半导体发电和制冷特性进行定性定量分析的问题设计了一种半导体片发电和制冷性能分析装置，该装置利用单片机和外围传感器采集半导体片的工作参数并与LABVIEW上位机进行通讯，上位机对采集到的数据进行分析处理得出半导体片的特性曲线和参数。
关键词：半导体片；单片机；特性分析；LABVIEW
温差引起的电效应和电流引起的热效统称为热电效应，其主要包括塞贝克（Seebeck）效应、珀尔帖（Peltier）效应和汤姆逊（Thomson）效应[1]，是半导体发电和制冷的理论基础。塞贝克效由德国物理学家塞贝克于1821年发现，其指因两种不同电导体或半导体之间的温差而在两者之间产生电压差的现象，在塞贝克效应被发现的12年后，法国科学家珀尔帖发现当在两种不同金属组成的回路中通电时，金属结点两侧会出现温差，一侧发热而另一侧点变冷，此即珀尔贴效应，因在满足正常工作条件的前提下，此发电方式效率较高且清洁无污染，现多应用于高效制冷[2]。
一、半导体片工作原理
1.塞贝克（Seebeck）效应
如图1所示，在A、B两种不同金属或者半导体材料组成的回路中，两材料的节点处温度不同时会有电流产生，此即塞贝克效应。不同材料的电子逸出功不同，当两材料节点处温度不同时，电子会从两材料之间移动，当电子移动达到一定量时，其接触电动势的代数和不为零，即产生温差电动势，在节点处温差不大时材料的电性质没有太大变化，此时温差电动势与温差成正比[3-4]。若两种材料的接头处维持在不同温度，当材料B有断开时，在断口位置会出现电位差，其数值为：。
只要两个接头处的温差不是很大，这个关系就是线性的，即为常数，此即两种材料的相对塞贝克系数，。
其单位为V/K，塞贝克系数是相对系数，有正有负，具体视材料而定。
2.珀尔贴（Peltier）效应
当在不同导体或半导体组成的回路中通入电流时，载流子在流过节点时其势能会发生变化，具体的变化跟材料有关，其表现为两材料的节点处两侧会分别吸热和放热，此即珀尔帖效应[5]。如图2所示，P型半导体、N型半导体、3块金属板以及一个电源构成闭合回路，当在回路中通入电流时，P型半导体中的空穴由正极流向负极，金属板中的空穴进入P型半导体时势能变大，空穴越过势垒吸热，金属板变冷；P型半导体中的空穴进入金属板时势能变小，放出热量，金属板变热。N型半导体中的电子由负极流向正极，金属板中的电子进入N型半导体时势能变大，电子越过势垒吸热，金属板变冷；N型半导体中的电子进入金属板时势能变小，放出热量，金属板变热[6]，当半导体片通电时，片的两侧会有明显的温度差，一侧吸热、一侧放热。
二、装置设计
本装置实物结构图如图3所示。因要分别测量半导体片发电和制冷时的参数，在仪器上方制作了两个放置半导体片的槽，将半导体片的两极做成片状长方形，可与槽内电极相对连接，如此方便半导体片的更换。为了保证半导体片两侧的温差在箱体内安装了散热片和排风扇，此外，用于采集半导体工作参数的信号调节电路与单片机也安置在箱体内[7]。
本装置工作流程图如图4所示。选用换向开关来变换装置的工作方式，当装置工作在制冷模式时，半导体片通电工作，两侧产生温差。单片机利用传感器实时采集半导体两侧温度以及半导体的工作电压和电流并上传给上位机。调节可变电阻改变半导体的工作电压和工作电流可分析半导体片在不同工作状态下的性能。当装置工作在发电模式时，电源给恒温加热器供电用以提供发电所用温差，设定恒温加热器的工作温度用于分析半导体在不同工作状态下的发电情况，单片机通过传感器采集半导体两侧的温差以及半导体发电的电压电流参数并上传给上位机用于分析处理。
1.制冷性能测量模块设计
本装置使用AC220V转DC12V/24V电源为装置供电。在装置内部靠近顶层的地方放置20cm长*10cm宽*5cm高的长槽形纯铝散热片，并在散热片底部和通风口处加装小型散热扇以保证热端的散热效果。此外为了充分发挥散热片的功能在半导体片热端与散热片之间涂抹XG-A1导热硅脂，其可在短时间内固化，导热性能良好，有助于半导体片热端及时散热。制冷模块中使用50W/30Ω瓷盘圆盘滑动变阻器串入电路以调节制冷半导体的工作电压和电流，滑动变阻器的旋钮安放在仪器盒表面。装置使用5A量程的ACS712电流传感器模块检测电路内的电流，其输出电压信號，可利用STM32单片机通过16位AD7060模数转换器采集该信号以及半导体片两端的电压。此外使用两个贴片式DS18B20温度传感器分别采集半导体片两侧的温度，为保证采集信息准确在传感器和半导体片之间涂抹XG-A1导热硅脂保证传热效果。单片机将采集到的温度、电压、电流等信息通过串口发送到LABVIEW上位机，上位机对采集到的信息进行分析处理存入EXCEL表格中并绘制制冷电压电流与温差、制冷电压与电流等关系曲线[8]。
2.发电性能测量模块设计
装置使用数显式片状恒温加热器，加热范围0℃-300℃，发电半导体槽的设计与制冷槽相同，均使用纯铝散热片和XG-A1导热硅脂减少发电片热端热源对冷端温度的影响。此外在回路中加入可调电阻用以研究负载对发电片输出功率的影响，作为电源无法同时测量半导体发电片的发电电流和电压，为了研究半导体片的发电性能装置分别采集其发电的开路电压和短路电流，因发电电流较小装置使用HBC-AS5型霍尔电流传感器将电流信号转换为电压信号供单片机采集。同样使用16位AD7060模数转换器采集电流电压信号，单片机将采集到的数据上传到上位机，上位机对信息进行分析处理并绘制短路电流和开路电压与温差的关系曲线、同温度下开路电压和短路电流的关系曲线、输出功率与温差的关系曲线以及输出功率随负载变化的关系曲线[9]。此外还可根据塞贝克原理通过半导体两侧的温差和电压计算半导体片的塞贝克系数。 3.数据采集及分析处理模块设计
本装置利用串口实现STM32单片机与LABVIEW上位机之间的通信，为了保证两者之间通信的正常进行需安装VISA函数库。下位机利用AD7060模数转换器不间断的采集电压、电流以及温度信息，当上位机向下位机发送标志信号时，下位机将采集到的信息上传，本程序中设置为每0.5S读取一次信息并利用数据点绘制关系曲线，具体的上位机程序框图如图5所示。LABVIEW将采集到的电压、电流、温度等数据进行处理，通过编写程序绘制发电状态下的开路电压与短路电流与温差的关系曲线、输出功率与温差的关系曲线、输出功率随负载变化的关系曲线，同温度下开路电压和短路电流的关系曲线并通过发电参数计算半导体片的塞贝克系数，此外还绘制制冷状态下制冷电压电流与温差、制冷電压与电流的关系曲线，所有数据均被写入EXCLE表格中[10]。
三、操作示例
1.制冷性能测量
此处使用SP1848-27145温差半导体为例进行测量示范。将半导体片安置到图4所示的制冷温差半导体槽中，打开电源开关后拨动换向开关使装置工作在制冷模式，单片机使用片状DS18B20温度传感器实时采集半导体冷端温度，利用AD7060模数转换器以及ACS712电流传感器实时采集半导体片的工作电压和电流并上传给LABVIEW上位机[11]，上位机对采集的数据进行分析和处理得到的制冷电压和电流与制冷温度的关系曲线如图6和图7所示。
由图6可知半导体片的制冷速度随着温度的降低而变慢，由图7可知在制冷过程中半导体片的内阻稍有变大，另外制冷温度较小时需要较长的制冷时间，此过程中热端产生热量的效率较高会向冷端传递热量，相对的影响冷端的制冷效率，这是制冷效率变小的原因之一，不同半导体的情况不同，故在实际使用中要保证半导体热端及时散热以提高制冷效率。
2.发电性能测量
将做过制冷性能测量的半导体片为测量对象进行发电性能测量示范，将其安置在图4所示的发电温差半导体槽中，打开开关电源后拨动换向开关令半导体工作在发电模式，设定恒温加热器的加热温度，STM32单片机通过HBC-AS5型霍尔电流传感器以及AD7060模数转换器采集半导体的发电电流和电压，使用DS18B20温度传感器实时检测半导体两侧的温度，LABVIEW上位机对采集到不同加热温度下的数据进行分析处理[12]，绘制开路电压与短路电流与温差的关系曲线、输出功率与温差的关系曲线、输出功率随负载变化的关系曲线，同温度下开路电压和短路电流的关系曲线如图9和图10所示[13]。表2为同时刻半导体发电参数记录表，由此可分析温差半导体的发电效率与塞贝克系数等发电特性[2]。
由图8可知，半导体片的发电效率与两端的温差大致呈线性关系，因为本装置在测量不同温度下的发电参数时并不是一次性测完，每次测量完成后会待半导体片冷却后再进行下一次测量，所以没有特别明显的非线性变化趋势，此外，由开路电压和短路电流的关系曲线可知，随着温差的升高半导体内部的电阻稍有减小，除去半导体两端有热量交换的因素之外不同材料的半导体的情况会有所不同。
由温差与输出功率的关系曲线图10可知，半导体的输出功率随两端温差的升高而增大，且大致呈线性关系，因为增大温差只是相当于提高了电源的电压和电流，因此对固定负载来说，输出功率会相应增大。
功率随负载变化的关系曲线是在半导体两侧温差约为60℃的条件下测得，由图11可知随着负载的增大，输出功率由小变大，到达一定数值后输出功率随着负载的增大而减小。
四、总结
本装置利用单片机和外围器件及多种传感器采集半导体片的发电与制冷参数，并将采集到的数据上传给上位机PC，上位机利用LABVIEW将采集到的电压、电流、温度等数据进行处理并绘制发电状态下的开路电压与短路电流与温差的关系曲线、输出功率与温差的关系曲线、输出功率随负载变化的关系曲线、同温度下开路电压和短路电流的关系曲线并通过发电参数计算半导体片的塞贝克系数，此外还绘制制冷状态下制冷电压电流与温差、制冷电压与电流的关系曲线，从而实现了对半导体片特性的定性定量测量与展示。
参考文献：
[1]周子鹏.半导体温差发电装置的研制[D].河北工业大学，2008.
[2]卢菡涵.半导体制冷性能及恒温控制的研究[D].太原科技大学，2013.
[3]KYONOT，SUZUKI R O，ONO K.Conversion of unused heat energy to electricity by means of thermoelectric generation in condenser[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2003，18（1）：330-334.
[4]Nuwayhid R Y，Rowe D M，Min G.Low cost stove-top thermoelectric generator for regions with unreliable electricity supply[J].Renewalbe Energy，2003（28）：205-222.
[5]刘新赞.热电致冷原理与应用[J].河北工业科技，2006，23（6）：344-346.
[6]张哲皇，李学金.珀尔贴效应演示仪的研制[J].大学物理实验，1999，04：45-48.
[7]王月媛，黄升民，胡建民等.热电效应演示实验[J].大学物理实验，2005，18（1）：50-51.
[8]任学智，徐胜男，李琪，薛家豪，陈文娟，展凯云.基于LABVIEW的温差半导体特性测量装置的研制[J].大学物理实验，2016，29（03）：87-91.
[9]李伟江.低温差下半导体温差发电模块性能分析与实验研究[D].同济大学，2007.
[10]闫强强，秦东风，马亮亮，陈勇达，郝铁营，魏淑华.基于虚拟仪器的半导体特性参数测试仪的设计与研究[J].电子世界，2016，（06）：79-81.
[11]杨忠仁，饶程，邹建等.基于LABVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报（自然科学版），2004，27（2）：32-35.
[12]王建勋，周青云.基于DS18B20和LABVIEW的温度监测系统[J].实验室研究与探索，2012，31（3）：47-50.DOI：10.3969/j.issn.1006-7167.2012.03.014.
[13]张欢，靳宝安，宁铎，陈国庆. 基于STM32的半导体温差发电装置的研制[J].电源技术，2016，40（02）：326-328.
作者简介：
马法山（1993.10—），山东聊城人，大学本科生，研究方向：应用化学。
赵传华（1969.7—），通讯作者，山东阳谷人，硕士，副教授，研究方向：电子通讯。
关键词：半导体片；单片机；特性分析；LABVIEW
温差引起的电效应和电流引起的热效统称为热电效应，其主要包括塞贝克（Seebeck）效应、珀尔帖（Peltier）效应和汤姆逊（Thomson）效应[1]，是半导体发电和制冷的理论基础。塞贝克效由德国物理学家塞贝克于1821年发现，其指因两种不同电导体或半导体之间的温差而在两者之间产生电压差的现象，在塞贝克效应被发现的12年后，法国科学家珀尔帖发现当在两种不同金属组成的回路中通电时，金属结点两侧会出现温差，一侧发热而另一侧点变冷，此即珀尔贴效应，因在满足正常工作条件的前提下，此发电方式效率较高且清洁无污染，现多应用于高效制冷[2]。
一、半导体片工作原理
1.塞贝克（Seebeck）效应
如图1所示，在A、B两种不同金属或者半导体材料组成的回路中，两材料的节点处温度不同时会有电流产生，此即塞贝克效应。不同材料的电子逸出功不同，当两材料节点处温度不同时，电子会从两材料之间移动，当电子移动达到一定量时，其接触电动势的代数和不为零，即产生温差电动势，在节点处温差不大时材料的电性质没有太大变化，此时温差电动势与温差成正比[3-4]。若两种材料的接头处维持在不同温度，当材料B有断开时，在断口位置会出现电位差，其数值为：。
只要两个接头处的温差不是很大，这个关系就是线性的，即为常数，此即两种材料的相对塞贝克系数，。
其单位为V/K，塞贝克系数是相对系数，有正有负，具体视材料而定。
2.珀尔贴（Peltier）效应
当在不同导体或半导体组成的回路中通入电流时，载流子在流过节点时其势能会发生变化，具体的变化跟材料有关，其表现为两材料的节点处两侧会分别吸热和放热，此即珀尔帖效应[5]。如图2所示，P型半导体、N型半导体、3块金属板以及一个电源构成闭合回路，当在回路中通入电流时，P型半导体中的空穴由正极流向负极，金属板中的空穴进入P型半导体时势能变大，空穴越过势垒吸热，金属板变冷；P型半导体中的空穴进入金属板时势能变小，放出热量，金属板变热。N型半导体中的电子由负极流向正极，金属板中的电子进入N型半导体时势能变大，电子越过势垒吸热，金属板变冷；N型半导体中的电子进入金属板时势能变小，放出热量，金属板变热[6]，当半导体片通电时，片的两侧会有明显的温度差，一侧吸热、一侧放热。
二、装置设计
本装置实物结构图如图3所示。因要分别测量半导体片发电和制冷时的参数，在仪器上方制作了两个放置半导体片的槽，将半导体片的两极做成片状长方形，可与槽内电极相对连接，如此方便半导体片的更换。为了保证半导体片两侧的温差在箱体内安装了散热片和排风扇，此外，用于采集半导体工作参数的信号调节电路与单片机也安置在箱体内[7]。
本装置工作流程图如图4所示。选用换向开关来变换装置的工作方式，当装置工作在制冷模式时，半导体片通电工作，两侧产生温差。单片机利用传感器实时采集半导体两侧温度以及半导体的工作电压和电流并上传给上位机。调节可变电阻改变半导体的工作电压和工作电流可分析半导体片在不同工作状态下的性能。当装置工作在发电模式时，电源给恒温加热器供电用以提供发电所用温差，设定恒温加热器的工作温度用于分析半导体在不同工作状态下的发电情况，单片机通过传感器采集半导体两侧的温差以及半导体发电的电压电流参数并上传给上位机用于分析处理。
1.制冷性能测量模块设计
本装置使用AC220V转DC12V/24V电源为装置供电。在装置内部靠近顶层的地方放置20cm长*10cm宽*5cm高的长槽形纯铝散热片，并在散热片底部和通风口处加装小型散热扇以保证热端的散热效果。此外为了充分发挥散热片的功能在半导体片热端与散热片之间涂抹XG-A1导热硅脂，其可在短时间内固化，导热性能良好，有助于半导体片热端及时散热。制冷模块中使用50W/30Ω瓷盘圆盘滑动变阻器串入电路以调节制冷半导体的工作电压和电流，滑动变阻器的旋钮安放在仪器盒表面。装置使用5A量程的ACS712电流传感器模块检测电路内的电流，其输出电压信號，可利用STM32单片机通过16位AD7060模数转换器采集该信号以及半导体片两端的电压。此外使用两个贴片式DS18B20温度传感器分别采集半导体片两侧的温度，为保证采集信息准确在传感器和半导体片之间涂抹XG-A1导热硅脂保证传热效果。单片机将采集到的温度、电压、电流等信息通过串口发送到LABVIEW上位机，上位机对采集到的信息进行分析处理存入EXCEL表格中并绘制制冷电压电流与温差、制冷电压与电流等关系曲线[8]。
2.发电性能测量模块设计
装置使用数显式片状恒温加热器，加热范围0℃-300℃，发电半导体槽的设计与制冷槽相同，均使用纯铝散热片和XG-A1导热硅脂减少发电片热端热源对冷端温度的影响。此外在回路中加入可调电阻用以研究负载对发电片输出功率的影响，作为电源无法同时测量半导体发电片的发电电流和电压，为了研究半导体片的发电性能装置分别采集其发电的开路电压和短路电流，因发电电流较小装置使用HBC-AS5型霍尔电流传感器将电流信号转换为电压信号供单片机采集。同样使用16位AD7060模数转换器采集电流电压信号，单片机将采集到的数据上传到上位机，上位机对信息进行分析处理并绘制短路电流和开路电压与温差的关系曲线、同温度下开路电压和短路电流的关系曲线、输出功率与温差的关系曲线以及输出功率随负载变化的关系曲线[9]。此外还可根据塞贝克原理通过半导体两侧的温差和电压计算半导体片的塞贝克系数。 3.数据采集及分析处理模块设计
本装置利用串口实现STM32单片机与LABVIEW上位机之间的通信，为了保证两者之间通信的正常进行需安装VISA函数库。下位机利用AD7060模数转换器不间断的采集电压、电流以及温度信息，当上位机向下位机发送标志信号时，下位机将采集到的信息上传，本程序中设置为每0.5S读取一次信息并利用数据点绘制关系曲线，具体的上位机程序框图如图5所示。LABVIEW将采集到的电压、电流、温度等数据进行处理，通过编写程序绘制发电状态下的开路电压与短路电流与温差的关系曲线、输出功率与温差的关系曲线、输出功率随负载变化的关系曲线，同温度下开路电压和短路电流的关系曲线并通过发电参数计算半导体片的塞贝克系数，此外还绘制制冷状态下制冷电压电流与温差、制冷電压与电流的关系曲线，所有数据均被写入EXCLE表格中[10]。
三、操作示例
1.制冷性能测量
此处使用SP1848-27145温差半导体为例进行测量示范。将半导体片安置到图4所示的制冷温差半导体槽中，打开电源开关后拨动换向开关使装置工作在制冷模式，单片机使用片状DS18B20温度传感器实时采集半导体冷端温度，利用AD7060模数转换器以及ACS712电流传感器实时采集半导体片的工作电压和电流并上传给LABVIEW上位机[11]，上位机对采集的数据进行分析和处理得到的制冷电压和电流与制冷温度的关系曲线如图6和图7所示。
由图6可知半导体片的制冷速度随着温度的降低而变慢，由图7可知在制冷过程中半导体片的内阻稍有变大，另外制冷温度较小时需要较长的制冷时间，此过程中热端产生热量的效率较高会向冷端传递热量，相对的影响冷端的制冷效率，这是制冷效率变小的原因之一，不同半导体的情况不同，故在实际使用中要保证半导体热端及时散热以提高制冷效率。
2.发电性能测量
将做过制冷性能测量的半导体片为测量对象进行发电性能测量示范，将其安置在图4所示的发电温差半导体槽中，打开开关电源后拨动换向开关令半导体工作在发电模式，设定恒温加热器的加热温度，STM32单片机通过HBC-AS5型霍尔电流传感器以及AD7060模数转换器采集半导体的发电电流和电压，使用DS18B20温度传感器实时检测半导体两侧的温度，LABVIEW上位机对采集到不同加热温度下的数据进行分析处理[12]，绘制开路电压与短路电流与温差的关系曲线、输出功率与温差的关系曲线、输出功率随负载变化的关系曲线，同温度下开路电压和短路电流的关系曲线如图9和图10所示[13]。表2为同时刻半导体发电参数记录表，由此可分析温差半导体的发电效率与塞贝克系数等发电特性[2]。
由图8可知，半导体片的发电效率与两端的温差大致呈线性关系，因为本装置在测量不同温度下的发电参数时并不是一次性测完，每次测量完成后会待半导体片冷却后再进行下一次测量，所以没有特别明显的非线性变化趋势，此外，由开路电压和短路电流的关系曲线可知，随着温差的升高半导体内部的电阻稍有减小，除去半导体两端有热量交换的因素之外不同材料的半导体的情况会有所不同。
由温差与输出功率的关系曲线图10可知，半导体的输出功率随两端温差的升高而增大，且大致呈线性关系，因为增大温差只是相当于提高了电源的电压和电流，因此对固定负载来说，输出功率会相应增大。
功率随负载变化的关系曲线是在半导体两侧温差约为60℃的条件下测得，由图11可知随着负载的增大，输出功率由小变大，到达一定数值后输出功率随着负载的增大而减小。
四、总结
本装置利用单片机和外围器件及多种传感器采集半导体片的发电与制冷参数，并将采集到的数据上传给上位机PC，上位机利用LABVIEW将采集到的电压、电流、温度等数据进行处理并绘制发电状态下的开路电压与短路电流与温差的关系曲线、输出功率与温差的关系曲线、输出功率随负载变化的关系曲线、同温度下开路电压和短路电流的关系曲线并通过发电参数计算半导体片的塞贝克系数，此外还绘制制冷状态下制冷电压电流与温差、制冷电压与电流的关系曲线，从而实现了对半导体片特性的定性定量测量与展示。
参考文献：
[1]周子鹏.半导体温差发电装置的研制[D].河北工业大学，2008.
[2]卢菡涵.半导体制冷性能及恒温控制的研究[D].太原科技大学，2013.
[3]KYONOT，SUZUKI R O，ONO K.Conversion of unused heat energy to electricity by means of thermoelectric generation in condenser[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2003，18（1）：330-334.
[4]Nuwayhid R Y，Rowe D M，Min G.Low cost stove-top thermoelectric generator for regions with unreliable electricity supply[J].Renewalbe Energy，2003（28）：205-222.
[5]刘新赞.热电致冷原理与应用[J].河北工业科技，2006，23（6）：344-346.
[6]张哲皇，李学金.珀尔贴效应演示仪的研制[J].大学物理实验，1999，04：45-48.
[7]王月媛，黄升民，胡建民等.热电效应演示实验[J].大学物理实验，2005，18（1）：50-51.
[8]任学智，徐胜男，李琪，薛家豪，陈文娟，展凯云.基于LABVIEW的温差半导体特性测量装置的研制[J].大学物理实验，2016，29（03）：87-91.
[9]李伟江.低温差下半导体温差发电模块性能分析与实验研究[D].同济大学，2007.
[10]闫强强，秦东风，马亮亮，陈勇达，郝铁营，魏淑华.基于虚拟仪器的半导体特性参数测试仪的设计与研究[J].电子世界，2016，（06）：79-81.
[11]杨忠仁，饶程，邹建等.基于LABVIEW数据采集系统[J].重庆大学学报（自然科学版），2004，27（2）：32-35.
[12]王建勋，周青云.基于DS18B20和LABVIEW的温度监测系统[J].实验室研究与探索，2012，31（3）：47-50.DOI：10.3969/j.issn.1006-7167.2012.03.014.
[13]张欢，靳宝安，宁铎，陈国庆. 基于STM32的半导体温差发电装置的研制[J].电源技术，2016，40（02）：326-328.
作者简介：
马法山（1993.10—），山东聊城人，大学本科生，研究方向：应用化学。
赵传华（1969.7—），通讯作者，山东阳谷人，硕士，副教授，研究方向：电子通讯。