半导体制冷片工作原理

半导体制冷片工作原理

致冷器件是由半导体所组成的一种冷却装置,随着近代的半导体发展才有实际的应用,也就是致冷器的发明;其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量,通上电源后,电子负极-出发,首先经过P型半导体,于此吸热量,到了N型半导体,又将热量放出,每经过一个NP 模块,就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端;冷热端分别由两片陶瓷片所构成,冷端要接热源,也就是欲冷却之;在以往致冷器是运用在CPU的,是利用冷端面来冷却CPU,而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出;致冷器也应用于做成车用冷/热保温箱,冷的方面可以冷饮机,热的方面可以保温热的东西;

半导体致冷器的历史

致冷片是由半导体所组成的一种冷却装置,于1960左右才出现,然而其理论基础Peltier effect可追溯到19世纪;下图1是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路,通上电源之后,A点的热量被移到B点,导致A点温度降低,B点温度升高,这就是着名的Peltier effect;这现象最早是在1821年,由一位德国科学家Thomas Seeback首先发现,不过他当时做了错误的推论,并没有领悟到背后真正的科学原理;到了1834年,一位法国表匠,同时也是兼职研究这现象的物理学家JeaNPeltier,才发现背后真正的原因,这个现象直到近代随着半导体的发展才有了实际的应用,也就是「致冷器」的发明;

一、因半导体致冷片薄而轻巧,体积很小,不占空间,并可以携带,做成车用电冷/热保温箱,放置车上,不占空间,并可变成冰箱及保温箱,夏天可以摆上几瓶饮料,就可以便冰饮,在冬天就可以变成保温箱;

二、致冷器件的结构与原理

下图2是一个制冷器的典型结构;

图2 致冷器的典型结构

致冷器是由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成,

而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路,通常是

铜、铝或其它金属导体,最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样

夹起来,陶瓷片必须绝缘且导热良好,外观如下图3所示,看

起来像三明治;

图3 致冷器的外观

以下详细说明N型和P型半导体的原理:

三、N型半导体

1 如果在锗或硅中均匀掺杂五价元素,由于价电子间会互相结合而形成共价键,故每个五价元素会与邻近四价之锗或硅原子互成一共价键,而多出一个电子来,如图4所示,这就称为N型半导体;N表示negative,电子带负电;

图4 N型半导体

2 由于加入五甲元素后会添加电子,故五价元素又被称为施体原子;

3 加入五价元素而产生之自由电子,在N型半导体里又占大多数,故称为多数载体majority carriers ;由温度的引响所产生之电子─电洞对是少数,所以N型半导体中称电洞为少数载体minority carriers ;

四、P型半导体

1 如果在锗或硅中均匀掺杂三价元素,由于价电子间会互相结合而形成共价键,故每个三价元素会与邻近四价之锗或硅原子互成一共价键,而多缺少一个电子,在原子中造成一个空缺来,这个空缺我们称为电洞,如图5B 所示,加入三价元素之半导体就称为P型半导体;P表示positive,电洞视为正电荷;

图5 P型半导体

2 由于加入三价元素后会造成一个空缺,故三价元素又被称为受体原子;

3加入三价元素而产生之电洞,在P型半导体中是多数载体;受热使共价键破坏而产生的电子电洞为少数,故P型半导体中称电子为少数载体;

4 通常我们都用正电荷代表电洞;但侍体中的原子不能移动,所以电洞一个空位也应该是不能移动的;

五、P-N结合

1 当P型半导体或N型半导体被单独使用时,由于其导电力比铜、银等不良,但却比绝缘体的导电力良好,故实际上,就等于一个电阻器一样,如下图6所示;

图6 P-N结合

2 但若将数片P或N型半导体加以适当的组合,则会产生各种不同的电气特性,而使半导体零件的功能更多彩多姿;今天我们要先看看把一块P型半导体与N型半导体结合起来的情况;

3 当一块P型半导体与N型半导体结合起来时,如下图所示,由于P型半导体中有很多的电洞,而N型半导体中有许多电子,所以当P-N结合起来时,结合面附近的电子会填入电洞中,P-N结合起来时,如下图7a所示;

图7

或许你会以为N型半导体中的电子会不断的透过接合面与电洞结合,直到所有的电子或电洞消失为止;事实上,靠近接合面的N型半导体失去了电子后就变成正离子,P型半导体失去了一些电洞后就变成负离子,如上图7 b所示;

此时正离子会排斥电洞,负离子会排斥电子,因而阻止了电子、电洞的继续结合,而产生平衡之状态;

4 在P-N接合面P-Njunction附近没有载体电子或电洞,只有离子之区域称为空乏区

depletioNregion ;

5 空乏区的离子所产生的阻止电子、电洞通过接合面的力量,称为障碍电位potential barrier ;障碍电位视半导体的掺杂程度而定,一般而言,Ge 的P-N接合面约为~,而Si 的P-N接合面约为~;

六、正向偏压

1 若把电池的正端接P型半导体,而把负端接N型半导体,如下图8所示,则此时P-N接合面的偏压型式称为”正向偏压”;

图8加上正向偏压E

2 若外加电源E 足够大而克服了障碍电位,则由于电池的正端具有吸引电子而排斥电洞的特性,电池的负端有吸引电洞而排斥电子之特性,因此N型半导体中的电子会越过P-N 接合面而进入P 型半导体与电洞结合,同时,电洞也会通过接合面而进入N型半导体内与电子结合,造成很大的电流通过P-N接合面;

3 因为电池的负端不断的补充电子给N型半导体,电池的正端则不断的补充电洞给P型半导体,实际上是电池的正端不断的吸出P型半导体中之电子,使P 型半导体中不断产生电洞,所以通过P-N接合面的电流将持续不断;

4 P-N接合在加上正向偏压时,所通过之电流称为正向电流IF ;

七、反向偏压

1 现在如果我们把电池的正端接N而负端接P,则电子、电洞将受到E之吸引而远离接合面,空乏区增大,而不会有电子或电洞越过接合面产生接合,如下图9所示,此种外加电压之方式称为反向偏压;

图9加上反向偏压E

2 当P-N接合面被加上反向偏压时,理想的情形应该没有反向电流IR=0才对,然而,由于