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。

图(1) 致冷器件的作用原理致冷器的名称相当多，如 Peltier cooler、thermoelectric、thermoelectric cooler (简称或、thermoelectric module，另外又称为热帮浦 (heat pump)。

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(5)B 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(7)(a)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，由于温度的引响，热能在半导体中

产生了少数的电子─电洞对，而于半导体

中有少数载体存在。在P-N接合面被接上

反向偏压时，N型半导体中的少数电洞和

P 型半导体中的少数电子恰可以通过P-N 接合面而结合，故实际的P-N接合再加上反向偏压时，会有一”极小”之电流存在。此电流称为漏电电流，在厂商的资料中多以IR表之。