半导体制冷片工作原理(精)

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,这就是著名的 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 T.E 或 T.E.C、 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 (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 (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 0.2~0.3V,而 Si 的 P-N 接合面约为 0.6~0.7V。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。

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