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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 ThomasSeeback 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 (maj
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