半导体制冷片工作原理.pdf

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