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半導(dǎo)體制冷片為何不用制冷劑實(shí)現(xiàn)制冷?

發(fā)布時(shí)間:2018-01-25

半導(dǎo)體制冷片,也叫熱電制冷片,是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置。

它的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有滑動(dòng)部件,應(yīng)用在一些空間受到限制,可靠性要求高,無(wú)制冷劑污染的場(chǎng)合。利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng),當(dāng)直流電通過(guò)兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí),在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù),其點(diǎn)是無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,可靠性也比較高。

本文著重介紹一下半導(dǎo)體制冷片的工作原理。

1.N型半導(dǎo)體

離原子核遠(yuǎn)軌道上的電子,經(jīng)??梢悦撾x原子核吸引,而在原子之間運(yùn)動(dòng),叫導(dǎo)體。如果電子不能脫離軌道形成自由電子,故不能參加導(dǎo)電,叫絕緣體。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間,叫半導(dǎo)體。半導(dǎo)體重要的性是在一定數(shù)量的某種雜質(zhì)滲入半導(dǎo)體之后,不但能大大加大導(dǎo)電能力,而且可以根據(jù)摻入雜質(zhì)的種類和數(shù)量制造出不同性質(zhì)、不同用途的半導(dǎo)體。

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素,例如磷,可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。

因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵,而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子,因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。

2.P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體,是靠“空穴”來(lái)導(dǎo)電。在外電場(chǎng)作用下“空穴”流動(dòng)方向和電子流動(dòng)方向相反,即“空穴”由正極流向負(fù)極,這是P型半導(dǎo)體原理。

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素,如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體,也稱為空穴型半導(dǎo)體。

因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí),缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子,主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成??昭ê苋菀追@電子,使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

N型半導(dǎo)體中的自由電子,P型半導(dǎo)體中的“空穴”,他們都是參與導(dǎo)電,統(tǒng)稱為“載流子”,它是半導(dǎo)體所有,是由于摻入雜質(zhì)的結(jié)果。

3.PN結(jié)

在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過(guò)程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

空間電荷區(qū)形成形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè),留下離子薄層,這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。

▲PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖所示 

▲PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖所示

4.散熱

在原理上,半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過(guò)時(shí),兩端之間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移,熱量就會(huì)從一端轉(zhuǎn)移到另一端,從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。

但是半導(dǎo)體自身存在電阻當(dāng)電流經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱量,從而會(huì)影響熱傳遞。而且兩個(gè)極板之間的熱量也會(huì)通過(guò)空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差,這兩種熱傳遞的量相等時(shí),就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn),正逆向熱傳遞相互抵消。此時(shí)冷熱端的溫度就不會(huì)繼續(xù)發(fā)生變化。為了達(dá)到更低的溫度,可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

風(fēng)扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱。通常半導(dǎo)體制冷片冷熱端的溫差可以達(dá)到40~65度之間,如果通過(guò)主動(dòng)散熱的方式來(lái)降低熱端溫度,那冷端溫度也會(huì)相應(yīng)的下降,從而達(dá)到更低的溫度。

5.半導(dǎo)體制冷片點(diǎn)總結(jié)

制冷片作為種冷源,在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和點(diǎn):

1.不需要任何制冷劑,可連續(xù)工作,沒(méi)有污染源沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件,不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng);

2.沒(méi)有滑動(dòng)部件是一種固體片件,工作時(shí)沒(méi)有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng),安裝容易;

3.既能制冷,又能加熱,制冷效率一般不高,但制熱效率很高;

4.半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件,通過(guò)輸入電流的控制,可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制;

5.熱慣性非常小,制冷制熱時(shí)間很快;

6.半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍,從正溫90℃到負(fù)溫度130℃都可以實(shí)現(xiàn)。


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