半导体制冷片工作原理(精).doc

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 0.20.3V,而 Si 的 P-N 接合 面约为 0.60.7V。 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。(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。 注 :在实际应用时多将 I R忽略 , 而不加以考虑。(3 IR与反向偏压之大小无关,却与温度有关。无论或硅,每当温度升高 10, IR 就增加为原来的 两倍。八、崩溃 (Breakdown(1 理想中, P-N 接合加上反向偏压时,只流有一甚小且与电压无关之漏电电流 IR. 。但是当我们不 断把反向电压加大时, 少数载体将获得足够的能量而撞击、 破坏共价键, 而产生大量的电子一对洞对。 此新生产之对子及电洞可从大反向偏压中获得足够的能量去破坏其它共价键, 这种过程不断重复的结 果,反向电流将大量增加,此种现象称为崩溃。(2 P-N接合因被加上过大的反向电压而大量导电时,若不设法限制通过 P-N 接合之反向电流, 则 P-N 接合将会烧毁。九、二极管之 V-1(电压 -电流特性把 P-N 接合体加上两根引线,并用塑料或金属壳封装起来,即成为二极管。二极管的电路符号如图 (10(b所示,两支引线分别称为阳极和阴极。图 (10 二极管 欲详知一个组件之特性并加以应用, 较佳 的方法是研究此组件之 V-I (电压 -电流 特性线。下图 (11为二极管之正向特性曲线。由特性曲线可看出二极管所加之正向偏压低于切入电压 (cutiNvoltage时,电流很小,一旦超过切入电 图 (11 典型的二极管正向特性压, 电流 IF 既急速上升 (此时 IF 的最大值是由外部电阻 R 加以限制 。 硅二极管的切入电压为 0.6V , 锗二极管的切入电压为 0.2V 。二极管流有正向电流时,其正向压降 VF 几乎为一定数,不易受正向电 流的变化所影响,设计电路时,可以采用表 (1的数据。 表 (1 常温时二极管的正向压降注意!当温度升高的时候,二极管的正向压降 VF 会降低,其降低量为VF = K T = 温度变化量,K = 硅为 -2 mV /,锗为 -1.3 mV/由于晶体管的 B-E 极间也为 P-N 接合,故也有负温度特性,这使得晶体管电路的性能受到温度所影 响,故吾人常使用与晶体管同质料(锗或硅的二极管作为晶体管的偏压,以使两者之 VF 互相抵 消。 图 (12 典型的二极管反向特性上图 (12为二极管的反向特性曲线图。由此图可得知:(1 未崩溃以前,反向电流 IR 为固定值,不随反向电压而变动。(2 硅之 IR 甚小，通常小于 10A，锗之 IR 则高达数百倍。整流二极体很少以锗制造，也就是为了 这个缘故。 (3 二极管，无论锗或硅，当温度每增高 10时，IR 约升为原来的两倍。 (4 当反向偏压达到崩溃电压 VBD 后，电流会迅速增加，此时必须由外加电阻 R 限制住 IR，否则二 极管会烧毁。 十、二极管的规格 整流二极管之主要规格有： (1 额定电流-以电阻为负载时，二极管所能通过的最大平均电流 ，厂商的规格表中多以 IO 表。 (2 耐压-亦称为最大反向耐压(peak inverse voltage；简称 PIV，此电压乃指不令二极管产生崩 溃的最大反向电压，规格表中多以 VR 表之。 十一、致冷晶片作工的原理以及运用实例 直流电源提供了电子流动所需的能量，通上电源之后，电子由负极(-出发，首先经过 P 型半导体， 于此吸收热量，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另外 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 物，如 CPU，而热端要接散热片风扇，将热量排出。于各接面之间，一样要涂上散热膏，以利热量之 传导。以上就是致冷器的基本架构。致冷器的用途很多，其中一个主要的用途就是超频，而听说现在 市面上卖的车用冰热保温箱也是使用这种芯片。目前致冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋 (Bismuth Telluride，加入不纯物经过处理而成 N 型或 P 型半导体，听说市面上的致冷芯片都竖外 进口，并氟内制造 ，因为成本昂贵。 十二、热能转换 能转换(冰块溶解:一物体历经一传递能量的交互作用过程后，内能的变化为 E，假设在此过程中， 外对物体所做的功为 W，则传入物体或传出体之热量 Q 定义为 Q= E-W 当 Q 为正时，物体吸热