半导体制冷、制热原理

原来如此!揭开半导体制冷技术的面纱出处： PConline 2007-01-08 10:14:20 作者： 无缘一见 责任编辑： zhangqianliang 外设频道上次推出了首款处理器半导体成品散热器的评测空调inside!MACS半导体制冷评测首发。不少网友对半导体制冷技术产生了浓厚的兴趣，近期我们收集了相关资料整理成文，一并发表献给大家。前半部分没有涉及太多的专业知识，对初学者来说难度不大；而对于想深入了解其构造原理的朋友不妨查阅全文。一、预备知识：1Peltier effect（珀尔帖效应）：珀尔帖效应的论述很简单当电流通过热电偶时，其中一个结点散发热而另一个结点吸收热，这个现象由法国物理学家Jean Peltier在1834年发现。2P型半导体半导体材料的一种形式，其导带中的电子密度超过了价带中的空穴密度。P型材料通过增加受主(acceptor)杂质来形成，例如在硅上掺杂硼。3N型半导体半导体材料的一种形式，在导带中的电子密度大于在价带中的空穴密度的半导体，N型材料通过对硅的晶体结构中加入施主杂质(掺杂)比如砷或磷来得到。二、珀尔帖效应应用半导体致冷器是由半导体所组成的一种冷却装置，於1960左右才出现，然而其理论基础Peltier effect可追溯到19世纪。如图是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路。通上电源之後，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，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，并没有领悟到背後真正的科学原理。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Jean Peltier，才发现背後真正的原因，这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用，也就是致冷器的发明(注意，这种叫致冷器，还不叫半导体致冷器)。 原来如此!揭开半导体制冷技术的面纱出处： PConline 2007-01-08 10:14:21 作者： 无缘一见 责任编辑： zhangqianliang 三、半导体致冷法的原理以及结构： 半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。N型材料有多余的电子，有负温差电势。P型材料电子不足，有正温差电势；当电子从P型穿过结点至N型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。直接接触的热电偶电路在实际应用中不可用，所以用下图的连接方法来代替，实验证明，在温差电路中引入第三种材料（铜连接片和导线）不会改变电路的特性。这样，半导体元件可以用各种不同的连接方法来满足使用者的要求。把一个P型半导体元件和一个N型半导体元件联结成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的接头处，电流方向是从N至P，温度下降并且吸热，这就是冷端；而在下面的一个接头处，电流方向是从P至N，温度上升并且放热，因此是热端。因此是半导体致冷片由许多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、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，外观如下图所示。 原来如此!揭开半导体制冷技术的面纱出处： PConline 2007-01-08 10:14:21 作者： 无缘一见 责任编辑： zhangqianliang 三、半导体致冷法的原理以及结构： 半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。N型材料有多余的电子，有负温差电势。P型材料电子不足，有正温差电势；当电子从P型穿过结点至N型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。直接接触的热电偶电路在实际应用中不可用，所以用下图的连接方法来代替，实验证明，在温差电路中引入第三种材料（铜连接片和导线）不会改变电路的特性。这样，半导体元件可以用各种不同的连接方法来满足使用者的要求。把一个P型半导体元件和一个N型半导体元件联结成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。在上面的接头处，电流方向是从N至P，温度下降并且吸热，这就是冷端；而在下面的一个接头处，电流方向是从P至N，温度上升并且放热，因此是热端。因此是半导体致冷片由许多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、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，外观如下图所示。 原来如此!揭开半导体制冷技术的面纱出处： PConline 2007-01-08 10:14:22 作者： 无缘一见 责任编辑： zhangqianliang 1N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。2P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。 原来如此!揭开半导体制冷技术的面纱出处： PConline 2007-01-08 10:14:23 作者： 无缘一见 责任编辑： zhangqianliang 3PN结在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程： 因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后，多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧，留下离子薄层，这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。PN结加正向电压时的导电情况如图所示。 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响。而实际上电子在通过电场后势能产生变化，能量转换为各种形势的表现，而热量的吸收与散发都是其表现的一个方面。而半导体制冷片的工作原理实际上就是通过定向电流将热能定向搬运的过程。总结：通过上述大家应该已经比较清晰的了解了半导体的制冷过程以及原理，实