半导体是怎样制冷的

半导体是怎样制冷的

半导体制冷又称温差电制冷，或热电制冷。它与压缩式、

吸收式等机械制冷在原理和设备方面均不同。半导体制冷是

利用特种半导体材料，制成制冷器件，通电后直接制冷，因

此奏名半导体制冷，它是半导体技术领域中的一个特殊分支。

我国在1956年就开始研制半导体制冷器，并制成了半导体

制冷器元件与器件，下面扼要介绍一下，半导体是怎样制冷

的。，

1.珀尔帖效应：1834年，•法国科学家珀尔帖首先发现

了热电制冷和制热现象，即金属曲温差电效应。

由两种不同金属组成的一对热电偶，当在热电偶中通以

直流电流时，将在电偶的不同结点处，产生吸热和放热现象，

这种现象称为珀尔帖效应。但是金属的珀尔帖效应很弱，因

之左制冷和制热上没有多大实用价值。所以，虽然早在一百

多年以前已发现了这个现象，tP是呈正应用于制冷，还是在

最近20年，由于半导体技术的发展，使半导体制冷技术进

入一个崭新础阶段。这是因为半导体材料珀尔帖效应较显著

的缘故。

2.N型和P型半导体：半导体制冷器的电偶，是由一种

特制的N型和P型半导体组成的。任何物质都是由原子组成

的，'而原于是由原子核和电子组成，电子以很高的速度绕

原子亨至孟，并受到原子核的吸引，因而受到一定的限制，

电子只能在几个有限的轨道上运转，并不能任意离开。原子

内各层轨道上的电子具有不同的能量（称为电子势能），离

原子核最远层上的电子能量最大，金属中最外层轨道上的电

子，经常可以脱离原子核的吸引，而在原子之间运动，形成

自由电子，在电场作用相，可以参加导电，如铜等称为导体。

在绝缘体中，电子很难脱离原子核的吸引，不能变成自由电

子，故不能参加导电，如橡胶等。半导体的导电能力是介于

导体和绝缘体之间。半导体更重要的特性，在于将一定数量

的某种杂质掺入半导体中以后，不但能大大增加导电能力，

还能掺杂不同种类和数量的，制造出不同性质、不同用途的

半导体材料来。将一种杂质加到半导体后，会放出自由电子,

当然就增加了导电。击占；这种半导体称为N型半导体。如

在纯硅中参加睇就可获得N型半导体。N型半导体是靠电子

导电的，这是它的导电原理。'“另外一种半导体叫P型半导

体，它是靠所谓“空穴”,来导电的。在外电场的作用下，

空”穴的面动方向和电于流动方向相反，即空穴是由正松流

向负极，。这是P型半导体的导电原

不管N型半导体中助自由电子，还是P型半导体中的空

穴，它们都参与导电，统称为“载频子”，由“载流子”。导

电的现象，'是半导体所特有的，这是由于掺入杂质的结果。

对于半导体制冷材料，不仅需要N型和P型半导体特性,

还要根据不同的掺杂，有目的改变半导体的温差电动势率、

电导率及热导率，使这种特制的半导体能满足制冷的要求。

3.半导体制冷原理：把一个P型半导体和一个N型半导

体，：用铜联接片焊接而成电偶对（图2—15—1）,当直流电

流从N型半导体流向P型半导体时，则在2、3端的铜联接

片上产生吸热现象，此端称为冷端；而在i、4端的铜联接

片上产生放热现象，此端称为热端。如果电流方向反过来，

则冷、热端将互换。由于一个电偶对产生的热电效应较小（一

般约为lkcal/h左右，视元件的尺寸大小而异），所以实用

上是将数十个电偶对串联而成，将冷端放在一起、热端放在

一起、称为热电堆见图

tul

当这个制冷器件中通入一定数量的直流电时，冷端会逐

渐冷却下来，并出现结霜；而热端的温度逐渐升高，并向周

围环境放热。为了弄清楚这个原因，我们可从固2-15-2

中，粗略地用载流子（电子和空穴）在流过结点（金属和半导

体联结点）时势能的变化采解释。因为载流子在金属和半导

体中的势能大小是不同的，所以载流子在流过结点时，必然

会引起能量的传递。当电流的极性如图2-15-1时，电子

从电源负极出发经金属片Ir结点4IF严型半导体*结点3*

金属片'结点2,N型.半导体*结点1'金属片，回到电源正

极。由于左半部是P型半导体，导电方式是空穴型的，上面

已讲过，空穴的流动方向与电子流动方向相反。所以空穴是

从金属片*结点3*P型半导体*结点4•,金属片，回到电源负

极。

空穴在金属中具有的能量，低于在P型半导体中空穴所

具有的能量。当空穴在电场作用下，由金属片通过结点3到

达P型半导体时，必须增加一部分能量，但空穴本身是无法

增加能量的，只有从金属片中吸收能量、并把这部分热能转

变为空穴的势能，因此，在结点3处的金属片被冷却下来。

当空穴沿P型半导体通向结点4流向金属片时，由于P型半

导体中空穴能量大于金属中空穴的能量，因而要释放出多余

的势能，并将其热能放出来，所以结点4处的金属被加热。、•

图2-15-2中右半部是N型半导体与金属的联结，是

靠自由电子导电的，而电子在金居中的势能低于，N型半导

体中的电子的势能。在电场作用下，电子从金属中通过结点

2到达N型半导体时，必然要增加势能，这部分势能也只能

从金属片热能取得，因此使结点2处的金属片冷却下来。当

电子从N型半导体经过结点1流向金届时，因电子是由势能

较高的地方流向势能较低的地方，故释放出多余的势能，并

变成热能，使结点1处的金属片加热，这样上部的金属片被

冷却下来，成为冷端；而下部的两