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    半導體制冷片為何不用制冷劑實現制冷?

    發布時間:2018-01-25

    半導體制冷片,也叫熱電制冷片,是由半導體所組成的一種冷卻裝置。

    它的優點是沒有滑動部件,應用在一些空間受到限制,可靠性要求高,無制冷劑污染的場合。利用半導體材料的Peltier效應,當直流電通過兩種不同半導體材料串聯成的電偶時,在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量,可以實現制冷的目的。它是一種產生負熱阻的制冷技術,其點是無運動部件,可靠性也比較高。

    本文著重介紹一下半導體制冷片的工作原理。

    1.N型半導體

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

    在本征半導體中摻入五價雜質元素,例如磷,可形成N型半導體,也稱電子型半導體。

    因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵,而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數載流子,它主要由雜質原子提供;空穴是少數載流子,由熱激發形成。

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

    2.P型半導體

    P型半導體,是靠“空穴”來導電。在外電場作用下“空穴”流動方向和電子流動方向相反,即“空穴”由正極流向負極,這是P型半導體原理。

    在本征半導體中摻入三價雜質元素,如硼、鎵、銦等形成了P型半導體,也稱為空穴型半導體。

    因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時,缺少一個價電子而在共價鍵中留下一空穴。P型半導體中空穴是多數載流子,主要由摻雜形成;電子是少數載流子,由熱激發形成??昭ê苋菀追@電子,使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。

    N型半導體中的自由電子,P型半導體中的“空穴”,他們都是參與導電,統稱為“載流子”,它是半導體所有,是由于摻入雜質的結果。

    3.PN結

    在一塊本征半導體的兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:

    因濃度差

    多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區

    空間電荷區形成形成內電場

    內電場促使少子漂移

    內電場阻止多子擴散

    多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側,留下離子薄層,這個離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。PN結的內電場方向由N區指向P區。

    ▲PN結加正向電壓時的導電情況如圖所示 

    ▲PN結加正向電壓時的導電情況如圖所示

    4.散熱

    在原理上,半導體制冷片是一個熱傳遞的工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時,兩端之間就會產生熱量轉移,熱量就會從一端轉移到另一端,從而產生溫差形成冷熱端。

    但是半導體自身存在電阻當電流經過半導體時就會產生熱量,從而會影響熱傳遞。而且兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差,這兩種熱傳遞的量相等時,就會達到一個平衡點,正逆向熱傳遞相互抵消。此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。為了達到更低的溫度,可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實現。

    風扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱。通常半導體制冷片冷熱端的溫差可以達到40~65度之間,如果通過主動散熱的方式來降低熱端溫度,那冷端溫度也會相應的下降,從而達到更低的溫度。

    5.半導體制冷片點總結

    制冷片作為種冷源,在技術應用上具有以下的優點和點:

    1.不需要任何制冷劑,可連續工作,沒有污染源沒有旋轉部件,不會產生回轉效應;

    2.沒有滑動部件是一種固體片件,工作時沒有震動、噪音、壽命長,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.半導體制冷片是電流換能型片件,通過輸入電流的控制,可實現高精度的溫度控制;

    5.熱慣性非常小,制冷制熱時間很快;

    6.半導體制冷片的溫差范圍,從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現。


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