半导体制冷及工作原理(图解)

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。

工作原理

半导体制冷片的工作原理是基于帕尔帖原理,该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的,即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时,在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量,而另一个接头处则吸收热量,且帕尔帖效应所引起的这种现象是可逆的,改变电流方向时,放热和吸热的接头也随之改变,吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比,且与两种导体的性质及热端的温度有关,即:

半导体是如何制冷的 它的工作原理是什么?

πab称做导体A和B之间的相对帕尔帖系数 ,单位为[V], πab为正值时,表示吸热,反之为放热,由于吸放热是可逆的,所以πab=-πab。金属材料的帕尔帖效应比较微弱,而半导体材料则要强得多,因而得到实际应用的温差电制冷器件都是由半导体材料制成的。

1.N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。

 

 

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2.P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。

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3.PN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。

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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。

使用说明:

一、正确的安装、组装方法:

1、制冷片一面安装散热片,一面安装导冷系统,安装表面 平 面度 不大于 0.03mm ,要除去毛刺、污物。

2、制冷片与散热片和导冷块接触良好,接触面 须涂有一薄层导热硅脂。

3、固定制冷片时既要使制冷片受力均匀,又要注意切勿过度,以防止瓷片压裂 。

二、正确的使用条件:

1、使用直流电源电压不得超过 额定电压 ,电源波纹系数小于 10%。

2、 电流不得超过组件的 额定电流 。

3、 制冷片正在工作时不得瞬间通反向 电压 (须在5分钟之后。

4、制冷片内部不得进水。

5、制冷片周围湿度不得超过80%。

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