半导体制冷片工作原理.doc

半导体制冷片工作原理时间：2021.02.08创作人：欧阳生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（）岀发，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。欧阳生创编欧阳生创编一、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) 如果在错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错或硅原子互成一共价键，而多 岀一个电子来，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型半导体欧阳生创编(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) 如果在错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错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 (5)B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)o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、PN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) PN结合 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欧阳生创编欧阳生创编气特性，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PN结合起 来时，结合面附近的电子会填入电洞中，PN结合起来时，如下图(7)(a)所 不O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PN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PN接合面约为0203V,而Si的PN接合面约为0607V。 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PN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欧阳生创编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PN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PN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岀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PN接合面的电流将持 续不断。(4) PN接合在加上正向偏压时，所通过之电流称为正向电流(IF) o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PN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二0) 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一电洞 对，而于半导体中有少数载体存在。在PN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PN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°C, IR就增加为原来的两倍。八、崩溃（Breakdown）（1）理想中，PN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）PN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PN接合之反向电流，则PN接合将会烧毁。九、二极管之V1 （电压电流）特性把PN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VI （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,错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，其降低量为欧阳生创编AVF = K xAAT二温度变化量，°CK二硅为2 mV /°C,错为1.3 mV/°C由于晶体管的BE极间也为PN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(错或硅)的 二极管作为晶体管的偏压，以使两者之互相抵消。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10pA,错之IR则高达数百倍。整流二极体很 少以错制造，也就是为了这个缘故。(3) 二极管，无论错或硅，当温度每增高10°C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10表。(2) 耐压亦称为最大反向耐压(peak inverse vol tage；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()岀欧阳生创编发，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 岀，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，将热量排岀。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 为碼化钮(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,则传入物体或传岀体之热 量Q定义为O E-W当Q为正时，物体吸热;Q为负值时，物体放热。 E=Q-W:为热力学第一定律。圧Q+W：可看岀热力学第一定律表示能量守恒的关系，即物体内能的增加E 等于传入物体的热量Q与外界物体所做之功W的总和。物体升高温度一度 所须吸收的热量，定义为物体的热容。热容量二limQ/T 十三、水冷系统 水冷系统:水冷系统是以水冷式散热法，顾名思义，此方法自然是利用水带 走热量，相当于汽车引擎散热所用的水箱，原理类似.与散热风扇不同的 是，利用水循坏系统，由水带走热，取代空气水温越低，平衡温度越低， 水温越高，平衡温度越高。