詳細講解半導(dǎo)體制冷原理(可用于電子電路和芯片散熱)

1、詳細講解半導(dǎo)體制冷原理(通俗易懂)時間:2009-09-19 20:39來源:作者:Aquan 一、半導(dǎo)體制冷原理的理論依據(jù)： 1. Peltier effect （珀爾帖效應(yīng)）： 當(dāng)電流通過熱電偶時，其中一個結(jié)點散發(fā)熱而另一個結(jié)點吸收熱,這就是法國物理學(xué)家Jean Peltier在1834年發(fā)現(xiàn)的 珀爾帖效應(yīng) 。這現(xiàn)象最早是在1821年，由一位德國科學(xué)家Thomas Seeback首先發(fā)一、半導(dǎo)體制冷原理的理論依據(jù)：1. Peltier effect（珀爾帖效應(yīng)）：當(dāng)電流通過熱電偶時，其中一個結(jié)點散發(fā)熱而另一個結(jié)點吸收熱,這就是法國物理學(xué)家Jean Peltier在1834年發(fā)現(xiàn)的珀爾帖效應(yīng)

2、。這現(xiàn)象最早是在1821年，由一位德國科學(xué)家Thomas Seeback首先發(fā)現(xiàn)，不過他當(dāng)時做了錯誤的推論，并沒有領(lǐng)悟到背後真正的科學(xué)原理。到了1834年，一位法國表匠，同時也是兼職研究這現(xiàn)象的物理學(xué)家Jean Peltier，才發(fā)現(xiàn)背後真正的原因，這個現(xiàn)象直到近代隨著半導(dǎo)體的發(fā)展才有了實際的應(yīng)用，也就是制冷器的發(fā)明(注意，這種叫制冷器，還不叫半導(dǎo)體制冷器)。2P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶中的電子密度小于在價帶中的空穴密度，通過增加受主(acceptor)雜質(zhì)來形成，例如在硅上摻雜硼，這就是P型半導(dǎo)體材料；而在導(dǎo)帶中的電子密度大于在價帶中的空穴密度，通過對硅的晶體結(jié)構(gòu)中加入施主雜質(zhì)(摻

3、雜)比如砷或磷等來實現(xiàn)，這就是N型半導(dǎo)體材料。二、珀爾帖效應(yīng)的應(yīng)用半導(dǎo)體制冷器是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置，也叫熱電制冷。于1960左右才出現(xiàn)，然而其理論基礎(chǔ)Peltier effect可追溯到19世紀(jì)。如圖是由X及Y兩種不同的金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路。通上電源之後，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)制冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的Peltier effect 。三、半導(dǎo)體制冷法的原理以及結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體熱電偶由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成。N型材料有多余的電子，有負溫差電勢。P型材料電子不足，有正溫差電勢；當(dāng)電子從P型穿過結(jié)點至N型時，結(jié)點的溫度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點所消

4、耗的能量。相反，當(dāng)電子從N型流至P型材料時，結(jié)點的溫度就會升高。直接接觸的熱電偶電路在實際應(yīng)用中不可用，所以用下圖的連接方法來代替，實驗證明，在溫差電路中引入第三種材料（銅連接片和導(dǎo)線）不會改變電路的特性。這樣，半導(dǎo)體元件可以用各種不同的連接方法來滿足使用者的要求。把一個P型半導(dǎo)體元件和一個N型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成一對熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在上面的接頭處，電流方向是從N至P，溫度下降并且吸熱，這就是冷端；而在下面的一個接頭處，電流方向是從P至N，溫度上升并且放熱，因此是熱端。因此是半導(dǎo)體制冷片由許多N型和P型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸桑鳱P之間以一般的導(dǎo)體相連接

5、而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好，外觀如下圖所示。四、難點解析1為什么要使用半導(dǎo)體材料？ 所謂熱電偶就是一對不同元素的金屬導(dǎo)體，在實際使用的時候其制冷效率并不高。本世紀(jì)五十年代，蘇聯(lián)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所約飛院士對半導(dǎo)體進行了大量研究，于一九五四年發(fā)表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好所謂熱電偶就是一對不同元素的金屬導(dǎo)體，在實際使用的時候其制冷效率并不高。本世紀(jì)五十年代，蘇聯(lián)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所約飛院士對半導(dǎo)體進行了大量研究，于一九五四年發(fā)表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的制冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半

6、導(dǎo)體材料，至今還是溫差制冷中半導(dǎo)體材料的一種主要成份。約飛的理論得到實踐應(yīng)用后，有眾多的學(xué)者進行研究到六十年代半導(dǎo)體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)，才達到相當(dāng)水平，得到大規(guī)模的應(yīng)用，也就是我們現(xiàn)在的半導(dǎo)體制冷片件。2電能是如何“搬運”熱量的？不少朋友在看過評測后已經(jīng)提出了能量守恒解釋的論點。而實際上，半導(dǎo)體制冷并沒有想象中的簡單。這從技術(shù)理論的提出到真正的實際應(yīng)用所用的時間就能看出來。人們常常將電流比喻成水流，電源就像水泵，不斷的將低電勢的電荷“搬運”至高電位，而產(chǎn)生的電動勢驅(qū)動電荷定向移動。而能量的形勢也是多種多樣的，粒子不但具有電勢能，同時還具有熱能等各種能量。在能量的不斷轉(zhuǎn)換中，各種能量以不同的方式

7、進行轉(zhuǎn)換。在珀爾帖效應(yīng)中，如果使用的是半導(dǎo)體，那么半導(dǎo)體中的“自由電子”（相信高中物理學(xué)已經(jīng)說得很透徹，金屬的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性都是通過“自由電子”作用的）將會在不同導(dǎo)體間的節(jié)點處通過電勢能轉(zhuǎn)換熱量（放熱或者吸熱），而其具體表現(xiàn)就是制冷片的制冷效果。而半導(dǎo)體中的電動勢解析就必須涉及更多的專業(yè)知識了。五、詳細解說P型/N型半導(dǎo)體根據(jù)物體導(dǎo)電能力（電阻率）的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體，半導(dǎo)體的電阻率為10-310-9 Wcm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。而化學(xué)成分純凈

8、的半導(dǎo)體我們稱之為本征半導(dǎo)體。硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。(左圖) 硅晶體的空間排列 (右圖) 共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。 自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位

9、為空穴?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。本征激發(fā)和復(fù)合的過程1N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。 因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)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(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。 2 P型半導(dǎo)體 在

10、本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了 P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。 因三價雜質(zhì)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(dǎo)體中空穴是多數(shù)載 2P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。 因三價雜質(zhì)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(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。3PN結(jié)在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將

11、在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)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(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散 最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。PN結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況如圖所示。 外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。而實際上電子在通過電場后勢能產(chǎn)生變化，能量轉(zhuǎn)換為各種形勢的表現(xiàn)，而熱量的吸收與散發(fā)都是其表現(xiàn)的一個方面。而半導(dǎo)體制冷片的工作原理實際上就是通過定向電流將熱能定向搬運的過程。我們來做個總結(jié)：通過上述大家應(yīng)該已經(jīng)比較清晰的了解了半導(dǎo)體的制冷過程以及原理，但是要將理論用到成品生產(chǎn)供人使用卻不是一件簡單的事情，其中涉及到材料科學(xué)等更為多樣