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剖析半导体制冷技术
剖析半导体制冷技术
来源:中制冷设备网    2009-8-10
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v 一、基础知识:

1.Peltier effect(珀尔帖效应):

  珀尔帖效应的论述很简单——当电流通过热电偶时,其中一个结点散发热而另一个结点吸收热,这个现象由法国物理学家Jean Peltier在1834年发现。

2.P型半导体

  半导体材料的一种形式,其导带中的电子密度小于在价带中的空穴密度。P型材料通过增加受主(acceptor)杂质来形成,例如在硅上掺杂硼。

3.N型半导体

  半导体材料的一种形式,在导带中的电子密度大于在价带中的空穴密度的半导体,N型材料通过对硅的晶体结构中加入施主杂质(掺杂)——比如砷或磷——来得到。

二、珀尔帖效应应用

 

  半导体致冷器是由半导体所组成的一种冷却装置,於1960左右才出现,然而其理论基础Peltier effect可追溯到19世纪。如图是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路。

 

 

  通上电源之後,冷端的热量被移到热端,导致冷端温度降低,热端温度升高,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,并没有领悟到背後真正的科学原理。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Jean Peltier,才发现背後真正的原因,这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用,也就是[致冷器]的发明(注意,这种叫致冷器,还不叫半导体致冷器)。

 

三、半导体致冷法的原理以及结构:

 

  半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。N型材料有多余的电子,有负温差电势。P型材料电子不足,有正温差电势;当电子从P型穿过结点至N型时,结点的温度降低,其能量必然增加,而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反,当电子从N型流至P型材料时,结点的温度就会升高。

  直接接触的热电偶电路在实际应用中不可用,所以用下图的连接方法来代替,实验证明,在温差电路中引入第三种材料(铜连接片和导线)不会改变电路的特性。

  这样,半导体元件可以用各种不同的连接方法来满足使用者的要求。把一个P型半导体元件和一个N型半导体元件联结成一对热电偶,接上直流电源后,在接头处就会产生温差和热量的转移。

  在上面的接头处,电流方向是从N至P,温度下降并且吸热,这就是冷端;而在下面的一个接头处,电流方向是从P至N,温度上升并且放热,因此是热端。

 

  因此是半导体致冷片由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成,而N/P之间以一般的导体相连接而成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来,陶瓷片必须绝缘且导热良好,外观如下图所示。

 

 

四、难点解析

1.为什么要使用半导体材料?

  所谓热电偶就是一对不同元素的金属导体,在实际使用的时候其制冷效率并不高。本世纪五十年代,苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究,于一九五四年发表了研究成果,表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果,这是最早的也是最重要的热电半导体材料,至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后,有众多的学者进行研究到六十年代半导体制冷材料的优值系数,才达到相当水平,得到大规模的应用,也就是我们现在的半导体制冷片件。

2.电能是如何“搬运”热量的?

  不少朋友在看过评测后已经提出了能量守恒解释的论点。而实际上,半导体制冷并没有想象中的简单。这从技术理论的提出到真正的实际应用所用的时间就能看出来。人们常常将电流比喻成水流,电源就像水泵,不断的将低电势的电荷“搬运”至高电位,而产生的电动势驱动电荷定向移动。

  而能量的形势也是多种多样的,粒子不但具有电势能,同时还具有热能等各种能量。在能量的不断转换中,各种能量以不同的方式进行转换。在珀尔帖效应中,如果使用的是半导体,那么半导体中的“自由电子”(相信高中物理学已经说得很透彻,金属的导电性和导热性都是通过“自由电子”作用的)将会在不同导体间的节点处通过电势能转换热量(放热或者吸热),而其具体表现就是制冷片的制冷效果。而半导体中的电动势解析就必须涉及更多的专业知识了。
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