半導(dǎo)體制冷片工作原理

1、半導(dǎo)體制冷片工作原理致冷器件是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置, 隨著近代的半導(dǎo)體發(fā)展才有實(shí)際的應(yīng)用, 也就是致冷器 的發(fā)明。其工作原理是由直流電源提供電子流所需的能量,通上電源后,電子負(fù)極 (-出發(fā),首先經(jīng) 過(guò) P 型半導(dǎo)體,于此吸熱量,到了 N 型半導(dǎo)體,又將熱量放出,每經(jīng)過(guò)一個(gè) NP 模塊,就有熱量由一 邊被送到令外一邊造成溫差而形成冷熱端。 冷熱端分別由兩片陶瓷片所構(gòu)成, 冷端要接熱源, 也就是 欲冷卻之。在以往致冷器是運(yùn)用在 CPU 的,是利用冷端面來(lái)冷卻 CPU ,而熱端面散出的熱量則必需靠 風(fēng)扇來(lái)排出。致冷器也應(yīng)用于做成車用冷 /熱保溫箱,冷的方面可以冷飲機(jī),熱的方面可以保溫?zé)岬?東

2、西。半導(dǎo)體致冷器的歷史致冷片是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置,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)。下圖 (1是由 X 及 Y 兩種不同的金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路,通上電源之后, A 點(diǎn)的 熱量被移到 B 點(diǎn),導(dǎo)致 A 點(diǎn)溫度降低, B 點(diǎn)溫度升高,這就是著名的 Peltier effect。這現(xiàn) 象最早 是在 1821年,由一位德國(guó)科學(xué)家 Thomas Seeback 首先發(fā)現(xiàn),不過(guò)他當(dāng)時(shí)做了錯(cuò)誤的推論,并沒(méi)有領(lǐng) 悟到背后真正的科學(xué)原理。到了 1834年,一位法國(guó)表匠,同時(shí)也是兼職研究這現(xiàn)象的物理學(xué)家JeaNPeltier ,才發(fā)現(xiàn)背后真正

3、的原因,這個(gè)現(xiàn)象直到近代隨著半導(dǎo)體的發(fā)展才有了實(shí)際的應(yīng)用,也 就是致冷器的發(fā)明。一、因半導(dǎo)體致冷片薄而輕巧,體積很小,不占空間,并可以攜帶,做成車用電冷 /熱保溫箱,放置 車上,不占空間,并可變成冰箱及保溫箱,夏天可以擺上幾瓶飲料,就可以便冰飲,在冬天就可以變 成保溫箱。 圖 (1 致冷器件的作用原理致冷器的名稱相當(dāng)多,如 Peltier cooler、 下圖 (2是一個(gè)制 冷器的典型結(jié)構(gòu)。圖 (2 致冷器的典 型結(jié)構(gòu)致冷器是由許多 N型和 P 型半導(dǎo)體之顆?；ハ嗯帕卸?而 NP 之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路,通常是銅、 鋁或其它金屬導(dǎo)體, 最后由兩片陶瓷片像夾心餅干一樣夾起來(lái), 陶

4、瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好,外觀如下圖 (3所示,看起來(lái)像三明治。圖 (3 致冷器的外觀以下詳細(xì)說(shuō)明 N 型和 P 型半導(dǎo)體的原理 :三、 N 型半導(dǎo)體(1 如果在鍺或硅中均勻摻雜五價(jià)元素, 由于價(jià)電子間會(huì)互相結(jié)合而形成共價(jià)鍵, 故每個(gè)五價(jià)元素會(huì)與鄰近四價(jià)之鍺或硅原子互成一共價(jià)鍵,而多出一個(gè)電子來(lái),如圖 (4所示,這就稱為 N 型半導(dǎo)體。 (N表示 negative ,電子帶負(fù)電 。 圖 (4 N型半導(dǎo)體(2 由于加入五甲元素后會(huì)添加電子,故五價(jià)元素又被稱為施體原子。(3 加入五價(jià)元素而產(chǎn)生之自由電子,在 N 型半導(dǎo)體里又占大多數(shù),故稱為多數(shù)載體 (majority carriers 。由溫度的引

5、響所產(chǎn)生之電子電洞對(duì)是少數(shù),所以 N 型半導(dǎo)體中稱電洞為少數(shù)載體 (minority carriers 。四、 P 型半導(dǎo)體(1 如果在鍺或硅中均勻摻雜三價(jià)元素, 由于價(jià)電子間會(huì)互相結(jié)合而形成共價(jià)鍵, 故每個(gè)三價(jià)元素會(huì) 與鄰近四價(jià)之鍺或硅原子互成一共價(jià)鍵, 而多缺少一個(gè)電子, 在原子中造成一個(gè)空缺來(lái), 這個(gè)空缺我 們稱為電洞,如圖 (5B 所示,加入三價(jià)元素之半導(dǎo)體就稱為 P 型半導(dǎo)體。 (P表示 positive ,電洞視 為正電荷 。 圖 (5 P型半導(dǎo)體(2 由于加入三價(jià)元素后會(huì)造成一個(gè)空缺,故三價(jià)元素又被稱為受體原子。 (3加入三價(jià)元素而產(chǎn)生之電洞,在 P 型半導(dǎo)體中是多數(shù)載體。受熱使

6、共價(jià)鍵破壞而產(chǎn)生的電子電洞 為少數(shù),故 P 型半導(dǎo)體中稱電子為少數(shù)載體。(4 通常我們都用正電荷代表電洞。 但侍體中的原子不能移動(dòng), 所以電洞 (一個(gè)空位 也應(yīng)該是不能移 動(dòng)的。五、 P-N 結(jié)合(1 當(dāng) P 型半導(dǎo)體或 N 型半導(dǎo)體被單獨(dú)使用時(shí),由于其導(dǎo)電力比銅、銀等不良,但卻比絕緣體的導(dǎo) 電力良好,故實(shí)際上,就等于一個(gè)電阻器一樣,如下圖 (6所示。圖 (6 P-N結(jié)合 (2 但若將數(shù)片 P 或 N 型半導(dǎo)體加以適當(dāng)?shù)慕M合, 則會(huì)產(chǎn)生各種不同的電氣特性,而使半導(dǎo)體零件 的功能更多彩多姿。今天我們要先看看把一塊 P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體結(jié)合起來(lái)的情況。(3 當(dāng)一塊 P 型半導(dǎo)體與 N 型半

7、導(dǎo)體結(jié)合起來(lái) 時(shí),如下圖所示,由于 P 型半導(dǎo)體中有很多的電洞,而 N 型半導(dǎo)體中有許多電子,所以當(dāng) P-N 結(jié)合起來(lái)時(shí),結(jié)合面附近的電子會(huì)填入電洞中, P-N 結(jié) 合起來(lái)時(shí),如下圖 (7(a所示。 圖 (7或許你會(huì)以為 N 型半導(dǎo)體中的電子會(huì)不斷的透過(guò)接合面與電洞結(jié)合,直到所有的電子或電洞消失為 止。事實(shí)上,靠近接合面的 N 型半導(dǎo)體失去了電子后就變成正離子, P 型半導(dǎo)體失去了一些電洞后就 變成負(fù)離子,如上圖 (7 (b所示。此時(shí)正離子會(huì)排斥電洞, 負(fù)離子會(huì)排斥電子, 因而阻止了電子、 電洞的繼續(xù)結(jié)合, 而產(chǎn)生平衡之狀態(tài)。 (4 在 P-N 接合面 (P-Njunction附近沒(méi)有載體 (

8、電子或電洞 ,只有離子之區(qū)域稱為空乏區(qū) (depletioNregion 。(5 空乏區(qū)的離子所產(chǎn)生的阻止電子、 電洞通過(guò)接合面的力量, 稱為障礙電位 (potential barrier 。 障礙電位視半導(dǎo)體的摻雜程度而定,一般而言, Ge 的 P-N 接合面約為 0.20.3V,而 Si 的 P-N 接合 面約為 0.60.7V。 六、正向偏壓(1 若把電池的正端接 P 型半導(dǎo)體,而把負(fù)端接 N 型半導(dǎo)體,如下圖 (8所示,則此時(shí) P-N 接合面的 偏壓型式稱為”正向偏壓” 。 圖 (8加上正向偏壓 E (2 若外加電源 E 足夠大而克服了障 礙電位, 則由于電池的正端具有吸引電 子而排斥

9、電洞的特性, 電池的負(fù)端有吸 引電洞而排斥電子之特性, 因此 N 型半 導(dǎo)體中的電子會(huì)越過(guò) P-N 接合面而進(jìn) 入 P 型半導(dǎo)體與電洞結(jié)合,同時(shí),電 洞也會(huì)通過(guò)接合面而進(jìn)入 N 型半導(dǎo)體 內(nèi)與電子結(jié)合,造成很大的電流通過(guò) P-N 接合面。(3因?yàn)殡姵氐呢?fù)端不斷的補(bǔ)充電子給 N 型半導(dǎo)體,電池的正端則不斷的補(bǔ)充電洞給 P 型半導(dǎo)體, (實(shí)際上是電池的正端不斷的吸出 P 型 半導(dǎo)體中之電子,使 P 型半導(dǎo)體中不斷產(chǎn)生電洞 ,所以通過(guò) P-N 接合面的電流將持續(xù)不斷。 (4 P-N接合在加上正向偏壓時(shí),所通過(guò)之電流稱為正向電流 (IF 。 七、反向偏壓(1 現(xiàn)在如果我們把電池的正端接 N 而負(fù)端接

10、P ,則電子、電洞將受到 E 之吸引而遠(yuǎn)離接合面,空 乏區(qū)增大,而不會(huì)有電子或電洞越過(guò)接合面產(chǎn)生接合,如下圖 (9所示,此種外加電壓之方式稱為反 向偏壓。 圖 (9加上反向偏壓 E(2 當(dāng) P-N 接合面被加上反向偏壓時(shí), 理 想的情形應(yīng)該沒(méi)有反向電流 (IR=0才對(duì), 然而, 由于溫度的引響, 熱能在半導(dǎo)體中 產(chǎn)生了少數(shù)的電子電洞對(duì), 而于半導(dǎo)體 中有少數(shù)載體存在。 在 P-N 接合面被接上 反向偏壓時(shí), N 型半導(dǎo)體中的少數(shù)電洞和 P 型半導(dǎo)體中的少數(shù)電子恰可以通過(guò) P-N 接合面而結(jié)合, 故實(shí)際的 P-N 接合再加上 反向偏壓時(shí), 會(huì)有一” 極小” 之電流存在。此電流稱為漏電電流,在廠商

11、的資料中多以 IR 表之。 注 :在實(shí)際應(yīng)用時(shí)多將 I R忽略 , 而不加以考慮。(3 IR與反向偏壓之大小無(wú)關(guān),卻與溫度有關(guān)。無(wú)論或硅,每當(dāng)溫度升高 10, IR 就增加為原來(lái)的 兩倍。八、崩潰 (Breakdown(1 理想中, P-N 接合加上反向偏壓時(shí),只流有一甚小且與電壓無(wú)關(guān)之漏電電流 IR. 。但是當(dāng)我們不 斷把反向電壓加大時(shí), 少數(shù)載體將獲得足夠的能量而撞擊、 破壞共價(jià)鍵, 而產(chǎn)生大量的電子一對(duì)洞對(duì)。 此新生產(chǎn)之對(duì)子及電洞可從大反向偏壓中獲得足夠的能量去破壞其它共價(jià)鍵, 這種過(guò)程不斷重復(fù)的結(jié) 果,反向電流將大量增加,此種現(xiàn)象稱為崩潰。(2 P-N接合因被加上過(guò)大的反向電壓而大量導(dǎo)

12、電時(shí),若不設(shè)法限制通過(guò) P-N 接合之反向電流, 則 P-N 接合將會(huì)燒毀。九、二極管之 V-1(電壓 -電流特性把 P-N 接合體加上兩根引線,并用塑料或金屬殼封裝起來(lái),即成為二極管。二極管的電路符號(hào)如圖 (10(b所示,兩支引線分別稱為陽(yáng)極和陰極。圖 (10 二極管 欲詳知一個(gè)組件之特性并加以應(yīng)用, 較佳 的方法是研究此組件之 V-I (電壓 -電流 特性線。下圖 (11為二極管之正向特性曲線。由特性曲線可看出二極管所加之正向偏壓低于切入電壓 (cutiNvoltage時(shí),電流很小,一旦超過(guò)切入電 圖 (11 典型的二極管正向特性壓, 電流 IF 既急速上升 (此時(shí) IF 的最大值是由外部

13、電阻 R 加以限制 。 硅二極管的切入電壓為 0.6V , 鍺二極管的切入電壓為 0.2V 。二極管流有正向電流時(shí),其正向壓降 VF 幾乎為一定數(shù),不易受正向電 流的變化所影響,設(shè)計(jì)電路時(shí),可以采用表 (1的數(shù)據(jù)。 表 (1 常溫時(shí)二極管的正向壓降注意!當(dāng)溫度升高的時(shí)候,二極管的正向壓降 VF 會(huì)降低,其降低量為VF = K ×T = 溫度變化量,K = 硅為 -2 mV /,鍺為 -1.3 mV/由于晶體管的 B-E 極間也為 P-N 接合,故也有負(fù)溫度特性,這使得晶體管電路的性能受到溫度所影 響,故吾人常使用與晶體管同質(zhì)料(鍺或硅的二極管作為晶體管的偏壓,以使兩者之 VF 互相抵

14、 消。 圖 (12 典型的二極管反向特性上圖 (12為二極管的反向特性曲線圖。由此圖可得知:(1 未崩潰以前,反向電流 IR 為固定值,不隨反向電壓而變動(dòng)。(2 硅之 IR 甚小，通常小于 10A，鍺之 IR 則高達(dá)數(shù)百倍。整流二極體很少以鍺制造，也就是為了 這個(gè)緣故。 (3 二極管，無(wú)論鍺或硅，當(dāng)溫度每增高 10時(shí)，IR 約升為原來(lái)的兩倍。 (4 當(dāng)反向偏壓達(dá)到崩潰電壓 VBD 后，電流會(huì)迅速增加，此時(shí)必須由外加電阻 R 限制住 IR，否則二 極管會(huì)燒毀。 十、二極管的規(guī)格 整流二極管之主要規(guī)格有： (1 額定電流-以電阻為負(fù)載時(shí)，二極管所能通過(guò)的最大平均電流 ，廠商的規(guī)格表中多以 IO 表

15、。 (2 耐壓-亦稱為最大反向耐壓(peak inverse voltage；簡(jiǎn)稱 PIV，此電壓乃指不令二極管產(chǎn)生崩 潰的最大反向電壓，規(guī)格表中多以 VR 表之。 十一、致冷晶片作工的原理以及運(yùn)用實(shí)例 直流電源提供了電子流動(dòng)所需的能量，通上電源之后，電子由負(fù)極(-出發(fā)，首先經(jīng)過(guò) P 型半導(dǎo)體， 于此吸收熱量，到了 N 型半導(dǎo)體，又將熱量放出，每經(jīng)過(guò)一個(gè) NP 模塊，就有熱量由一邊被送到另外 一邊，造成溫差，而形成冷熱端。冷熱端分別由兩片陶瓷片所構(gòu)成，冷端要接熱源，也就是欲冷卻之 物，如 CPU，而熱端要接散熱片風(fēng)扇，將熱量排出。于各接面之間，一樣要涂上散熱膏，以利熱量之 傳導(dǎo)。以上就是致冷器的基本架構(gòu)。致冷器的用途很多，其中一個(gè)主要的用途就是超頻，而聽(tīng)說(shuō)現(xiàn)在 市面上賣的車用冰熱保溫箱也是使用這種芯片。目前致冷器所采用的半導(dǎo)體材料最主要為碲化鉍 (Bismuth Telluride，加入不純物經(jīng)過(guò)處理而成 N 型或 P 型半導(dǎo)體，聽(tīng)說(shuō)市面上的致冷芯片都豎外 進(jìn)口，并氟內(nèi)制造 ，因?yàn)槌杀景嘿F。 十二、熱能轉(zhuǎn)換 能轉(zhuǎn)換(冰塊溶解:一物體歷經(jīng)一傳遞能量的交互作用過(guò)程后，內(nèi)能的變化為 E，假設(shè)在此過(guò)程中， 外對(duì)物體所做的功為 W，則傳入物體或傳出體之熱量 Q 定義為 Q= E-W 當(dāng) Q 為正時(shí)，物體吸熱;Q 為負(fù)