半導(dǎo)體制冷片工作原理精

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(chē)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)岬臇|西。半導(dǎo)體致冷器的歷史致冷片是由半導(dǎo)體所組成的

2、一種冷卻裝置，于1960左右才出現(xiàn)，然而其理論基礎(chǔ)Peltiereffect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(xiàn)所組成的封閉線(xiàn)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Peltiereffect。這現(xiàn)象最早是在1821年,由一位彳惠國(guó)科學(xué)家ThomasSeebackf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

3、小，不占空間,并可以攜帶，做成車(chē)用電冷/熱保溫箱，放置車(chē)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(chēng)相當(dāng)多，如Peltiercooler、thermoelectric、thermoelectriccooler箭稱(chēng)T.E或T.E.C、thermoelectricmodule，另外又稱(chēng)為熱幫浦（heatpump二、致冷器件的結(jié)構(gòu)與原理下圖（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(xiàn)路，通常是銅、鋁或其它金屬導(dǎo)體，最后由

4、兩片陶瓷片像夾心餅干一樣火起來(lái)陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好，外觀(guān)如下圖（3所示，看起來(lái)像三明治。圖（3致冷器的外觀(guān)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如果在錯(cuò)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)之錯(cuò)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(chēng)為N型半導(dǎo)體。（N表示negative電子帶負(fù)電自由電子可移動(dòng)的自由電子/-zH-N因定不動(dòng)的五個(gè)柴庚原子（正育于）h星.體838二圖（4N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(chēng)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(chēng)為多

5、數(shù)載體（majohtycarriers0由溫度的引響所產(chǎn)生之電子Tfe洞對(duì)是少數(shù)，所以N型半導(dǎo)體中稱(chēng)電洞為少數(shù)載體（minoritycarriers。四、P型半導(dǎo)體（1如果在錯(cuò)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)之錯(cuò)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(chēng)為電洞，如圖（5B所示，加入三價(jià)元素之半導(dǎo)體就稱(chēng)為P型半導(dǎo)體。（P表示positive，電洞視為正電荷。自由電子值）結(jié)構(gòu)國(guó)可卷動(dòng)的自由電子/_zL國(guó)是不動(dòng)的五個(gè)桑質(zhì)厚子（正川子）圖（5P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(chēng)為受體原子

6、（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(chēng)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(6P-N結(jié)合P或N|相當(dāng)于、S8361-11(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

7、P型半導(dǎo)體與N型半導(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。836電/將合面圖(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(電子或電洞只有離子之區(qū)域稱(chēng)為空乏

8、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(chēng)為障礙電位(potentialbarrier。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P(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(chēng)為“正向偏壓”。接吾面圖(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

9、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。（4P-N接合在加上正向偏壓時(shí)，所通過(guò)之電流稱(chēng)為正向電流（IFo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(chēng)為反向偏壓。陽(yáng)極A陰極標(biāo)示環(huán)（C）實(shí)體圖士陰極K（b）電路符

10、號(hào)三極管www,838dz,com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)的電子一電洞對(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(chēng)為漏電電流，在廠(chǎng)商的資料中多以IR表之。注:在實(shí)際應(yīng)用時(shí)多將IR忽略，而不加以考慮。（3IR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10C,IR就增加為原來(lái)的兩倍。八、崩潰（Brea

11、kdown（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(chēng)為崩潰。（2P-N接合因被加上過(guò)大的反向電壓而大量導(dǎo)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(xiàn)，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(xiàn)分別稱(chēng)為陽(yáng)極和陰極。圖（

12、10二極管|陽(yáng)極Aw陰極標(biāo)示環(huán)-p-陰極K（b）電路符號(hào)（C）實(shí)體圖8品極管www838d乙com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(xiàn)。下圖（11為二極管之正向特性曲線(xiàn)。由特性曲線(xiàn)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IrCmA)100806040200-Ge:以1N270為例Ge：以IN270為例Si:以1N3605為例典型的二極管正向捋用電www.838dz,comSi:以1N3605為例It-CmA)10080604020Ge:以1N270為例Si:以1N3605為伊圖（11典型的二極管正向

13、特性壓,電流IF既急速上升（此時(shí)IF的最大值是由外部電阻R加以限制。硅二極管的切入電壓為0.6V，錯(cuò)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)。SiGe：以1N270為例Si:以1N3605為I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AVF=KXAAT端度變化量，CK=硅為-2mV/C,錯(cuò)為-1.3mV/C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（錯(cuò)或硅的二極管作為晶體管

14、的偏壓，以使兩者之VF互相抵消。Ge:以1N270為例Si:以1N36U5為例Ge：以IN270為例Si:以1N3605為例典型的二極管正向特性“MN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(xiàn)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,錯(cuò)之IR則高達(dá)數(shù)百倍。整流二極體很少以錯(cuò)制造，也就是為了這個(gè)緣故。（3二極管，無(wú)論錯(cuò)或硅，當(dāng)溫度每增高10c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

15、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(chǎng)商的規(guī)格表中多以IO表。（2耐壓-亦稱(chēng)為最大反向耐壓（peakinversevoltage；簡(jiǎn)稱(chēng)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(mài)的車(chē)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)體材料最主要為硫化鈿（BismuthTelluride,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