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半导体是怎样制冷的

发布时间:2021-05-26 10:22

半导体制冷又称温差电制冷,或热电制冷。它与压缩式、吸收式等机械制冷在原理和设备方面均不同。半导体制冷是利用特种半导体材料,制成制冷器件,通电后直接制冷,因此奏名半导体制冷,它是半导体技术领域中的一个特殊分支。我国在1956年就开始研制半导体制冷器,并制成了半导体制冷器元件与器件,下面扼要介绍一下,半导体是怎样制冷的。  ,
1.珀尔帖效应:  1834年,·法国科学家珀尔帖首先发现了热电制冷和制热现象,即金属曲温差电效应。
由两种不同金属组成的一对热电偶,当在热电偶中通以直流电流时,将在电偶的不同结点处,产生吸热和放热现象,这种现象称为珀尔帖效应。但是金属的珀尔帖效应很弱,因之左制冷和制热上没有多大实用价值。所以,虽然早在一百多年以前已发现了这个现象,tP是呈正应用于制冷,还是在最近20年,由于半导体技术的发展,使半导体制冷技术进入一个崭新础阶段。这是因为半导体材料珀尔帖效应较显著的缘故。
2.N型和P型半导体:半导体制冷器的电偶,是由一种特制的N型和P型半导体组成的。任何物质都是由原子组成的,‘而原于是由原子核和电子组成,电子以很高的速度绕原子亨至孟,并受到原子核的吸引,因而受到一定的限制,电子只能在几个有限的轨道上运转,并不能任意离开。原子内各层轨道上的电子具有不同的能量(称为电子势能),离原子核最远层上的电子能量最大,金属中最外层轨道上的电子,经常可以脱离原子核的吸引,而在原子之间运动,形成自由电子,在电场作用相,可以参加导电,如铜等称为导体。在绝缘体中,电子很难脱离原子核的吸引,不能变成自由电子,故不能参加导电,如橡胶等。半导体的导电能力是介于导体和绝缘体之间。半导体更重要的特性,在于将一定数量的某种杂质掺入半导体中以后,不但能大大增加导电能力,还能掺杂不同种类和数量的,制造出不同性质、不同用途的半导体材料来。将一种杂质加到半导体后,会放出自由电子,当然就增加了导电。击占;这种半导体称为N型半导体。如在纯硅中加入锑就可获得N型半导体。N型半导体是靠电子导电的,这是它的导电原理。‘“  另外一种半导体叫P型半导体,它是靠所谓“空穴”.来导电的。在外电场的作用下,  空”穴的面动方向和电于流动方向相反,即空穴是由正松流向负极,。这是P型半导体的导电原
不论N型半导体中助自由电子,还是P型半导体中的空穴,它们都参与导电,统称为“载频子”,由“载流子”。导电的现象,’是半导体所特有的,这是由于掺入杂质的结果。
对于半导体制冷材料,不仅需要N型和P型半导体特性,还要根据不同的掺杂,有目的改变半导体的温差电动势率、电导率及热导率,使这种特制的半导体能满足制冷的要求。
3.半导体制冷原理:把一个P型半导体和一个N型半导体,:用铜联接片焊接而成电偶对(图2—15—1),当直流电流从N型半导体流向P型半导体时,则在2、3端的铜联接片上产生吸热现象,此端称为冷端;而在i、4端的铜联接片上产生放热现象,此端称为热端。如果电流方向反过来,则冷、热端将互换。由于一个电偶对产生的热电效应较小(一般约为1kcal/h左右,视元件的尺寸大小而异),所以实用上是将数十个电偶对串联而成,  将冷端放在一起、热端放在一起、称为热电堆  
当这个制冷器件中通入一定数量的直流电时,冷端会逐渐冷却下来,并出现结霜;而热端的温度逐渐升高,并向周围环境放热。为了弄清楚这个原因,我们可从固2—15—2中,粗略地用载流子(电子和空穴)在流过结点(金属和半导体联结点)时势能的变化采解释。因为载流子在金属和半导体中的势能大小是不同的,所以载流子在流过结点时,必然会引起能量的传递。当电流的极性如图2—15—1时,电子从电源负极出发经金属片Ir结点4IF严型半导体*结点3*金属片’结点2,N型.半导体*结点1‘金属片,回到电源正极。由于左半部是P型半导体,导电方式是空穴型的,上面已讲过,空穴的流动方向与电子流动方向相反。所以空穴是从金属片*结点3*P型半导体*结点4·,金属片,回到电源负极。
空穴在金属中具有的能量,低于在P型半导体中空穴所具有的能量。当空穴在电场作用下,由金属片通过结点3到达P型半导体时,必须增加一部分能量,但空穴本身是无法增加能量的,只有从金属片中吸收能量、并把这部分热能转变为空穴的势能,因此,在结点3处的金属片被冷却下来。当空穴沿P型半导体通向结点4流向金属片时,由于P型半导体中空穴能量大于金属中空穴的能量,因而要释放出多余的势能,并将其热能放出来,所以结点4处的金属被加热。、·
图2—15—2中右半部是N型半导体与金属的联结,是靠自由电子导电的,而电子在金居中的势能低于,N型半导体中的电子的势能。在电场作用下,电子从金属中通过结点2到达N型半导体时,必然要增加势能,这部分势能也只能从金属片热能取得,因此使结点2处的金属片冷却下来。当电子从N型半导体经过结点1流向金届时,因电子是由势能较高的地方流向势能较低的地方,故释放出多余的势能,并变成热能,使结点1处的金属片加热,这样上部的金属片被冷却下来,成为冷端;而下部的两个联接片均放出热量,成为热端。
当电源正负极性调换时,因电子及空穴的流动方向将与上述相反,故冷热端将互换。
综上所述,半导体制冷的吸热和放热是由载流子(电子和空穴)流过结点时,由势能的变化而弓3起的能量的传递,这就是半导体制冷的本质。

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