详细讲解半导体制冷原理(可用于电子电路和芯片散热).doc

详细讲解半导体制冷原理( 通俗易懂) 时间:2009-09-19 20:39 来源: :Aquan 一、半导体制冷原理的理论依据: effect (珀尔帖效应): 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,这就是法国物理学家Jean Peltier 在1834 年发现的珀尔帖效应。这现象最早是在 1821 年,由一位德国科学家 Thomas Seeback 首先发一、半导体制冷原理的理论依据: 1. Peltier effect (珀尔帖效应): 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, 这就是法国物理学家 Jean Peltier 在 1834 年发现的珀尔帖效应。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[制冷器] 的发明( 注意,这种叫制冷器,还不叫半导体制冷器)。 型半导体和 N 型半导体半导体材料导带中的电子密度小于在价带中的空穴密度, 通过增加受主(acceptor) 杂质来形成, 例如在硅上掺杂硼, 这就是 P 型半导体材料; 而在导带中的电子密度大于在价带中的空穴密度, 通过对硅的晶体结构中加入施主杂质( 掺杂) ——比如***或磷等来实现, 这就是 N 型半导体材料。二、珀尔帖效应的应用半导体制冷器是由半导体所组成的一种冷却装置, 也叫热电制冷。于 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, 导制冷端温度降低, 热端温度升高, 这就是著名的 Peltier effect 。三、半导体制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。因此是半导体制冷片由许多 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