半導(dǎo)體制冷片，也叫熱電制冷片，是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置。

它的優(yōu)點(diǎn)是沒有滑動(dòng)部件，應(yīng)用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場(chǎng)合。利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量，可以實(shí)現(xiàn)制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的制冷技術(shù)，其特點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性也比較高。

本文著重介紹一下半導(dǎo)體制冷片的工作原理。

1.N型半導(dǎo)體

離原子核最遠(yuǎn)軌道上的電子，經(jīng)常可以脫離原子核吸引，而在原子之間運(yùn)動(dòng)，叫導(dǎo)體。如果電子不能脫離軌道形成自由電子，故不能參加導(dǎo)電，叫絕緣體。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，叫半導(dǎo)體。半導(dǎo)體重要的特性是在一定數(shù)量的某種雜質(zhì)滲入半導(dǎo)體之后，不但能大大加大導(dǎo)電能力，而且可以根據(jù)摻入雜質(zhì)的種類和數(shù)量制造出不同性質(zhì)、不同用途的半導(dǎo)體。

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。

因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。

2.P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體，是靠“空穴”來導(dǎo)電。在外電場(chǎng)作用下“空穴”流動(dòng)方向和電子流動(dòng)方向相反，即“空穴”由正極流向負(fù)極，這是P型半導(dǎo)體原理。

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。

因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

N型半導(dǎo)體中的自由電子，P型半導(dǎo)體中的“空穴”，他們都是參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為“載流子”，它是半導(dǎo)體所特有，是由于摻入雜質(zhì)的結(jié)果。

3.PN結(jié)

在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程：

因濃度差

↓

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

↓

空間電荷區(qū)形成形成內(nèi)電場(chǎng)

↓

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

↓

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)方向由N區(qū)指向P區(qū)。

 

▲PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況如圖所示

4.散熱

在原理上，半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對(duì)中有電流通過時(shí)，兩端之間就會(huì)產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會(huì)從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。

但是半導(dǎo)體自身存在電阻當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生熱量，從而會(huì)影響熱傳遞。而且兩個(gè)極板之間的熱量也會(huì)通過空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時(shí)，就會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，正逆向熱傳遞相互抵消。此時(shí)冷熱端的溫度就不會(huì)繼續(xù)發(fā)生變化。為了達(dá)到更低的溫度，可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實(shí)現(xiàn)。

風(fēng)扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱。通常半導(dǎo)體制冷片冷熱端的溫差可以達(dá)到40～65度之間，如果通過主動(dòng)散熱的方式來降低熱端溫度，那冷端溫度也會(huì)相應(yīng)的下降，從而達(dá)到更低的溫度。

5.半導(dǎo)體制冷片特點(diǎn)總結(jié)

制冷片作為特種冷源，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：

1. 不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)；

2. 沒有滑動(dòng)部件是一種固體片件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長(zhǎng)，安裝容易；

3. 既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高；

4. 半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制；

5. 熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)間很快；

6. 半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍，從正溫90℃到負(fù)溫度130℃都可以實(shí)現(xiàn)。