詳細(xì)講解半導(dǎo)體制冷原理(可用于電子電路和芯片散熱)

1、詳細(xì)講解半導(dǎo)體制冷原理(通俗易懂)時(shí)間:2009-09-19 20:39來(lái)源:作者:Aquan 一、半導(dǎo)體制冷原理的理論依據(jù)： 1. Peltier effect （珀?duì)柼?yīng)）： 當(dāng)電流通過(guò)熱電偶時(shí)，其中一個(gè)結(jié)點(diǎn)散發(fā)熱而另一個(gè)結(jié)點(diǎn)吸收熱,這就是法國(guó)物理學(xué)家Jean Peltier在1834年發(fā)現(xiàn)的 珀?duì)柼?yīng) 。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)一、半導(dǎo)體制冷原理的理論依據(jù)：1. Peltier effect（珀?duì)柼?yīng)）：當(dāng)電流通過(guò)熱電偶時(shí)，其中一個(gè)結(jié)點(diǎn)散發(fā)熱而另一個(gè)結(jié)點(diǎn)吸收熱,這就是法國(guó)物理學(xué)家Jean Peltier在1834年發(fā)現(xiàn)的珀?duì)柼?yīng)

2、。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)悟到背後真正的科學(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Jean Peltier，才發(fā)現(xiàn)背後真正的原因，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，也就是制冷器的發(fā)明(注意，這種叫制冷器，還不叫半導(dǎo)體制冷器)。2P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶中的電子密度小于在價(jià)帶中的空穴密度，通過(guò)增加受主(acceptor)雜質(zhì)來(lái)形成，例如在硅上摻雜硼，這就是P型半導(dǎo)體材料；而在導(dǎo)帶中的電子密度大于在價(jià)帶中的空穴密度，通過(guò)對(duì)硅的晶體結(jié)構(gòu)中加入施主雜質(zhì)(摻

3、雜)比如砷或磷等來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是N型半導(dǎo)體材料。二、珀?duì)柼?yīng)的應(yīng)用半導(dǎo)體制冷器是由半導(dǎo)體所組成的一種冷卻裝置，也叫熱電制冷。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)。如圖是由X及Y兩種不同的金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路。通上電源之後，冷端的熱量被移到熱端，導(dǎo)制冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的Peltier effect 。三、半導(dǎo)體制冷法的原理以及結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體熱電偶由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成。N型材料有多余的電子，有負(fù)溫差電勢(shì)。P型材料電子不足，有正溫差電勢(shì)；當(dāng)電子從P型穿過(guò)結(jié)點(diǎn)至N型時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相當(dāng)于結(jié)點(diǎn)所消

4、耗的能量。相反，當(dāng)電子從N型流至P型材料時(shí)，結(jié)點(diǎn)的溫度就會(huì)升高。直接接觸的熱電偶電路在實(shí)際應(yīng)用中不可用，所以用下圖的連接方法來(lái)代替，實(shí)驗(yàn)證明，在溫差電路中引入第三種材料（銅連接片和導(dǎo)線）不會(huì)改變電路的特性。這樣，半導(dǎo)體元件可以用各種不同的連接方法來(lái)滿足使用者的要求。把一個(gè)P型半導(dǎo)體元件和一個(gè)N型半導(dǎo)體元件聯(lián)結(jié)成一對(duì)熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會(huì)產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移。在上面的接頭處，電流方向是從N至P，溫度下降并且吸熱，這就是冷端；而在下面的一個(gè)接頭處，電流方向是從P至N，溫度上升并且放熱，因此是熱端。因此是半導(dǎo)體制冷片由許多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

5、而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來(lái)，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好，外觀如下圖所示。四、難點(diǎn)解析1為什么要使用半導(dǎo)體材料？ 所謂熱電偶就是一對(duì)不同元素的金屬導(dǎo)體，在實(shí)際使用的時(shí)候其制冷效率并不高。本世紀(jì)五十年代，蘇聯(lián)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所約飛院士對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行了大量研究，于一九五四年發(fā)表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好所謂熱電偶就是一對(duì)不同元素的金屬導(dǎo)體，在實(shí)際使用的時(shí)候其制冷效率并不高。本世紀(jì)五十年代，蘇聯(lián)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所約飛院士對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行了大量研究，于一九五四年發(fā)表了研究成果，表明碲化鉍化合物固溶體有良好的制冷效果，這是最早的也是最重要的熱電半

6、導(dǎo)體材料，至今還是溫差制冷中半導(dǎo)體材料的一種主要成份。約飛的理論得到實(shí)踐應(yīng)用后，有眾多的學(xué)者進(jìn)行研究到六十年代半導(dǎo)體制冷材料的優(yōu)值系數(shù)，才達(dá)到相當(dāng)水平，得到大規(guī)模的應(yīng)用，也就是我們現(xiàn)在的半導(dǎo)體制冷片件。2電能是如何“搬運(yùn)”熱量的？不少朋友在看過(guò)評(píng)測(cè)后已經(jīng)提出了能量守恒解釋的論點(diǎn)。而實(shí)際上，半導(dǎo)體制冷并沒(méi)有想象中的簡(jiǎn)單。這從技術(shù)理論的提出到真正的實(shí)際應(yīng)用所用的時(shí)間就能看出來(lái)。人們常常將電流比喻成水流，電源就像水泵，不斷的將低電勢(shì)的電荷“搬運(yùn)”至高電位，而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)電荷定向移動(dòng)。而能量的形勢(shì)也是多種多樣的，粒子不但具有電勢(shì)能，同時(shí)還具有熱能等各種能量。在能量的不斷轉(zhuǎn)換中，各種能量以不同的方式

7、進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在珀?duì)柼?yīng)中，如果使用的是半導(dǎo)體，那么半導(dǎo)體中的“自由電子”（相信高中物理學(xué)已經(jīng)說(shuō)得很透徹，金屬的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性都是通過(guò)“自由電子”作用的）將會(huì)在不同導(dǎo)體間的節(jié)點(diǎn)處通過(guò)電勢(shì)能轉(zhuǎn)換熱量（放熱或者吸熱），而其具體表現(xiàn)就是制冷片的制冷效果。而半導(dǎo)體中的電動(dòng)勢(shì)解析就必須涉及更多的專業(yè)知識(shí)了。五、詳細(xì)解說(shuō)P型/N型半導(dǎo)體根據(jù)物體導(dǎo)電能力（電阻率）的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體，半導(dǎo)體的電阻率為10-310-9 Wcm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。而化學(xué)成分純凈

8、的半導(dǎo)體我們稱之為本征半導(dǎo)體。硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。(左圖) 硅晶體的空間排列 (右圖) 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。 自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位

9、為空穴。可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。本征激發(fā)和復(fù)合的過(guò)程1N型半導(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(wú)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 在

10、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 2P型半導(dǎo)體在本征半導(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?？昭ê苋菀追@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)。3PN結(jié)在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過(guò)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

11、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(guò)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。 外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是，內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。而實(shí)際上電子在通過(guò)電場(chǎng)后勢(shì)能產(chǎn)生變化，能量轉(zhuǎn)換為各種形勢(shì)的表現(xiàn)，而熱量的吸收與散發(fā)都是其表現(xiàn)的一個(gè)方面。而半導(dǎo)體制冷片的工作原理實(shí)際上就是通過(guò)定向電流將熱能定向搬運(yùn)的過(guò)程。我們來(lái)做個(gè)總結(jié)：通過(guò)上述大家應(yīng)該已經(jīng)比較清晰的了解了半導(dǎo)體的制冷過(guò)程以及原理，但是要將理論用到成品生產(chǎn)供人使用卻不是一件簡(jiǎn)單的事情，其中涉及到材料科學(xué)等更為多樣