半导体制冷技术(半导体如何冷却)

半导体制冷技术（半导体是如何制冷的）

冰箱是一种由半导体组成的冷却装置。近代随着半导体的发展，有了实际应用，也就是冰箱的发明。其工作原理是DC电源提供电子流所需的能量。接通电源后，电子负极(-)启动，先通过P型半导体，在那里吸热，再通过N型半导体，然后放热。它每经过一个NP模块，热量就从一边传到另一边，造成一个温差，形成一个冷热端。冷端和热端分别由两个陶瓷片组成，冷端与热源即被冷却的热源相连。以前冰箱用在CPU上，是用冷端面给CPU降温，而热端面的热量要靠风扇排出。冰箱也用于制造车辆的冷/热恒温箱。冷的一面可以做冷饮机，热的一面可以给热的东西保温。

操作原理

半导体制冷芯片的工作原理是基于珀尔帖原理。这种效应最早是由J . A.C Peltier在1834年发现的，即当两个不同的导体A和B通上直流电时，除了焦耳热之外，在接头处还会释放出一些其他的热量，而另一个接头会吸收热量。珀耳帖效应引起的现象是可逆的，当电流方向改变时，放热和吸热的关节也会跟着改变。

πab称为导体A和B之间的相对珀耳帖系数，单位为[V]。当πab为正时，表示吸热，反之则放热。因为吸热和放热是可逆的，π ab =-π ab。金属的珀耳帖效应很弱，而半导体的珀耳帖效应强得多。因此，实际使用的所有热电制冷装置都是由半导体制成的。

1.n型半导体

n型半导体，也称为电子半导体，可以通过在本征半导体中掺杂五价杂质元素，如磷来形成。

因为五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，多余的价电子由于没有共价键的束缚，很容易形成自由电子。在N型半导体中，自由电子是多数载流子，主要由杂质原子提供。空空穴是少数载流子，由热激发形成。

提供自由电子的五价杂质原子由于带正电荷而变成正离子，所以五价杂质原子也称为施主杂质。

2.p型半导体

本征半导体掺杂硼、镓、铟等三价杂质元素，形成P型半导体，也称为空腔半导体。

当三价杂质原子与硅原子形成共价键时，它们缺少一个价电子，并在共价键中留下空空穴。p型半导体中的空空穴是多数载流子，主要通过掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。因此，三价杂质也被称为受主杂质。

3.PN结

在本征半导体的两侧，不同的杂质扩散以分别形成N型半导体和P型半导体。此时，在N型半导体和P型半导体的接合表面上将形成以下物理过程:

由于浓度差

↓

许多电子的扩散运动是由杂质离子引起的，形成空之间的电荷区。

↓

空之间的电荷区形成内部电场

↓ ↓

内部电场促进少数载流子漂移，内部电场阻止多载流子扩散。

最后，多载流子的扩散和少载流子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结面两侧，留下了薄离子层，这个薄离子层形成的空之间的电荷区称为PN结。PN结内部电场的方向从N区指向P区。

PN结在直流电压下的导通如图所示。

施加的直流电压一部分落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内部电场。结果，内部电场对多载流子扩散运动的阻力减弱，并且扩散电流增加。扩散电流远大于漂移电流，因此可以忽略漂移电流的影响。其实电子通过电场后势能是变化的，能量转化成各种情况，吸收和放出热量都是它表现的方面。半导体制冷片的工作原理其实就是定向电流定向输送热能的过程。