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半導體制冷片，也叫熱電制冷片，是由半導體所組成的一種冷卻裝置。

它的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有滑動(dòng)部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無(wú)制冷劑污染的場(chǎng)合。利用半導體材料的Peltier效應，當直流電通過(guò)兩種不同半導體材料串聯(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)現制冷的目的。它是一種產(chǎn)生負熱阻的制冷技術(shù)，其點(diǎn)是無(wú)運動(dòng)部件，可靠性也比較高。

本文著(zhù)重介紹一下半導體制冷片的工作原理。

1.N型半導體

離原子核遠軌道上的電子，經(jīng)?？梢悦撾x原子核吸引，而在原子之間運動(dòng)，叫導體。如果電子不能脫離軌道形成自由電子，故不能參加導電，叫絕緣體。半導體導電能力介于導體與絕緣體之間，叫半導體。半導體重要的性是在一定數量的某種雜質(zhì)滲入半導體之后，不但能大大加大導電能力，而且可以根據摻入雜質(zhì)的種類(lèi)和數量制造出不同性質(zhì)、不同用途的半導體。

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

因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導體原子中的價(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型半導體中自由電子是多數載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數載流子,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(chēng)為施主雜質(zhì)。

2.P型半導體

P型半導體，是靠“空穴”來(lái)導電。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”由正極流向負極，這是P型半導體原理。

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

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型半導體中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成;電子是少數載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。

N型半導體中的自由電子，P型半導體中的“空穴”，他們都是參與導電，統稱(chēng)為“載流子”，它是半導體所有，是由于摻入雜質(zhì)的結果。

3.PN結

在一塊本征半導體的兩側通過(guò)擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導體和P型半導體。此時(shí)將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過(guò)程：

因濃度差

↓

多子的擴散運動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區

↓

空間電荷區形成形成內電場(chǎng)

↓

內電場(chǎng)促使少子漂移

↓

內電場(chǎng)阻止多子擴散

多子的擴散和少子的漂移達到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區稱(chēng)為PN結。PN結的內電場(chǎng)方向由N區指向P區。

▲PN結加正向電壓時(shí)的導電情況如圖所示 

▲PN結加正向電壓時(shí)的導電情況如圖所示

4.散熱

在原理上，半導體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯(lián)結成的熱電偶對中有電流通過(guò)時(shí)，兩端之間就會(huì )產(chǎn)生熱量轉移，熱量就會(huì )從一端轉移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。

但是半導體自身存在電阻當電流經(jīng)過(guò)半導體時(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(guò)空氣和半導體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時(shí)，就會(huì )達到一個(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 )繼續發(fā)生變化。為了達到更低的溫度，可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來(lái)實(shí)現。

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

5.半導體制冷片點(diǎn)總結

制冷片作為種冷源，在技術(shù)應用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和點(diǎn)：

1.不需要任何制冷劑，可連續工作，沒(méi)有污染源沒(méi)有旋轉部件，不會(huì )產(chǎn)生回轉效應；

2.沒(méi)有滑動(dòng)部件是一種固體片件，工作時(shí)沒(méi)有震動(dòng)、噪音、壽命長(cháng)，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.半導體制冷片是電流換能型片件，通過(guò)輸入電流的控制，可實(shí)現高精度的溫度控制；

5.熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)間很快；

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