半导体制冷的工作原理

半导体制冷工作原理

      致冷器件是由半导体所组成的一种冷却装置，随着近代的半导体发展才有实际的应用，也就是致冷器的发明。其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极(-)出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源，也就是欲冷却之。在以往致冷器是运用在CPU的，是利用

致冷器件是由半导体所组成的一种冷却装置，随着近代的半导体发展才有实际的应用，也就是致冷器的发明。其工作原理是由直流电源提供电子流所需的能量，通上电源后，电子负极(-)出发，首先经过P型半导体，于此吸热量，到了N型半导体，又将热量放出，每经过一个NP模块，就有热量由一边被送到令外一边造成温差而形成冷热端。冷热端分别由两片陶瓷片所构成，冷端要接热源，也就是欲冷却之。在以往致冷器是运用在CPU的，是利用冷端面来冷却CPU，而热端面散出的热量则必需靠风扇来排出。致冷器也应用于做成车用冷/热保温箱，冷的方面可以冷饮机，热的方面可以保温热的东西。

半导体致冷器的历史
致冷片是由半导体所组成的一种冷却装置，于1960左右才出现，然而其理论基础Peltier effect可追溯到19世纪。下图(1)是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路，通上电源之后，A点的热量被移到B点，导致A点温度降低，B点温度升高，这就是著名的Peltier effect。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，并没有领悟到背后真正的科学原理。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JeaNPeltier，才发现背后真正的原因，这个现象直到近代随着半导体的发展才有了实际的应用，也就是「致冷器」的发明。

一、
因半导体致冷片薄而轻巧，体积很小，不占空间，并可以携带，做成车用电冷/热保温箱，放置车上，不占空间，并可变成冰箱及保温箱，夏
天可以摆上几瓶饮料，就可以便冰饮，在冬天就可以变成保温箱。

             图(1) 致冷器件的作用原理
致冷器的名称相当多，如 Peltier cooler、thermoelectric、thermoelectric cooler (简称 T.E 或 T.E.C)、thermoelectric module，另外又称为热帮浦 (heat pump)。

二、致冷器件的结构与原理
下图(2)是一个制冷器的典型结构。

                    图(2) 致冷器的典型结构
致冷器是由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路，通常是铜、铝或其它金属导体，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，外观如下图(3)所示，看起来像三明治。

     图(3) 致冷器的外观
以下详细说明N型和P型半导体的原理:

三、N型半导体
(1) 如果在锗或硅中均匀掺杂五价元素，由于价电子间会互相结合而形成共价键，故每个五价元素会与邻近四价之锗或硅原子互成一共价键，而多出一个电子来，如图(4)所示，这就称为N型半导体。(N表示negative，电子带负电) 。

                    图(4) N型半导体
(2) 由于加入五甲元素后会添加电子，故五价元素又被称为施体原子。
(3) 加入五价元素而产生之自由电子，在N型半导体里又占大多数，故称为多数载体(majority carriers) 。由温度的引响所产生之电子─电洞对是少数，所以N型半导体中称电洞为少数载体(minority carriers) 。

四、P型半导体
(1) 如果在锗或硅中均匀掺杂三价元素，由于价电子间会互相结合而形成共价键，故每个三价元素会与邻近四价之锗或硅原子互成一共价键，而多缺少一个电子，在原子中造成一个空缺来，这个空缺我们称为电洞，如图(5)B 所示，加入三价元素之半导体就称为P型半导体。(P表示positive，电洞视为正电荷) 。

图(5) P型半导体
(2) 由于加入三价元素后会造成一个空缺，故三价元素又被称为受体原子。
(3)加入三价元素而产生之电洞，在P型半导体中是多数载体。受热使共价键破坏而产生的电子电洞为少数，故P型半导体中称电子为少数载体。
(4) 通常我们都用正电荷代表电洞。但侍体中的原子不能移动，所以电洞(一个空位)也应该是不能移动的。

五、P-N结合
(1) 当P型半导体或N型半导体被单独使用时，由于其导电力比铜、银等不良，但却比绝缘体的导电力良好，故实际上，就等于一个电阻器一样，如下图(6)所示。

        图(6) P-N结合
(2) 但若将数片P或N型半导体加以适当的组合，则会产生各种不同的电气特性，而使半导体零件的功能更多彩多姿。今天我们要先看看把一块P型半导体与N型半导体结合起来的情况。
(3) 当一块P型半导体与N型半导体结合起来时，如下图所示，由于P型半导体中有很多的电洞，而N型半导体中有许多电子，所以当P-N结合起来时，结合面附近的电子会填入电洞中，P-N结合起来时，如下图(7)(a)所示。

                        图(7)

或许你会以为N型半导体中的电子会不断的透过接合面与电洞结合，直到所有的电子或电洞
消失为止。事实上，靠近接合面的N型半导体失去了电子后就变成正离子，P型半导体失去了一些电洞后就变成负离子，如上图(7) (b)所示。
此时正离子会排斥电洞，负离子会排斥电子，因而阻止了电子、电洞的继续结合，而产生平衡之状态。
(4) 在P-N接合面(P-Njunction)附近没有载体(电子或电洞)，只有离子之区域称为空乏区(depletioNregion) 。
(5) 空乏区的离子所产生的阻止电子、电洞通过接合面的力量，称为障碍电位(potential barrier) 。障碍电位视半导体的掺杂程度而定，一般而言，Ge 的P-N接合面约为0.2~0.3V，而Si 的P-N接合面约为0.6~0.7V。

六、正向偏压
(1) 若把电池的正端接P型半导体，而把负端接N型半导体，如下图(8)所示，则此时P-N接合面的偏压型式称为”正向偏压” 。

             图(8)加上正向偏压E
(2) 若外加电源E 足够大而克服了障碍电位，则由于电池的正端具有吸引电子而排斥电洞的特性，电池的负端有吸引电洞而排斥电子之特性，因此N型半导体中的电子会越过P-N接合面而进入P 型半导体与电洞结合，同时，电洞也会通过接合面而进入N型半导体内与电子结合，造成很大的电流通过P-N接合面。
(3) 因为电池的负端不断的补充电子给N型半导体，电池的正端则不断的补充电洞给P型半导体，(实际上是电池的正端不断的吸出P型半导体中之电子，使P 型半导体中不断产生电洞) ，所以通过P-N接合面的电流将持续不断。
(4) P-N接合在加上正向偏压时，所通过之电流称为正向电流(IF) 。

七、反向偏压
(1) 现在如果我们把电池的正端接N而负端接P，则电子、电洞将受到E之吸引而远离接合面，空乏区增大，而不会有电子或电洞越过接合面产生接合，如下图(9)所示，此种外加电压之方式称为反向偏压。

        图(9)加上反向偏压E
(2) 当P-N接合面被加上反向偏压时，理想的情形应该没有反向电流(IR=0)才对，然而，由于温度的引响，热能在半导体中产生了少数的电子─电洞对，而于半导体中有少数载体存在。在P-N接合面被接上反向偏压时，N型半导体中的少数电洞和P 型半导体中的少数电子恰可以通过P-N接合面而结合，故实际的P-N接合再加上反向偏压时，会有一”极小”之电流存在。此电流称为漏电电流，在厂商的资料中多以IR表之。
[注] ：在实际应用时多将I R忽略,而不加以考虑。
(3) IR与反向偏压之大小无关，却与温度有关。无论或硅，每当温度升高10℃，IR就增加为原来的两倍。

八、崩溃 (Breakdown)
(1) 理想中，P-N接合加上反向偏压时，只流有一甚小且与电压无关之漏电电流IR.。但是当我们不断把反向电压加大时，少数载体将获得足够的能量而撞击、破坏共价键，而产生大量的电子一对洞对。此新生产之对子及电洞可从大反向偏压中获得足够的能量去破坏其它共价键，这种过程不断重复的结果，反向电流将大量增加，此种现象称为崩溃。
(2) P-N接合因被加上「过大」的反向电压而大量导电时，若不设法限制通过P-N接合之反向电流，则P-N接合将会烧毁。

九、二极管之V-1（电压-电流）特性
把P-N接合体加上两根引线，并用塑料或金属壳封装起来，即成为二极管。二极管的电路符号如图(10)(b)所示，两支引线分别称为阳极和阴极。

       图(10) 二极管
欲详知一个组件之特性并加以应用，较佳的方法是研究此组件之V-I（电压-电流）特性线。
下图(11)为二极管之正向特性曲线。由特性曲线可看出二极管所加之正向偏压低于切入电压(cutiNvoltage)时，电流很小，一旦超过切入电
              图(11) 典型的二极管正向特性

压，电流IF既急速上升（此时IF的最大值是由外部电阻R加以限制）。硅二极管的切入电压为0.6V，锗二极管的切入电压为0.2V。二极管流有正向电流时，其正向压降VF几乎为一定数，不易受正向电流的变化所影响，设计电路时，可以采用表(1)的数据。