维克尔半导体冰箱制冷原理

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1、一、预备知识：1．Peltiereffect（珀尔帖效应）：　　珀尔帖效应的论述很简单——当电流通过热电偶时，其中一个结点散发热而另一个结点吸收热，这个现象由法国物理学家JeanPeltier在1834年发现。2．P型半导体　　半导体材料的一种形式，其导带中的电子密度超过了价带中的空穴密度。P型材料通过增加受主(acceptor)杂质来形成，例如在硅上掺杂硼。3．N型半导体　　半导体材料的一种形式，在导带中的电子密度大于在价带中的空穴密度的半导体，N型材料通过对硅的晶体结构中加入施主杂质(掺杂)——比如砷或

2、磷——来得到。二、珀尔帖效应应用　　半导体致冷器是由半导体所组成的一种冷却装置，於1960左右才出现，然而其理论基础Peltiereffect可追溯到19世纪。如图是由X及Y两种不同的金属导线所组成的封闭线路。　　通上电源之後，冷端的热量被移到热端，导致冷端温度降低，热端温度升高，这就是著名的Peltiereffect。这现象最早是在1821年，由一位德国科学家ThomasSeeback首先发现，不过他当时做了错误的推论，并没有领悟到背後真正的科学原理。到了1834年，一位法国表匠，同时也是兼职研究这现象的

3、物理学家JeanPeltier，才发现背後真正的原因，这个现象直到近代随著半导体的发展才有了实际的应用，也就是[致冷器]的发明(注意，这种叫致冷器，还不叫半导体致冷器)。三、半导体致冷法的原理以及结构：　　半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。N型材料有多余的电子，有负温差电势。P型材料电子不足，有正温差电势；当电子从P型穿过结点至N型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。　　直接接触的热电偶电路在实际应用中不可用

4、，所以用下图的连接方法来代替，实验证明，在温差电路中引入第三种材料（铜连接片和导线）不会改变电路的特性。　　这样，半导体元件可以用各种不同的连接方法来满足使用者的要求。把一个P型半导体元件和一个N型半导体元件联结成一对热电偶，接上直流电源后，在接头处就会产生温差和热量的转移。　　在上面的接头处，电流方向是从N至P，温度下降并且吸热，这就是冷端；而在下面的一个接头处，电流方向是从P至N，温度上升并且放热，因此是热端。　　因此是半导体致冷片由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成，而N／P之间以一般的导体相连接

5、而成一完整线路，通常是铜、铝或其他金属导体，最後由两片陶瓷片像夹心饼乾一样夹起来，陶瓷片必须绝缘且导热良好，外观如下图所示。 四、难点解析1．为什么要使用半导体材料？　　所谓热电偶就是一对不同元素的金属导体，在实际使用的时候其制冷效率并不高。本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六

6、十年代半导体制冷材料的优值系数，才达到相当水平，得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体制冷片件。2．电能是如何“搬运”热量的？　　不少朋友在看过评测后已经提出了能量守恒解释的论点。而实际上，半导体制冷并没有想象中的简单。这从技术理论的提出到真正的实际应用所用的时间就能看出来。人们常常将电流比喻成水流，电源就像水泵，不断的将低电势的电荷“搬运”至高电位，而产生的电动势驱动电荷定向移动。　　而能量的形势也是多种多样的，粒子不但具有电势能，同时还具有热能等各种能量。在能量的不断转换中，各种能量以不同的方式进行转

7、换。在珀尔帖效应中，如果使用的是半导体，那么半导体中的“自由电子”（相信高中物理学已经说得很透彻，金属的导电性和导热性都是通过“自由电子”作用的）将会在不同导体间的节点处通过电势能转换热量（放热或者吸热），而其具体表现就是制冷片的制冷效果。而半导体中的电动势解析就必须涉及更多的专业知识了。五、详细解说P型/N型半导体　　根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体，半导体的电阻率为10-3～10-9W·cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。　　制造半导体器件的半导体材料的纯

8、度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。而化学成分纯净的半导体我们称之为本征半导体。　　硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图　　当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或