半导体制冷片工作原理

半导体制冷片工作原理 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 表 1 常温时 二极管的正向压降 注意 当温度升高的时候 二极管的正向压降 VF 会降低 其降低量 为 VF K T 温度 变化量 K 硅为 2 mV 锗为 1 3 mV 由于晶体管的 B E 极间也为 P N 接合 故也有 负温度特性 这使得晶体管电路的性能受到温度所影 响 故吾人常使用与晶体管同质料 锗或硅 的二极管作为晶体管的偏压 以使两者之 VF 互相抵消 图 12 典型的二极管反向特性 上图 12 为二极管的反向特性曲线图 由此图可得知 1 未崩溃以前 反向电流 IR 为固定值 不随反向电压而变动 2 硅之 IR 甚小 通常小于 10 A 锗之 IR 则高达数百倍 整流二极体很少以锗制造 也就是为了这 个缘故 3 二极管 无论锗或硅 当温度每增高 10 时 IR 约升为原来的两倍 4 当反向偏 压达到崩溃电压 VBD 后 电流会迅速增加 此时必须由外加电阻 R 限制住 IR 否 则二极 管会烧毁 十 二极管的规格 整流二极管之主要规格有 1 额定电流 以电阻为负载时 二极管所能通过的最大 平均电流 厂商的规格表中多以 IO 表 2 耐压 亦称为最大反向耐压 peak inverse voltage 简称 PIV 此电压乃指不令二极管产生崩溃的最 大反向电压 规格表中多以 VR 表之 十一 致冷晶片作工的原理以及运用实例 直流电源提供了电子流动所需的能量 通上电源之后 电子由负极 出发 首先经过 P 型半导体 于 此吸收热量 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另外一边 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 也就是欲冷却之物 如 CPU 而热端要接散热片风扇 将热量排出 于各接面之间 一样要涂上散热膏 以利热量之传导 以 上就是致冷器的基本架构 致冷器的用途很多 其中一个主要的用途就是超频 而听 说现在市面上卖 的车用冰热保温箱也是使用这种芯片 目前致冷器所采用的半导体材料最主要为碲化铋 Bismuth Telluride 加入不纯物经过处理而成 N 型或 P 型半导体 听说市面上的致冷芯片都竖外进口 并氟内 制造 因为成本昂贵 十二 热能转换 能转换 冰块溶解 一物体 历经一传递能量的交互作用过程后 内能的 变化为 E 假设在此过程中 外 对物体所做的功为 W 则传入物体或传出体之热量 Q 定义为 Q E W 当 Q 为正时 物体吸热 Q 为负 值时 物体放热 E Q W 为热力学第一定律 E Q W 可看出热力学第一定律表示能量守恒的关系 即物体内能的增加 E 等于传入物体的热量 Q 与外界物体所做之功 W 的 总和 物体升高温度一度所须吸收的热量 定义为物体的热容 热容量 limQ T 十三 水冷系统 水冷系统 水冷系统是以水冷式散热法 顾名思义 此方法自然是利用水带走热量 相当于汽车引擎散 热所用的水箱 原理类似 与散热风扇不同的是 利用水循环系统 由水 带走热 取代空气 水温越低 平衡温度越低 水温越高 平衡温度越高