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原来如此!揭开半导体制冷技术的面纱

点击次数:2521次  发布时间:2018/1/13

宁夏11选5APP下载外设频道上次推出了首款处理器半导体成品散热器的评测《空调inside!MACS半导体制冷评测首发》。不少网友对半导体制冷技术产生了浓厚的兴趣,近期我们收集了相关资料整理成文,一并发表献给大家。前半部分没有涉及太多的专业知识,对初学者来说难度不大;而对于想深入了解其构造原理的朋友不妨查阅全文。

一、预备知识:

1.Peltier effect(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Jean Peltier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Peltier effect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Peltier effect 。这现象早是在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物理学家Jean Peltier,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)。

宁夏11选5APP下载三、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,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而成一完整线路,通常是铜、铝或其他金属导体,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,这是早的也是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10-3~10-9 W·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。当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子。这一现象称为本征激发(也称热激发)。

  自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,原子的电中性被破坏,呈现出正电性,其正电量与电子的负电量相等,人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去,称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

本征激发和复合的过程

1.N型半导体

  在本征半导体中掺入五价杂质元素,例如磷,可形成N型半导体,也称电子型半导体。

宁夏11选5APP下载  因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,而多余的一个价电子因无共价键束缚而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,它主要由杂质原子提供;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因带正电荷而成为正离子,因此五价杂质原子也称为施主杂质。

2.P型半导体

  在本征半导体中掺入三价杂质元素,如硼、镓、铟等形成了P型半导体,也称为空穴型半导体。

  因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时,缺少一个价电子而在共价键中留下一空穴。P型半导体中空穴是多数载流子,主要由掺杂形成;电子是少数载流子,由热激发形成。空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。

  后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。在P型半导体和N型半导体的结合面两侧,留下离子薄层,这个离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。PN结的内电场方向由N区指向P区。

宁夏11选5APP下载  外加的正向电压有一部分降落在PN结区,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响。而实际上电子在通过电场后势能产生变化,能量转换为各种形势的表现,而热量的吸收与散发都是其表现的一个方面。而半导体制冷片的工作原理实际上就是通过定向电流将热能定向搬运的过程。

总结:

  通过上述大家应该已经比较清晰的了解了半导体的制冷过程以及原理,实际上也并非很玄乎的东西,毕竟其现象早在19世纪就已经被人发现。但是要将理论用到成品生产供人使用却不是一件简单的事情,其中涉及到材料科学等更为多样化的专业知识。在应用于CPU散热器的设计中,制冷片还要应付更多的问题,譬如温控、除湿等。随着技术的成熟,半导体制冷还是很有前途的,浙江博慧智能科技股份有限公司的半导体冷凝除湿装置已经把此项技术运用到电力箱柜防潮治理当中去,也开启了此项理论实际运用的先例。

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