半导体制冷晶片如何散热？原理全面解析
发布时间：
2022-11-07
半导体制冷晶片，又称热电制冷片，是热泵的一种。它的优点是没有滑动部件，用在一些空间有限，可靠性要求高，没有制冷剂污染的地方。半导体制冷晶片的工作原理是利用DC电流，既能制冷又能制热。通过改变DC电流的极性，决定在同一制冷片上实现制冷或制热，这种效应是由热电原理产生的。
半导体制冷晶片，又称热电制冷片，是热泵的一种。它的优点是没有滑动部件，用在一些空间有限，可靠性要求高，没有制冷剂污染的地方。半导体制冷晶片的工作原理是利用DC电流，既能制冷又能制热。通过改变DC电流的极性，决定在同一制冷片上实现制冷或制热，这种效应是由热电原理产生的。
原则上，半导体制冷晶片是一种传热工具。当电流流过由一片N型半导体材料和一片P型半导体材料组成的热电偶对时，热量会在两端之间传递，热量会从一端传递到另一端，产生温差形成冷热端。但电流通过半导体时，半导体本身的电阻会产生热量，影响传热。而且两块板之间的热量会通过空气和半导体材料本身反向传递。当冷热端达到一定的温差，两次传热相等时，就会达到一个平衡点，正负传热相互抵消。此时，冷热端的温度不会继续变化。为了达到更低的温度，我们可以通过散热来降低热端的温度。
1、半导体制冷晶片——n型半导体。n型半导体，也称为电子半导体，可以通过在本征半导体中掺杂五价杂质元素，如磷来形成。因为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，多余的价电子由于没有共价键的束缚，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，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由于带正电荷而变成正离子，所以五价杂质原子也称为施主杂质。
2、半导体制冷晶片——p型半导体。本征半导体掺杂硼、镓、铟等三价杂质元素，形成P型半导体，也称为空穴型半导体。当三价杂质原子与硅原子形成共价键时，它们缺少一个价电子，在共价键中留下一个空穴。P型半导体中的空穴是多数载流子，主要通过掺杂形成；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。因此，三价杂质也被称为受主杂质。
3、半导体制冷晶片——PN结，通过在本征半导体的两侧扩散不同的杂质形成N型半导体和P型半导体。施加的直流电压一部分落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内部电场。结果，内部电场对多载流子扩散运动的阻力减弱，并且扩散电流增加。扩散电流远大于漂移电流，因此可以忽略漂移电流的影响。其实电子通过电场后势能是变化的，能量转化成各种情况，吸收和放出热量都是它表现的方面。半导体制冷片的工作原理其实就是定向电流定向输送热能的过程。
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