半導體制冷片如何散熱？原理解析

　　半導體制冷片（TE）也叫熱電制冷片，是一種熱泵，它的優點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無制冷劑污染的場合。

　　半導體制冷片的工作運轉是用直流電流，它既可制冷又可加熱，通過改變直流電流的極性來決定在同一制冷片上實現制冷或加熱，這個效果的產生就是通過熱電的原理，以下的圖就是一個單片的制冷片，它由兩片陶瓷片組成，其中間有N型和P型的半導體材料（碲化鉍），這個半導體元件在電路上是用串聯形式連結組成

　　在原理上，半導體制冷片是一個熱傳遞的工具。當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產生熱量轉移，熱量就會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端。但是半導體自身存在電阻當電流經過半導體時就會產生熱量，從而會影響熱傳遞。而且兩個極板之間的熱量也會通過空氣和半導體材料自身進行逆向熱傳遞。當冷熱端達到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時，就會達到一個平衡點，正逆向熱傳遞相互抵消。此時冷熱端的溫度就不會繼續發生變化。為了達到更低的溫度，可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實現。

　　風扇以及散熱片的作用主要是為制冷片的熱端散熱。通常半導體制冷片冷熱端的溫差可以達到40～65度之間，如果通過主動散熱的方式來降低熱端溫度，那冷端溫度也會相應的下降，從而達到更低的溫度。

　　1.N型半導體

　　在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體，也稱電子型半導體。

　　因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導體中自由電子是多數載流子，它主要由雜質原子提供;空穴是少數載流子， 由熱激發形成。

　　提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。

　　2.P型半導體

　　在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。

　　因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一空穴。P型半導體中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成;電子是少數載流子，由熱激發形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。

　　3.PN結

　　在一塊本征半導體的兩側通過擴散不同的雜質，分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程：

　　因濃度差

　　↓

　　多子的擴散運動?由雜質離子形成空間電荷區

　　↓

　　空間電荷區形成形成內電場

　　↓ ↓

　　內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散

　　最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。在P型半導體和N型半導體的結合面兩側，留下離子薄層，這個離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。PN結的內電場方向由N區指向P區。

　　外加的正向電壓有一部分降落在PN結區，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是，內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。而實際上電子在通過電場后勢能產生變化，能量轉換為各種形勢的表現，而熱量的吸收與散發都是其表現的一個方面。而半導體制冷片的工作原理實際上就是通過定向電流將熱能定向搬運的過程。

　　半導體制冷片的散熱方式

　　半導體制冷片件的散熱是一門專業技術，也是半導體制冷片件能否長期運行的基礎。良好的散熱才能獲得最低冷端溫度的先決條件。以下就是半導體制冷片的幾種散熱方式：

　　1、 自然散熱。

　　采用導熱較好的材料，紫銅鋁材料做成各種散熱片，在靜止的空氣中自由的散發熱量，使用方便，缺點是體積太大。

　　2、 充液散熱。

　　用較好的散熱材料做成水箱，用通液體或通水的方法降溫。缺點是用水不方便，浪廢太大，優點是體積小，散熱效果最好。

　　3、 強迫風冷散熱。

　　工作氣氛為流動空氣，散熱片所用的材料和自然散熱片相同，使用方便，體積比自然冷卻的小，缺點是增加一個風機出現噪音。

　　4、 真空潛熱散熱。

　　最常用的就是“熱管”散熱片，它是利用蒸發潛熱快速傳遞熱容量。

　　簡單的散熱方法如下：

　　1、像CPU散熱器那樣，風扇裝在散熱片中間，風扇向外抽風。

　　2、在散熱片上設置風道。

　　3、可以水冷。

　　制冷片的技術應用

　　半導體制冷片作為特種冷源，在技術應用上具有以下的優點和特點：

　　1、不需要任何制冷劑，可連續工作，沒有污染源沒有旋轉部件，不會產生回轉效應，沒有滑動部件是一種固體片件，工作時沒有震動、噪音、壽命長，安裝容易。

　　2、半導體制冷片具有兩種功能，既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高，永遠大于1。因此使用一個片件就可以代替分立的加熱系統和制冷系統。

　　3、半導體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，再加上溫度檢測和控制手段，很容易實現遙控、程控、計算機控制，便于組成自動控制系統。

　　4、 半導體制冷片熱慣性非常小，制冷制熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載的情況下，通電不到一分鐘，制冷片就能達到最大溫差。

　　5、 半導體制冷片的反向使用就是溫差發電，半導體制冷片一般適用于中低溫區發電。

　　6、半導體制冷片的單個制冷元件對的功率很小，但組合成電堆，用同類型的電堆串、并聯的方法組合成制冷系統的話，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到幾毫瓦到上萬瓦的范圍。

　　7、 半導體制冷片的溫差范圍，從正溫90℃到負溫度130℃都可以實現。

　　通過以上分析，半導體溫差電片件應用范圍有：制冷、加熱、發電，制冷和加熱應用比較普遍，有以下幾個方面：

　　1、 軍事方面：導彈、雷達、潛艇等方面的紅外線探測、導行系統。

　　2、 醫療方面；冷力、冷合、白內障摘除片、血液分析儀等。

　　3、 實驗室裝置方面：冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片。

　　4、 專用裝置方面：石油產品低溫測試儀、生化產品低溫測試儀、細菌培養箱、恒溫顯影槽、電腦等。

　　5、 日常生活方面：空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱等。此外，還有其它方面的應用，這里就不一一提了。

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