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《維克爾半導體冰箱制冷原理》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、一、預(yù)備知識:1.Peltiereffect(珀爾帖效應(yīng)): 珀爾帖效應(yīng)的論述很簡單——當電流通過熱電偶時,其中一個結(jié)點散發(fā)熱而另一個結(jié)點吸收熱,這個現(xiàn)象由法國物理學家JeanPeltier在1834年發(fā)現(xiàn)。2.P型半導體 半導體材料的一種形式,其導帶中的電子密度超過了價帶中的空穴密度。P型材料通過增加受主(acceptor)雜質(zhì)來形成,例如在硅上摻雜硼。3.N型半導體 半導體材料的一種形式,在導帶中的電子密度大于在價帶中的空穴密度的半導體,N型材料通過對硅的晶體結(jié)構(gòu)中加入施主雜質(zhì)(摻雜)——比如砷或
2、磷——來得到。二、珀爾帖效應(yīng)應(yīng)用 半導體致冷器是由半導體所組成的一種冷卻裝置,於1960左右才出現(xiàn),然而其理論基礎(chǔ)Peltiereffect可追溯到19世紀。如圖是由X及Y兩種不同的金屬導線所組成的封閉線路?! ⊥ㄉ想娫粗?,冷端的熱量被移到熱端,導致冷端溫度降低,熱端溫度升高,這就是著名的Peltiereffect。這現(xiàn)象最早是在1821年,由一位德國科學家ThomasSeeback首先發(fā)現(xiàn),不過他當時做了錯誤的推論,并沒有領(lǐng)悟到背後真正的科學原理。到了1834年,一位法國表匠,同時也是兼職研究這現(xiàn)象的
3、物理學家JeanPeltier,才發(fā)現(xiàn)背後真正的原因,這個現(xiàn)象直到近代隨著半導體的發(fā)展才有了實際的應(yīng)用,也就是[致冷器]的發(fā)明(注意,這種叫致冷器,還不叫半導體致冷器)。三、半導體致冷法的原理以及結(jié)構(gòu): 半導體熱電偶由N型半導體和P型半導體組成。N型材料有多余的電子,有負溫差電勢。P型材料電子不足,有正溫差電勢;當電子從P型穿過結(jié)點至N型時,結(jié)點的溫度降低,其能量必然增加,而且增加的能量相當于結(jié)點所消耗的能量。相反,當電子從N型流至P型材料時,結(jié)點的溫度就會升高?! ≈苯咏佑|的熱電偶電路在實際應(yīng)用中不可用
4、,所以用下圖的連接方法來代替,實驗證明,在溫差電路中引入第三種材料(銅連接片和導線)不會改變電路的特性。 這樣,半導體元件可以用各種不同的連接方法來滿足使用者的要求。把一個P型半導體元件和一個N型半導體元件聯(lián)結(jié)成一對熱電偶,接上直流電源后,在接頭處就會產(chǎn)生溫差和熱量的轉(zhuǎn)移?! ≡谏厦娴慕宇^處,電流方向是從N至P,溫度下降并且吸熱,這就是冷端;而在下面的一個接頭處,電流方向是從P至N,溫度上升并且放熱,因此是熱端?! ∫虼耸前雽w致冷片由許多N型和P型半導體之顆?;ハ嗯帕卸?,而N/P之間以一般的導體相連接
5、而成一完整線路,通常是銅、鋁或其他金屬導體,最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來,陶瓷片必須絕緣且導熱良好,外觀如下圖所示。?四、難點解析1.為什么要使用半導體材料? 所謂熱電偶就是一對不同元素的金屬導體,在實際使用的時候其制冷效率并不高。本世紀五十年代,蘇聯(lián)科學院半導體研究所約飛院士對半導體進行了大量研究,于一九五四年發(fā)表了研究成果,表明碲化鉍化合物固溶體有良好的制冷效果,這是最早的也是最重要的熱電半導體材料,至今還是溫差制冷中半導體材料的一種主要成份。約飛的理論得到實踐應(yīng)用后,有眾多的學者進行研究到六
6、十年代半導體制冷材料的優(yōu)值系數(shù),才達到相當水平,得到大規(guī)模的應(yīng)用,也就是我們現(xiàn)在的半導體制冷片件。2.電能是如何“搬運”熱量的? 不少朋友在看過評測后已經(jīng)提出了能量守恒解釋的論點。而實際上,半導體制冷并沒有想象中的簡單。這從技術(shù)理論的提出到真正的實際應(yīng)用所用的時間就能看出來。人們常常將電流比喻成水流,電源就像水泵,不斷的將低電勢的電荷“搬運”至高電位,而產(chǎn)生的電動勢驅(qū)動電荷定向移動。 而能量的形勢也是多種多樣的,粒子不但具有電勢能,同時還具有熱能等各種能量。在能量的不斷轉(zhuǎn)換中,各種能量以不同的方式進行轉(zhuǎn)
7、換。在珀爾帖效應(yīng)中,如果使用的是半導體,那么半導體中的“自由電子”(相信高中物理學已經(jīng)說得很透徹,金屬的導電性和導熱性都是通過“自由電子”作用的)將會在不同導體間的節(jié)點處通過電勢能轉(zhuǎn)換熱量(放熱或者吸熱),而其具體表現(xiàn)就是制冷片的制冷效果。而半導體中的電動勢解析就必須涉及更多的專業(yè)知識了。五、詳細解說P型/N型半導體 根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同,來劃分導體、絕緣體和半導體,半導體的電阻率為10-3~10-9W·cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。 制造半導體器件的半導體材料的純
8、度要達到99.9999999%,常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。而化學成分純凈的半導體我們稱之為本征半導體?! 」韬玩N是四價元素,在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有,并為它們所束縛,在空間形成排列有序的晶體。(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 當導體處于熱力學溫度0K時,導體中沒有自由電子。當溫度升高或