半导体制冷片如何散热？原理解析

　　半导体制冷片（TE）也叫热电制冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。

　　半导体制冷片的工作运转是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，以下的图就是一个单片的制冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连结组成

　　

　　在原理上，半导体制冷片是一个热传递的工具。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，从而会影响热传递。而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递。当冷热端达到一定温差，这两种热传递的量相等时，就会达到一个平衡点，正逆向热传递相互抵消。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热等方式降低热端的温度来实现。

　　风扇以及散热片的作用主要是为制冷片的热端散热。通常半导体制冷片冷热端的温差可以达到40～65度之间，如果通过主动散热的方式来降低热端温度，那冷端温度也会相应的下降，从而达到更低的温度。

　　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。

　　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。

　

　　3.PN结

　　在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质，分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程：

　　因浓度差

　　↓

　　多子的扩散运动®由杂质离子形成空间电荷区

　　↓

　　空间电荷区形成形成内电场

　　↓ ↓

　　内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散

　　最后，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。

　　

　　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。

　　

　　半导体制冷片的散热方式

　　半导体制冷片件的散热是一门专业技术，也是半导体制冷片件能否长期运行的基础。良好的散热才能获得最低冷端温度的先决条件。以下就是半导体制冷片的几种散热方式：

　　1、 自然散热。

　　采用导热较好的材料，紫铜铝材料做成各种散热片，在静止的空气中自由的散发热量，使用方便，缺点是体积太大。

　　2、 充液散热。

　　用较好的散热材料做成水箱，用通液体或通水的方法降温。缺点是用水不方便，浪废太大，优点是体积小，散热效果最好。

　　3、 强迫风冷散热。

　　工作气氛为流动空气，散热片所用的材料和自然散热片相同，使用方便，体积比自然冷却的小，缺点是增加一个风机出现噪音。

　　4、 真空潜热散热。

　　最常用的就是“热管”散热片，它是利用蒸发潜热快速传递热容量。

　　简单的散热方法如下：

　　1、像CPU散热器那样，风扇装在散热片中间，风扇向外抽风。

　　2、在散热片上设置风道。

　　3、可以水冷。

　　制冷片的技术应用

　　半导体制冷片作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优点和特点：

　　1、不需要任何制冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体片件，工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。

　　2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷系统。

　　3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

　　4、 半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。

　　5、 半导体制冷片的反向使用就是温差发电，半导体制冷片一般适用于中低温区发电。

　　6、半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成制冷系统的话，功率就可以做的很大，因此制冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

　　7、 半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

　　通过以上分析，半导体温差电片件应用范围有：制冷、加热、发电，制冷和加热应用比较普遍，有以下几个方面：

　　1、 军事方面：导弹、雷达、潜艇等方面的红外线探测、导行系统。

　　2、 医疗方面；冷力、冷合、白内障摘除片、血液分析仪等。

　　3、 实验室装置方面：冷阱、冷箱、冷槽、电子低温测试装置、各种恒温、高低温实验仪片。

　　4、 专用装置方面：石油产品低温测试仪、生化产品低温测试仪、细菌培养箱、恒温显影槽、电脑等。

　　5、 日常生活方面：空调、冷热两用箱、饮水机、电子信箱等。此外，还有其它方面的应用，这里就不一一提了。

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