半导体致冷原理与实例

如果你之前没有听说过’半导体致冷’,甚至对半导体都很陌生,那么相信这篇文章是能让你“涨姿势”的,本篇文章将通过讲诉一个小冰箱的制作过程,分析它的工作原理,让大家对半导体致冷有个大体认识。夏日炎炎,为何不让半导体帮你清凉一下?

看到标题你或许会疑问
什么是半导体?
半导体怎么致冷?
对此一无所知情况下,这些问题肯定会困扰着你,接下来让我们一起解答它,开始画知识点。

什么是半导体?

我们知道任何物质都是由原子组成,原子是由原子核和电子组成。
电子以高速度绕原子核转动,受到原子核吸引,因为受到一定的限制,所以电子只能在有限的轨道上运转,不能任意离开,而各层轨道上的电子具有不同的能量(电子势能)。
离原子核最远轨道上的电子,经常可以脱离原子核吸引,而在原子之间运动,叫导体。
如果电子不能脱离轨道形成自由电子,故不能参加导电,叫绝缘体。
半导体导电能力介于导体与绝缘体之间,叫半导体。

半导体制冷原理

制冷片外观和结构介绍

下方两个图中,分别是制冷片的典型结构
制冷片的典型结构

和制冷片的常见外观

制冷器是由许多N型和P型半导体之颗粒互相排列而成,而NP之间以一般的导体相连接而成一完整线路,通常是铜、铝或其它金属导体,最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来,陶瓷片必须绝缘且导热良好,外观如下图所示,看起来像三明治。

介绍完它的结构,那它是如何工作的?接下来说说它的现在说说它的工作原理。

制冷片的工作原理

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。

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。

当电流方向是从N至P,温度下降并且吸热,这就是冷端;而当电流方向是从P至N,温度上升并且放热,因此是热端。

因此是半导体制冷片由许多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,最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。

单纯看了这几句话相信依旧会很模糊,下面关于一些难点进行解答。

疑难解答

电能是如何“搬运”热量的?

不少朋友在看过上面的文字后或许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。

细说N型/P型半导体

N型半导体

如果在锗或硅中均匀掺杂五价元素,由于价电子间会互相结合而形成共价键,故每个五价元素会与邻近四价之锗或硅原子互成一共价键,而多出一个电子来,如图(4)所示,这就称为N型半导体。(N表示negative,电子带负电) 。

由于加入五甲元素后会添加电子,故五价元素又被称为施体原子。

加入五价元素而产生之自由电子,在N型半导体里又占大多数,故称为多数载体(majority carriers) 。由温度的引响所产生之电子─电洞对是少数,所以N型半导体中称电洞为少数载体(minority carriers) 。

P型半导体

如果在锗或硅中均匀掺杂三价元素,由于价电子间会互相结合而形成共价键,故每个三价元素会与邻近四价之锗或硅原子互成一共价键,而多缺少一个电子,在原子中造成一个空缺来,这个空缺我们称为电洞,如图(5)B 所示,加入三价元素之半导体就称为P型半导体。(P表示positive,电洞视为正电荷) 。

由于加入三价元素后会造成一个空缺,故三价元素又被称为受体原子。

加入三价元素而产生之电洞,在P型半导体中是多数载体。受热使共价键破坏而产生的电子电洞为少数,故P型半导体中称电子为少数载体。

通常我们都用正电荷代表电洞。但侍体中的原子不能移动,所以电洞(一个空位)也应该是不能移动的。

半导体制冷的三大效应

这三大效应深究下去都是一门学问,这里不展开,只是为了让大家对半导体制冷有更深的认识。

百度百科版解释

塞贝克效应

珀尔帖效应

汤姆逊效应

英语好的朋友建议看维基百科版解释

SEEBECK EFFECT

PELTIER EFFECT

THOMSON EFFECT

以上是解释半导体制冷的原理介绍,说实在这样的解释我自己不满意,很多知识点都是云里雾里,但通俗易懂的说句 电流流过热电偶,发生热电效应,能量发生了转移,所以导致一端冷一端热 这样的说法又过于笼统,我尽可能解释到这里,大家就当是科学小知识看待吧。

实例:半导体冰箱的制作

再次配图:
制冷片的典型结构

如图所示,图中的电路应该说是特别特别简单的了一个电源(12V)加上一个制冷片。实际上我所制作的半导体冰箱制冷部分就是这么弄的。

特别特别的轻松就把它连上了,然后一边凉一边热,貌似就这样成功了。虽然成功,但提醒下大家,这个电路并不实用,另外,注意保护制冷片,它不经摔。

冷热隔离

单纯的这样制作显然是不行的,哪有那么容易。冷和热混在一起,不会成为冰箱的,我们所以需要将冷热分开,如何分开?用导体将冷热分离,让相互难以影响,导体实际上就是铝片和铜片。分开后,要防止它们又在一起啊,所以就需要隔离,比较粗糙的做法就是中间就加个板子。但是这样就完成了吗?

处理多余热量

没有,冷的一端我们利用了,变成冰箱。但是热的一端呢?不管它?那是不可以的,那样它会”发火”,因为不断地有热量进来,铜片的温度就会增加,然后就会有很大的安全问题,如何解决?加上两个风扇,把热量吹走。

添加温控

这样是不是就可以了呢? 应该说基本功能完成。你可以看到导冷片结冰了。
但这并不实用,制冷的温度不确定,是十分影响平时的使用。所以我加上了温控。

关于温控,基本原理就是利用传感器检测,AD转换后交给单片机处理,根据程序的设定,有上、下限温度,温度高于一定温度时,接通电源,制冷片工作,低于一定温度时,断开电源,制冷片不工作,讲的最简单就是这样了,实际自己制作难度不小。

至于控制电源的部分,利用了继电器的原理,因为单片机常用的电压是+5V,而制冷片的工作电压一般是+12V。必须转换。

如何检测温度,下面给出仿真图,原理这里不解释,比较复杂。

一个小冰箱的基本部件就是这些,关于其中的器件,个人认为如果从实用的角度出发,还是购买合成器件使用为宜,比较稳定且不易损坏,当然其中原理是需要仔细弄懂的,最好能仿真出来,这才是DIY的乐趣。如果你也有兴趣制作,欢迎和我交流。

请我喝杯咖啡~
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