半導(dǎo)體制冷片不需要制冷劑實(shí)現(xiàn)制冷的原因分析

制冷劑的概念

制冷劑，又稱冷媒、致冷劑、雪種，是各種熱機(jī)中借以完成能量轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)。這些物質(zhì)通常以可逆的相變（如氣-液相變）來增大功率。如蒸汽引擎中的蒸汽、制冷機(jī)中的雪種等等。一般的蒸汽機(jī)在工作時(shí)，將蒸汽的熱能釋放出來，轉(zhuǎn)化為機(jī)械能以產(chǎn)生原動(dòng)力；而制冷機(jī)的雪種則用來將低溫處的熱量傳動(dòng)到高溫處。

傳統(tǒng)工業(yè)及生活中較常見的工作介質(zhì)是部分鹵代烴（尤其是氯氟烴），但現(xiàn)在由于它們會造成臭氧層空洞而逐漸被淘汰。其他應(yīng)用較廣的工作介質(zhì)有氨氣、二氧化硫和非鹵代烴（例如甲烷）。

制冷劑的工作原理

制冷機(jī)中完成熱力循環(huán)的工質(zhì)。它在低溫下吸取被冷卻物體的熱量，然后在較高溫度下轉(zhuǎn)移給冷卻水或空氣。在蒸氣壓縮式制冷機(jī)中，使用在常溫或較低溫度下能液化的工質(zhì)為制冷劑，如氟利昂（飽和碳?xì)浠衔锏姆⒙?、溴衍生物），共沸混合工質(zhì)（由兩種氟利昂按一定比例混合而成的共沸溶液）、碳?xì)浠衔铮ū?、乙烯等）、氨等；在氣體壓縮式制冷機(jī)中，使用氣體制冷劑，如空氣、氫氣、氦氣等，這些氣體在制冷循環(huán)中始終為氣態(tài)；在吸收式制冷機(jī)中，使用由吸收劑和制冷劑組成的二元溶液作為工質(zhì)，如氨和水、溴化鋰（分子式：LiBr。白色立方晶系結(jié)晶或粒狀粉末，極易溶于水）和水等；蒸汽噴射式制冷機(jī)用水作為制冷劑。制冷劑的主要技術(shù)指標(biāo)有飽和蒸氣壓強(qiáng)、比熱、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、表面張力等。1960年以后，人們對非共沸混合工質(zhì)的應(yīng)用進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，并已將其用于天然氣的液化和分離等方面。應(yīng)用非共沸混合工質(zhì)單級壓縮可得到很低的蒸發(fā)溫度，且可增加制冷量，減少功耗。它的性質(zhì)直接關(guān)系到制冷裝置的制冷效果、經(jīng)濟(jì)性、安全性及運(yùn)行管理，因而對制冷劑性質(zhì)要求的了解是不容忽視的。

半導(dǎo)體制冷片特點(diǎn)

半導(dǎo)體制冷片作為特種冷源，在技術(shù)應(yīng)用上具有以下的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：

1.不需要任何制冷劑，可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)；

2.沒有滑動(dòng)部件是一種固體片件，工作時(shí)沒有震動(dòng)、噪音、壽命長，安裝容易；

3.既能制冷，又能加熱，制冷效率一般不高，但制熱效率很高；

4.半導(dǎo)體制冷片是電流換能型片件，通過輸入電流的控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制；

5.熱慣性非常小，制冷制熱時(shí)間很快；

6.半導(dǎo)體制冷片的溫差范圍，從正溫90℃到負(fù)溫度130℃都可以實(shí)現(xiàn)。

半導(dǎo)體制冷片的工作原理

1.N型半導(dǎo)體

離原子核最遠(yuǎn)軌道上的電子，經(jīng)常可以脫離原子核吸引，而在原子之間運(yùn)動(dòng)，叫導(dǎo)體。如果電子不能脫離軌道形成自由電子，故不能參加導(dǎo)電，叫絕緣體。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，叫半導(dǎo)體。半導(dǎo)體重要的特性是在一定數(shù)量的某種雜質(zhì)滲入半導(dǎo)體之后，不但能大大加大導(dǎo)電能力，而且可以根據(jù)摻入雜質(zhì)的種類和數(shù)量制造出不同性質(zhì)、不同用途的半導(dǎo)體。

在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體，也稱電子型半導(dǎo)體。

因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供;空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

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

2.P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體，是靠“空穴”來導(dǎo)電。在外電場作用下“空穴”流動(dòng)方向和電子流動(dòng)方向相反，即“空穴”由正極流向負(fù)極，這是P型半導(dǎo)體原理。

在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。

因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一空穴。P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成;電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

N型半導(dǎo)體中的自由電子，P型半導(dǎo)體中的“空穴”，他們都是參與導(dǎo)電，統(tǒng)稱為“載流子”，它是半導(dǎo)體所特有，是由于摻入雜質(zhì)的結(jié)果。

3.PN結(jié)

在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì)，分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程：

因濃度差

↓

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

↓

空間電荷區(qū)形成形成內(nèi)電場

↓

內(nèi)電場促使少子漂移

↓

內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散

最后，多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個(gè)離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。PN結(jié)的內(nèi)電場方向由N區(qū)指向P區(qū)。

4.散熱

在原理上，半導(dǎo)體制冷片是一個(gè)熱傳遞的工具。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成的熱電偶對中有電流通過時(shí)，兩端之間就會產(chǎn)生熱量轉(zhuǎn)移，熱量就會從一端轉(zhuǎn)移到另一端，從而產(chǎn)生溫差形成冷熱端。

但是半導(dǎo)體自身存在電阻當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)就會產(chǎn)生熱量，從而會影響熱傳遞。而且兩個(gè)極板之間的熱量也會通過空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞。當(dāng)冷熱端達(dá)到一定溫差，這兩種熱傳遞的量相等時(shí)，就會達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)，正逆向熱傳遞相互抵消。此時(shí)冷熱端的溫度就不會繼續(xù)發(fā)生變化。為了達(dá)到更低的溫度，可以采取散熱等方式降低熱端的溫度來實(shí)現(xiàn)。

風(fēng)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(dǎo)體制冷片冷熱端的溫差可以達(dá)到40～65度之間，如果通過主動(dòng)散熱的方式來降低熱端溫度，那冷端溫度也會相應(yīng)的下降，從而達(dá)到更低的溫度。

半導(dǎo)體制冷片不用制冷劑實(shí)現(xiàn)制冷原因

半導(dǎo)體制冷片不需要任務(wù)制冷劑這是它的一大特點(diǎn)，并且半導(dǎo)體制冷片還可連續(xù)工作，沒有污染源沒有旋轉(zhuǎn)部件，而且也不會產(chǎn)生回轉(zhuǎn)效應(yīng)。

半導(dǎo)體制冷片的應(yīng)用

1、在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用

半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用更為廣泛。如：用于蛋白質(zhì)功能研究、基因擴(kuò)增的高檔PCR儀、電泳儀及一些智能精確溫控的恒溫儀培養(yǎng)箱等；用于開發(fā)具有特殊溫度平臺的掃描探針顯微鏡等。

2、在高技術(shù)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域

對紅外探測器，激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。比如，德國Micropelt公司的半導(dǎo)體制冷器體積非常小，只有1個(gè)平方毫米，可以和激光器一起使用TO封裝。

3、在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

溫室里面過高或過低的溫度，都將導(dǎo)致秧苗壞死，尤其部分名貴植物對環(huán)境更加敏感，迫切需要將適宜的溫度檢測及控制系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。