半导体制冷片工作原理

半导体制冷片工作原理猜想

——林羽人生 2019-07-26

在百度上查找半导体制冷片工作原理时，得到的结果要么是引了珀尔帖效应，说了一堆屁话也没有进

入正题；要么是含糊的说是NP模组一端吸热，另一端放热；要么是扯了一堆PN结阅读笔记摘抄 的科普，还是没有说及原

理。

没办法，只能根据现有的实际的现象及特性去猜想（关键是能自圆其说，并符合感观现象），具体是不

是这么回事，得有待设计实验来验证了。

猜想分析：

根据PN结的耗尽层（或称空间电荷区）特性——单向性，随外加电场（包括方向）而电化来切入。

下图所示为一个NP单元，对于N型半导体，其内部存在载流子（自由电子），而载流子具有“自由性”，

也就是在不同导体与半导体间穿梭较为容易，不容易形成耗尽层（或者说影响很小，方向选择性不强）。

而对于P型半导体，其内部存在电子空穴——即对于局部来说缺少电子，但就整个半导体块而言又不

显电性。连接电源后，电子由外部电源负极注入P型半导体一端(A)，并部分窜入该半导体内部，以填补空

穴，从而达到局部电性平衡；但与此同时就又造成了整个半导体块显负电性。在连接电源的同时，与P型半

导体另一端(B)贴合的电极（导体）受外部电源正极的吸附，造成电子流失，并在贴合面(B)附近显正电性。

因而，P型半导体B端与电极间形成了内部电场，此时该贴合面的特性即与PN结类似（暂称为类PN结），只

是单向选择性变弱了——此时，相当于给类PN结施加了反向电压。猜测：正向导通性应该得到了增强——

电极的导电性（自由电子活动性）比PN结的N型半导体强。

由于类PN结的存在，势必会降低电流回路的强度。但事实却非如此——市场上买到的制冷片的电流消

耗都比较大，难道真的仅是单向选择性（反向阻断）变弱了？那制冷片（通电时）两端会产生温差，又是

什么回事？

是否仅是“单向选择性变弱”，需要定量实验验证，暂先不考虑。要想说通温差的问题？得知道“热”

（现象）是什么引起的，或说热一分钟课文 的本质是什么？以高中物理的解释：热现象是分子无规则运动（粒子振动）

的表现。温度是一个度量分子无规老师我想对你说作文500字 则小儿感冒冲剂 运动的强烈程度的物理量。

既然温度与分子运动强度有关，那么温差也跟分子运动强度有关。

接下来考虑NP单元的温差问题。与NP单元电极有主要接触的是两个绝缘体（陶瓷）表面。分子运动无

时无刻不在发生，与电极接触的陶瓷表面也是如此，从而即有分子与电极“摩擦”（碰撞）的机会——是否

想起了摩擦起电的课堂实验？对于正电极，外部分子在与其接触时，会因正电极“严重”缺少电子而导致

其外层活泼（不稳定）电子被强行脱离下来并进入电流回路。（此外，也有少许的空间游离电子闯入到电流

回路中，但影响应该不大）。由于电子的脱离，导致分子动能减小，陶瓷表面众多分子的整个表现是温度下

降——即吸热现象发生。

在电流回路的作用下，这些运动强烈的电子（带有动能）会被吸送到N型半导体，接着到N型半导体的

正电极一端，最后流入外部电源的正极。

在下雪的季节 电子流入外部电源正极前，也会与N型半导体电极的端面时刻发生着碰撞，从而流失部分能量到陶

瓷面——少许的热量消散，即少量放热。

在经外部电源后，电子被泵入到电子富集区（负极线路上），但在P型半导体内部却遇到了瓶颈——电

子空穴有限（电子通道狭窄），且又受到了负电场的排斥。总的来说，就是电子在穿跃类PN结时受到了阻

碍。最终的结果是，电子的在P型半导体的负电极上不断与陶瓷面发生碰撞，即能量交换在此强烈、不断地

进行——大量的放热现象发生。

综上，即说通了制冷片产生温差的问题。同时，由于外部热运动分子介入电流回路——等效于在外部

空间形成了电流支路，确实是对原电流回路产生了影响，而不是仅因类PN结动漫头像霸气 的“单向选择性变弱”引起的

制冷片的电流消耗较大。至于类PN结的单向选择性的强弱变弱的问题，已与制冷片工作原理直接关联，在

此不再深入说明。

结合以上分析，P型半导体、N型半导体的在下图所示的场景——即NP单元中，似乎N型半导体起不到

什么作用。但从材料的导热性（热导率，也有说导执率）上来说，半导体在10以下，而普通金属均在几十

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以上。也就是说，如果将N型半导体换成普通金属，就会导致热端温度很快传递到冷端，从而导致制冷效

率下降，甚至无效。若使用P型半导体，则会造成冷、热端反转，从而也失去制冷功能。若使用本征半导体

（即无掺杂的半导体），则会因其导电性能差（几乎没有自由电子或空穴）而造成制冷效果不佳。

由此，也算是自圆其说地说通了半导体制冷片制冷的原理。

如有条件的朋友也可以帮忙验证下，或知道真实原理的帮忙纠正并分享下，谢谢！

e

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形成

内电场

+

-

电极

P

e

-

e

-

N

其它NP模组

e

-

e

-

半导体材料

注：图中，绿色的⊕、⊝均表示固定的原子，⊕表示掺杂了低价拜年吉祥话 材料，⊝表示掺杂了高价材料。“+”

电子空穴或缺少电子，即显正电性；“-”自由电子，即显负电性。表示从外部脱离下来的或被外部“拐

跑”的电子。

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