¿Cómo funciona la refrigeración por semiconductores?

La refrigeración por semiconductores también se llama refrigeración termoeléctrica o refrigeración termoeléctrica. Es una dirección para el desarrollo de la tecnología de refrigeración de refrigeradores en el futuro. La refrigeración por semiconductores utiliza materiales semiconductores especiales para fabricar dispositivos de refrigeración, que se refrigeran directamente después de encenderse, de ahí el nombre de refrigeración por semiconductores.

Utilice dos metales diferentes para formar un par de termopares. Cuando la corriente continua pasa a través del termopar, se producirán fenómenos endotérmicos y exotérmicos en diferentes nodos del termopar. Este fenómeno se llama efecto Peltier.

El par galvánico del frigorífico semiconductor fabricado mediante efecto Peltier está compuesto por un semiconductor especial de tipo N y tipo P. Los semiconductores de tipo N dependen de los electrones para conducir la electricidad, mientras que los semiconductores de tipo P dependen de los llamados "agujeros" para conducir la electricidad.

Ya sean electrones libres en los semiconductores de tipo N o huecos en los semiconductores de tipo P, todos participan en la conducción y se denominan colectivamente "portadores". El fenómeno de la conducción por "portadores" es único en los semiconductores.

El principio de la refrigeración de semiconductores es soldar un semiconductor tipo P y un semiconductor tipo N con piezas de conexión de cobre para formar un par galvánico, como se muestra en la Figura 2-7. Cuando la corriente continua fluye desde el semiconductor tipo N al semiconductor tipo P, se produce absorción de calor en las piezas de conexión de cobre en los extremos 2 y 3. Este extremo se denomina extremo frío mientras que la liberación de calor se produce en las piezas de conexión de cobre en; termina 1 y 4. Este extremo se llama extremo caliente. Si se invierte la dirección de la corriente, se intercambiarán los extremos frío y caliente.

Figura 2-7 El principio de funcionamiento del par galvánico del refrigerador semiconductor

Cuando pasa una cierta cantidad de corriente continua a través del dispositivo de refrigeración, el extremo frío se enfriará gradualmente y las uniones Aparecerá escarcha; mientras que la temperatura del extremo caliente aumenta gradualmente y libera calor al ambiente circundante. La magnitud de la energía potencial de los portadores en metales y semiconductores es diferente, por lo que cuando los portadores fluyen a través de un nodo, inevitablemente se transferirá energía. Cuando la polaridad de la corriente es como se muestra en la Figura 2-7, los electrones comienzan desde el electrodo negativo de la fuente de alimentación y pasan a través del nodo de lámina metálica 4-nodo semiconductor tipo P 3-nodo de lámina metálica 2- Chip de metal de 1 nodo semiconductor tipo N, regresa al terminal positivo de la fuente de alimentación. Dado que la mitad izquierda es un semiconductor tipo P, el método de conducción es de tipo hueco y la dirección del flujo de los huecos es opuesta a la dirección del flujo de los electrones. Por lo tanto, el orificio va desde la pieza de metal - nodo 3 - semiconductor tipo P - nodo 4 - pieza de metal, y regresa al electrodo negativo de la fuente de alimentación.

La energía de los agujeros en los metales es menor que la energía de los agujeros en los semiconductores tipo P: cuando los agujeros viajan desde la lámina de metal a través del nodo 3 hasta el semiconductor tipo P bajo la acción de un campo eléctrico, deben agregar una parte de la energía, pero el orificio en sí no puede aumentar la energía. Solo puede absorber energía de la lámina de metal y convertir esta parte de la energía térmica en energía potencial del orificio. El nodo 3 se enfría. Cuando los agujeros fluyen hacia la lámina de metal a lo largo del semiconductor tipo P que conduce al nodo 4, dado que la energía de los agujeros en el semiconductor tipo P es mayor que la energía de los agujeros en el metal, el exceso de energía potencial se libera en forma de calor. energía, por lo que la unión El metal en el punto 4 se calienta.

La mitad derecha de la Figura 2-7 es la conexión entre el semiconductor tipo N y el metal, que conduce la electricidad mediante electrones libres, y la energía potencial de los electrones en el metal es menor que la energía potencial de los electrones en Semiconductor tipo N. Bajo la acción del campo eléctrico, cuando los electrones pasan del metal al semiconductor tipo N a través del nodo 2, deben aumentar su energía potencial. Esta parte de la energía potencial solo puede obtenerse de la energía térmica de la lámina metálica. provocando así que la lámina de metal en el nodo 2 se "enfríe". Cuando los electrones fluyen desde el semiconductor tipo N a la lámina de metal a través del nodo 1, debido a que los electrones fluyen desde un lugar con mayor energía potencial a un lugar con menor energía potencial, el exceso de energía potencial se libera y se convierte en energía térmica, haciendo que el nodo 1 La pieza metálica se calienta, de modo que la pieza metálica superior se enfría y se convierte en el extremo frío, mientras que las dos piezas de conexión inferiores liberan calor y se convierten en el extremo caliente;

Cuando se invierten las polaridades positiva y negativa de la fuente de alimentación, los extremos frío y caliente se intercambiarán porque la dirección del flujo de electrones y huecos será opuesta a la anterior.

En resumen, la absorción y liberación de calor de la refrigeración de semiconductores es causada por el cambio de energía potencial cuando los portadores (electrones y huecos) fluyen a través del nodo. Esta es la transferencia de energía en los semiconductores. naturaleza de la refrigeración.

Dado que el efecto termoeléctrico producido por un par galvánico es pequeño (generalmente alrededor de 1.163W, dependiendo del tamaño del componente), en la aplicación real, se conectan en serie decenas de pares galvánicos poniendo los extremos fríos. juntos y los extremos calientes juntos se llama termopila. La termopila y el intercambiador de calor están conectados mediante soldadura para formar un refrigerador semiconductor, como se muestra en la Figura 2-8. Se caracteriza por una alta fuerza de unión y una pequeña resistencia térmica de contacto, y es adecuado para situaciones con alta densidad de flujo de calor.

Para mantener el aislamiento eléctrico, se utiliza material cerámico metalizado para aislar la termopila y el intercambiador de calor.

Figura 2-8 Termopila de un refrigerador semiconductor

La mayoría de los materiales semiconductores de refrigeración que se utilizan actualmente en mi país son aleaciones ternarias de solución sólida basadas en telururo de bismuto, en las que el material tipo P es Bi2Te3-Sb2Te3; el material tipo N es Bi2Te3-Bi2Se3. Debido a las limitaciones en el rendimiento de los materiales semiconductores, la eficiencia actual de la refrigeración de semiconductores es menor que la de la compresión general y el consumo de energía es aproximadamente el doble. Sin embargo, en el caso de una pequeña energía de decenas de vatios, dado que la eficiencia de los refrigeradores semiconductores no tiene nada que ver con la cantidad de energía, los micro y pequeños dispositivos de refrigeración son más económicos que los de compresión. Además, dado que el refrigerador semiconductor debe utilizar una fuente de alimentación de CC y es costoso, su aplicación está sujeta a ciertas restricciones.