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四、难点解析

1．为什么要使用半导体材料？

　　所谓热电偶就是一对不同元素的金属导体，在实际使用的时候其制冷效率并不高。本世纪五十年代，苏联科学院半导体研究所约飞院士对半导体进行了大量研究，于一九五四年发表了研究成果，表明碲化铋化合物固溶体有良好的制冷效果，这是最早的也是最重要的热电半导体材料，至今还是温差制冷中半导体材料的一种主要成份。约飞的理论得到实践应用后，有众多的学者进行研究到六十年代半导体制冷材料的优值系数，才达到相当水平，得到大规模的应用，也就是我们现在的半导体制冷片件。

2．电能是如何“搬运”热量的？

　　不少朋友在看过评测后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。

五、详细解说P型/N型半导体

　　根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体，半导体的电阻率为10-3～10-9 W·cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

　　制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。而化学成分纯净的半导体我们称之为本征半导体。

　　硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。

(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图

　　当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。

　　自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

本征激发和复合的过程