五、詳細解說P型/N型半導體
根據(jù)物體導電能力（電阻率）的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體，半導體的電阻率為10-3～10-9 W·cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。
制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。而化學成分純凈的半導體我們稱之為本征半導體。
硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。
(a) 硅晶體的空間排列 (b) 共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖
當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。
自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴?？梢娨驘峒ぐl(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合。本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。
本征激發(fā)和復合的過程
1．N型半導體
在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。
因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導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雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。
N型半導體
2．P型半導體
在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。
因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一空穴。P型半導體中空穴是多數(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)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。
P型半導體
3．PN結(jié)
在一塊本征半導體的兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結(jié)合面上形成如下物理過程：
因濃度差
↓
多子的擴散運動?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)電場阻止多子擴散
最后，多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。在P型半導體和N型半導體的結(jié)合面兩側(cè)，留下離子薄層，這個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)。
PN結(jié)加正向電壓時的導電情況如圖所示
外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是，內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響。而實際上電子在通過電場后勢能產(chǎn)生變化，能量轉(zhuǎn)換為各種形勢的表現(xiàn)，而熱量的吸收與散發(fā)都是其表現(xiàn)的一個方面。而半導體制冷片的工作原理實際上就是通過定向電流將熱能定向搬運的過程。
總結(jié)：
通過上述大家應(yīng)該已經(jīng)比較清晰的了解了半導體的制冷過程以及原理，實際上也并非很玄乎的東西，畢竟其現(xiàn)象早在19世紀就已經(jīng)被人發(fā)現(xiàn)。但是要將理論用到成品生產(chǎn)供人使用卻不是一件簡單的事情，其中涉及到材料科學等更為多樣化的專業(yè)知識。在應(yīng)用于CPU散熱器的設(shè)計中，制冷片還要應(yīng)付更多的問題，譬如溫控、除濕等。隨著技術(shù)的成熟，半導體制冷還是很有前途的，只是目前的應(yīng)用似乎有點超前了。
