综合实践活动——研究半导体冰箱和家用冰箱的区别

【任务与要求】研究两种冰箱的制冷原理，了解相关的应用。

【设计与实施】

任务一：研究家用冰箱的制冷原理，同学们发现家用冰箱通过制冷剂在冰箱内汽化吸热，再通过冰箱外的压缩机使其液化放热，实现持续循环工作。

任务二：了解半导体冰箱的制冷原理。如图甲，直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点A、B产生吸热或放热的现象，称为帕尔贴效应。研究表明，电流方向决定了热量传输方向，单位时间的发热量或制冷量Q的多少与电流I的大小成正比，即 ， 其中称为“帕尔贴系数”，吸热时为正值，放热时为负值。这一现象在半导体发现后才得以广泛使用，工程师设计出如图乙的传热装置，将P型、N型半导体与铜片及铜导线连成一个回路，通电后，连接P型和N型半导体上端铜片变冷，下端变热；为了取得更好的制冷或制热效果，实际制冷或制热设备是把多对PN型半导体按图丙连接起来。

【交流与评价】两种制冷设备的比较

半导体材料的应用

自然界的物质和材料千千万万，如果按导电能力划分，可以将所有的物质分为导体、半导体和绝缘体三种。其中半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其电阻率在1mΩ•cm~1GΩ•cm之间（电阻率：某种物质所制成的元件（常温下20℃）的电阻与横截面积的乘积与长度的比值）。半导体材料在生产生活中的应用极大地提高了生产效率，降低了生产成本。同时促进了工业、农业、商业、科技、教育、卫生以及生物工程、航空航天等各个领域的全面发展。

半导体材料的光生伏特效应是太阳能电池运行的基本原理。判断太阳能电池优劣的主要标准是光电转化率，光电转化率越高，说明太阳能电池的工作效率越高。根据应用的半导体材料的不同，太阳能电池分为晶体硅太阳能电池、薄膜电池以及III-V族化合物电池。晶体硅太阳能电池主要用到的半导体材料是晶体硅，它是目前世界上半导体材料在光伏产业中最成熟的主导产品。薄膜电池相比于晶体硅更能降低生产成本，其中非晶硅（a-Si）电池是最早实现商品化的薄膜电池。III-V族化合物电池的抗辐射性能好，转化效率高，这种太阳能电池主要用到GaAs材料。

LED是建立在半导体晶体管上的半导体发光二极管，采用LED技术的半导体光源体积小，可以实现平面封装，工作时发热量低、节能高效，产品寿命长、反应速度快，而且绿色环保无污染，还能开发成轻薄短小的产品，一经问世，就迅速普及，成为新一代的优质照明光源，目前已经广泛地运用在如交通指示灯、电子产品的背光源、城市夜景美化光源、室内照明等各个领域。

SiC击穿电压强度高，禁带宽度宽，热导性高，因此SiC半导体器件十分适合应用在功率密度和开关频率高的场合，电源转换装置就是其中之一。另外，SiC元件在高温、高压、高频条件下的优异表现使其现在被广泛使用到深井钻探，发电装置中的逆变器、电气混动汽车的能量转化器、轻轨列车牵引动力转换等领域。由于SiC本身的优势以及现阶段行业对于轻量化、高转换效率的半导体材料的需要，SiC有望取代Si，成为应用最广泛的半导体材料。