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【转】半导体材料的第二热电效应、第三热电效应

菜鸟
2020-07-14 16:42:18    评分

制造芯片所用的是一种半导体材料,叫作“硅”。它的来源特别广,最主要的来源是一些沙子和碎石,也可以说 芯片是用沙子“变”来的。当然,把沙子变成芯片靠的不是点石成金,更不是掐诀念咒,而是一套非常复杂的设计和加工过程。

沙子的主要成分是 二氧化硅,制造芯片需要把沙子熔化,通过化学反应将其变成硅单质,做成单晶硅的“柱子”,然后像切黄瓜一样把柱子切成硅片。“芯片”就是以这个硅片为基底,通过蒸发、溅射、化学气相淀积等一系列方法在硅片的表面生成出一层薄膜,然后把这一层薄膜刻成我们需要的图形。

所以我们需要的 电学器件、电路实际上是通过一层一层膜的图形化来实现的,这个过程是在一个平面上进行加工,叫作“ 平面加工工艺”。这有点像我们摊煎饼,会在衬底上先刷一层酱,再刷一层辣椒,再撒葱花,再放薄脆。芯片加工的过程主要就是反复生成薄膜,进行图形化的过程。

芯片图案里面的连线非常细,几纳米或者十几纳米。制作芯片的成本非常高,有时候 做一批芯片可能需要花费几千万甚至上亿人民币,但可以一次做很多硅片,每张硅片又可以做成很多个小芯片,平均下来一个芯片可能只要几块钱、几十块钱。为什么要做小?第一是为了 微型化,手机需要做小;第二是为了 降低成本,做得越小,一次做出来的数量越多,成本就越低。

什么是半导体

芯片的设计、加工方法、封装测试等方面都需要大量的研究,研究芯片的行业被称为“ 半导体行业”。有的人一听,会误以为这个行业是制造收音机的,因为用半导体材料制造的收音机曾经很流行。实际上 半导体这类材料不仅能用来做收音机,其更大的贡献在于制作芯片。

人们可能对“导体”这个词很熟悉,像铜、铁这种具有较好导电特性的材料就被称为“ 导体”,而像陶瓷、橡胶这种导电性能极差的材料被称为“ 绝缘体”。 导体之所以能导电,是因为里面包含了大量能够自由移动的“导电粒子”,称为“ 载流子”。拿金属来说,金属原子的原子核能力有限,而原子最外层的电子特别活泼,原子核“管不住”,就成了“自由电子”。金属包括大量的自由电子,所以能够导电。而陶瓷中的自由电子极少,几乎不能导电。

顾名思义,“半导体”就是导电性能介于“导体”和“绝缘体”之间的材料,可以说是“两边倒”。尤其是掺入一些杂质之后的半导体材料,会有一定的导电性,但却是可以被“操控”的。所以由半导体材料做出来的器件,在某些条件下能够导电,而在另一些条件下不能导电, 具有“让你导电你就导电,让你不导电你就不导电”的特点。这样就可以做出来具有“开关”的电子元件,而在电子设备中通常用1和0这种开关的通断来表示,再用1和0组成二进制的数字进行运算和存储,表达各种信息,芯片就是利用这样的原理做出来的。

不过,半导体不仅能用来做芯片,还能用来做“炒酸奶”。

如何自制炒酸奶

怎么用半导体做“炒酸奶”?当然不是把半导体材料作为食材,而是作为加工工具。所谓的“炒酸奶”是 用一个能够制冷的铁板,把酸奶倒入锅中,搅和至片状。这个锅之所以能制冷,用的就是“ 半导体制冷片”,其中的原理叫作“第二热电效应”。

第二热电效应也叫“ 珀耳帖效应”,这个效应是说 把两种不同的导电材料串联在一起,通电之后,两个接头分别出现吸热和放热的现象。我们常用的“半导体制冷片”就是把两种掺杂不同杂质的半导体材料相串联,通电之后一端放热,而另一端吸热制冷,形成“ 热泵”。

可能有人会说,既然这叫“第二热电效应”,那就肯定有“ 第一热电效应”呀。确实,第一热电效应又叫“ 塞贝克效应”,它与第二热电效应的过程正好相反——如果两种导体或者半导体组成一个回路,两端接触点的温度不同(比如把两个端头分别放在冷水和热水中),就会产生电流,也会有相应的电压。利用这种现象,就 可以把温度信号转化成电信号来测量温度,所谓“ 温差发电机”利用的就是这个原理。

其实还有“ 第三热电效应”(也叫“ 汤姆逊效应”),说的是一个导体或半导体,如果两端有温差并且有电流通过的话,就会吸热或者放热(除了电阻产热以外)。

“炒酸奶”的机器和一些车载冰箱利用的都是“第二热电效应”。其实你从网上买个半导体制冷片,放在平底锅或者铁板下进行改造,没准就能自制炒酸奶的机器。要是在半导体制冷片上再加一个塑料泡沫箱子,还能自制一个简易冰箱。不过自制的时候要特别注意用电安全哦。

如此说来,手机、沙子和炒酸奶的共同之处就在于,都和半导体材料有着“纠缠不清”的关系。


来源:我是科学家iScientist ,作者:张宇识


助工
2020-07-14 18:49:36    评分
2楼

谢谢分享


助工
2020-07-14 18:57:29    评分
3楼

感谢分享


助工
2020-07-14 19:00:05    评分
4楼

了解一下


助工
2020-07-14 19:06:06    评分
5楼

感谢楼主分享


助工
2020-07-15 15:11:37    评分
6楼

很不错的分享


助工
2020-07-15 15:28:29    评分
7楼

学到了


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