Hình dưới đây mô tả hiệu ứng Peltier đối với cấu trúc đơn giản nhất của vật liệu bán dẫn là các phần tử nhỏ (pellet) N và P, hai đầu của phần tử này được hàn chất dẫn điện khác loại là đồng để nối với nguồn:
Hình 2.5. Hiệu ứng Peltier đối với bán dẫn loại N
Một đặc điểm quan trọng là nhiệt độ được truyền (hay được bơm) theo chiều của các hạt mang điện chính chạy trong mạch – đó cũng chính là các hạt chuyển tải nhiệt. Ví dụ ở hình trên, nhiệt được truyền theo chiều của electron (hạt mang điện chính của bán dẫn loại N) từ dưới lên trên. Ở hình dưới, nhiệt được truyền theo chiều của các lỗ trống (hạt mang điện chủ yếu của bán dẫn loại P) từ trên xuống dưới. Như vậy, nhiệt được chuyển tải của hai loại bán dẫn theo hai chiều ngược nhau.
Trên thực tế, muốn tăng khả năng chuyển tải nhiệt ta cần kết hợp nhiều các phần tử nhỏ (pellets) theo cách mắc song song hoặc nối tiếp. Tuy nhiên, dòng qua mỗi phần tử trên là tương đối lớn trong khi ta chỉ đặt một điện thế nhỏ ở hai đầu. Ví dụ, chỉ cần nối với thế 60mV dòng qua hai phần tử của thiết bị TE (Thermoelectric - nhiệt điện) có thể lên tới 5A. Vì vậy theo cách mắc song song, nếu ta mắc 10 phần tử thì chỉ với 60mV dòng tổng qua thiết bị đã là 50A, nếu là 100 phần tử thì dòng khoảng 500A, điều này là không khả dĩ. Có hai cách khắc phục bằng việc mắc nối tiếp các phần tử cùng loại hoặc khác loại như hình dưới dây:
Cách thứ nhất: mắc nối tiếp các phần tử cùng loại
Hình 2.7. Cách mắc nối tiếp các phần tử N
Cách này về mặt lý thuyết thì có thể hoạt động, nhưng thực tế do yêu cầu các mặt làm nóng hay lạnh về cùng một phía mà cách nối dây các phần tử như trên giảm đáng kể hiệu quả chuyển tải nhiệt của thiết bị. Vì vậy, người ta dùng cách mắc thứ hai dưới đây.
Cách thứ hai: mắc nối tiếp các phần tử khác loại
Hình 2.8. Cách nối các phần tử N-P nối tiếp
Với cách nối khoảng 254 phần tử N-P (hình 11) như trên, có thể chịu được tải 4- 5A với hiệu điện thế đầu vào từ 12-16V. Để giữ các phần tử này cố định người ta thường gắn các phần tử của một mặt tấm sứ là một vật liệu cách điện nhưng dẫn nhiệt tốt. Hình dưới là cấu tạo chung của thiết bị nhiệt điện Peltier trên thực tế, bên cạnh đó người ta thường lắp thêm quạt tản nhiệt, hoặc tấm kim loại dẫn nhiệt khác. Và chúng ta sẽ sử dụng thiết bị này cho mục đích điều khiển nhiệt độ.
Với cách mắc các phần tử P-N như trên, thiết bị TE hoạt động không giống với diode. Đối với diode, một miền phân cực được hình thành ở lớp tiếp giáp PN.
Khi diode phân cực thuận thì miền phân cực cho dòng chạy qua nếu hiệu điện thế lớn hơn thế ngưỡng (khoảng 0.6-0.7V), diode dẫn điện.
Khi diode phân cực ngược, miền phân cực này không cho dòng chạy qua, diode cách điện.
Nhưng với tiếp giáp bằng kim loại giữa hai vật liệu bán dẫn PN của thiết bị PE, không có vùng phân cực được tạo ra, và cũng không có thế phân cực, do đó dòng điện có thể chạy qua thiết bị theo hai chiều thuận và nghịch.
Hình 2.9. Cấu tạo của thiết bị TE trên thực tế
Ưu điểm của các thiết bị TE:
- Có thể điều khiển nhiệt độ theo hai chiều làm nóng và làm lạnh nhờ việc thay đổi chiều dòng điện.
- Điều chỉnh nhiệt độ dễ dàng bằng cách thay đổi dòng hoặc thế. - Tốc độ gia nhiệt nhanh 4-5oC/s hoặc có thể lớn hơn.
- Nhỏ gọn, dễ dàng vận chuyển hoặc thay thế.
- Độ bền cao, có thể tắt bật nhiều lần ở tần số cao. Thời gian hoạt động ổn định có thể lớn hơn 100.000 giờ.
- Có tính chất hai chiều tức là có thể chuyển năng lượng điện thành năng lượng nhiệt theo hiệu ứng Peltier, ngược lại cũng có khả năng chuyển sự chênh lệch nhiệt độ thành năng lượng điện theo hiệu ứng Seebeck.