半導(dǎo)體制冷概述
　　半導(dǎo)體制冷又稱溫差電制冷。熱電效應(yīng)比較顯著、半導(dǎo)體制冷效率比較高的半導(dǎo)體材料，在通過(guò)直流電時(shí)具有制冷功能，因此又稱為半導(dǎo)體制冷。半導(dǎo)體制冷器是由半導(dǎo)體所組成的一種制冷裝置，于1960年左右出現(xiàn)，其理論基礎(chǔ)可追溯到19世紀(jì)。
　　半導(dǎo)體制冷建立在熱電效應(yīng)的基礎(chǔ)上，總的熱電效應(yīng)由同時(shí)發(fā)生的五種不同效應(yīng)組成，其中塞貝克、帕爾帖和湯姆遜效應(yīng)表明熱和電能相互轉(zhuǎn)換是直接可逆的，焦耳效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)是熱的不可逆效應(yīng)。
　　1.塞貝克效應(yīng)
　　1821年，塞貝克發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種不同的金屬1和2組成一個(gè)閉合回路時(shí)，如果在兩金屬的接頭處溫度T1、T2不相等，則在閉合回路中將產(chǎn)生電流，其溫差電動(dòng)勢(shì)E與兩接頭的溫差ΔT和金屬的溫差電動(dòng)勢(shì)率α滿足下列關(guān)系，E=αΔT，這就是塞貝克效應(yīng)。
　　2.帕爾帖效應(yīng)
　　法國(guó)物理學(xué)家帕爾帖在1834年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有外加直流電流流過(guò)由兩種不同金屬組成的閉合回路時(shí)，在兩接頭之一會(huì)有熱量Q的吸收，而在另一接頭上會(huì)有熱量Q的放出。這種吸收或放出的熱量稱為帕爾帖熱。
　　接通電源之后，冷端的熱量被移到熱端，冷端溫度降低，熱端溫度升高，這就是著名的帕爾帖效應(yīng)。這個(gè)現(xiàn)象直到近代隨著半導(dǎo)體的發(fā)展才有了實(shí)際的應(yīng)用，也就是半導(dǎo)體制冷器的發(fā)明。
　　3.湯姆遜效應(yīng)
　　帕爾帖效應(yīng)發(fā)現(xiàn)數(shù)十年后，湯姆遜發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流流過(guò)有溫度梯度ΔT/ΔX的導(dǎo)體時(shí)，除了產(chǎn)生與電阻有關(guān)的焦耳熱外，還要吸收或放出熱量Q，這就是湯姆遜效應(yīng)。Q稱為湯姆遜熱量，由干在半導(dǎo)體中這種效應(yīng)較弱，可以忽略不計(jì)。
　　4.焦耳效應(yīng)
　　單位時(shí)間內(nèi)由穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于導(dǎo)體電阻和電流平方的乘積：
　　式中QJ是由焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量，簡(jiǎn)稱焦耳熱;I是通過(guò)導(dǎo)體的電流;R是導(dǎo)體的電阻;ρ是導(dǎo)體的電阻率;l是導(dǎo)體長(zhǎng)度;S是導(dǎo)體截面積。
　　5.傅立葉效應(yīng)
　　單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)均勻介質(zhì)沿某一方向傳導(dǎo)的熱量與垂直這個(gè)方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。
　　式中：k、K分別是導(dǎo)體的熱導(dǎo)率和總熱導(dǎo);Th是熱端絕對(duì)溫度;Tc是冷端絕對(duì)溫度。
　　由此可見(jiàn)，半導(dǎo)體制冷雖是以上五種效應(yīng)共同作用的結(jié)果，但起主要作用的還是帕爾帖效應(yīng)。
　二半導(dǎo)體制冷器的結(jié)構(gòu)
　　半導(dǎo)體制冷器是隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展而逐步發(fā)展起來(lái)的。
　　半導(dǎo)體制冷器由許多N型和P型半導(dǎo)體顆粒互相排列而成，而N、P結(jié)之間以一般的導(dǎo)體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導(dǎo)體，最后由上下兩片陶瓷片夾起來(lái)，陶瓷片必須絕緣且導(dǎo)熱良好。
　　半導(dǎo)體制冷材料不僅需要具備N(xiāo)型和P型半導(dǎo)體特性，還要根據(jù)需要摻入雜質(zhì)來(lái)改變半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)率、導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率，從而使這種特殊半導(dǎo)體能作為制冷的材料。目前國(guó)內(nèi)常用材料是以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是Bi2Te3-Sb2Te3，N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔法提取晶體材料。
　　三半導(dǎo)體制冷的應(yīng)用
　　由于半導(dǎo)體制冷技術(shù)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此在科研、軍事、航空、醫(yī)療等部門(mén)具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　1.熱電空調(diào)器
　　半導(dǎo)體空調(diào)器特點(diǎn)是不用制冷劑、噪音低，改變直流電流方向可以從制冷轉(zhuǎn)到加熱工況運(yùn)行，因此適用于特殊環(huán)境的空調(diào)，如不允許制冷劑泄漏的潛水艇、電子通訊車(chē)等。
　　2.熱電恒溫器
　　采用半導(dǎo)體制冷的恒溫器，其特點(diǎn)是容量小、溫度控制精度高，可在要求較高的儀表和實(shí)驗(yàn)裝置中應(yīng)用。如作為半導(dǎo)體熱電堆測(cè)量基準(zhǔn)的半導(dǎo)體零點(diǎn)儀、半導(dǎo)體恒溫水浴等，溫度控制精度可達(dá)0.01K。
　　3.半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)
　　采用半導(dǎo)體制冷的飲水機(jī)，其特點(diǎn)是不用制冷劑，制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于不允許制冷劑泄漏，要求制冷器重量輕、尺寸小的各種場(chǎng)合使用，如波音飛機(jī)中就使用半導(dǎo)體制冷飲水機(jī)。
　　4.醫(yī)用半導(dǎo)體制冷器
　　采用半導(dǎo)體制冷的醫(yī)療器械，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便。如冷凍切片機(jī)、冷凍麻醉褥、白內(nèi)障摘除器、皮膚病冷療器等。
　　5.熱電除濕機(jī)
　　采用半導(dǎo)體制冷的空氣除濕機(jī)，不用制冷劑，噪音低，適用于特殊環(huán)境的除濕。如軍事倉(cāng)庫(kù)，要求低噪音的潛水艇及不允許制冷劑泄漏的水下高壓艙等。
　　6.熱電熱泵
　　采用半導(dǎo)體制冷的熱泵，其特點(diǎn)是熱慣性小、工況轉(zhuǎn)換方便。一般的半導(dǎo)體空調(diào)器或半導(dǎo)體恒溫器均可按照熱泵工況運(yùn)行。
　　半導(dǎo)體制冷技術(shù)正在飛速的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)也有進(jìn)展，已經(jīng)研制出雙內(nèi)循環(huán)儲(chǔ)冷式半導(dǎo)體交換器，它與半導(dǎo)體能源組件、散熱系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。這種交換器可以方便應(yīng)用于冰箱、空調(diào)器等制冷產(chǎn)品中，是取代機(jī)械壓縮泵和氟里昂制冷劑的綠色環(huán)保產(chǎn)品。此項(xiàng)技術(shù)在大功率半導(dǎo)體制冷復(fù)合技術(shù)方面在國(guó)內(nèi)應(yīng)屬領(lǐng)先水平。而在半導(dǎo)體制熱效率應(yīng)用方面則率先開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。