半導(dǎo)體制冷器具有無噪聲、無振動、不需制冷劑、體積小、重量輕等特點(diǎn)，且工作可靠，操作簡便，易于進(jìn)行冷量調(diào)節(jié)。但它的制冷系數(shù)較小，電耗量相對較大，故它主要用于耗冷量小和占地空間小的場合，如電子設(shè)備和無線電通信設(shè)備中某些元件的冷卻;有的也用于家用冰箱，但不經(jīng)濟(jì)。半導(dǎo)體制冷器還可做成零點(diǎn)儀，用來保證熱電偶測溫中的零點(diǎn)溫度。

　　半導(dǎo)體制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理，該效應(yīng)是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發(fā)現(xiàn)的，即利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度I[A]成正比，且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān)，即： Qab=Iπabπab稱做導(dǎo)體A和B之間的相對帕爾帖系數(shù) ，單位為[V], πab為正值時，表示吸熱，反之為放熱，由于吸放熱是可逆的，所以πab=-πab帕爾帖系數(shù)的大小取決于構(gòu)成閉合回路的材料的性質(zhì)和接點(diǎn)溫度，其數(shù)值可以由賽貝克系數(shù)αab[V.K-1]和接頭處的絕對溫度T[K]得出πab=αabT與塞貝克效應(yīng)相，帕爾帖系也具有加和性，即：Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I因此絕對帕爾帖系數(shù)有πab=πa- πb金屬材料的帕爾帖效應(yīng)比較微弱，而半導(dǎo)體材料則要強(qiáng)得多，因而得到實(shí)際應(yīng)用的溫差電制冷器件都是由半導(dǎo)體材料制成的。制冷材料AVIoffe和AFIoffe指出，在同族元素或同種類型的化合物質(zhì)間，晶格熱導(dǎo)率Kp隨著平均原子量A的增長呈下降趨勢。RWKeyes通過實(shí)驗(yàn)推斷出，KpT近似于Tm3/2ρ2/3A-7/6成比例，即近似與原子量A成正比，因此通常應(yīng)選取由重元素組成的化合物作為半導(dǎo)體制冷材料。半導(dǎo)體制冷材料的另一個巨大發(fā)展是1956年由AFIoffe等提出的固溶體理論，即利用同晶化合物形成類質(zhì)同晶的固溶體。固溶體中摻入同晶化合物引入的等價置換原子產(chǎn)生的短程畸變，使得聲子散射增加，從而降低了晶格導(dǎo)熱率，而對載流子遷移率的影響卻很小，因此使得優(yōu)值系數(shù)增大。例如50%Bi2Te3-50%Bi2Se3固溶體與Bi2Te3相比較，其熱導(dǎo)率降低33%，而遷移率僅稍有增加，因而優(yōu)值系數(shù)將提高50%到一倍。Ag(1-x)Cu(x)Ti Te、Bi-Sb合金和YBaCuO超導(dǎo)材料等曾經(jīng)成為半導(dǎo)體制冷學(xué)者的研究對象，并通過實(shí)驗(yàn)證明可以成為較好的低溫制冷材料。下面將分別介紹這幾種熱電性能較好的半導(dǎo)體制冷材料。二元固溶體，無論是P型還是N型，晶格熱導(dǎo)率均比Bi2Te3有較大降低，但N型材料的優(yōu)值系數(shù)卻提高很小，這可能是因?yàn)樵贐i2Te3中引入Bi2Se3時，隨著Bi2Se3摩爾含量的不同呈現(xiàn)出兩種不同的導(dǎo)電特性，勢必會使兩種特性都不會很強(qiáng)，通過合適的摻雜雖可以增強(qiáng)材料的導(dǎo)電特性，提高材料的優(yōu)值系數(shù)，但歸根結(jié)底還是應(yīng)該在本題物質(zhì)上有所突破。

　　一、半導(dǎo)體制冷器件大致可以分為四類

　　(1)用于冷卻某一對象或者對某個特定對象進(jìn)行散熱，這種情況大量出現(xiàn)在電子工業(yè)領(lǐng)域中;

　　(2)用于恒溫，小到對個別電子器件維持恒溫，大到如制造恒溫槽，空調(diào)器等;

　　(3)制造成套儀器設(shè)備，如環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱，小型冰箱，各種熱物性測試儀器等;

　　(4)民用產(chǎn)品，冷藏烘烤兩用箱，冷暖風(fēng)機(jī)等。

　　二、應(yīng)用

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　對紅外探測器，激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。比如，德國Micropelt公司的半導(dǎo)體制冷器體積非常小，只有1個平方毫米，可以和激光器一起使用TO封裝。

　　農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

　　溫室里面過高或過低的溫度，都將導(dǎo)致秧苗壞死，尤其部分名貴植物對環(huán)境更加敏感，迫切需要將適宜的溫度檢測及控制系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。

　　醫(yī)療領(lǐng)域

　　半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用更為廣泛。如：用于蛋白質(zhì)功能研究、基因擴(kuò)增的高檔PCR儀、電泳儀及一些智能精確溫控的恒溫儀培養(yǎng)箱等;用于開發(fā)具有特殊溫度平臺的掃描探針顯微鏡等。

　　激光領(lǐng)域

　　激光技術(shù)用美容儀器，微型零件加工等，其在工作中都產(chǎn)生局部熱，通過半導(dǎo)體制冷器，采用水冷或微型制冷器冷卻。

　　裝置方面

　　如實(shí)驗(yàn)用的顯微鏡攝像頭，冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實(shí)驗(yàn)儀片

　　在日常生活

　　空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機(jī)、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外，還有其它方面的應(yīng)用，這里就不一一提了

　　三、優(yōu)點(diǎn)

　　半導(dǎo)體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm小的制冷器;重量輕，微型制冷器往往能夠小到只有幾克或幾十克。無機(jī)械傳動部分，工作中無噪音，無液、氣工作介質(zhì)，因而不污染環(huán)境，制冷參數(shù)不受空間方向以及重力影響，在大的機(jī)械過載條件下，能夠正常地工作;通過調(diào)節(jié)工作電流的大小，可方便調(diào)節(jié)制冷速率;通過切換電流方向，可使制冷器從制冷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹茻峁ぷ鳡顟B(tài);作用速度快，使用壽命長，且易于控制。

　　四、其它相關(guān)

　　工作原理

　　半導(dǎo)體制冷器件的工作原理是基于帕爾帖原理，該效應(yīng)是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發(fā)現(xiàn)的，即利用當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體A和B組成的電路且通有直流電時，在接頭處除焦耳熱以外還會釋放出某種其它的熱量，而另一個接頭處則吸收熱量，且帕爾帖效應(yīng)所引起的這種現(xiàn)象是可逆的，改變電流方向時，放熱和吸熱的接頭也隨之改變，吸收和放出的熱量與電流強(qiáng)度I[A]成正比，且與兩種導(dǎo)體的性質(zhì)及熱端的溫度有關(guān)，即： Qab=Iπab

　　πab稱做導(dǎo)體A和B之間的相對帕爾帖系數(shù) ，單位為[V], πab為正值時，表示吸熱，反之為放熱，由于吸放熱是可逆的，所以πab=-πab

　　帕爾帖系數(shù)的大小取決于構(gòu)成閉合回路的材料的性質(zhì)和接點(diǎn)溫度，其數(shù)值可以由賽貝克系數(shù)αab[V.K-1]和接頭處的絕對溫度T[K]得出πab=αabT與塞貝克效應(yīng)相，帕爾帖系也具有加和性，即：

　　Qac=Qab+Qbc=(πab+πbc)I

　　因此絕對帕爾帖系數(shù)有πab=πa- πb

　　金屬材料的帕爾帖效應(yīng)比較微弱，而半導(dǎo)體材料則要強(qiáng)得多，因而得到實(shí)際應(yīng)用的溫差電制冷器件都是由半導(dǎo)體材料制成的。

　　制冷材料

　　AVIoffe和AFIoffe指出，在同族元素或同種類型的化合物質(zhì)間，晶格熱導(dǎo)率Kp隨著平均原子量A的增長呈下降趨勢。RWKeyes通過實(shí)驗(yàn)推斷出，KpT近似于Tm3/2ρ2/3A-7/6成比例，即近似與原子量A成正比，因此通常應(yīng)選取由重元素組成的化合物作為半導(dǎo)體制冷材料。

　　半導(dǎo)體制冷材料的另一個巨大發(fā)展是1956年由AFIoffe等提出的固溶體理論，即利用同晶化合物形成類質(zhì)同晶的固溶體。固溶體中摻入同晶化合物引入的等價置換原子產(chǎn)生的短程畸變，使得聲子散射增加，從而降低了晶格導(dǎo)熱率，而對載流子遷移率的影響卻很小，因此使得優(yōu)值系數(shù)增大。例如50%Bi2Te3-50%Bi2Se3固溶體與Bi2Te3相比較，其熱導(dǎo)率降低33%，而遷移率僅稍有增加，因而優(yōu)值系數(shù)將提高50%到一倍。

　　Ag(1-x)Cu(x)Ti Te、Bi-Sb合金和YBaCuO超導(dǎo)材料等曾經(jīng)成為半導(dǎo)體制冷學(xué)者的研究對象，并通過實(shí)驗(yàn)證明可以成為較好的低溫制冷材料。下面將分別介紹這幾種熱電性能較好的半導(dǎo)體制冷材料。

　　二元固溶體，無論是P型還是N型，晶格熱導(dǎo)率均比Bi2Te3有較大降低，但N型材料的優(yōu)值系數(shù)卻提高很小，這可能是因?yàn)樵贐i2Te3中引入Bi2Se3時，隨著

　　Bi2Se3摩爾含量的不同呈現(xiàn)出兩種不同的導(dǎo)電特性，勢必會使兩種特性都不會很強(qiáng)，通過合適的摻雜雖可以增強(qiáng)材料的導(dǎo)電特性，提高材料的優(yōu)值系數(shù)，但歸根結(jié)底還是應(yīng)該在本題物質(zhì)上有所突破。

　　在我們生活當(dāng)中最簡單的制冷由四大要件組成：①壓縮機(jī);②冷凝器;③節(jié)流閥;④蒸發(fā)器;

　　電冰箱制冷的原理：

　　我們?nèi)粘Ｊ褂玫碾姳�箱，正好由這四要件加上箱體組成，箱體就好像冷庫。不過電冰箱上的③節(jié)流閥在技術(shù)上由相同作用的毛細(xì)管替代。首先講講什么叫制冷。制冷兩字只能說是技術(shù)上的術(shù)語，嚴(yán)格講是錯誤的，世界上沒有那國的科學(xué)家能制造出“冷”來。那到底什么是冷，先舉例說明：在寒冬臘月，氣溫降到-5℃，我們說今天天氣真冷，可東北人說不冷;在大伏天，氣溫在+32℃時，我們會說不算熱，但氣溫突然降到+25℃，我們會說太冷了;這冷是隨著人的常識來定的，在物理學(xué)中沒有冷的定義。在工程中冷是跟著生產(chǎn)需要而定的。

　　空調(diào)制冷運(yùn)行原理：

　　空調(diào)在作制冷運(yùn)行時，低溫低壓的制冷劑氣體被壓縮機(jī)吸入后加壓變成高溫高壓的制冷劑氣體，高溫高壓的制冷劑氣體在室外換熱器中放熱(通過冷凝器冷凝)變成中溫高壓的液體(熱量通過室外循環(huán)空氣帶走)，中溫高壓的液體再經(jīng)過毛細(xì)管節(jié)流降壓后變?yōu)榈蜏氐蛪旱囊后w，低溫低壓的液體制冷劑在室內(nèi)換熱器中吸熱蒸發(fā)后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍怏w(室內(nèi)空氣經(jīng)過換熱器表面被冷卻降溫，達(dá)到使室內(nèi)溫度下降的目的)，低溫低壓的制冷劑氣體再被壓縮機(jī)吸入，如此循環(huán)。