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，且工作可靠，操作簡便，易于進行冷量調(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。半導(dǎo)體制冷器還可做成零點儀，用來保證熱電偶測溫中的零點溫度。

　　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)體材料則要強得多，因而得到實際應(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通過實驗推斷出，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，并通過實驗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，這可能是因為在Bi2Te3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，通過合適的摻雜雖可以增強材料的導(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)境實驗箱，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

　　如實驗用的顯微鏡攝像頭，冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片

　　在日常生活

　　空調(diào)、冷熱兩用箱、飲水機、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

　　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)體材料則要強得多，因而得到實際應(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通過實驗推斷出，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，并通過實驗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，這可能是因為在Bi2Te3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，通過合適的摻雜雖可以增強材料的導(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;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)制冷運行原理：

　　空調(diào)在作制冷運行時，低溫低壓的制冷劑氣體被壓縮機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吸入，如此循環(huán)。