熱電制冷器的物理理論可以追溯到19世紀(jì)早期。1821年由德國科學(xué)家托馬斯·塞貝克發(fā)現(xiàn)在一個(gè)由兩種不同金屬導(dǎo)體構(gòu)成的閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)接頭的溫度不同時(shí)，回路中會(huì)有持續(xù)的電流流動(dòng)。1834年，一個(gè)法國制表師兼物理學(xué)家簡(jiǎn)·珀?duì)柼�在研究塞貝克效�?yīng)的過程中發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象具有一個(gè)相反的現(xiàn)象，也就是當(dāng)閉合回路中有電流流動(dòng)的時(shí)候，兩個(gè)接頭之一會(huì)吸熱，而另一個(gè)會(huì)放熱。20年后，威廉姆·湯姆遜（即開爾文勛爵）為塞貝克效應(yīng)和珀?duì)柼�效�?yīng)提出了一個(gè)系統(tǒng)的解釋，并建立了兩者的關(guān)系。在很長時(shí)間里，溫差電領(lǐng)域中只有用熱電偶測(cè)量溫度得到了廣泛應(yīng)用。直到1960年前后前蘇聯(lián)科學(xué)家完善了以Bi2Te3為代表的化合物半導(dǎo)體材料的制備技術(shù)，才使得商業(yè)化的熱電制冷器才有所發(fā)展。半導(dǎo)體致冷器，是基于帕爾貼效應(yīng)開發(fā)的固態(tài)加熱、制冷器件。目前應(yīng)用于關(guān)鍵電子部件、光學(xué)系統(tǒng)、醫(yī)療儀器及其他裝置中的精密溫度控制。

一、半導(dǎo)體致冷器結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介

在目前的熱電制冷器件中最常用到的半導(dǎo)體熱電材料是碲化鉍。碲化鉍的最大熱電優(yōu)值系數(shù)所出現(xiàn)的溫度在室溫，適合于大多數(shù)熱電制冷的應(yīng)用條件。工業(yè)上已經(jīng)可以通過摻雜得到p型和n型碲化鉍料錠。熱電材料的制備方法通常是區(qū)域熔化法或者粉末壓制成型法。

由帕爾貼效應(yīng)可知，通過在半導(dǎo)體致冷器的兩端加載一個(gè)適當(dāng)?shù)闹绷麟妷海瑹崃烤蜁?huì)從元件的一端流到另一端。此時(shí)，制冷器的一端溫度就會(huì)降低，而另一端的溫度就會(huì)同時(shí)上升。值得注意的是，只要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端。所以，在一個(gè)熱電制冷器上就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)制冷和加熱兩種功能。因此，熱電制冷器還可以用于精確的溫度控制。另外，熱電制冷器還具有發(fā)電的功能。在這個(gè)模式下，只要在制冷器上加載一個(gè)溫差后，回路中便會(huì)產(chǎn)生電流。

半導(dǎo)體致冷器的結(jié)構(gòu)示意圖

從上面的半導(dǎo)體結(jié)果示意圖中可以知道，電偶臂材料分別采用了p型和n型碲化鉍。這種布局方式下，電流在p型和n型電偶臂里上下流動(dòng)的過程中，熱流方向能始終保持不變，在n型材料中，熱流方向與電流方向相反；在P型材料中，熱流方向與電流方向相同。一個(gè)p型和一個(gè)n型電偶臂組成一對(duì)溫差電偶對(duì)，大多數(shù)熱電制冷器是由相同數(shù)量的n型和p型電偶臂所組成的。上圖的模型是由兩對(duì)p型和n型電偶臂構(gòu)成的兩對(duì)溫差電偶對(duì)，通過合理的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可以組合成不同對(duì)數(shù)的半導(dǎo)體致冷器。

其工作原理是當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成偶對(duì)時(shí)在電路中接通直流電流后就能產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型半導(dǎo)體流向P型半導(dǎo)體接頭處吸收熱量成為冷面，由P型半導(dǎo)體流向N型半導(dǎo)體的接頭處釋放熱量成為熱面，吸熱和放熱的大小是由通過電流的大小以及半導(dǎo)體N和P的元件對(duì)數(shù)來決定如圖所示，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。

典型的單級(jí)半導(dǎo)體制冷片是由兩塊陶瓷板組成，板之間有p型和n型半導(dǎo)體材料碲化鉍。半導(dǎo)體材料的元件以電串聯(lián)和熱并聯(lián)的方式連接。當(dāng)向n型熱電元件施加正直流電壓時(shí)，電子從p型熱電元件傳遞到n型熱電元，并且冷側(cè)溫度將隨著熱量的吸收而降低。熱吸收（冷卻）與電流和熱電偶的數(shù)量成比例。這些熱量被傳遞到冷卻器的熱側(cè)，在那里消散到散熱器和周圍環(huán)境中。

二、半導(dǎo)體致冷器的應(yīng)用情況概述

應(yīng)用情況概述

目前，半導(dǎo)體致冷器廣泛應(yīng)用于電子、激光、通訊、測(cè)量、分析等科技領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域也有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。下面列舉一些實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例：

● 參比冰點(diǎn)

● 參量放大器

● 除濕器

● 低噪音放大器

● 電泳電池制冷器

● 電子封裝制冷

● 發(fā)電機(jī)(小型)

● 光導(dǎo)攝像管制冷器

● 光電倍增管防護(hù)罩

● 黑匣子制冷

● 恒溫槽

● 恒溫浴

● 紅外探測(cè)器

● 環(huán)境分析

● 酒柜

● 激光二極管制冷器

● 集成電路制冷

● 晶圓熱特性分析

● 精密設(shè)備制冷(激光和微處理器)

● 冷柜

● 露點(diǎn)濕度計(jì)

● 切片機(jī)制冷

● 熱密度測(cè)量

● 熱循環(huán)系統(tǒng)（DNA和血液分析儀）

● 生物學(xué)組織制備和儲(chǔ)存

● 濕化學(xué)過程溫度控制

● 飲用水和飲料冷卻

● 冰箱和便攜冰箱系統(tǒng)（飛機(jī)、汽車、輪船、賓館、野餐、制藥、胰島素、手機(jī)等）

三、半導(dǎo)體致冷器的主要特點(diǎn)

在一些中小功率熱量傳輸，但是需要復(fù)雜控溫的熱控過程中，半導(dǎo)體致冷器可以提供很大的幫助，而且，在一些特定的情況下它是唯一的選擇。盡管沒有哪種制冷方式是萬能的，半導(dǎo)體致冷器也并不能應(yīng)用在所有的領(lǐng)域，但是與其他制冷設(shè)備相比，熱電制冷器具有很多優(yōu)勢(shì)。其中包括：

● 可以降溫到環(huán)境溫度以下：傳統(tǒng)的散熱器需要將溫度升高到環(huán)境溫度以上才可以使用，與其不同的是熱電制冷器具有將物體溫度降低到環(huán)境溫度以下的能力。

● 同一器件可以滿足升溫和降溫的要求：熱電制冷器可以通過調(diào)整加載的直流電流的方向，調(diào)整制冷或者加熱模式。應(yīng)用這一特點(diǎn)就不必在給定體系內(nèi)加入另外獨(dú)立的加熱或者制冷功能元件。

● 精確的溫度控制：由于熱電制冷器具有一個(gè)閉路溫度控制循環(huán)，它可以在0.1 ℃范圍內(nèi)精確地控制溫度。

● 高可靠性：由于全部為固態(tài)基構(gòu)造，熱電制冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與應(yīng)用條件有關(guān)，但是典型熱電制冷器的壽命一般可以達(dá)到200,000小時(shí)以上。

● 電子靜音：與傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷器件不同，熱電制冷器在工作過程中基本上不會(huì)產(chǎn)生任何電子干擾信號(hào)，它可以與敏感的電子感應(yīng)器相連接，并不會(huì)干擾其工作。另外，它在運(yùn)行過程中也不會(huì)產(chǎn)生任何噪音。

● 可以在任意角度下工作：熱電制冷器可以在任意角度和零重力狀態(tài)下工作。

● 簡(jiǎn)單方便的能源供給：熱電制冷器能夠直接使用直流電源，并且加載電源的電壓和電流能夠在很大范圍內(nèi)變化。在許多條件下，還可以使用脈沖寬度調(diào)制。