到了二十世紀五十年代隨著半導體材料的迅猛發展，熱電制冷器才逐漸從實驗室走向工程實踐，在國防、工業、農業、醫療和日常生活等領域獲得應用，大到可以做核潛艇的空調，小到可以用來冷卻紅外線探測器的探頭，因此通常又把熱電制冷器稱為半導體制冷器。

半導體制冷的原理及結構

半導體熱電偶由N型半導體和P型半導體組成。N型材料有多余的電子，有負溫差電勢。P型材料電子不足，有正溫差電勢;當電子從P型穿過結點至N型時，結點的溫度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相當于結點所消耗的能量。相反，當電子從N型流至P型材料時，結點的溫度就會升高。

直接接觸的熱電偶電路在實際應用中不可用，所以用下圖的連接方法來代替，實驗證明，在溫差電路中引入第三種材料（銅連接片和導線）不會改變電路的特性。

這樣，半導體元件可以用各種不同的連接方法來滿足使用者的要求。把一個P型半導體元件和一個N型半導體元件聯結成一對熱電偶，接上直流電源后，在接頭處就會產生溫差和熱量的轉移。

在上面的接頭處，電流方向是從N至P，溫度下降并且吸熱，這就是冷端;而在下面的一個接頭處，電流方向是從P至N，溫度上升并且放熱，因此是熱端。

因此是半導體致冷片由許多N型和P型半導體之顆粒互相排列而成，而N/P之間以一般的導體相連接而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，最後由兩片陶瓷片像夾心餅乾一樣夾起來，陶瓷片必須絕緣且導熱良好。

半導體制冷應用

技術領域

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公司的半導體制冷器占用面積非常小，只有1mm²，可以和激光器一起使用TO封裝。

農業領域

溫室里面過高或過低的溫度，都將導致秧苗壞死，尤其部分名貴植物對環境更加敏感，迫切需要將適宜的溫度檢測及控制系統應用于現代農業。

醫療領域

半導體溫控系統在醫學上的應用更為廣泛。如：用于蛋白質功能研究、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箱等；用于開發具有特殊溫度平臺的掃描探針顯微鏡等。

激光領域

激光技術用美容儀器，微型零件加工等，其在工作中都產生局部熱，通過半導體制冷器，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、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱、電腦以及其他電器等。

半導體致冷特點

半導體致冷是靠空穴和電子在運動中直接傳遞能量來實現的。與蒸汽壓縮式制冷和吸收式制冷相比，它的特點主要表現在以下幾個方面

1）不需要制冷劑，無泄漏，無污染;

2）無機械傳動部分，因此工作時無噪音、無磨損、壽命長;

3）冷卻速度和制冷溫度可以通過改變電流大小任意調節，靈活性高;

4）體積可以做得很小。例如一個能達到-100℃低溫的四級半導體致冷器，其外形尺寸只有一個香煙盒大小。

5）制冷效率與容量大小無關，在制冷量極小時仍能保持較高的制冷效率。

半導體致冷缺點

作為一種新興技術，它在諸多方面又有其難以克服的缺點：

電流過大（通常工作電流可達到5A甚至更高），耗電量大約是蒸汽壓縮式制冷的兩倍，發熱量大，大容量時制冷效率太低（通常COP《1）對半導體芯片的散熱條件要求高半導體致冷器在制造工藝上也不太成熟。

目前，國內外對于便攜式制冷的研究，絕大多數仍然集中于如何改善半導體制冷器的工作散熱條件（例如使用渦旋換熱技術），以及如何改進半導體芯片的生產工藝等方面。