半導(dǎo)體制冷器具有無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、不需制冷劑、體積小、重量輕等特點(diǎn)，且工作可靠，操作簡(jiǎn)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(duì)較大，故它主要用于耗冷量小和占地空間小的場(chǎng)合，如電子設(shè)備和無(wú)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(lái)保證熱電偶測(cè)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(shí)，在接頭處除焦耳熱以外還會(huì)釋放出某種其它的熱量，而另一個(gè)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(shí)，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(duì)帕爾帖系數(shù) ，單位為[V], πab為正值時(shí)，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(duì)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(duì)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(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。RWKeyes通過(guò)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(gè)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(jià)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(duì)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(duì)象，并通過(guò)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(wú)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(shí)，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(shì)必會(huì)使兩種特性都不會(huì)很強(qiáng)，通過(guò)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(duì)象或者對(duì)某個(gè)特定對(duì)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(duì)個(gè)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(cè)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(duì)紅外探測(cè)器，激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。比如，德國(guó)Micropelt公司的半導(dǎo)體制冷器體積非常小，只有1個(gè)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(guò)高或過(guò)低的溫度，都將導(dǎo)致秧苗壞死，尤其部分名貴植物對(duì)環(huán)境更加敏感，迫切需要將適宜的溫度檢測(cè)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(tái)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(guò)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(cè)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(wú)機(jī)械傳動(dòng)部分，工作中無(wú)噪音，無(wú)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(guò)載條件下，能夠正常地工作;通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流的大小，可方便調(diào)節(jié)制冷速率;通過(guò)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(zhǎng)，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(shí)，在接頭處除焦耳熱以外還會(huì)釋放出某種其它的熱量，而另一個(gè)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(shí)，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(duì)帕爾帖系數(shù) ，單位為[V], πab為正值時(shí)，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(duì)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(duì)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(zhǎng)呈下降趨勢(shì)。RWKeyes通過(guò)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(gè)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(jià)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(duì)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(duì)象，并通過(guò)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(wú)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(shí)，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(shì)必會(huì)使兩種特性都不會(huì)很強(qiáng)，通過(guò)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(jiǎn)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褂玫碾姳洌糜蛇@四要件加上箱體組成，箱體就好像冷庫(kù)。不過(guò)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(shuō)是技術(shù)上的術(shù)語(yǔ)，嚴(yán)格講是錯(cuò)誤的，世界上沒有那國(guó)的科學(xué)家能制造出“冷”來(lái)。那到底什么是冷，先舉例說(shuō)明：在寒冬臘月，氣溫降到-5℃，我們說(shuō)今天天氣真冷，可東北人說(shuō)不冷;在大伏天，氣溫在+32℃時(shí)，我們會(huì)說(shuō)不算熱，但氣溫突然降到+25℃，我們會(huì)說(shuō)太冷了;這冷是隨著人的常識(shí)來(lái)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(shí)，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(guò)冷凝器冷凝)變成中溫高壓的液體(熱量通過(guò)室外循環(huán)空氣帶走)，中溫高壓的液體再經(jīng)過(guò)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(guò)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)。
