熱電制冷器的物理理論可以追溯到19世紀早期。1821年由德國科學家托馬斯·塞貝克發現在一個由兩種不同金屬導體構成的閉合回路中，當兩個接頭的溫度不同時，回路中會有持續的電流流動。1834年，一個法國制表師兼物理學家簡·珀爾帖在研究塞貝克效應的過程中發現，這一現象具有一個相反的現象，也就是當閉合回路中有電流流動的時候，兩個接頭之一會吸熱，而另一個會放熱。20年后，威廉姆·湯姆遜（即開爾文勛爵）為塞貝克效應和珀爾帖效應提出了一個系統的解釋，并建立了兩者的關系。在很長時間里，溫差電領域中只有用熱電偶測量溫度得到了廣泛應用。直到1960年前后前蘇聯科學家完善了以Bi2Te3為代表的化合物半導體材料的制備技術，才使得商業化的熱電制冷器才有所發展。半導體致冷器，是基于帕爾貼效應開發的固態加熱、制冷器件。目前應用于關鍵電子部件、光學系統、醫療儀器及其他裝置中的精密溫度控制。

一、半導體致冷器結構及工作原理簡介

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

由帕爾貼效應可知，通過在半導體致冷器的兩端加載一個適當的直流電壓，熱量就會從元件的一端流到另一端。此時，制冷器的一端溫度就會降低，而另一端的溫度就會同時上升。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，在一個熱電制冷器上就可以同時實現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電的功能。在這個模式下，只要在制冷器上加載一個溫差后，回路中便會產生電流。

半導體致冷器的結構示意圖

從上面的半導體結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p型和一個n型電偶臂組成一對溫差電偶對，大多數熱電制冷器是由相同數量的n型和p型電偶臂所組成的。上圖的模型是由兩對p型和n型電偶臂構成的兩對溫差電偶對，通過合理的串聯結構，可以組合成不同對數的半導體致冷器。

其工作原理是當一塊N型半導體材料和一塊P半導體材料聯結成偶對時在電路中接通直流電流后就能產生能量的轉移，電流由N型半導體流向P型半導體接頭處吸收熱量成為冷面，由P型半導體流向N型半導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體N和P的元件對數來決定如圖所示，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。

典型的單級半導體制冷片是由兩塊陶瓷板組成，板之間有p型和n型半導體材料碲化鉍。半導體材料的元件以電串聯和熱并聯的方式連接。當向n型熱電元件施加正直流電壓時，電子從p型熱電元件傳遞到n型熱電元，并且冷側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量成比例。這些熱量被傳遞到冷卻器的熱側，在那里消散到散熱器和周圍環境中。

二、半導體致冷器的應用情況概述

應用情況概述

目前，半導體致冷器廣泛應用于電子、激光、通訊、測量、分析等科技領域，在民用領域也有相當的應用。下面列舉一些實際應用的實例：

● 參比冰點

● 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

● 發電機(小型)

● 光導攝像管制冷器

● 光電倍增管防護罩

● 黑匣子制冷

● 恒溫槽

● 恒溫浴

● 紅外探測器

● 環境分析

● 酒柜

● 激光二極管制冷器

● 集成電路制冷

● 晶圓熱特性分析

● 精密設備制冷(激光和微處理器)

● 冷柜

● 露點濕度計

● 切片機制冷

● 熱密度測量

● 熱循環系統（DNA和血液分析儀）

● 生物學組織制備和儲存

● 濕化學過程溫度控制

● 飲用水和飲料冷卻

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

三、半導體致冷器的主要特點

在一些中小功率熱量傳輸，但是需要復雜控溫的熱控過程中，半導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，半導體致冷器也并不能應用在所有的領域，但是與其他制冷設備相比，熱電制冷器具有很多優勢。其中包括：

● 可以降溫到環境溫度以下：傳統的散熱器需要將溫度升高到環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整加載的直流電流的方向，調整制冷或者加熱模式。應用這一特點就不必在給定體系內加入另外獨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閉路溫度控制循環，它可以在0.1 ℃范圍內精確地控制溫度。

● 高可靠性：由于全部為固態基構造，熱電制冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與應用條件有關，但是典型熱電制冷器的壽命一般可以達到200,000小時以上。

● 電子靜音：與傳統的機械式制冷器件不同，熱電制冷器在工作過程中基本上不會產生任何電子干擾信號，它可以與敏感的電子感應器相連接，并不會干擾其工作。另外，它在運行過程中也不會產生任何噪音。

● 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下工作。

● 簡單方便的能源供給：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變化。在許多條件下，還可以使用脈沖寬度調制。