熱電制冷相關(guān)技術(shù)的發(fā)展為半導(dǎo)體制冷技術(shù)的興起做出了良好的準(zhǔn)備，一定程度上可以說(shuō)前者是后者的基礎(chǔ)與起源。制冷，即從相對(duì)低溫環(huán)境中吸收熱量，并將熱量轉(zhuǎn)移給環(huán)境的過(guò)程。為了滿足人類對(duì)于低于環(huán)境溫度條件的需求，制冷技術(shù)逐漸興起。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，熱電制冷材料逐漸興起，其發(fā)展有力地推動(dòng)了半導(dǎo)體制冷技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。

　　能級(jí)材料的不同是半導(dǎo)體制冷技術(shù)的根本

　　半導(dǎo)體制冷技術(shù)主要包含五種不同的熱電效應(yīng)：湯姆遜效應(yīng)、傅立葉效應(yīng)、焦耳效應(yīng)、塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)。傅立葉效應(yīng)指的是經(jīng)過(guò)均勻的介質(zhì)沿著某一方向傳遞的熱量與該方向溫度梯度的乘積和垂直這個(gè)方面的面積的乘積成正比;焦耳效應(yīng)指的是穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于電流平方和導(dǎo)體電阻的乘積;湯姆遜效應(yīng)的具體含義則是有溫度梯度的導(dǎo)體在電流過(guò)后，周?chē)沫h(huán)境和導(dǎo)體之間會(huì)出現(xiàn)能量交換的現(xiàn)象;塞貝克效應(yīng)指的是兩種不同的導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)其中的兩個(gè)連接點(diǎn)溫度不同時(shí)，電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象就會(huì)產(chǎn)生;而塞貝克效應(yīng)的逆過(guò)程就會(huì)形成帕爾貼效應(yīng)，兩種不同的材料構(gòu)成回路時(shí)，回路的兩端會(huì)分別放出和吸收熱量，

　　半導(dǎo)體制冷技術(shù)的本質(zhì)是材料的能級(jí)的改變，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料組成的P-N結(jié)(見(jiàn)圖1)施加直流電進(jìn)行制冷。載流子從一種材料遷移到另一種勢(shì)能不同的材料形成了電流，為了實(shí)現(xiàn)能量守恒的原則，載流子在通過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)會(huì)和周?chē)沫h(huán)境進(jìn)行能量交換。能級(jí)的改變使得制冷系統(tǒng)成為可能。

　　圖1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的本質(zhì)是能級(jí)的改變

(來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng))

　　半導(dǎo)體制冷技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯

　　半導(dǎo)體制冷技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械制冷技術(shù)相比較而言，具有可靠性強(qiáng)、體積小、操作簡(jiǎn)單、制冷制熱迅速、無(wú)污染和容易實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制等突出的優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)表1)。但不可否認(rèn)的是，盡管半導(dǎo)體制冷技術(shù)優(yōu)勢(shì)十分明顯，但仍然存在加工工藝復(fù)雜、成本高、制冷效率低和不適合大功率環(huán)境使用等缺點(diǎn)。

　　表1 半導(dǎo)體制冷技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

　　(來(lái)源：中國(guó)知網(wǎng))

　　半導(dǎo)體制冷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　國(guó)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究相較于國(guó)外起步較晚，國(guó)內(nèi)技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家之間也仍然存在一定差距。國(guó)際上的半導(dǎo)體制冷技術(shù)目前處于第三階段，研究重點(diǎn)在于如何提高半導(dǎo)體制冷的相關(guān)性能和如何進(jìn)一步開(kāi)發(fā)熱電制冷的應(yīng)用領(lǐng)域。半導(dǎo)體制冷研究的第一階段始于1830s，帕爾帖和塞貝克先后發(fā)現(xiàn)了溫度反常現(xiàn)象和溫差電流現(xiàn)象，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，相關(guān)發(fā)現(xiàn)和研究并沒(méi)有得到實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。第二階段時(shí)間為1950s-1980s，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料具有良好的熱電性能，熱電制冷和熱發(fā)電逐漸進(jìn)入實(shí)踐階段。第三階段始于1980s，日本(東京電子公司、松下電器)、烏克蘭和俄羅斯等國(guó)擁有較為先進(jìn)的半導(dǎo)體制冷技術(shù)。1960s，我國(guó)開(kāi)始對(duì)半導(dǎo)體制冷材料進(jìn)行研究，目前我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)擁有生產(chǎn)出具有良好性能的半導(dǎo)體制冷材料的能力。

　　近年來(lái)，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展迅速，但其制冷效率低、加工工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)對(duì)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化造成了很大的阻礙，加快對(duì)半導(dǎo)體制冷系數(shù)等技術(shù)的研究變得愈發(fā)緊迫。目前，半導(dǎo)體制冷材料和工藝的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

　　(1)半導(dǎo)體制冷理論

　　通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體界面進(jìn)行的假設(shè)分析，學(xué)者從機(jī)理上探討塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)的微觀本質(zhì)，并使制冷設(shè)計(jì)最佳化，學(xué)者總結(jié)出散熱量等于輸出功率與制冷量之和。散熱問(wèn)題對(duì)于制冷效率的高低影響較大，熱端的溫度越高，冷端的溫差越大，其效率越低且制冷量越小。從目前已有的文獻(xiàn)來(lái)看，半導(dǎo)體制冷理論的研究已經(jīng)趨于成熟。

　　(2)熱電材料

　　前蘇聯(lián)約飛院士對(duì)半導(dǎo)體材料良好制冷和發(fā)電性能的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著半導(dǎo)體材料研究的新篇章的開(kāi)啟，如何提高現(xiàn)有材料的熱點(diǎn)性能，探索新的半導(dǎo)體材料成為當(dāng)下研究熱點(diǎn)。提高塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率以及降低熱導(dǎo)率是熱電材料優(yōu)化的根本原則，盡管合金材料和無(wú)機(jī)材料目前已經(jīng)取得了一定程度的發(fā)展，但由于其熱導(dǎo)率和制備難度均相對(duì)較高，也逐漸出現(xiàn)不適應(yīng)發(fā)展的需求的問(wèn)題，未來(lái)發(fā)展的主流方向?qū)⒃诮档筒牧系臒釋?dǎo)率、維度和超晶格材料與有機(jī)熱電材料等方面。

　　(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　結(jié)構(gòu)加工工藝的復(fù)雜程度較高，這對(duì)半導(dǎo)體制冷的發(fā)展來(lái)說(shuō)是一個(gè)極大的阻礙，結(jié)構(gòu)對(duì)半導(dǎo)體制冷的影響因素包括制冷器的厚度及面積、熱電臂的幾何尺寸及倒流電阻、焊接面的熱電阻等。越來(lái)越多的學(xué)者在研究將熱阻和接觸電阻考慮進(jìn)熱電偶模型中。目前提高制冷器性能的最佳途徑之一就是改善熱電元件的熱電比尺寸和接觸熱電阻等因素。

　　(4)冷熱端傳熱方式

　　現(xiàn)階段，常見(jiàn)的散熱方式主要包括液體冷卻散熱、風(fēng)冷散熱和箱變散熱等。液體冷卻中水冷的使用最為普遍，其傳熱系數(shù)是自然風(fēng)冷的100-1000倍，傳熱效果良好;自然風(fēng)冷比強(qiáng)制風(fēng)冷的熱度大;相變散熱適用于間歇性制冷的環(huán)境，目前應(yīng)用較多的是在熱管散熱器上，通過(guò)相變材料的變化來(lái)吸收熱量達(dá)到制冷的目的。由于風(fēng)冷散熱的散熱和制冷效率相對(duì)其他方式較低，目前行業(yè)將水冷散熱和相變散熱兩種方式作為研究的重點(diǎn)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，熱電制冷材料逐漸興起，這有力地推動(dòng)了半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展。需要注意的是半導(dǎo)體制冷技術(shù)的本質(zhì)是材料能級(jí)的改變。現(xiàn)階段，半導(dǎo)體制冷技術(shù)的研究主要集中半導(dǎo)體制冷理論、熱電材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷熱端傳熱方式幾個(gè)方面。目前，半導(dǎo)體制冷理論研究已經(jīng)區(qū)域成熟;熱電材料發(fā)展的主流方向在未來(lái)將集中在降低材料的熱導(dǎo)率、維度和超晶格材料與有機(jī)熱電材料;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，越來(lái)越多的學(xué)者將熱阻和接觸電阻考慮進(jìn)熱電偶模型中;未來(lái)散熱方式的研究重點(diǎn)將會(huì)更多向水冷散熱和相變散熱傾斜。