半导体制冷技术研究综述

　　材料是人类赖以生存和发展的物质基础。近几十年来，随着人类科学技术的进步，材料的发展日新月异。半导体制冷材料就是其中1种新兴的热门材料，而半导体制冷则是在半导体制冷材料基础上发展起来的一门新技术[1 -2]。半导体制冷器件是一种利用珀尔帖效应，在冷端吸收热量，产生制冷效果，同时在热端排除大量热量的高热流密度器件。与传统制冷技术相比，热电制冷具有结构简单、无任何机械运动部件、无噪声、无磨损、可靠性高、寿命长、维修方便、体积小、重量轻、启动快、控制灵活、操作具有可逆性等独特优点[3 -5]。世界各国在半导体制冷技术方面进行了大量理论和应用研究，并组织和进行了不同类型和系统的样机研制，大大推进了半导体制冷技术的发展[7-8]。

　　本文系统地研究了半导体制冷技术的基本原理和国内外研究现状，从半导体制冷材料和散热方式两方面分析了热电制冷性能的影响因素，最后，结合半导体制冷技术的优势，介绍了半导体制冷技术的工程应用，并分析指出了半导体制冷技术存在的问题和发展趋势。

　　1 半导体制冷技术原理

　　半导体材料具有较高的热电势，可成功制成小型热电制冷器。如图1所示，N 型半导体和P 型半导体构成的热电偶制冷元件，用铜导线接到直流电源上构成回路，给定电流方向是结点的热流方向，若电流反向，则结点1、2 的热流方向与图示相反。可见，将结点1 连到作用对象，电偶既可对其制冷，也可对其加热，通过改变电流方向就能方便地实现切换。

　　半导体热电制冷的理论基础是固体的热电效应[9-13]，在无外磁场存在时，他主要包括3 效应: 塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire) 效应和汤姆逊(Thomson)效应。

　　1.1 塞贝克效应

　　在2种不同导体组成的开路中，如果导体的2个结点存在温度差，则开路中将产生电动势E，这就是塞贝克效应，塞贝克效应产生的电动势称作温差电动势。

　　材料塞贝克效应的大小，用温差电动势率α 表示。材料相对于某参考材料的温差电动势率为

　　由2 种不同材料P、N 所组成的电偶，他们的温差电动势率αPN等于αP与αN之差

　　热电制冷中常用P 型半导体和 N 型半导体组成电偶。两材料对应的αP和αN，一个为负，一个为正。取其绝对值相加，并将αPN直接简化记作α，有

　　1.2 帕尔帖效应

　　电流流过2 种不同导体的界面时，将从外界吸收热量或向外界放出热量，这就是帕尔帖效应。由帕尔帖效应产生的热流量称作帕尔帖热，用符号Qp表示。