熱電制冷相關技術的發(fā)展為半導體制冷技術的興起做出了良好的準備，一定程度上可以說前者是后者的基礎與起源。制冷，即從相對低溫環(huán)境中吸收熱量，并將熱量轉(zhuǎn)移給環(huán)境的過程。為了滿足人類對于低于環(huán)境溫度條件的需求，制冷技術逐漸興起。隨著科學技術不斷發(fā)展，熱電制冷材料逐漸興起，其發(fā)展有力地推動了半導體制冷技術的產(chǎn)生和發(fā)展。

　　能級材料的不同是半導體制冷技術的根本

　　半導體制冷技術主要包含五種不同的熱電效應：湯姆遜效應、傅立葉效應、焦耳效應、塞貝克效應和帕爾帖效應。傅立葉效應指的是經(jīng)過均勻的介質(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方面的面積的乘積成正比;焦耳效應指的是穩(wěn)定電流產(chǎn)生的熱量等于電流平方和導體電阻的乘積;湯姆遜效應的具體含義則是有溫度梯度的導體在電流過后，周圍的環(huán)境和導體之間會出現(xiàn)能量交換的現(xiàn)象;塞貝克效應指的是兩種不同的導體組成閉合回路，當其中的兩個連接點溫度不同時，電動勢的現(xiàn)象就會產(chǎn)生;而塞貝克效應的逆過程就會形成帕爾貼效應，兩種不同的材料構成回路時，回路的兩端會分別放出和吸收熱量，

　　半導體制冷技術的本質(zhì)是材料的能級的改變，通過對半導體材料組成的P-N結(見圖1)施加直流電進行制冷。載流子從一種材料遷移到另一種勢能不同的材料形成了電流，為了實現(xiàn)能量守恒的原則，載流子在通過結點時會和周圍的環(huán)境進行能量交換。能級的改變使得制冷系統(tǒng)成為可能。

　　圖1 半導體制冷技術的本質(zhì)是能級的改變

(來源：中國知網(wǎng))

　　半導體制冷技術優(yōu)勢明顯

　　半導體制冷技術與傳統(tǒng)的機械制冷技術相比較而言，具有可靠性強、體積小、操作簡單、制冷制熱迅速、無污染和容易實現(xiàn)高精度的溫度控制等突出的優(yōu)點(見表1)。但不可否認的是，盡管半導體制冷技術優(yōu)勢十分明顯，但仍然存在加工工藝復雜、成本高、制冷效率低和不適合大功率環(huán)境使用等缺點。

　　表1 半導體制冷技術的優(yōu)勢

　　(來源：中國知網(wǎng))

　　半導體制冷技術發(fā)展現(xiàn)狀

　　國內(nèi)對半導體制冷技術的研究相較于國外起步較晚，國內(nèi)技術水平與發(fā)達國家之間也仍然存在一定差距。國際上的半導體制冷技術目前處于第三階段，研究重點在于如何提高半導體制冷的相關性能和如何進一步開發(fā)熱電制冷的應用領域。半導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，但由于當時技術水平的限制，相關發(fā)現(xiàn)和研究并沒有得到實質(zhì)性的應用。第二階段時間為1950s-1980s，科學家發(fā)現(xiàn)半導體材料具有良好的熱電性能，熱電制冷和熱發(fā)電逐漸進入實踐階段。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擁有較為先進的半導體制冷技術。1960s，我國開始對半導體制冷材料進行研究，目前我國相關產(chǎn)業(yè)已經(jīng)擁有生產(chǎn)出具有良好性能的半導體制冷材料的能力。

　　近年來，半導體制冷技術的發(fā)展迅速，但其制冷效率低、加工工藝復雜等缺點對技術的進一步發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化造成了很大的阻礙，加快對半導體制冷系數(shù)等技術的研究變得愈發(fā)緊迫。目前，半導體制冷材料和工藝的研究主要集中在以下幾個方面：

　　(1)半導體制冷理論

　　通過對半導體界面進行的假設分析，學者從機理上探討塞貝克效應和帕爾帖效應的微觀本質(zhì)，并使制冷設計最佳化，學者總結出散熱量等于輸出功率與制冷量之和。散熱問題對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。從目前已有的文獻來看，半導體制冷理論的研究已經(jīng)趨于成熟。

　　(2)熱電材料

　　前蘇聯(lián)約飛院士對半導體材料良好制冷和發(fā)電性能的發(fā)現(xiàn)，標志著半導體材料研究的新篇章的開啟，如何提高現(xiàn)有材料的熱點性能，探索新的半導體材料成為當下研究熱點。提高塞貝克系數(shù)和電導率以及降低熱導率是熱電材料優(yōu)化的根本原則，盡管合金材料和無機材料目前已經(jīng)取得了一定程度的發(fā)展，但由于其熱導率和制備難度均相對較高，也逐漸出現(xiàn)不適應發(fā)展的需求的問題，未來發(fā)展的主流方向?qū)⒃诮档筒牧系臒釋省⒕S度和超晶格材料與有機熱電材料等方面。

　　(3)結構設計

　　結構加工工藝的復雜程度較高，這對半導體制冷的發(fā)展來說是一個極大的阻礙，結構對半導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。越來越多的學者在研究將熱阻和接觸電阻考慮進熱電偶模型中。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，常見的散熱方式主要包括液體冷卻散熱、風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)是自然風冷的100-1000倍，傳熱效果良好;自然風冷比強制風冷的熱度大;相變散熱適用于間歇性制冷的環(huán)境，目前應用較多的是在熱管散熱器上，通過相變材料的變化來吸收熱量達到制冷的目的。由于風冷散熱的散熱和制冷效率相對其他方式較低，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。

　　結語

　　隨著科學技術不斷發(fā)展，熱電制冷材料逐漸興起，這有力地推動了半導體制冷技術的發(fā)展。需要注意的是半導體制冷技術的本質(zhì)是材料能級的改變。現(xiàn)階段，半導體制冷技術的研究主要集中半導體制冷理論、熱電材料、結構設計、冷熱端傳熱方式幾個方面。目前，半導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將集中在降低材料的熱導率、維度和超晶格材料與有機熱電材料;結構設計方面，越來越多的學者將熱阻和接觸電阻考慮進熱電偶模型中;未來散熱方式的研究重點將會更多向水冷散熱和相變散熱傾斜。