[科普中國]-半導體制冷

到了二十世紀五十年代隨著半導體材料的迅猛發(fā)展，熱電制冷器才逐漸從實驗室走向工程實踐，在國防、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療和日常生活等領域獲得應用，大到可以做核潛艇的空調，小到可以用來冷卻紅外線探測器的探頭，因此通常又把熱電制冷器稱為半導體制冷器。

技術簡介材料是當今世界的三大支柱產業(yè)之一，材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質基礎，尤其是近幾十年來隨著人類科學技術的進步，材料的發(fā)展更是日新月異，新材料層出不窮，其中半導體制冷材料就是其中的一個新興的熱門材料，其實半導體制冷技術早在二十世紀三十年代就已經出現了，但其性能一直不盡如人意，

器件分類半導體制冷器件大致可以分為四類

（1）用于冷卻某一對象或者對某個特定對象進行散熱，這種情況大量出現在電子工業(yè)領域中；

（2）用于恒溫，小到對個別電子器件維持恒溫 ，大到如制造恒溫槽，空調器等;

（3）制造成套儀器設備，如環(huán)境實驗箱，小型冰箱，各種熱物性測試儀器等;

（4）民用產品，冷藏烘烤兩用箱，冷暖風機等。

工作原理熱電制冷是具有熱電能量轉換特性的材料，在通過直流電時具有制冷功能，由于半導體材料具有最佳的熱電能量轉換性能特性，所以人們把熱電制冷稱為半導體制冷。半導體制冷是建立于塞貝克效應、珀爾帖效應、湯姆遜效應、焦耳效應、傅立葉效應共五種熱電效應基礎上的制冷新技術。其中，塞貝克效應、帕爾貼效應和湯姆遜效應三種效應表明電和熱能相互轉換是直接可逆的，另外兩種效應是熱的不可逆效應。

(1)塞貝克效應，1821年，塞貝克發(fā)現在用兩種不同導體組成閉合回路中，當兩個連接點溫度不同時，導體回路就會產生電動勢(電流)。

(2)珀爾帖效應，珀爾帖效應是塞貝克效應的逆過程。由兩種不同材料構成回路時，回路的一端吸收熱量，另一端則放出熱量。

(3)湯姆遜效應，若電流過有溫度梯度的導體，則在導體和周圍環(huán)境之間將進行能量交換。

(4)焦耳效應，單位時間內由穩(wěn)定電流產生的熱量等于導體電阻和電流平方的乘積。

(5)傅立葉效應，單位時間內經過均勻介質沿某一方向傳導的熱量與垂直這個方向的面積和該方向溫度梯度的乘積成正比。

應用技術領域對紅外探測器，激光器和光電倍增管等光電器件的制冷。比如，德國Micropelt公司的半導體制冷器占用面積非常小，只有1mm2，可以和激光器一起使用TO封裝。

農業(yè)領域溫室里面過高或過低的溫度，都將導致秧苗壞死，尤其部分名貴植物對環(huán)境更加敏感，迫切需要將適宜的溫度檢測及控制系統(tǒng)應用于現代農業(yè)。

醫(yī)療領域半導體溫控系統(tǒng)在醫(yī)學上的應用更為廣泛。如：用于蛋白質功能研究、基因擴增的高檔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)具有特殊溫度平臺的掃描探針顯微鏡等。

激光領域激光技術用美容儀器，微型零件加工等，其在工作中都產生局部熱，通過半導體制冷器，采用水冷或微型制冷器冷卻。

裝置方面如實驗用的顯微鏡攝像頭，冷阱、冷箱、冷槽、電子低溫測試裝置、各種恒溫、高低溫實驗儀片

在日常生活空調、冷熱兩用箱、飲水機、電子信箱、電腦以及其他電器等。此外，還有其它方面的應用，這里就不一一提了

優(yōu)點半導體制冷器的尺寸小，可以制成體積不到1cm3的制冷器；重量輕，微型制冷器能夠做到只有幾十克甚至數克；無機械傳動部分，工作中無噪音，無液態(tài)、氣態(tài)工作介質，因而不污染環(huán)境，制冷參數不受空間方向以及重力影響，在大的機械過載條件下，能夠正常地工作；通過調節(jié)工作電流的大小，可方便調節(jié)制冷速率；通過切換電流方向，可使制冷器從制冷狀態(tài)轉變?yōu)橹茻峁ぷ鳡顟B(tài)；作用速度快，使用壽命長，且易于控制。

存在問題雖然半導體制冷的研究面臨諸多困難，但是可以欣喜地看到當前研究仍然呈現出一片欣欣向榮的景象。到目前為止，國內外的學者從不同角度去提高半導體的制冷效率，展現出各自的優(yōu)勢和實用性。但是半導體制冷的研究當前還存在以下問題。

(1)半導體制冷要想達到機械壓縮制冷相當的制冷效率，材料的優(yōu)值系數就必須提高。然而，直到現在，科學家對半導體制冷材料的研究并未有很大突破。半導體制冷溫差較小和制冷系數不高是半導體制冷的最大缺點，而材料的優(yōu)值系數不高導致這些缺點從而是阻礙半導體制冷發(fā)展的最主要因素，因此半導體材料的性能即優(yōu)值系數z還有待于進一步的提高。

(2)有關冷、熱端散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設計的研究較少。這使得半導體制冷的設計多半處于理論計算階段，半導體制冷的實際運行效果不能得到很好的保證。所以要不斷深入進行半導體制冷器模塊設計和系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究。

(3)相關領域的技術與手段的引用較少，材料的優(yōu)值系數的停滯影響了整個半導體制冷行業(yè)的發(fā)展，所以運用包括新理論和新技術來研究和完善就變得非常重要。半導體制冷也是一個交叉學科，需要不同方面的知識相互配合，共同進步。

(4)隨著科學技術的飛速發(fā)展，產品器件的尺寸有的越來越大，有的越來越小，有的狀況越來越復雜，需要考慮多種因素。這樣如何解決大功率半導體多級制冷的優(yōu)化問題、小尺寸器件的局部散熱問題和多因素的半導體熱電能量轉換問題就成為今后不斷努力研究的內容1。

本詞條內容貢獻者為:

李岳陽 - 副教授 - 江南大學