熱電製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(ge) 由兩(liang) 種不同金屬導體(ti) 構成的閉合回路中，當兩(liang) 個(ge) 接頭的溫度不同時，回路中會(hui) 有持續的電流流動。1834年，一個(ge) 法國製表師兼物理學家簡·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(ge) 相反的現象，也就是當閉合回路中有電流流動的時候，兩(liang) 個(ge) 接頭之一會(hui) 吸熱，而另一個(ge) 會(hui) 放熱。20年後，威廉姆·湯姆遜（即開爾文勳爵）為(wei) 塞貝克效應和珀爾帖效應提出了一個(ge) 係統的解釋，並建立了兩(liang) 者的關(guan) 係。在很長時間裏，溫差電領域中隻有用熱電偶測量溫度得到了廣泛應用。直到1960年前後前蘇聯科學家完善了以Bi2Te3為(wei) 代表的化合物半導體(ti) 材料的製備技術，才使得商業(ye) 化的熱電製冷器才有所發展。半導體(ti) 致冷器，是基於(yu) 帕爾貼效應開發的固態加熱、製冷器件。目前應用於(yu) 關(guan) 鍵電子部件、光學係統、醫療儀(yi) 器及其他裝置中的精密溫度控製。

一、半導體(ti) 致冷器結構及工作原理簡介

在目前的熱電製冷器件中最常用到的半導體(ti) 熱電材料是碲化鉍。碲化鉍的最大熱電優(you) 值係數所出現的溫度在室溫，適合於(yu) 大多數熱電製冷的應用條件。工業(ye) 上已經可以通過摻雜得到p型和n型碲化鉍料錠。熱電材料的製備方法通常是區域熔化法或者粉末壓製成型法。

由帕爾貼效應可知，通過在半導體(ti) 致冷器的兩(liang) 端加載一個(ge) 適當的直流電壓，熱量就會(hui) 從(cong) 元件的一端流到另一端。此時，製冷器的一端溫度就會(hui) 降低，而另一端的溫度就會(hui) 同時上升。值得注意的是，隻要改變電流方向，就可以改變熱流的方向，將熱量輸送到另一端。所以，在一個(ge) 熱電製冷器上就可以同時實現製冷和加熱兩(liang) 種功能。因此，熱電製冷器還可以用於(yu) 精確的溫度控製。另外，熱電製冷器還具有發電的功能。在這個(ge) 模式下，隻要在製冷器上加載一個(ge) 溫差後，回路中便會(hui) 產(chan) 生電流。

半導體(ti) 致冷器的結構示意圖

從(cong) 上麵的半導體(ti) 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型電偶臂裏上下流動的過程中，熱流方向能始終保持不變，在n型材料中，熱流方向與(yu) 電流方向相反；在P型材料中，熱流方向與(yu) 電流方向相同。一個(ge) p型和一個(ge) n型電偶臂組成一對溫差電偶對，大多數熱電製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(liang) 對p型和n型電偶臂構成的兩(liang) 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(ti) 致冷器。

其工作原理是當一塊N型半導體(ti) 材料和一塊P半導體(ti) 材料聯結成偶對時在電路中接通直流電流後就能產(chan) 生能量的轉移，電流由N型半導體(ti) 流向P型半導體(ti) 接頭處吸收熱量成為(wei) 冷麵，由P型半導體(ti) 流向N型半導體(ti) 的接頭處釋放熱量成為(wei) 熱麵，吸熱和放熱的大小是由通過電流的大小以及半導體(ti) N和P的元件對數來決(jue) 定如圖所示，常用材料是以碲化鉍為(wei) 基體(ti) 的三元固溶體(ti) 合金，其中P型是Bi2Te3，Sb2Te3；N型是Bi2Te3，Bi2Se3。

典型的單級半導體(ti) 製冷片是由兩(liang) 塊陶瓷板組成，板之間有p型和n型半導體(ti) 材料碲化鉍。半導體(ti) 材料的元件以電串聯和熱並聯的方式連接。當向n型熱電元件施加正直流電壓時，電子從(cong) p型熱電元件傳(chuan) 遞到n型熱電元，並且冷側(ce) 溫度將隨著熱量的吸收而降低。熱吸收（冷卻）與(yu) 電流和熱電偶的數量成比例。這些熱量被傳(chuan) 遞到冷卻器的熱側(ce) ，在那裏消散到散熱器和周圍環境中。

二、半導體(ti) 致冷器的應用情況概述

應用情況概述

目前，半導體(ti) 致冷器廣泛應用於(yu) 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。下麵列舉(ju) 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

● 電泳電池製冷器

● 電子封裝製冷

● 發電機(小型)

● 光導攝像管製冷器

● 光電倍增管防護罩

● 黑匣子製冷

● 恒溫槽

● 恒溫浴

● 紅外探測器

● 環境分析

● 酒櫃

● 激光二極管製冷器

● 集成電路製冷

● 晶圓熱特性分析

● 精密設備製冷(激光和微處理器)

● 冷櫃

● 露點濕度計

● 切片機製冷

● 熱密度測量

● 熱循環係統（DNA和血液分析儀(yi) ）

● 生物學組織製備和儲(chu) 存

● 濕化學過程溫度控製

● 飲用水和飲料冷卻

● 冰箱和便攜冰箱係統（飛機、汽車、輪船、賓館、野餐、製藥、胰島素、手機等）

三、半導體(ti) 致冷器的主要特點

在一些中小功率熱量傳(chuan) 輸，但是需要複雜控溫的熱控過程中，半導體(ti) 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。盡管沒有哪種製冷方式是萬(wan) 能的，半導體(ti) 致冷器也並不能應用在所有的領域，但是與(yu) 其他製冷設備相比，熱電製冷器具有很多優(you) 勢。其中包括：

● 可以降溫到環境溫度以下：傳(chuan) 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(yu) 其不同的是熱電製冷器具有將物體(ti) 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：熱電製冷器可以通過調整加載的直流電流的方向，調整製冷或者加熱模式。應用這一特點就不必在給定體(ti) 係內(nei) 加入另外獨立的加熱或者製冷功能元件。

● 精確的溫度控製：由於(yu) 熱電製冷器具有一個(ge) 閉路溫度控製循環，它可以在0.1 ℃範圍內(nei) 精確地控製溫度。

● 高可靠性：由於(yu) 全部為(wei) 固態基構造，熱電製冷器具有很高的可靠性。盡管某種程度上與(yu) 應用條件有關(guan) ，但是典型熱電製冷器的壽命一般可以達到200,000小時以上。

● 電子靜音：與(yu) 傳(chuan) 統的機械式製冷器件不同，熱電製冷器在工作過程中基本上不會(hui) 產(chan) 生任何電子幹擾信號，它可以與(yu) 敏感的電子感應器相連接，並不會(hui) 幹擾其工作。另外，它在運行過程中也不會(hui) 產(chan) 生任何噪音。

● 可以在任意角度下工作：熱電製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：熱電製冷器能夠直接使用直流電源，並且加載電源的電壓和電流能夠在很大範圍內(nei) 變化。在許多條件下，還可以使用脈衝(chong) 寬度調製。