半导体制冷（亦称热电制冷、温差电制冷或电子制冷）是以温差电现象为基础的制冷方法，采用具有热电能量转换特性的半导体材料进行制冷。由于半导体制冷不用制冷剂，无机械传动部分，并且冷却速度和制冷温度可任意调节，现已广泛用于生产、生活各个领域中。

一、半导体制冷原理简介

    半导体制冷是利用半导体材料的拍尔帖（Peltier）效应，即当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，从而实现制冷的目的，其整个制冷过程由五种不同的效应组成，它们分别是：赛贝克效应、拍尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和富里叶效应。

    1．赛贝克效应
    在两种不同导体构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，回路中有电动势存在，这种电动势就称为赛贝克电动势或温差电动势，如图1所示。

    图中△U是温差电动势，它的大小与两结点间的温差成正比，比例常数为赛贝克系数（也称为温差电动势率，每种材料都有固定的赛贝克系数）。

    2.A尔帖效应
    当直流电流通过由不同导体连接形成的回路时，在结点处会产生吸热或放热的现象，这种现象被称为拍尔帖效应。

    因为半导体的拍尔帖效应比金属更为强烈，所以用半导体制作的组件可以达到较好的制冷效果，如图2所示。

    N型元件的载流子是电子，P型元件的载流子是空穴。当温差电偶的N型元件接入直流电正极，P型元件接入负极时，N型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热，同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，聚合时放热；同时，电子与空穴在上端分离，分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。

      3．汤姆逊效应
    当电流通过有温度梯度的导体时，则在导体和周围环境之间进行能量交换，如图3所示。

    4．焦耳效应
    单位时间内电流通过导体产生的热量Q等于导体的电阻R与电流I的平方的乘积，即Q=I2R。

    5．富里叶效应
单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量与垂直这个方向的面积和该方向温度梯度的乘积成正比，即Q=S×△T。

二、 半导体制冷组件的结构和性能

    1．半导体制冷组件的结构
    半导体按导电类型分N型材料和P型材料，将N型元件和P型元件大规模串联成回路，使每个元件相连接的都是不同导电类型的元件，这样就形成了半导体制冷组件，如图4所示。

    从图4中可以看出，制冷组件的上下面是陶瓷片，起电绝缘、导热和支撑作用，其主要成分是95%的氧化铝。

    与陶瓷片连接的是导流片，它的成分是无氧铜，起导电和导热作用。通过锡焊接在陶瓷片的金属化图形上。
    上下导流片之间是半导体制冷元件，它的主要成分是蹄化秘，是制冷组件的主功能部件，分N型元件和P型元件，通过锡焊接在导流片上。

    2．最高施加电压和最大温差电流
常温下每对半导体制冷元件所允许最高施加的电压是0.12V,则每种制冷组件所允许最高施加电压是元件对数×0.12V。每片制冷组件的最大温差电流可以粗略地计算：元件对数×0.12×0.77/R。
    3．半导体制冷的特性曲线
    半导体制冷的特性曲线表示半导体制冷组件的工作电流和产冷功率的关系，呈抛物线形状。下面以TEC 1-12705型半导体为例，其制冷的特性曲线如图5所示。

    图中纵坐标是产冷功率，横坐标是工作电流，Th是热面温度。从图中看出：电流达到最大温差电流时和略低的电流时（比如电流从5A降到4A）的产冷功率相差不大，但是输入的电功率相差却很大。

    ［提示】半导体制冷器的供电为直流电源，且电源的纹波系数必须小于10%，否则对制冷效果有较大的影响。

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