摘要：半导体制冷技术是一门以热电制冷材料为基础的新兴制冷技术.通过阅读大量文献，从热电材料、结构设计、冷热端散热方式3个方面对半导体制冷技术近年来的研究热点和成就进行了总结和论述，并指出了半导体制冷技术的发展方向.热电材料决定了优值系数Z，可以从根本上提高材料的制冷性能，但研究难度较大，发展缓慢；优化结构设计可以有效地提高制冷单元的实际性能系数，重点在于优化尺寸因子G和热电阻，缺点是实际加工工艺复杂；减小热电偶冷热端的温差有利于提高制冷量，可以大幅提高制冷系数，有效的散热方式是提高半导体制冷效率的重要因素.
关键词： 半导体制冷； 热电材料； 优值系数； 结构； 散热
中图分类号： TB 66 文献标志码： A
Reviews of Semiconductor Refrigeration Technology
HUANG Zhen， ZHANG Hua
（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）
Abstract：The semiconductor refrigeration technology is a new refrigeration technology based on the thermoelectric refrigeration material.This article summarizes and discusses the research of hotspots and achievements of semiconductor refrigeration technology in recent years，from the aspects of thermoelectric materials，structural design and heat dissipation way，and also outlooks the development trend of semiconductor refrigeration technology.It is found that thermoelectric material faces difficulty in development due to the challenge of increasing the figure of merit Z，which can decide the refrigeration performance fundamentally.Although the optimized structural design（size factor and thermal resistance） can improve the actual performance coefficient of refrigeration units，the processing technic is too complicated.By reducing the temperature difference between the hot and cold side of thermocouple，the refrigeration coefficient was improved.And the effective heat-dissipating method is a key factor to improve the refrigeration efficiency of semiconductor.
Keywords： semiconductor refrigeration； thermoelectric material； figure of merit； structure； heat-dissipating
随着科学技术的发展，新型材料不斷出现.热电制冷材料就是新兴的一种热门材料，而半导体制冷技术则是在热电制冷材料基础上发展起来的一门新技术.近年来，随着环境恶化日益加剧，人们越来越重视对环境的保护，在《京都议定书》和《联合国气候变化框架公约》的基础上，减少温室气体排放、减缓全球变暖成为一种必然趋势.传统的压缩机制冷对大气臭氧层的破坏性影响和温室效应越来越受到人们的关注，而半导体制冷因其无制冷剂、对环境无害的特点成为研究热点.半导体制冷技术主要是帕尔帖效应在制冷方面的应用，它包括5种效应：帕尔帖、塞贝克、汤姆逊、焦耳和傅里叶效应.半导体制冷与传统制冷技术相比，具有以下几个优点：无制冷剂，对环境友好；无机械运动部件，运行平稳无噪声，结构紧凑；制冷器件可做成多种形状，适应性好；冷热端转换便捷，只要改变电流方向即可；方便调节，通过调节电流或电压大小即可调节制冷量；制冷功率范围大，可通过串并联的方式将单个制冷片组合成制冷系统，从而获得更大的制冷功率；半导体制冷片热惯性非常小，启动时间短[1].
虽然半导体制冷技术近年来发展迅速，但仍然存在着制冷效率低、单位制冷量成本高和加工工艺复杂等缺点，在很大程度上限制了该技术的发展和应用.因此，加快对半导体制冷技术尤其是制冷系数（cofficient of performance，COP）方面的研究，对于推广其应用范围有着重大意义.目前国内外对半导体制冷技术的研究主要集中在3个方面：热电材料、结构设计和冷热端散热方式[2].
1 半导体制冷的工作原理
半导体制冷是将热电材料组合成PN结，通以直流电后，热电元件会出现一端温度降低而另一端温度升高的现象，利用此现象将电能转换为热能，这就是半导体制冷的基本原理，如图1[3]所示.给一对或多对热电元件之间通以直流电后，在接头处会产生温差和热量转移.在热电对的一端，电子和空穴从低能级的P型材料通过连接的导体进入到高能级的N型材料，同时吸收热量，致冷端温度降低；而热电对的另一端则存在相反的情况，放出热量致使温度升高，这就是帕尔帖效应.当连接点出现温差后，会产生塞贝克效应.当电流通过有温度梯度的热点元件时，元件与周围环境会产生热量交换，称为汤姆逊效应.电流经过热电对还会产生不可逆的焦耳热.当冷热端存在温差时，会通过导体产生热传导，称为傅里叶效应[2].
