半导体制冷技术研究
摘要：本文讨论了目前半导体制冷技术存在的问题，详尽分析了半导体制冷的特点、应用及发展动向。
传统空调和冰箱制冷技术采用氟利昂或其它化合物制剂来实现制冷，氟利昂或其它化合物制剂的泄漏，对周围环境会造成一定的污染，更主要的是这些制冷剂对大气臭氧层具有强烈的破坏作用，已经相继被淘汰出局。而现代化高科技的半导体制冷技术，不需任何制冷剂，仅仅利用半导体的珀尔帖效应就能实现制冷。在致力于保护全球环境的今天，研制开发一种性能优越，对环境无害的制冷技术已经成为全球制冷技术科学研究领域的一个重要课题。所以半导体制冷技术具有广阔的发展前景。导体的热电效应主要包括：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效应。而半导体制冷技术是利用了珀尔帖效应。
珀尔帖效应是塞贝克效应的逆效应，珀尔帖效应所产生的热量称为珀尔帖热，其大小与回路的电流强度成正比，方向将随着电流方向的改变而发生变更，即冷端与热端互换。
其机理主要是电荷载体在不同的材料中处于不同的能量级，在外电场的作用下，电荷载体从高能级的材料向低能级的材料运动时，便会释放出多余的能量。反之，电荷载体从低能级的材料向高能级的材料运动时，需从外界吸收能量。能量在不同材料的交接面以热的形式放出或吸收。金属材料的珀尔帖效应较微弱，而半导体材料的珀尔帖效应则强得多，所以在实际工程中采用半导体制冷。
1 半导体制冷技术的特点
与压缩式制冷机相比，半导体制冷器具有以下优点：
(1)无运动部件，因而工作时无噪声，无磨损、寿命长，可靠性高。
(2)不使用制冷剂，故无泄漏，对环境无污染。
(3)半导体制冷器参数不受空间方向的影响，即不受重力场影响，在航天航空领域中有广泛的应
用。
(4)作用速度快，工作可靠，使用寿命长，易控制，调节方便，可通过调节工作电流大小来调节
器制冷能力。也可通过切换电流的方向来改变其制冷或供暖的工作状态。
(5)尺寸小，重量轻，适合小容量、小尺寸的特殊的制冷环境。
半导体制冷器虽有许多优点，但也有一些缺点有待克服。
(1)在大制冷量的情况下，半导体制冷器的制冷效率比机械压缩式冷冻机低。因此，半导体制冷器只能用作小功率制冷器。
(2)电偶对中的电源只能使用直流电源，如果使用交流电源，就会产生焦耳热，达不到吸热降温的目的
(3)电偶堆元件采用高纯稀有材料，再加上工艺条件尚未十分成熟，导致元件成本比较高，目前还不能在普通制冷领域广泛使用。
2 半导体制冷技术的应用
半导体制冷器作为先进的无污染制冷器材，将在工农业、医疗、科研、国防等领域得到广泛的应用。目前国内外半导体制冷器已有数十个应用项目，新的应用项目仍在不断开发中。
(1)在电子工业中，半导体制冷器作为低温温度稳定器，可用来提高电子元器件的性能。例如，在半导体制冷器产生的低温环境中，红外探测器性能明显提高，即响应时间缩短，灵敏度提高，响应波长展宽，背景噪音下降;光电倍增管暗电流和噪声降低;石英晶体振荡频率稳定等等。
(2)半导体制冷器作为一种冷源，可以代替干冰，实现无冷媒的冷源，用于测量、控制和提高工艺性能。例如，在真空扩散泵中采用冷阱，真空度可提高一个数量级。在实验室中，半导体制冷器用于样品的凝固点、浊点分析和测定时，可对任意点进行简易可靠的温度控制，减小了通常用冰、二氧化碳干冰或机械制冷所带来的麻烦。
(3)半导体制冷器可用于气象学中的露点温度测定、照片及x光底片定影显影、材料行业的低温物理性能实验、工业气体含水量的测定与控制等。
(4)在医疗和临床上，病理半导体冷冻机已得到广泛的应用。因此，手术病理报告十几分钟就可做出(常规石蜡切片一般要23天)，大大提高了诊断周期，为外科医生及时确定手术方案提供了可靠的依据。在脑外颅脑降温帽、眼科白内障摘除器、半导体冷冻刀、皮肤冷冻治疗中也得到应用。用半导体制冷器可制作冷热一体箱，即将冷端做成冰箱，热端做成温箱，实现一机两用，节省能源。用半
导体制冷器做成的药用半导体冷藏箱，可以很好的保存血浆、疫苗、血清、药品等。
(5)计算机主板上的CPU正常工作时就会散发热量，多数采用小风扇降温，噪音较大。如果将小风扇改为半导体制冷器，降温效果会更好。
(6)半导体制冷器也使用在车辆、核潜艇、驱逐舰、深潜器、减压舱、地下建筑等特殊环境下的空调、冷藏和降湿装置。随着制冷性能的不断提高，成本逐渐降低，半导体制冷器必将得到广泛的应用。
3 半导体制冷材料及器件的发展动向
在过去的二十多年里，半导体制冷材料及其器件的研究没有取得突破性的进展，要想制造出性能优良的半导体制冷组件，制冷材料必须具有较高的优值系数(zT)。目前世界上具有最高zT值的半导体制冷材
料是Bi21b合金。最近，在热电(电子)制冷领域，世界上出现了对两种新型半导体制冷
材料及其器件的研究热潮，并取得了一定的进展。这两种新型半导体制冷材料及器件分别为半导体量子阱超晶格薄膜材料及其器件与方钴矿类高温半导体制冷材料及其器件。用半导体量子阱超晶格结构获得较高zT值的设想是美国Massachusetts技术学院的L.D.Hievs及M.S.Dre8 L halls于1993年首先提出来的。他们在理论上计算了用单带材料及双带材料分别形成二维量子阱结构后对zI’值的影响。所谓单带材料就是指具有一种载流子(电子或空穴)的半导体热
电材料，目前具有最高zI'值的热电材料都是单带材料。双带材料如半金属不是理想的热电材料，用这些材料形成二维量子阱超晶格结构之后，可以有效地分离双带，转变成有效的单载流子系统材料。他们的理论计算表明二维量子阱超品格结构的zr值比单带材料有显著提高。在300K下，zT值可以达到3.0以上，是传统热电材料Bi2 合金的3倍。这一理论结果的发表，引起了科研工作者的研究兴趣，因为如果从实验上zT值能够达到这一值，可望热电制冷技术能与其它制冷技术如机械制冷技术相抗衡。目前开展量子阱超晶格结构的半导体制冷材料及其器件研究的国家有美国，日本，乌克兰，德国等，其中以美国，日本的研究力量最为强大。
另一个值得关注的问题足高温半导体热电材料及其器件的研究。美国发现一种新型的热电材料，这种材料在高温下具有优良的输运特性，它是方钴大家族的成员，在热电应用方面显示出巨大的潜力。这种热电材料具有多晶结构，在高温下(一般在650度 750度)用粉末冶金技术制备而成，在350度一750度的温度范围内显示出超常的热电特性。例如，CeFe3.5Co0.5Sb12体材料，具有P型电导率，在600度下优值系数zT达到1.4，与其它能量转换材料相比，用这种材料制成的组件有一定的优势，如可靠性强，适应于高温不良环境，有利于环保等。但这种材料也有其弱点，其晶格热导率较高，在300K下可以达到0.01 0.15W/cmK。目前科研工作者正在尝试用不同技术来减小该材料的晶格热导率，已有的实验结果表明，这种材料的热导率有可能得到进一步降低，以获得较大的优值系数。
我国在以上两个方面的研究工作尚有一个空白。就最近两届国际热电技术年会来说，第十五届国际热电技术年会于1996年3月在美国加利福尼亚州召开，我国没有代表参加这次年会，第十六届国际热电技术年会于1997年8月在德国召开，我国有两个单位提交了论文，但工作主要集中在传统热电制冷组件方面，据了解，我国已有实验室开始从事量子阱超晶格热电材料的研究工作。运用半导体技术进行家电制冷，将消除由生产工艺带来的环境污染，同时也大大的节约了能源，因此对于这项技术的研发成为一个热点。然而，由于技术水平等原因，开发大功率的半导体制冷元件也一直是个难点。
目前国内对半导体制冷技术也有进展，已经研制出双内循环储冷式半导体交换器，它与半导体能源组件、散热系统构成一个能量转换系统。这种交换器可以方便应用于冰箱、空调器等制冷产品中，是取代机械压缩泵和氟里昂制冷剂的绿色环保产品。此项技术在大功率半导体制冷复合技术方面在国内应属领先水平。而在半导体制热效率应用方面则率先开辟了新的领域。
