浅析半导体制冷技术发展现状

　　热电制冷相关技术的发展为半导体制冷技术的兴起做出了良好的准备，一定程度上可以说前者是后者的基础与起源。制冷，即从相对低温环境中吸收热量，并将热量转移给环境的过程。为了满足人类对于低于环境温度条件的需求，制冷技术逐渐兴起。随着科学技术不断发展，热电制冷材料逐渐兴起，其发展有力地推动了半导体制冷技术的产生和发展。

　　能级材料的不同是半导体制冷技术的根本

　　半导体制冷技术主要包含五种不同的热电效应：汤姆逊效应、傅立叶效应、焦耳效应、塞贝克效应和帕尔帖效应。傅立叶效应指的是经过均匀的介质沿着某一方向传递的热量与该方向温度梯度的乘积和垂直这个方面的面积的乘积成正比;焦耳效应指的是稳定电流产生的热量等于电流平方和导体电阻的乘积;汤姆逊效应的具体含义则是有温度梯度的导体在电流过后，周围的环境和导体之间会出现能量交换的现象;塞贝克效应指的是两种不同的导体组成闭合回路，当其中的两个连接点温度不同时，电动势的现象就会产生;而塞贝克效应的逆过程就会形成帕尔贴效应，两种不同的材料构成回路时，回路的两端会分别放出和吸收热量，

　　半导体制冷技术的本质是材料的能级的改变，通过对半导体材料组成的P-N结(见图1)施加直流电进行制冷。载流子从一种材料迁移到另一种势能不同的材料形成了电流，为了实现能量守恒的原则，载流子在通过结点时会和周围的环境进行能量交换。能级的改变使得制冷系统成为可能。

　　图1 半导体制冷技术的本质是能级的改变

(来源：中国知网)

　　半导体制冷技术优势明显

　　半导体制冷技术与传统的机械制冷技术相比较而言，具有可靠性强、体积小、操作简单、制冷制热迅速、无污染和容易实现高精度的温度控制等突出的优点(见表1)。但不可否认的是，尽管半导体制冷技术优势十分明显，但仍然存在加工工艺复杂、成本高、制冷效率低和不适合大功率环境使用等缺点。

　　表1 半导体制冷技术的优势

　　(来源：中国知网)

　　半导体制冷技术发展现状

　　国内对半导体制冷技术的研究相较于国外起步较晚，国内技术水平与发达国家之间也仍然存在一定差距。国际上的半导体制冷技术目前处于第三阶段，研究重点在于如何提高半导体制冷的相关性能和如何进一步开发热电制冷的应用领域。半导体制冷研究的第一阶段始于1830s，帕尔帖和塞贝克先后发现了温度反常现象和温差电流现象，但由于当时技术水平的限制，相关发现和研究并没有得到实质性的应用。第二阶段时间为1950s-1980s，科学家发现半导体材料具有良好的热电性能，热电制冷和热发电逐渐进入实践阶段。第三阶段始于1980s，日本(东京电子公司、松下电器)、乌克兰和俄罗斯等国拥有较为先进的半导体制冷技术。1960s，我国开始对半导体制冷材料进行研究，目前我国相关产业已经拥有生产出具有良好性能的半导体制冷材料的能力。

　　近年来，半导体制冷技术的发展迅速，但其制冷效率低、加工工艺复杂等缺点对技术的进一步发展和产业化造成了很大的阻碍，加快对半导体制冷系数等技术的研究变得愈发紧迫。目前，半导体制冷材料和工艺的研究主要集中在以下几个方面：

　　(1)半导体制冷理论

　　通过对半导体界面进行的假设分析，学者从机理上探讨塞贝克效应和帕尔帖效应的微观本质，并使制冷设计最佳化，学者总结出散热量等于输出功率与制冷量之和。散热问题对于制冷效率的高低影响较大，热端的温度越高，冷端的温差越大，其效率越低且制冷量越小。从目前已有的文献来看，半导体制冷理论的研究已经趋于成熟。

　　(2)热电材料

　　前苏联约飞院士对半导体材料良好制冷和发电性能的发现，标志着半导体材料研究的新篇章的开启，如何提高现有材料的热点性能，探索新的半导体材料成为当下研究热点。提高塞贝克系数和电导率以及降低热导率是热电材料优化的根本原则，尽管合金材料和无机材料目前已经取得了一定程度的发展，但由于其热导率和制备难度均相对较高，也逐渐出现不适应发展的需求的问题，未来发展的主流方向将在降低材料的热导率、维度和超晶格材料与有机热电材料等方面。

　　(3)结构设计

　　结构加工工艺的复杂程度较高，这对半导体制冷的发展来说是一个极大的阻碍，结构对半导体制冷的影响因素包括制冷器的厚度及面积、热电臂的几何尺寸及倒流电阻、焊接面的热电阻等。越来越多的学者在研究将热阻和接触电阻考虑进热电偶模型中。目前提高制冷器性能的最佳途径之一就是改善热电元件的热电比尺寸和接触热电阻等因素。

　　(4)冷热端传热方式

　　现阶段，常见的散热方式主要包括液体冷却散热、风冷散热和箱变散热等。液体冷却中水冷的使用最为普遍，其传热系数是自然风冷的100-1000倍，传热效果良好;自然风冷比强制风冷的热度大;相变散热适用于间歇性制冷的环境，目前应用较多的是在热管散热器上，通过相变材料的变化来吸收热量达到制冷的目的。由于风冷散热的散热和制冷效率相对其他方式较低，目前行业将水冷散热和相变散热两种方式作为研究的重点。

　　结语

　　随着科学技术不断发展，热电制冷材料逐渐兴起，这有力地推动了半导体制冷技术的发展。需要注意的是半导体制冷技术的本质是材料能级的改变。现阶段，半导体制冷技术的研究主要集中半导体制冷理论、热电材料、结构设计、冷热端传热方式几个方面。目前，半导体制冷理论研究已经区域成熟;热电材料发展的主流方向在未来将集中在降低材料的热导率、维度和超晶格材料与有机热电材料;结构设计方面，越来越多的学者将热阻和接触电阻考虑进热电偶模型中;未来散热方式的研究重点将会更多向水冷散热和相变散热倾斜。