常用的制冷方法有化学制冷、相变制冷、气体绝缘膨胀制冷及本文用到的半导体制冷等。化学制冷是通过能产生吸热效果的化学反应，到达产生一定温差的效果。这种方法方便快捷，一般不需要加其他能量，但在制冷的同时需要消耗大量的反应物，同时温度的稳定性也比较难控制。相变制冷是利用物质状态的改变实现吸热，从而实现制冷，例如干冰制冷，此方法适用于大面积环境降温，但不适用于控制仪器设备，很到长时间保持相变以达到制冷目的。气体绝热膨胀制冷的原理是高压舱位流体通过绝热膨胀变为低温流体，对需要降温的物体进行降温。其优点是可以长期不断的工作，适用于空调、冰箱等大型设备制冷，对于小型仪器，成本较高，且有些气体泄漏会造成环境污染。

半导体制冷材料是一新型的制冷原材料。半导体制冷（又称热电制冷或温差电制冷），就是利用“帕尔帖效应”的一种制冷方法，与压缩式制冷和吸收式制冷并称为世界三大制冷方式。珀尔贴的应用主要在于它具有的珀尔贴效应。德国科学家Thomas Seeback最早于1821年发现了珀尔贴现象，封闭回路的导线由两种不同的金属组成时，当接上电源之后，热量将会从导线的一段传向另一端，这就是珀尔贴效应[1]。但是Thomas Seeback当时对该现象却给出了不正确的推论，该现象其中真正的科学原理并没有被发现。直到1834年，法国表匠Jean Peltier才发现其背后的真正原因，他同时也是法国的兼职研究此现象的物理学家。珀尔帖会出现这种特殊现象的原因在于：当直流电源接通在由两块不同导体连接成的电偶时，电流流过电偶时，会使电偶内部的能量发生转移，一个接触点变冷会释放热量，另一个接触点变热会吸收热量，人们称此现象为珀尔帖效应。珀尔帖效应虽然早在19世纪三四十年代就被发现了，但是在很长一段时间里，对它的研究仅限于实验室阶段。直到20世纪90年代，苏联学者在此方面研究有了初步进展，认为比金属半导体材料更适合热电半导体材料的物质——碲化铋为基的化合物。至此，这种制冷方法才逐渐变为适合实际应用的制冷元件。

事实上，只要是由不同类别的导电体形成的闭合回路，当接上电源后在接点处就能有一端放热和一端吸热的现象。在导体中，电荷载体的运动形成电流，因为电荷在不同的材料中，它所处的能量级也是不同的，当它从高能级向低能级运动时，就会释放出多余的热量（即放热）。相反，如果从低能级向高能级运动时，就需要从外界吸收热量（即制冷）。所以，两种材料的能级差（热电势差）就决定了导体两端的吸热、放热的效果。由于纯金属的导热和导电性能好，而且在金属导体中，参与导电的自由电子平均能量差很小，所以金属导体的放热和吸热效果并不明显。而一些小型的热电制冷器是用具有很高热电势的半导体材料做成的。科学家们通过很多次实验的验证发现：N型半导体和P型半导体具有最大的热电势差，冷接点处在其应用中表现出了明显并有效的制冷效果。

珀尔帖效应就是电流流过两种不同导体的界面时（N、P型材料组成的热电偶），将从外界吸收热量，或向外界放出热量。在单位时间内，接头处单位面积吸收的热量与通过接头处的电流密度成正比。其工作基本原理如图3-1所示，N型半导体是自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体，主要靠自由电子导电，P型半导体是空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体，主要靠空穴导电[2]。而金属导体里面有自由运动的电子，导电的原因是自由电子的运动。因为金属与半导体之间的电子是不能传递的，电子只能在同一物体内部运动，故金属导体仅仅是起到导电的作用。当回路中接通电流时，N型半导体中的电子和P型半导体的空穴都由上往下运动，在上方内能转换为运动的势能使之下移，而到下方运动的势能又转换为内能放热。P型半导体的空穴由上到下，上端因电子空穴脱离吸收热量，到下方空穴与电子结合产生热量；同理N型半导体的电子运动为由上到下，在上端电子启动，需吸收能量转换成势能，下方电子停止运动，与空穴结合放热。

图3-1　半导体制冷原理图

半导体制冷器是建立在珀尔帖效应基础之上的制冷器件，它是采用能起制冷作用的半导体材料制成的。当一块N型和一块P型半导体制冷元件构成温差电偶，并通入直流稳流电源时，在温差电偶臂中就会发生能量的转移，从而产生制冷效应。

实际上制冷器的冷端除了从周围环境吸收的热量除Qx外，还有两个：其中一个是焦耳热Qj；而另一个是传导热Qk。电流从制冷器内部通过时就会产生一定量的焦耳热，其中焦耳热的一半传到制冷器的热端，另一半却传到制冷器的冷端，即传导热从珀尔贴热端传至冷端。

珀尔贴器件冷端的吸热量：

珀尔贴器件热端的散热量：

式中：R——一对电偶的总的电阻；

K——总的热导量。(www.daowen.com)

半导体制冷技术曾在20世纪50年代盛极一时，由于其简易的特征，即一通电便能制冷，这使它受到许多厂家的喜爱，并计划将其应用到冰箱等产品上，然而当时的半导体材料和工艺的不成熟使得对半导体的应用没有能进入实用化。

随着科技的快速发展，半导体制冷器件的参入杂质的浓度和种类、材料特性和器件制造工艺等技术上的难关都已被突破。使得半导体制冷的优势得以体现，目前在医疗、军事、工业、航天航空和日常生活用品等诸多领域半导体制冷逐渐得到广泛的应用。

半导体制冷是一种固体制冷方式，其制冷的实现是依靠内部的空穴和电子的运动来传递热量来达到的。在技术应用上与传统制冷系统相比其具有的优点和特点如下[3]：

（1）制冷时无需制冷剂，可以长时间不间断工作，不会产生污染，制冷装置仅为一个片件，制冷运行时不会有噪音和振动产生，且器件的安装简便，器件使用的寿命也长久。

（2）半导体制冷元件在工作时既能制冷又能加热。因此要同时实现制冷系统和加热系统只需要用一片制冷器件就可以。

（3）半导体制冷元件的制冷效应跟电流有关，这样就能够通过控制元器件的工作电流，来达到对象温度的控制，另外加以温度检测方法和控制方案就可以实现温度自动控制系统。

（4）半导体制冷元件的热惯性小，制冷、制热所需要的时间很短，在冷端没有负荷和热端具有良好散热条件的情况下，通电不超过一分钟，半导体制冷片两端就能够达到最大的温差。

（5）由单个半导体制冷元件组合成电堆，再通过并联或串联的方法与同类型电堆组合成制冷系统，其制冷功率可以非常大，所以半导体的制冷功率可以在几毫瓦至上万瓦的范围内都做到。

（6）半导体制冷元件的温差范围很大，可以实现从负130℃到正90℃的范围。