半导体制冷是一种新兴的制冷与冷却技术，又被称为热电制冷或温差电制冷，已广泛应用于航空航天、医疗设备、红外探测、科研等众多领域。半导体制冷工作原理主要包括五种热电效应，分别是珀尔贴效应、塞贝克效应、焦耳热效应、汤姆逊效应和傅里叶效应［55］相较于以往传统制冷方式，半导体制冷具有以下优点［56］：无制冷剂，环保无污染；无机械运动部件，结构简单，无噪声；制冷片热惯性小，制冷较为迅速；可以叠加使用，易于变化功率；体积小，质量轻；可控性强，可通过控制电流大小调节制冷功率；可逆性强，可通过电流方向改变实现制冷与制热的相互转换；适应性强，在超重或失重，水平、垂直或与地面成任何角度，都能正常工作。

1.珀尔贴效应与塞贝克效应

1834年，法国著名物理学家珀尔贴发现当两种不同的导体（或半导体）材料组合成闭合回路，在回路中通以直流电流时，在导体的接头处，一个会吸收热量，一个会放出热量这就是珀尔贴效应，吸收或放出的热量称为珀尔贴热，如图2－18a所示。

图2－18 珀尔贴效应与塞贝克效应示意图

a）珀尔贴效应 b）塞贝克效应

珀尔贴效应使实现热电制冷或制热成为可能，回路两端放热与吸热由电流的方向决定，而吸收或放出热量大小即珀尔贴热与电流存在以下关系：

式中，I为回路中的电流；π12为珀尔贴系数，珀尔贴系数由两种材料决定。

1821年，法国科学家塞贝克发现当两种不同的导体相互连接组成闭合回路时，若接头处保持不同温度T1和T2，则在回路中产生的电动势ΔE会使热能转变为电能，回路中形成电流I，这种现象称为塞贝克效应或温差电效应，如图2－18b所示。

导体两端的电动势为

式中，塞贝克系数α由两种材料决定。

珀尔贴系数和塞贝克系数的关联可表示为

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式中，Tc为冷端温度。

2.焦耳效应、汤姆逊效应与傅里叶效应

焦耳效应是一种不可逆热效应，指单位时间内直流电流通过导体时产生的热量与电流的平方和导体的电阻的乘积成正比，即

式中，I为导体中的电流；R为导体的电阻。

汤姆逊从理论上预言了一种新的热电效应，当电流通过有温度梯度存在的导体时，导体除产生与电阻有关的焦耳热以外，还产生导体和周围环境之间的可逆能量交换。单位长度与环境进行交换的汤姆逊热可表示为

式中，τ为汤姆逊系数。当I＞0，dT＞0时，QT＞0，即有吸热现象。汤姆逊系数与材料的属性有关，数值很小，一般可忽略汤姆逊效应。

傅里叶效应是指单位时间内经过均匀介质沿某一方向传导的热量，其大小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

式中，H与A为导体长度与面积；K为传热系数

3.半导体制冷与冷却功率

半导体制冷片冷却的冷量主要取决于塞贝克效应、珀尔贴效应、汤姆逊效应、焦耳效应以及傅里叶效应。忽略汤姆逊效应，假定焦耳热冷热两端各吸收一半，则冷端吸收的冷功率为