热电制冷主要是利用不同导电材料相互接触时电子在外部电压的驱动下从能态低的材料迁移到能态高的材料时电子吸收接合面的晶格热能,从而实现热量的定向输运——制冷。热电子制冷是利用电子的势垒穿越,在冷端获得足够动能的电子将热量输运到热端。与金属热传导机制基本相仿,电子是热电/热电子制冷过程中热量的载荷子。 热电制冷器突出的优点是没有运动部件,工作可靠性高,还可以逆向工作,将热量转换为电流。但是由于制冷效率低下,热电制冷逐步让位于蒸汽压缩式制冷,吸收吸附式制冷等方式。影响热电/热电子制冷器的制冷效率的主要因素可以用热电制冷器的品质因数(figure-of-merit)ZT=S2σT/β表示。ZT是一个无量纲的系数,表示了某种材料制冷能力的好坏。S是塞贝克系数,σ是电导率,β是热导率,T是温度。传统热电制冷器制冷效率低下主要是三个系数之间的矛盾,在提高塞贝克系数的同时,热导率也随之升高,电导率下降。 近年来,随着以纳米技术为代表的先进半导体技术的发展,热电/热电子制冷又重新吸引了研究者的兴趣。通过分子束外延法、金属有机物气相沉积法得到的超晶格材料可以得到人工形成的热传导不连续界面,热传导的界面效应将有效降低热导率,与此同时,通过控制势垒厚度、晶格周期、势垒高度、掺杂浓度等方法可以有效提高塞贝克系数和电导率,进而提高ZT值。研究表明,具体调制方法需要在超晶格材料中电子输运机制和声子传播机制基础上,对材料选择、势垒厚度、晶格周期等因素进行协调、选择才能得到比较好的制冷效果。本文就以上因素,对最新的研究成果进行了归纳和总结。 此外,影响制冷器制冷效果的因素还有制冷器面积、基底尺寸、接触电阻、制冷器本身电阻等因素。本文建立了基于InGaAs/InGaAsP超晶格异质结构制冷器进行研究,建立了传热模型,进行了一维、二维和三维模拟分析。在此基础上,从制冷器的几何参数入手进行了优化分析和设计。相应的研究结果表明,通过适当优化设计,可以大幅度提高制冷效果,减小体积。为今后与作为热源的光电微电子电路集成的热分析和优化提供了模拟分析依据。