半导体制冷|什么叫半导体制冷

半导体制冷（什么叫半导体制冷）
风冷以及水冷，都是大家比较熟悉的散热模式了。其实大家平时使用的一体式水冷，其部分原理仍旧属于“风冷”的范畴，不过是散热器的导热介质由热管的“蒸发-凝结”自动循环原理，替换为依靠由水泵电机主动循环带动的液体传导，最终所有的热量还是通过风扇的转动，形成强制对流，将鳍片（风冷）或冷排（水冷）的热量传递到环境中帮助芯片降温。因此，风冷与水冷散热器都属于“被动”的散热的形式，因为芯片的高温与环境的低温所产生的温差范围，决定了传统散热器作为"热量的搬运工"，最多只能将芯片的温度降低至接近环境温度。

随着人类对于芯片计算能力的不断追求，越来越多的晶体管被塞入了计算芯片，每一个计算单元的密度都在不断提高，同时更高的频率也带给芯片更高的工作电压与功耗。可以预见的是，未来数年我们都还将继续追求提升芯片的计算性能，那么也意味着我们也需要不断的持续攻克芯片温度的散热问题。仅仅依靠现有的“被动散热”已经有些力不从心，是否需要一种“主动制冷”的新模式出现？

其实关于处理器的散热模式，一直并不局限于常见的风冷/水冷。为了解决温度问题，实现某些极端的目标（比如极限超频），极客们不断的尝试油冷，压缩机制冷，液氮，干冰等降温方法。曾经最接近零售市场使用的OCZ CRYO-Z系列压缩机能够通过相变制冷可以使蒸发器温度达到-45℃百思特网，甚至有国外发烧友通过自制三级压缩机系统，将温度降至了-196℃，已相当于液氮的蒸发温度。但是由于高昂的成本与复杂的使用方式，压缩机系统是不可能普至到家庭使用。液氮，干冰就更是仅针对极限超频这一特定目标的特殊手段而已，蒸发/升华速度非常快，只能带来短时间的极限效能，这些方式并不具备充分的可控性与可复制性。

那么有没有一种看上去可控性高，使用简易，成本低廉的散热方式，来解决现有处理芯片的高温问题呢？答案可能还是有的，那就是利用热电效应原理的的半导体制冷技术。随着今年11月Intel Cryo相关项目的公布，接下也会有采用热电制冷的民用级散热器出现在DIY市场中，我们今天就来聊聊有关半导体制冷那些事。
什么是半导体制冷？要了解半导体制冷这一具体到终端的技术应用，我们需要先了解的一个有关电与热的基础原理：热电效应（ Thermoelectric effect）。

【半导体制冷|什么叫半导体制冷】

图片来源：《理化检验-物理分册-热电材料的应用、研发及性百思特网能测试进展》李蒙等著
热电效应是一个由温差产生电压的直接转换，且反之亦然。简单的放置一个热电装置，当他们的两端有温差时会产生一个电压，而当一个电压施加于其上，他也会产生一个温差。这个效应可以用来产生电能、测量温度，冷却或加热物体。因为这个加热或制冷的方向决定于施加的电压，热电装置让温度控制变得非常的容易。
热电效应并非是一个独立存在的术语，这个理论包含了三个分别经定义过的效应，分别是：塞贝克效应（Seebeck effect，1821年），帕尔贴效应（Peltier effect，1834年）与汤姆森效应（Thomson effect，1854年）
塞贝克效应（Seebeck effect）1821年德国人塞贝克发现当两种不同的导体相连接时，如两个连接点保持不同的温差，则在导体中产生一个温差电动势：
ES=S.△T
式中：ES为温差电动势，S为温差电动势率（塞贝克系数），△T为接点之间的温差
帕尔贴效应（Peltier effect）1834年法国人珀尔帖发现了与塞贝克效应的相反效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点时，接点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热大小由电流的大小来决定。
Q=.I=aTc
式中：Q为放热或吸热功率为比例系数，称为珀尔帖系数，I为工作电流，a为温差电动势率，Tc为冷接点温度
汤姆森效应（Thomson effect）英国物理学家威廉汤姆森于1854年发现，当电流流经存在温度梯度的导体时，除了由导体电阻产生的焦耳热之外，导体还要放出或吸收热量，在温差为△T的导体两点之间，其放热量或吸热量为：
Q=.I.△T
式中：Q为放热或吸热功率，为汤姆逊系数，I为工作电流，△T为温度梯度