早在十九世紀，熱電效應的現象就被人們所發現。所謂的「熱電 效應（Thermoelectric effects）」，簡單來說，就是熱能和電能間相互轉 換的一種機制。一般來說，熱電效應可以細分成三種：賽貝克效應
（Seebeck effect）、珀爾帖效應（Peltier effect）和湯姆森效應（Thomson effect）。
賽貝克效應：
賽貝克效應（Seebeck effect）是由一位德國的科學家 Thomas Johann Seebeck 在西元 1822 年所發現的。他將 A 和 B 兩種不同材料 的導體串接起來形成一個封閉迴路，若在 A 和 B 材料接觸的兩端有 溫度差的話，就會造成電壓差而產生電流，如圖 1-1 所示。也發現到 接觸兩端的溫度差和其產生的電壓差成一個正比的關係，因此定義出 賽貝克係數（Seebeck Coefficient），而電壓差、溫度差和賽貝克係數 的關係如下：
T S V
−∆
= 12 (1-1)
S 即為塞貝克係數，賽貝克係數又可稱為熱電勢（Thermoelectric power），V12是產生的電壓差，∆T是 A、B 材料接觸兩端的溫度差。
賽 貝 克 效 應 也 是 製 作 熱 電 偶 （ Thermocouple ） 和 熱 電 發 電 器
（Thermoelectric power generator）的基本原理。
珀爾帖效應：
在賽貝克效應被發現幾年後，一位法國的的錶匠 Jean Charles Athanase Peltier 在 1834 年發表了珀爾帖效應（Peltier effect），他將 A 和 B 兩種不同材料的導體串接並通予電流形成通路，發現在 A 和 B 接觸的一端會產生熱，而另一端則會有溫度下降的現象，如圖 1-2。
並且發現在 A、B 材料的接觸端所產生的熱量（或另一端被吸收的熱 量）會和通入的電流大小成正比，因此定義出珀爾帖係數（Peltier coefficient），其和熱傳量及電流的關係如下：
J
Q=∏ (1-2)
Π是珀爾帖係數， 是總熱傳量， 是電流。 Q J
湯姆生效應：
在 1847 年，物理學家 William Thomson（後來又有人稱之 Lord Kelvin）建立了熱電現象的理論基礎，他所得的結論是當兩種不同導 體材料接觸的兩端在已經有溫度差的情況下，再通予電流，而電流可 以控制接觸兩端增加或減少溫度差的情形，此即稱為湯姆生效應
（Thomson effect）。他還推導出賽貝克係數和珀爾帖係數之間的關 係：
=ST
Π (1-3)
上式稱為 Kelvin relation，其中T 為絕對溫度。
上述的三種熱電效應彼此間都有極大的關聯，也可發現賽貝克效 應和珀爾帖效應其實就是一體兩面的關係。而所謂的熱電致冷器
（Thermoelecric cooler、簡稱 TE cooler）的基本原理就是珀爾帖效 應，它利用珀爾帖效應將熱藉由電子的移動送到另一端，藉此達到冷 卻的效果。一般熱電致冷器的性能是由一無因次參數—熱電優值（the figure of merit）來衡量[1]，其定義為：
k T ZT ⋅S ⋅
=σ 2
（1-4）
其中σ為材料的電子導電率（Electrical conductivity）、 為材料的賽 貝克係數、 為絕對溫度（Absolute temperature）、 為材料的熱傳導 係數（Thermal conductivity）。由（1-4）式，我們可以發現材料的導 電率越好、賽貝克係數越大，或者材料的熱傳導係數越低，則會增加 熱電致冷器的性能，這和一般散熱裝置需要高傳導係數的傳統觀念相 違背。因為熱電致冷器的主要原理是利用電子帶走熱量，而在（1-4）
式中被放在分母的熱傳導係數是為了防止熱量回流的現象，所以熱傳 導係數反而越低越好，熱電致冷器的示意圖如圖 1-3。
S
T k
根據 Wiedmann-Franz 定律[2]知道金屬材料的導電率和熱傳導係 數成正比，而絕緣體則不導電，因此認為半導體為最適當的熱電材 料。不管何種材料，熱都是藉由熱載子（Heat carrier）間的相互碰撞 而傳遞的，自然界中的主要熱載子有電子（Electrons）、聲子（Phonons）
和光子（Photons），各有不同的性質，可參考表 1-1 [3]。而在半導體 材料中的熱傳導係數大部分都是由聲子所貢獻的，故如何有效的降低 聲子的熱傳導係數，且不使電子導電率下降太多，將有助於提升熱電 致冷器的性能。