第二章 LED 光色量測原理及參數定義
2.7 熱電致冷溫控器(TEC)發展及原理
半導體與金屬的熱電效應，於西元 1823 年首度被 T. J. Seebeck 發現，並因此命名為席貝克(Seebeck)效應。此效應認為當兩塊不同 的金屬體(或半導體)連接在一起，若其接合面維持在不同溫度下時，
就會在迴路中產生電動勢，而電動勢的大小將取決於材料的性質以及 溫度的差異。相隔 12 年之後，J. C. A. Peltier 提出更進一步的解 釋，他認為該接面在有電流流過時才會產生溫度變化的效應，（而非 Seebeck 所認為導體是直接因溫度差異而產生磁場圍繞迴路並生成 電動勢），而且電流的方向將決定溫度是上升還是下降。首先被研究 的金屬是鉍跟銅，Peltier 發現若是電流由鉍流向銅則溫度上升，反 之溫度下降。時至今日，熱電效應已發展 180 年的時間，其他幾個重 要里程碑簡列如下：
西元 1838 年 Lenz 提出 Peltier 效應的理論基礎
西元 1855 年 William Thomson 發現 Seebeck 效應與 Peltier 效應 的關聯性
西元 1885 年 Rayleigh 發現利用熱電效應，熱可生成電 西元 1911 年 Altenkirch 發現 Z 值（材料之熱電效能指數）
西 元 1930 年 美 國 海 軍 實 驗 室 發 現 化 合 物 半 導 體 擁 有 非 常 高 的 Seebeck 參數
西元 1947 年 Telkes 製造出世界上第一個熱電發電機 西元 1949 年 Ioffe 發表半導體熱元件理論
西元 1954 年 H. J Goldsmid 宣布可利用熱電致冷技術將溫度降至 0
℃以下
西元 1956 年 Ioffe 展示半導體摻雜之後的熱電效益
二十世紀中葉以後，半導體工業蓬勃發展，許多半導體材料陸續被研 發出來，然而終因為無法找到適合量產的高熱電效應（高 Z 值）之材 料，所以該期間仍僅有少數實用的產品出現，比如說，熱電冰箱與熱 電發電器。直至最近的十年之間，熱電效應的研究又再度掀起熱潮，
主要原因有三：
a. 因為科學家發現一些效能極佳的新熱電材料，如下圖所示
圖 2-24 熱電材料的歷史演進
科學家更進一步發現經過摻雜（impurity doping）後的半導體
應用熱電技術將熱轉換成電能，而熱電致冷器則是利用電能將熱能加 速導至別處，以上兩種應用都是屬於固定的元件，沒有任何移動式的 零件。熱電致冷器與傳統的風扇轉動式致冷技術有很大的差異性，其 優點為可以大幅增強使用年限與減低故障率，目前這些產品皆已經被 廣泛應用於軍事、通訊、醫學及太空工業等不同的領域中。
熱電致冷器，又被稱為帕耳帖致冷器（Peltier Cooler），它常 被用來穩定元件的操作溫度，如 CCD 或是降低元件的操作溫度，如 LED、中央處理器 CPU 等；相對於傳統的致冷器，TE Cooler 能提供 較寬廣的熱能散逸範圍（從每秒幾個毫瓦特到每秒數百瓦特之間）以 及較大的溫差，最高與最低溫度差可達到 60°C。目前在市面上已可 買到商品化的離散式熱電致冷器，尺寸大小從數百
mm
2到數千mm
2不 等，有單層(Single Stage)結構，也有多 4 層疊接(Multi-Stage Cascade)結構，多層疊接致冷器可以提高熱端(Hot Side)和冷端 (Cold Side)的最大溫差(∆ T
max)，下圖展示了一些市面上所銷售的離 散式熱電致冷器。圖 2-25 各種尺寸的離散式散熱晶片
目前熱電致冷器所面臨的最大困難點就是能源轉換效率無法達 到令人滿意的境界。相較於目前最常用的壓縮機系統，其效率明顯較 低以及無法承受過大的負載。雖然如此，在許多方面熱電致冷器還是 有許多無法被取代的優勢；例如可以做到體積小、重量輕、沒有運動 的機械結構、不會產生震動、使用壽命更長以及可用 DC 電源驅動等 等。
另一方面，因為有些應用無法容許目前離散式熱電致冷器的尺寸 (數百
mm
2到數千mm
2)，所以還要設法縮小其尺寸為 100mm
2以下的範 圍。這麼小的尺寸已無法使用傳統機械加工來完成，而必須採用積體 電路以及微機電系統的技術來製作，此種可以提高熱電致冷效率與應 用範圍的元件即為熱電微致冷器(µ-TEC)。熱電微致冷器是一個非常 具有潛力的元件，它可以解決微小晶片或光電元件因產生高熱而衍生的種種問題。下圖為積體式熱電微致冷晶片的結構示意圖。
圖 2-26 積體式微致冷晶片與散熱鰭片示意圖
因為採用微機電及積體電路的製程，所以可以製作出高密度的散 熱元件，使得熱電微致冷晶片可以更有效率的從其冷端（與待冷卻物 接觸的面）吸收大量熱量，並藉由輸入功率的適當控制而將該吸收之 熱量傳導至另一端(熱端)，最後再藉由傳統的微熱鰭片或是微風扇將 熱端熱量散逸至空氣中以達到冷卻的效果。