当前尽管国内外半导体技术发展很快，但仍然有许多问题亟待解决，主要是受材料制约，半导体制冷的制冷的制冷量有限，制冷效率太低，而且随着所需温差的增大，所需级数越多，制冷效率就越低，所以不能完全代替传统的制冷技术，目前只适合于要求产冷量小的领域。要使半导体制冷得到更为广泛的实际应用，就应努力提高其制冷效率，其关键在于开发出更好的半导体制冷材料，这需要从原理上对半导体制冷进行分析^[2]。

    当电偶对通以直流电I时，电偶对总的制冷量应该为其Piltier制冷量与传递到冷端的焦耳热和电偶对热端热量的差值：

    Q=（α_P-α_N）IT_c-1/2·I²R-K（T_h-T_c）                    （1）

电偶工作时总的耗功为对电阻做功和克服热量势的耗功之和：

    P= I²R+（α_P-α_N）（T_h-T_c）I                            （2）

所以制冷系数：

    ε=Q/P                                                （3）

如两电偶臂相应的导热系数λ、电导率σ（材料电阻率p的倒数）及温差电系数α相等，则热端与冷端的最大温差可以表示为：

    （T_h-T_c）max=1/2（α²σ/λ）T²_c                           （4）

显然，半导体制冷的最大温差取决于其冷端温度Tc和材料的优值系数：

    Z=α²σ/λ                                               （5）

    所以要提高半导体材料的热电性能就应该从三个方面提高其优值系数Z，提高电导率σ及温差电系数α，并降低导热系数λ。但是这三个参数并不是相互独立的，都是载流子（电子或离子）浓度n和温度T的函数。离子传导型导体中，载流子可能是正离子，也可能是负离子。电子传导型导体中，载流子是电子，电流可以由电子运动形成，也可以是“空穴”移动形成电流。随着载流子浓度的增大，温差电系数α减小，电导率σ增大。导热系数λ中晶格热导率λp（约占90%）与载流子浓度基本无关，而电子热导率λ_e与载流子浓度成正比。所以选取适当的载流子浓度n，使Z=[α²(1/n)×σ(n)]/[λ_p+λ_e(n)]取得最大值。优值系数Z及组成的三个参数α、ρ、λ与载荷体密度n之间的关系见图3。通常n值接近10¹⁹个/cm³时，可使Z值最高^[3]。所以半导体热电制冷中使用的材料，应是落在元素周期表的金属与非金属转换线两侧的元素的化合物对。最常用的元素为：铋（Bi）、锑（Sb）、碲（Te）、硒（Se）。

 

 

 

    由于通过控制载流子浓度n，提高温差电系数α和电导率σ，降低电子热导率λ_e的机理已经基本清楚了。所以当前半导体制冷材料学研究者的主要方向是努力降低占导热系数λ约90%中晶格热导率λ_p。降低晶格热导率的有效途径之一就是增加声子的散射机制。从理论上分析，材料中的晶界有可能是增加声子散射的因素，但是晶界结构、晶界含量及晶界与声子的交互作用尚需进一步研究^[4]。