半导体物理第11章半导体的热电性质

第第第第十一十一十一十一章章章章半导体的热电性质半导体的热电性质半导体的热电性质半导体的热电性质Part1Part1Part1Part1Part1Part1Part1Part1第十一章第十一章第十一章第十一章第十一章第十一章第十一章第十一章11111111.1.1.1.1热电效应热电效应热电效应热电效应11.211.211.211.2半导体的热导率半导体的热导率半导体的热导率半导体的热导率前言前言前言前言所谓所谓所谓所谓热电效应，即指把热能转换为电能的过程热电效应，即指把热能转换为电能的过程热电效应，即指把热能转换为电能的过程热电效应，即指把热能转换为电能的过程。。。。半导体具有比金属大得多的温差电动势，也就是半导体具有比金属大得多的温差电动势，也就是半导体具有比金属大得多的温差电动势，也就是半导体具有比金属大得多的温差电动势，也就是说，在热能与电能的转换过程中，半导体具有较高的说，在热能与电能的转换过程中，半导体具有较高的说，在热能与电能的转换过程中，半导体具有较高的说，在热能与电能的转换过程中，半导体具有较高的转换效率。转换效率。转换效率。转换效率。半导体的热电性质已在温差发电、温差制冷等方半导体的热电性质已在温差发电、温差制冷等方半导体的热电性质已在温差发电、温差制冷等方半导体的热电性质已在温差发电、温差制冷等方面得到了广泛的应用。面得到了广泛的应用。面得到了广泛的应用。面得到了广泛的应用。热热热热电电电电效效效效应应应应一、塞贝克效应一、塞贝克效应一、塞贝克效应一、塞贝克效应在如图所示的结构中，在如图所示的结构中，在如图所示的结构中，在如图所示的结构中，nnnn型半导体的两端与同一种金属接触，型半导体的两端与同一种金属接触，型半导体的两端与同一种金属接触，型半导体的两端与同一种金属接触，并保持有温度差并保持有温度差并保持有温度差并保持有温度差△△△△TTTT，此时回路中便有电流产生，该电流称为，此时回路中便有电流产生，该电流称为，此时回路中便有电流产生，该电流称为，此时回路中便有电流产生，该电流称为温差温差温差温差电流电流电流电流，产生该电流的电动势称为，产生该电流的电动势称为，产生该电流的电动势称为，产生该电流的电动势称为温差电动势温差电动势温差电动势温差电动势。这种由于两端存在温。这种由于两端存在温。这种由于两端存在温。这种由于两端存在温度差而产生电动势的现象称为度差而产生电动势的现象称为度差而产生电动势的现象称为度差而产生电动势的现象称为塞贝克效应塞贝克效应塞贝克效应塞贝克效应。。。。T0+ΔT（高温）-+VST0（低温）b金属金属N型半导体电子扩散方向一、塞贝克效应一、塞贝克效应一、塞贝克效应一、塞贝克效应对于nnnn型半导体材料来说，电子浓度nnnn0000由掺杂控制，并随温度的上升按指数规律增大。即因此，半导体高温端的电子浓度大于低温端的电子浓度，在半导体材料内产生了电子浓度梯度。所以，电子就由高温端（即高电子浓度端）向低温端（即低电子浓度端）扩散，并在低温端积累负电荷而产生电场，电场方向沿电子浓度梯度的反方向，即由高温端指向低温端。这个电场的存在必将引起电子沿着与扩散方向相反的方向作漂移运动。当漂移和扩散达到动态平衡时，即在半导体两端产生一稳定的电动势VVVVssss，即温差电动势，其方向高温端为正，低温端为负。()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=TkEEhTkmnoFconexp22323*0π一、塞贝克效应一、塞贝克效应一、塞贝克效应一、塞贝克效应其温差电动势率（即塞贝克系数）为：03()2cFEEkqTqα−=−+对于P型半导体材料可作类似的讨论，P型半导体材料的温差电动势的方向与n型半导体相反。根据这一点可以用温差电动势的方向来判断半导体材料的导电类型。。。。半导体中塞贝克效应的温差电动势（以n型半导体为例）为：TVs∆=α二、二、二、二、珀耳贴效应珀耳贴效应珀耳贴效应珀耳贴效应在如图所示的结构中，当半导体的两端与同一种金属接触，在如图所示的结构中，当半导体的两端与同一种金属接触，在如图所示的结构中，当半导体的两端与同一种金属接触，在如图所示的结构中，当半导体的两端与同一种金属接触，并在半导体两端施加一电压，使回路中有电流流过时，在半导体并在半导体两端施加一电压，使回路中有电流流过时，在半导体并在半导体两端施加一电压，使回路中有电流流过时，在半导体并在半导体两端施加一电压，使回路中有电流流过时，在半导体与金属的接触面处有吸热或放热产生，这一现象称为半导体的与金属的接触面处有吸热或放热产生，这一现象称为半导体的与金属的接触面处有吸热或放热产生，这一现象称为半导体的与金属的接触面处有吸热或放热产生，这一现象称为半导体的珀珀珀珀耳贴效应耳贴效应耳贴效应耳贴效应。半导体的珀耳贴效应是。半导体的珀耳贴效应是。半导体的珀耳贴效应是。半导体的珀耳贴效应是可逆可逆可逆可逆的。的。的。的。_+金属金属P型半导体I吸热放热二、珀耳贴效应二、珀耳贴效应二、珀耳贴效应二、珀耳贴效应金属金属P型半导体EF-EVE金属放热金属吸热EFEVEC—++++以P型半导体和金属相接触为例来说明珀耳贴效应：金属与半导体的接触为欧姆接触，平衡时金属和半导体有统一的费米能级。当电流由金属流向半导体时，在金属中，空穴处于EEEEFFFF附近，而半导体中EEEEFFFF的位置比价带顶EEEEVVVV高出EEEEFFFF-EEEEVVVV，即半导体中价带顶的空穴能级比金属中的空穴能级高。所以，金属中的空穴至少要吸收EEEEFFFF–EEEEVVVV的能量才能通过接触面进入半导体（实际过程是价带电子流向金属）。进入半导体中的空穴，要在半导体中运动还需吸收能量EEEE，因此，空穴要通过金属和半导体的接触面，必须吸收EEEEFFFF–EEEEVVVV+EEEE的能量。同理，空穴从半导体流向金属时，空穴必须放出EEEEFFFF–EEEEVVVV+EEEE的能量。二、二、二、二、珀耳贴效应珀耳贴效应珀耳贴效应珀耳贴效应若在回路中通过的电流为IIII，则单位时间内吸收或放出的热量为：式中ππππ称为珀耳贴系数，金属与半导体接触的珀耳贴系数dQIdtπ=05()ln2vkTPrqNπ=±+−⎡⎤⎢⎥⎣⎦（r为泊松比）若电流由金属流向半导体（P型）为吸热过程，上式取“+”号；若电流由半导体（P型）流向金属为放热过程，上式取“-”号。实际中，已利用珀耳贴效应的原理制造出了半导体制冷器和半导体发热器件。三、三、三、三、汤姆孙效应汤姆孙效应汤姆孙效应汤姆孙效应金属金属P型半导体T0(低温）+—T0+ΔT（高温）J在如图所示的结构中，当半导体的两端与同一种金属接触，并在如图所示的结构中，当半导体的两端与同一种金属接触，并在如图所示的结构中，当半导体的两端与同一种金属接触，并在如图所示的结构中，当半导体的两端与同一种金属接触，并保持温度差保持温度差保持温度差保持温度差△△△△TTTT（或温度梯度），这时回路中若有电流流过时，在（或温度梯度），这时回路中若有电流流过时，在（或温度梯度），这时回路中若有电流流过时，在（或温度梯度），这时回路中若有电流流过时，在半导体中除了产生焦耳热外，随着电流方向的不同，在半导体和半导体中除了产生焦耳热外，随着电流方向的不同，在半导体和半导体中除了产生焦耳热外，随着电流方向的不同，在半导体和半导体中除了产生焦耳热外，随着电流方向的不同，在半导体和金属的接触面处还要吸收或放出一定的热量，这一现象称为金属的接触面处还要吸收或放出一定的热量，这一现象称为金属的接触面处还要吸收或放出一定的热量，这一现象称为金属的接触面处还要吸收或放出一定的热量，这一现象称为汤姆汤姆汤姆汤姆孙效应孙效应孙效应孙效应。。。。吸收或放出的热量称为吸收或放出的热量称为吸收或放出的热量称为吸收或放出的热量称为汤姆孙热量汤姆孙热量汤姆孙热量汤姆孙热量。汤姆孙效应也是可。汤姆孙效应也是可。汤姆孙效应也是可。汤姆孙效应也是可逆的。逆的。逆的。逆的。三、汤姆孙效应三、汤姆孙效应三、汤姆孙效应三、汤姆孙效应以P型半导体和金属相接触为例来说明汤姆孙效应：金属与半导体的接触为欧姆接触，当电流从低温端流向高温端时，P型半导体中的空穴沿电势降落的方向从低温端运动到高温端，空穴损失了-qVqVqVqV的能量；另一方面，空穴是沿着温度升高的方向运动的，即空穴从温度场中又获得了（kkkk0000△△△△TTTT3/23/23/23/2））））的平均热能量。这两部分能量的代数和即为空穴自TTTT0000端运动到TTTT0000+△△△△TTTT端时获得的净能量。即在单位时间、单位体积内吸收或放出的汤姆孙热量与电流密度和温度梯度有关，即：xdQdTJdtdxσ=式中是汤姆孙系数，单位为V/K。σTkqVE∆+−=∆023三、汤姆孙效应三、汤姆孙效应三、汤姆孙效应三、汤姆孙效应TkqVE∆⎟⎠⎞⎜⎝⎛++−=∆025γqTEEdTdEqVFFTp−−=1σqTEEdTdEqFCFTn−+=1σ实际中，对空穴从热场中获得的能量进行修正，得当净能量△EEEE大于零时，对应于空穴从晶格中吸收这部分能量；当净能量△△△△EEEE小于零时，对应于空穴向晶格放出这部分能量。PPPP型半导体材料的汤姆孙系数为：当电流沿正温度梯度方向流动时，空穴吸收能量，为正；当电流沿负温度梯度方向流动时，空穴放出能量，为负。nnnn型半导体材料的汤姆孙系数为：TpσTpσ半导体的热导率半导体的热导率半导体的热导率半导体的热导率概概概概述述述述固体的热导率是晶格振动（声子）的贡献和导电载流子的贡献固体的热导率是晶格振动（声子）的贡献和导电载流子的贡献固体的热导率是晶格振动（声子）的贡献和导电载流子的贡献固体的热导率是晶格振动（声子）的贡献和导电载流子的贡献两部分组成。两部分组成。两部分组成。两部分组成。优良的电导体一般也是好的热导体，如金属的热传导，主要是优良的电导体一般也是好的热导体，如金属的热传导，主要是优良的电导体一般也是好的热导体，如金属的热传导，主要是优良的电导体一般也是好的热导体，如金属的热传导，主要是通过电子的运动，将能量由金属的高温部分带到低温部分。通过电子的运动，将能量由金属的高温部分带到低温部分。通过电子的运动，将能量由金属的高温部分带到低温部分。通过电子的运动，将能量由金属的高温部分带到低温部分。绝缘体中没有自由载流子，因此，绝缘体的热传导主要依靠格绝缘体中没有自由载流子，因此，绝缘体的热传导主要依靠格绝缘体中没有自由载流子，因此，绝缘体的热传导主要依靠格绝缘体中没有自由载流子，因此，绝缘体的热传导主要依靠格波的传播，即声子的运动来传输热量。波的传播，即声子的运动来传输热量。波的传播，即声子的运动来传输热量。波的传播，即声子的运动来传输热量。概概概概述述述述半导体材料的电学性质介于导体和绝缘体之间，因此，半导体的热导率由声子的运动和电子的运动两种机构决定。一般情况下，声子对热导率的贡献(KP)所占的比例要比载流子的贡献(KC)大得多。半导体材料的热导率可表示为：K=KK=KK=KK=KFFFF+K+K+K+KCCCC式中各量的单位为：W/m.K当半导体具有温度梯度，其中的载流子由高温端向低温端运动时，便将热能从高温端携带到低温端，形成热传导。一、载流子对热导率的贡献一、载流子对热导率的贡献一、载流子对热导率的贡献一、载流子对热导率的贡献此时载流子的分布函数要随空间坐标变化，讨论载流子对热导率的贡献时，须求解玻耳曼方程。此处直接给出计算结果，即20*0832nCnnlkTKmkTπ=由于载流子带有电荷，在输运能量的同时也形成电流，因此，半导体的热导率与电导率之间一定存在某种联系。理论和实验证明：CKLTσ=式中ＬＬＬＬ为常数，称为洛伦兹数。可以证明，对于长声学波散射机构，有：2022CKkTqσ=1111、主要由一种载流子运动、主要由一种载流子运动、主要由一种载流子运动、主要由一种载流子运动一、载流子对热导率的贡献一、载流子对热导率的贡献一、载流子对热导率的贡献一、载流子对热导率的贡献2222、电子和空穴两