半导体物理 第十一章 半导体的热电性质part1.pptVIP

Your company slogan 第十一章 赛贝尔效应 1 珀耳帖效应 2 汤姆逊效应 3 11.1 热电效应的一般描述 一种载流子的绝对温差电动势率 1 11.2 半导体的温差电动势率 半导体的热电性质 两种载流子的绝对温差电动势率 2 两种材料的温差电动势率 3 前言 所谓热电效应，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。 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。 11.1.1 赛贝尔效应 如图11-1所示，当两个不同的导体a和b两端连接，组成一个闭合线路，若两接头A和B具有不同温度，则线路中便有电流，这种电流称为温差电流，产生电流的电动势称为温差电动势（塞贝克电动势），其值一般只与两接头温度有关。 这种由于两端存在温度差而产生电动势的现象称为塞贝克效应。 T1 T2 a b b A B C D a b T2 a T1 （a）开路 （b）闭路 图11-1 赛贝尔效应 如图a所示，接头A、B温度分别为T2、T1，在温度为T0的开路两端C、D,温差电动势为Θab。角标ab:若T2大于T1，在温度为T2的接头，电流由导体a流向导体b，此时Θab为正。 如图11-2所示，两不同导体a和b连接后通 以电流，在接头处便有吸热或放热现象，称 为珀耳帖效应。实验发现，吸热或放热只与 两种半导体的性质及接头温度有关，而与半 导体其他部分的情况无关。 如电流由导体a b，dH/dt代表单位时间内 单位面积接头吸收的热量，J为电流密度，则: 11.1.2 珀尔帖效应 πab称为珀耳帖系数 πab＞ 0 吸热 πab＜0 放热 （11-2） 珀尔帖效应 (11-3) 珀耳帖效应是可逆的，如果电流由导体a流向导体b，则在接头处放出相同的热量 因此 （11-2）两边乘以接头面积s,则单位时间接头吸收热量为: 11-4 珀耳帖系数是温度的函数，在温度不同的接头吸收或放出的热量不同。 11.1.3 汤姆孙效应 如图11-3所示: 当存在温度梯度的均匀导体中通有电流时，导体中除了产生和电阻有关的焦耳热以外，还要吸收或放出热量。吸收或放出热量的效应称为汤姆孙效应，这部分热量称为汤姆孙热量。 汤姆孙效应 若电流方向是由 温度T处流到 T+dT处，则在 单位时间和单位 体积内所吸收的 热量为: 汤姆孙效应也是 可逆的，因此若 电流方向由高温 流向低温，则依 汤姆孙系数的定 义，系数为正的 导体，将有放热 现象，若汤姆孙 系数为负，则将 吸热。 (11-5) 称为导体a的汤姆孙系数，单位为V/K,其值随导体与温度而异。 4 赛贝尔系数、珀耳帖系数、汤姆孙系数间的关系 由热力学定律可以求出三个系数αab、πab和 之间的关系。 以两个不同的导体组成的线路为例，如图11-1b，设两接头处温度分别为T1和T2,当有电流流过时，这是一个可逆循环过程。 根据热力学定律有: a b T2 a T1 11-6 赛贝尔系数、珀耳帖系数、汤姆孙系数间的关系 外界所做的功 珀耳帖热量 汤姆孙热量 (11-11) 如令T1保持不变，将式（11-11）对T微商，得: (11-12) 赛贝尔系数、珀耳帖系数、汤姆孙系数间的关系 11-13 (11-14) 对T求微商，得 (11-15) 由式（11-12）和式（11-15）消去 得到 (11-16) 赛贝尔系数、珀耳帖系数、汤姆孙系数间的关系 将式（11-16）代入（11-15）得 即 （11-17） 式（11-16）和（11-17）称为开尔芬关系式。 可见只要知道αab,便可求出珀耳帖系数、汤 姆孙系数。以上三种效应在半导体中同样存 在，且比金属导体大得多。 11.2 半导体的温差电动势率 一、一种载流子的绝对温差电动势率 如图11-4，一维情况一均匀掺杂的p型半导体，两端与金属以欧姆接触连接，一端温度为T0,另一端为T0+△T,在半导体内形成均匀温度梯度。 低温端附近载流子浓度比高低温端附近低，所以空穴由左→右 扩散，在低温端形成空穴累积，样品两边形成空间电荷，半导体内部形成内建电场，方向左→右 （低温端→高温端）。 一种载流子的绝对温差电动势率 对空穴来说高温端能量低于低温端。 假定半导体与金属接触处半导体的费米能级比金属的高，但半导体内部的费米能级是倾斜的，两端费米能级之差除以电荷q就是温差电动势Θs 由于费米能级与温度有关，所以费米能级的倾斜程度与能带的倾斜程度不一致，即qΘs≠qV。 EF倾斜是由电场、温度梯度两个因素造成的，即 在电场作用下使空穴沿电场方向飘移，当空穴漂移与扩