半導(dǎo)體物理第次課

1、半導(dǎo)體物理第次課第1頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Mobility of the carriers in EM fieldsMovements of carriers in EM fields:Random+drift第2頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二In the following discussions, we take electrons as example.Let field strength=E, and the effective mass of electron is m*, then the accelerator of t

2、he electron is Suppose random scattering, i.e., v=0 after each scattering, then we have average speed of carriers where t is the average free time between two consecutive scatterings.第3頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Definition of the mobilityMobility m: average speed of carrier under unit field, which

3、is a quantity reflects the easiness of carrier movements in SM.Or 第4頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Mobility of common SM（cm2/VSec）SMmnmpSilicon1350480Germanium3900500Gallium Arsenide8000100-3000 It can be seen that the mobility of electrons are higher than that of holes, that why that electronic device

4、s that based on N-type SM runs faster that devices based on p-type SM.第5頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Dependence of m on doping levelWhy?第6頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Dependence of m on T第7頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Relation between Current density and mobilityCurrent density: charges pass through a

5、unit area in unit timeDensity of carriers:n, p;Carriers in above column can pass through the unit area in unit time, so第8頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Relation between Conductivity and mobilityTotal conductivity of SM第9頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Hot electronsmobility under high fieldWhen E103V/cm or

6、so,Since electric field will not affect carrier concentration until E105V/cm, when E103V/cm is mainly caused by the change of mobility, i.e., m is not a constant when E E103V/cm .第10頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Dependence of the average drift speed of carriers on E for some SM第11頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)

7、59分，星期二Reasons for the change of mobilityE=0, carrier and lattice are at thermal equilibrium;When E is not too strong, carriers absorb energy from external field, and the speed of the carriers increase. At the same time, part of the absorbed energy give to lattice by scattering process which cause t

8、he SM become warm or even hot.When E is very high, the speed of carriers is very fast, so scattering happens so frequently that all the absorbed energy from the external field gives to the lattice. The speed of the carrier no longer increase, which result the decrease of mobility.Classical analogy:

9、A ball free falls from the space: At the begin, when the speed is low, air friction is small, so the speed of the ball increases, but as the speed of the ball reaches a certain value, the kinetic energy gained from gravitational field are transferred to the air, and the speed of the ball no longer i

10、ncrease.第12頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Some Phenomena of SMGunns effectHall effectMagneto-resistanceThermoelectricPhonon-electron effectUltrasonic amplificationMechanical pressure-resistanceMageneto-optical effectQuantum Hall effect第13頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Gunns effectIn 1963, Gunn found that

11、when the bias voltage reaches a certain value, , there are oscillations in the circuit at frequency of GHz. This phenomenon is called Gunns oscillation.第14頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Gunns Diode第15頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Physics of the Gunns effectCharacteristic of the band structure of GaAs:1,

12、Direct band, a valley at k=0;2, In 111 direction, there is another valley at L, which is 0.29eV higher than the valley at k=0;The effective mass at these two valleys are quite different, at L, m* is 0.55, while at k=0, m*=0.067.第16頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Negative differential conductivityWhen E

13、is not too big, electrons in CB are near the valley at k=0, so m is big since the effective mass at k=0 is smaller;When E is big enough, electrons can transfer from the valley at k=0 to the valley at L. Because the electrons at L is heavier, the speed of the electrons at L is also smaller, i.e., m i

14、s smaller;When such transition is severe, the conductivity decreases, and a I-V curve with negative differential appears;Because of the negative resistance, the circuit is not stable, so oscillation ocuurs.第17頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二 0EE2, 第二能谷為主;E1EE2, 過(guò)渡區(qū)，遷移率不斷減小。箭頭之間時(shí)s0.第18頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，

15、1點(diǎn)59分，星期二Gunns Oscillator耿氏振蕩可用來(lái)產(chǎn)生高頻振蕩（毫米波段）。耿氏效應(yīng)的本質(zhì)是多能谷散射引起的負(fù)微分電導(dǎo)。第19頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二多能谷下的電導(dǎo)率 在半導(dǎo)體的能帶理論中半導(dǎo)體的導(dǎo)帶極小值可能不止一個(gè)；等能面不一定是球面；嚴(yán)格來(lái)說(shuō)每個(gè)能谷對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率張量因此必須計(jì)算所有能谷的電導(dǎo)率以求得總電導(dǎo)率。 第20頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二單一能谷的遷移率與電流 對(duì)一個(gè)橢球面，有效質(zhì)量可以分為兩個(gè)，一個(gè)與主軸平行的ml與兩個(gè)與主軸垂直的mt。因此我們有 由此對(duì)應(yīng)三個(gè)電流及三個(gè)遷移率 第21頁(yè)，共82頁(yè)，2022

16、年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二所有能谷對(duì)應(yīng)的電流及電導(dǎo)率 對(duì)多能谷的半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，總電流必須計(jì)及所有能谷。對(duì)硅的導(dǎo)帶來(lái)說(shuō)，一共有6個(gè)能谷，由于同一軸上的兩個(gè)能谷對(duì)稱，因此6個(gè)能谷可分為3組，每組能谷對(duì)應(yīng)的電子濃度應(yīng)為總濃度的1/3。對(duì)鍺來(lái)說(shuō)，總共有4個(gè)能谷，所以每一能谷對(duì)應(yīng)的載流子濃度為總濃度的1/4。以下我們僅以硅為例討論?？紤]多能谷因素后，所以某一方向的總電流密度為 第22頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二電導(dǎo)率有效質(zhì)量如果我們將此電流公式與單能谷時(shí)的比較，不難發(fā)現(xiàn)我們只要引入一個(gè)新的有效質(zhì)量 則電流及電導(dǎo)率的公式在形式上仍與單能谷時(shí)相同。此有效質(zhì)量稱為電導(dǎo)率有效質(zhì)

17、量。考慮晶體周期勢(shì)影響的有效質(zhì)量？導(dǎo)帶密度有效質(zhì)量？第23頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Relation between conductivity and carrier concentrationNot linear, there are some transitions. The reason for this is that the dominate scattering mechanism of the carrier changes.In addition, when heavily doped, impurities are not fully ioniz

18、ed, which reduces carrier concentration, which results in nonlinear relation between doping level and conductivity.For electrons and holes, because of the difference in effective mass, conductivities are different even when the carrier concentrations are the same. 第24頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Depe

19、ndence of conductivity on m, n, and TThe conductivity of SM is dependent on both m and n;For intrinsic SM, 。第25頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二For extrinsic SM, n is divided into three temperature regions, m is also dependent on T and scattering mechanisms第26頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二半導(dǎo)體的磁效應(yīng)之一：霍爾效應(yīng)由于載

20、流子是帶電粒子，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)將受到洛倫茲力 的作用，勢(shì)必對(duì)載流子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響?；魻栃?yīng) 實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)如果把通電的條狀半導(dǎo)體樣品放置在磁場(chǎng)中，如果磁場(chǎng)的方向與電流方向垂直，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上有一橫向電動(dòng)勢(shì)，而且對(duì)于P型和N半導(dǎo)體材料，此電動(dòng)勢(shì)的方向相反。這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為霍耳電動(dòng)勢(shì)。 第27頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二霍爾效應(yīng)示意圖第28頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二電場(chǎng)、磁場(chǎng)共同作用下的動(dòng)態(tài)平衡載流子在磁場(chǎng)力的作用下作橫向運(yùn)動(dòng)，因此使得電荷在側(cè)面積累。兩側(cè)積累的的電荷形成一個(gè)附加的電場(chǎng)，載流子在此電場(chǎng)的作用下受

21、到一個(gè)橫向的力的作用，此力與磁場(chǎng)引起的洛倫茲力的方向相反。磁場(chǎng)引起的偏轉(zhuǎn)力及附加電場(chǎng)引起的電場(chǎng)力最后相互抵消達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。平衡時(shí)的橫向電場(chǎng)稱為霍耳電場(chǎng)，兩側(cè)的電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)。第29頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二價(jià)帶電子與空穴的關(guān)系 價(jià)帶電子電荷 -e速度 受力方向 -E有效質(zhì)量 0與價(jià)帶電子相同空態(tài)第30頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二提示：空穴能帶與電子能帶不同第31頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二價(jià)帶電子與空穴的關(guān)系 導(dǎo)帶電子電荷 -e速度 受力方向 -E有效質(zhì)量 0加速度方向真實(shí)粒子 空穴 +e與導(dǎo)帶 電子

22、相反與導(dǎo)帶 電子相反 0與導(dǎo)帶 電子相反假設(shè)粒子第32頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二霍爾效應(yīng)的定量分析1、霍耳系數(shù)當(dāng)霍耳電場(chǎng)引起的力與磁場(chǎng)引起的力最后達(dá)到平衡時(shí)，我們有由此我們得到一個(gè)十分重要的公式。即霍耳電勢(shì)與流過(guò)樣品的電流大小及磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，比例系數(shù)稱為霍耳系數(shù)，對(duì)電子R=-1/ne，對(duì)空穴為R=1/pe。 第33頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二 2、霍爾角在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相同或相反，但兩者沒(méi)有夾角(0或180）。磁場(chǎng)引起附加電場(chǎng)，使得載流子的運(yùn)動(dòng)方向與外場(chǎng)的方向有一個(gè)夾角，此夾角稱為霍耳角?；舳堑恼袘?yīng)等于霍

23、耳電場(chǎng)與外場(chǎng)的比值，即 ，若霍爾電場(chǎng)較小，則 ，可見(jiàn)偏轉(zhuǎn)角的方向與霍耳系數(shù)相同。將R代入可得 第34頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二3、霍耳遷移率由于磁場(chǎng)的存在，電子的漂移運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，因此以上公式中所用的遷移率嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)是磁場(chǎng)下的遷移率，即霍耳遷移率。引入霍爾遷移率后，霍耳系數(shù)要進(jìn)行修改，相應(yīng)的霍耳角、霍耳電勢(shì)等也要進(jìn)行修改。 第35頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二霍爾遷移率對(duì)簡(jiǎn)單能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，Rn與Rp不必修正。由半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)可以算出霍耳遷移率與一般遷移率的比值，它們?yōu)?第36頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，

24、星期二霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的霍耳電場(chǎng)的方向及霍耳電勢(shì)差的符號(hào)是相反。根據(jù)霍耳電勢(shì)差的符號(hào)可確定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型、載流子濃度。 根據(jù)霍爾電勢(shì)差的大小可以用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。根據(jù)磁場(chǎng)存在時(shí)產(chǎn)生橫向電勢(shì)差的特點(diǎn)可以用來(lái)制作傳感器。通過(guò)霍爾遷移率的測(cè)量，可以確定載流子散射的主要機(jī)制?；舳禂?shù)是半導(dǎo)體材料的一個(gè)很重要參數(shù)。 第37頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二兩種載流子同時(shí)存在時(shí)的霍爾系數(shù)在磁場(chǎng)作用下電子與空穴的橫向運(yùn)動(dòng)方向是相同的，它們引起的橫向電流的大小 積累在兩側(cè)的電荷產(chǎn)生的霍耳電場(chǎng)引起的電流，由它引起的橫向電流為 當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)兩者數(shù)值相同，即 第38頁(yè)，共8

25、2頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二兩種載流子同時(shí)存在時(shí)的霍爾系數(shù)-cont而有兩種載流子同時(shí)存在時(shí)的電導(dǎo)率為 代入前面的式子，可以得到霍耳電場(chǎng)與磁場(chǎng)及電流的關(guān)系 第39頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二兩種載流子同時(shí)存在是的霍耳系數(shù) 其中 。 第40頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二利用霍爾效應(yīng)測(cè)量導(dǎo)電型號(hào)的局限性 一般情況下b1，對(duì)于以空穴為主的半導(dǎo)體，當(dāng)溫度較低時(shí)pn，R0，當(dāng)溫度較高時(shí)，r若在某一溫度p=nb，則R=0，若溫度再增高，則R0。因此對(duì)P型半導(dǎo)體而言，隨溫度變化霍耳系數(shù)會(huì)變號(hào)，所以測(cè)量P型半導(dǎo)體時(shí)應(yīng)該注意。對(duì)N型半導(dǎo)體

26、，由于分子始終是負(fù)的，所以不會(huì)改變符號(hào)。對(duì)于 的材料，不能利用霍爾效應(yīng)判斷導(dǎo)電型號(hào)。第41頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二磁阻效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體材料置于外場(chǎng)中時(shí)，半導(dǎo)體的電阻值比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的大，這種現(xiàn)象稱為磁阻現(xiàn)象，即磁場(chǎng)引起的電阻變化現(xiàn)象。磁阻現(xiàn)象的本質(zhì)是載流子在磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn)使得沿外電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子密度變小，這相當(dāng)于電阻增加。 1）載流子軌跡呈波動(dòng)狀；2）載流子速度不同使得大于及小于平均速度 的載流子受力方向相反，使得沿外場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目減小。第42頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二1、軌跡變長(zhǎng)，相當(dāng)于遷移率下降1、在磁場(chǎng)力的作用下，載流

27、子作圓周運(yùn)動(dòng)。2、在電場(chǎng)力的作用下，載流子作定向運(yùn)動(dòng)。總體：螺旋運(yùn)動(dòng)。第43頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二運(yùn)動(dòng)速度不同的影響1、由于載流子運(yùn)動(dòng)速度偏離平均速度，在霍爾電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同的作用下，載流子可能向不同的方向偏離。導(dǎo)致沿外場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目和速度分量下降。2、因?yàn)镴=nqv,因此n、v的下降導(dǎo)致電流密度的減小，即電導(dǎo)率減小。第44頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二磁阻與磁場(chǎng)強(qiáng)度及遷移率的關(guān)系如果mB遠(yuǎn)小于1，則電阻增加的數(shù)值與霍耳遷移率及磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，即系數(shù) 稱為磁阻系數(shù)。不同的散射機(jī)制其對(duì)應(yīng)的磁阻系數(shù)是不同的，對(duì)晶格振動(dòng)散射，

28、而對(duì)電離雜質(zhì)散射，磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，電阻變化與磁場(chǎng)成正比。第45頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二磁敏器件 由于霍爾電場(chǎng)也與遷移率成正比，所以無(wú)論是利用霍爾效應(yīng)還是磁阻效應(yīng)作磁敏器件，載流子遷移率m越大越好。目前適合做磁阻元件的半導(dǎo)體材料主要有InSb、InAs、GaAs、Ge和Si等。 半導(dǎo)體材料Si、Ge的霍爾系數(shù)大，但遷移率小。因此，它適合于做直接利用霍爾電壓的磁敏元件。III-V族化臺(tái)物半導(dǎo)體InAs和InSb的霍爾系數(shù)雖然小，但遷移率卻非常大，所以它們適合做磁阻器件。 第46頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二應(yīng)用范圍半導(dǎo)體磁敏元件，包括霍爾元

29、件（開關(guān)型、線性），磁阻型磁敏器件。例如：偽幣檢測(cè)器磁敏電位器磁阻式齒輪傳感器磁敏測(cè)距儀磁敏尺磁記錄設(shè)備第47頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二左：InSb電阻與磁場(chǎng)的關(guān)系 右：一種磁敏電位器 第48頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二半導(dǎo)體的熱效應(yīng)熱導(dǎo)率 單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)單位截面單位溫度差的樣品兩端的熱能量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它與樣品兩端的溫度差成正比，即式中k稱為熱導(dǎo)率，W為熱能流密度。對(duì)金屬來(lái)說(shuō)，k主要來(lái)自于電子的熱傳導(dǎo)，對(duì)絕緣體來(lái)說(shuō)，主要靠晶格振動(dòng)傳熱，而對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，電子傳導(dǎo)與晶格振動(dòng)傳導(dǎo)同等重要。 第49頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分

30、，星期二晶格振動(dòng)的熱導(dǎo)率第50頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二載流子的熱傳導(dǎo)率 半導(dǎo)體中載流子的熱傳導(dǎo)系數(shù)載流子的熱導(dǎo)率與它們的遷移率及濃度有關(guān)。遷移率越大，載流子流動(dòng)越快， k越大；載流子密度越大，參與輸運(yùn)的電子越多，k 也越大。另外溫度越高，電子的熱運(yùn)動(dòng)能量越大，則每次能傳送的能量也越大，相應(yīng)的k也大；載流子的電導(dǎo)率與熱傳導(dǎo)率成正比。 第51頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二簡(jiǎn)并情況下載流子的熱傳導(dǎo)率 對(duì)簡(jiǎn)并半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，參與熱傳導(dǎo)的電子局限與費(fèi)米能級(jí)附近，與金屬中的傳導(dǎo)電子相似，所以它的熱傳導(dǎo)系數(shù)應(yīng)與金屬的相同，即?？梢钥闯鏊呛?jiǎn)并半導(dǎo)體中的載

31、流子的熱導(dǎo)率是相似的，只不過(guò)前面的系數(shù)有差別。 第52頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二熱電效應(yīng) I：塞貝克效應(yīng) 當(dāng)兩種金屬或半導(dǎo)體接觸時(shí)，如果兩個(gè)觸點(diǎn)的溫度不同，則電路中有電流流過(guò)。如果不是閉合回路，則在開環(huán)端兩端有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。第53頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二Seebeck系數(shù)由于溫差產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。溫差電動(dòng)勢(shì)與材料本身及兩端的溫度差有關(guān)。單位溫差引起的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)率，或塞貝克系數(shù)。第54頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二P、N型半導(dǎo)體的Seebeck系數(shù)P型半導(dǎo)體的Seebeck系數(shù)為正，N型的為

32、負(fù)；可以用來(lái)判斷導(dǎo)電類型、發(fā)電、測(cè)量溫度等。第55頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二溫差發(fā)電小Figure of merit Z(優(yōu)值) 優(yōu)值決定了熱電轉(zhuǎn)換效率。特點(diǎn)：體積小、無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、可以用任何熱源，如太陽(yáng)能、核能、廢熱、地?zé)?、海洋溫差等。?6頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二實(shí)際溫差發(fā)電塊的結(jié)構(gòu)第57頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二實(shí)際使用的溫差發(fā)電材料200左右：BiTe為主體的溫差發(fā)電材料，轉(zhuǎn)換效率一般為34%左右。在500以下的溫度，ZnSb是一種很好的溫差電材料，價(jià)格也便宜，煤油燈發(fā)電機(jī)大部分采用此材料。5

33、00左右使用PbTe、GeTe、AgSbTe、SnTe或者它們的合金材料，轉(zhuǎn)換效率為5%左右。PbTe是應(yīng)用最多的半導(dǎo)體溫差發(fā)電器材。1000左右使用FeSi、GeSi合金等半導(dǎo)體材料。特別是Ge、Si合金材料，已有效率達(dá)10%的報(bào)導(dǎo)。第58頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二利用溫差電動(dòng)勢(shì)測(cè)量導(dǎo)電型號(hào)熱探針半導(dǎo)體材料接觸時(shí)，對(duì)于N型材料材料熱觸點(diǎn)相對(duì)于室溫觸點(diǎn)為正，對(duì)P型材料熱觸點(diǎn)為負(fù)的。熱電動(dòng)勢(shì)裝置一般只限于低阻材料。如果電阻率足夠高，熱探針可能使材料處于本征狀態(tài)。由于一般情況下電子遷移率高于空穴遷移率，因此熱探針將總是為正，即易將P型高阻材料誤判為 n型。為了防止這種

34、情況的產(chǎn)生，可用冷探針來(lái)代替熱探針，即一個(gè)探針為室溫，另一個(gè)冷卻。 第59頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二利用熱探針測(cè)導(dǎo)電型號(hào) 第60頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二熱電效應(yīng) II：帕爾帖效應(yīng) 當(dāng)兩種導(dǎo)體接觸處通過(guò)電流J時(shí)，在接觸觸會(huì)放熱或吸熱，這種現(xiàn)象稱為帕爾帖效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明放出或吸收的熱量與通過(guò)的電流成正比，即 ，II稱為帕爾帖系數(shù)。第61頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二機(jī)理分析N型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶比金屬的費(fèi)米能級(jí)高，所以金屬側(cè)的電子要得到額外的能量才能進(jìn)入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，所以它要在電流流出處（即電子進(jìn)入處）吸熱。當(dāng)電子從N

35、型半導(dǎo)體進(jìn)入金屬時(shí)它要當(dāng)初多余的熱量，即在電流流入處發(fā)熱。利用這個(gè)原理可制造半導(dǎo)體制冷、制熱器件。一個(gè)電子吸收或放出的能量為在電流為J的條件下，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的電子數(shù)為J/e，所以單位時(shí)間內(nèi)吸收或放出的熱量為： 第62頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二帕爾帖系數(shù)與Seebeck系數(shù)的關(guān)系因?yàn)?，所以帕爾帖系數(shù)可改寫為a就是前面提到的塞貝克系數(shù)，即溫差電動(dòng)勢(shì)率第63頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二半導(dǎo)體制冷器 與半導(dǎo)體溫差發(fā)電器相反，在半導(dǎo)體和全屬接觸處通電流時(shí)，由于勢(shì)壘的存在，電子越過(guò)勢(shì)壘時(shí)，吸收能量（冷卻）或放出能量（發(fā)熱）。利用這種帕爾貼效應(yīng)在

36、半導(dǎo)體金屬接觸處通電時(shí)，所出現(xiàn)的吸熱現(xiàn)象而做成的致冷器叫做溫差致冷器或者電子冷凍器 第64頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二半導(dǎo)體制冷器的特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用時(shí)常把許多溫差電偶組成溫差電堆，由若干溫差電堆構(gòu)成溫差致冷器。半導(dǎo)體致冷器雖然功率小，但它具備小型化時(shí)效率不變。無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)摩擦損耗、溫度控制容易；改變電流方向就可以實(shí)現(xiàn)冷卻或加熱。適合與做小型冷凍器、恒溫器、電子裝置的冷卻（如CPU的冷卻）以及醫(yī)學(xué)儀器、藥物等的儲(chǔ)存等。 第65頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二熱電效應(yīng) III：湯姆遜效應(yīng) 當(dāng)電流通過(guò)溫度梯度均勻的導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，原有的溫度

37、分布將被破壞，為維持原有的溫度分布，半導(dǎo)體或?qū)w除產(chǎn)生焦耳熱外，還將吸熱或放熱，這種效應(yīng)稱為湯姆遜效應(yīng)。吸收或放出的熱量與通過(guò)的電量及溫度的落差成正比，即 第66頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二機(jī)理分析溫度不同處載流子的熱運(yùn)動(dòng)能是不同的。假定電勢(shì)能高的地方溫度較高，那么在外場(chǎng)的作用下載流子將發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)，使得高能（高溫）電子向低能（低溫）方向運(yùn)動(dòng)，這樣就使得原先的溫度梯度受到破壞。為了維持原先的溫度，半導(dǎo)體將放熱。反之，如果電勢(shì)能高的地方為低溫，那么由于在電場(chǎng)力的作用下，載流子由低能向高能處運(yùn)動(dòng)，為了維持原先的溫度梯度，半導(dǎo)體將從外界吸熱。第67頁(yè)，共82頁(yè)，2022年

38、，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二熱磁效應(yīng) I：愛(ài)廷豪森效應(yīng) 當(dāng)薄片導(dǎo)體內(nèi)有電流J流過(guò)時(shí)，若在垂直薄片及電流的方向上加磁場(chǎng)B，則在薄片的兩側(cè)有溫度梯度產(chǎn)生，產(chǎn)生的溫度梯度與電流強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，比例系數(shù)為愛(ài)廷豪森系數(shù)，即顯然它與霍耳效應(yīng)十分相似，但現(xiàn)在產(chǎn)生的不是霍耳電場(chǎng)，而是溫度梯度。第68頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二機(jī)理分析洛倫茲力與霍爾電場(chǎng)力達(dá)到平衡后，運(yùn)動(dòng)速度大于平均速度的載流子受到的磁場(chǎng)力大于霍爾電場(chǎng)力，向一方偏轉(zhuǎn)。而運(yùn)動(dòng)速度小于平均速度的載流子受到的磁場(chǎng)力小于霍爾電場(chǎng)力，向另一側(cè)偏轉(zhuǎn)。這樣導(dǎo)致在兩邊積累的載流子的熱運(yùn)動(dòng)能不一致，因此在橫向產(chǎn)生一個(gè)溫度梯度

39、。 第69頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二熱磁效應(yīng) II：Nernst效應(yīng) X方向存在溫度梯度，磁場(chǎng)為Z方向，則在Y方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。即在熱流與磁場(chǎng)垂直的方向有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。這種現(xiàn)象稱為能斯特現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)稱為能斯特電場(chǎng)，它與溫度梯度及磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，系數(shù)Q稱為能斯特系數(shù)。 與愛(ài)廷豪森效應(yīng)相似，Nernst效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置與霍耳效應(yīng)相似，但在霍耳效應(yīng)時(shí)有電流流過(guò)半導(dǎo)體，而這里是熱流流過(guò)半導(dǎo)體。 第70頁(yè)，共82頁(yè)，2022年，5月20日，1點(diǎn)59分，星期二機(jī)理分析其實(shí)我們可以這樣分析。載流子從高溫向低溫的定向熱運(yùn)動(dòng)速度與低溫向高溫的定向運(yùn)動(dòng)的速度是不同的。在沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)兩個(gè)方向的載流子數(shù)目相同，但方向相反，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，兩側(cè)沒(méi)有電場(chǎng)。我們看某一斷面，加上外磁場(chǎng)后，沿兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的載流子在磁 場(chǎng)的作用下向相反的方向偏轉(zhuǎn)，但由于兩個(gè)方向的速度不同，因此產(chǎn)生的橫向電場(chǎng)是