非電量測(cè)量-講義04-熱電式-拓展篇

熱電式傳感器（拓展篇）用量子力學(xué)解釋熱電勢(shì)（接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)），而不是用熱力學(xué)的化學(xué)勢(shì)解釋；

能帶理論、價(jià)帶、導(dǎo)帶、帶隙、費(fèi)米能級(jí)、雜質(zhì)能級(jí)熱電效應(yīng)的逆效應(yīng)：

帕爾貼效應(yīng)（接觸電勢(shì)的逆效應(yīng)）、湯姆遜效應(yīng)（溫差電勢(shì)的逆效應(yīng)）、半導(dǎo)體制冷熱電阻與熱敏電阻用量子力學(xué)解釋熱電勢(shì)（接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)），而不是用熱力學(xué)的化學(xué)勢(shì)解釋；

能帶理論、價(jià)帶、導(dǎo)帶、帶隙、費(fèi)米能級(jí)、雜質(zhì)能級(jí)1、自由原子中的分立能級(jí)與晶體中的能帶鋰（Li）：自由原子與晶體中電子的能級(jí)結(jié)構(gòu)與占據(jù)狀態(tài)自由原子（基態(tài)）：分立能級(jí)1s-22s-1E2p-03s-0能級(jí)符號(hào)占據(jù)電子數(shù)1s–N–2N2s–N-NE2p–N-03s–N-0能帶符號(hào)能級(jí)數(shù)-電子占據(jù)數(shù)晶體（N個(gè)Li原子組成）：能帶每個(gè)能級(jí)可容納2個(gè)電子自由原子形成晶體，原分立能級(jí)展寬為能帶備注2、晶體的能帶結(jié)構(gòu)分析允帶、價(jià)帶、導(dǎo)帶、禁帶、滿帶、空帶、費(fèi)米能級(jí)E半導(dǎo)體半導(dǎo)體允帶：在能帶結(jié)構(gòu)中，電子允許具有的能量范圍。包括但不限于價(jià)帶、導(dǎo)帶。能帶=允帶價(jià)帶：指半導(dǎo)體或絕緣體中，在絕對(duì)零度下能被電子（一般是價(jià)電子）占滿的最高能帶。它是滿帶。導(dǎo)體不用這個(gè)概念。導(dǎo)帶：對(duì)于半導(dǎo)體或絕緣體，指的是價(jià)帶上面緊鄰的能帶，它是空帶。對(duì)于導(dǎo)體，它是電子占據(jù)的最高能帶，該能帶中只有部分能級(jí)被電子占據(jù)，非空帶也非滿帶。禁帶：允帶對(duì)應(yīng)的概念就是禁帶，即晶體中電子不允許具有的能量范圍。費(fèi)米能級(jí)：電子系統(tǒng)0K時(shí)的化學(xué)勢(shì)。對(duì)金屬來(lái)說(shuō)，可以看做最高占據(jù)能級(jí)。材料中若不同區(qū)域的費(fèi)米能級(jí)（電子的化學(xué)勢(shì)）不相同，電子必然有擴(kuò)散的趨勢(shì)（熱三定律）（擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力）3、晶體能帶結(jié)構(gòu)的重要特征量——費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)的位置→導(dǎo)體、半導(dǎo)體（絕緣體）E費(fèi)米能級(jí)在能帶（允帶）中：導(dǎo)體，如金屬費(fèi)米能級(jí)在禁帶（帶隙）中：半導(dǎo)體或絕緣體費(fèi)米能級(jí)EF4、各種晶體的能帶結(jié)構(gòu)特征金屬能帶部分占滿，費(fèi)米能級(jí)在能帶中半金屬能帶全滿全空，滿帶和空帶重疊，費(fèi)米能級(jí)能帶中本征半導(dǎo)體能帶全滿全空，費(fèi)米能級(jí)禁帶中間N型半導(dǎo)體能帶全滿全空，費(fèi)米能級(jí)禁帶中間偏向?qū)У捉饘侔虢饘俦菊靼雽?dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體能帶全滿全空，費(fèi)米能級(jí)禁帶中間偏向價(jià)帶頂費(fèi)米能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)藍(lán)色能級(jí)表示被電子占據(jù)綠色能級(jí)表示未被電子占據(jù)注意各種材料的費(fèi)米能級(jí)并不一定相同。圖中為方便而畫成了相同。5、電子在各種材料中的費(fèi)米能級(jí)電子在各種材料中的費(fèi)米能級(jí)（化學(xué)勢(shì)）是不同的（各金屬的費(fèi)米能級(jí)，見(jiàn)下一ppt）++++++－－－－－－接觸后自由電子將從費(fèi)米能級(jí)（化學(xué)勢(shì)）較高的材料擴(kuò)散至較低的材料。備注結(jié)果是，原費(fèi)米能級(jí)較高的材料電位升高，較低的材料電位下降，兩者之間形成電位差（接觸電勢(shì)差）銀Ag(silver)4.26鋁Al(aluminum)4.28金Au(gold)5.1鈹BeBeryllium5碳CCarbon4.81鈣CaCalcium2.9鈷CoCobalt5鎘CrCadmium4.07鉻Cr(Chromium)4.6銫Cs(cesium)2.14銅Cu(copper)4.65鐵FeIron4.5汞HgMercury4.5鉀KPotassium2.3鋰Li(lithium)2.9鎂MMagnesium3.68鉬Mo(Molybdenum)4.37鈉NaSodium2.28鎳NiNickel4.6鉛Pb(lead)4.25鈀PdPalladium5.12鉑PtPlatinum5.65硒SeSelenium5.11錫Sn(tin)4.42鈦TiTitanium4.33鈾UUranium3.6鎢WuTungsten4.5鈮XNiobium4.3鋅ZnZinc4.3不同金屬的功函數(shù)功函數(shù)大致=真空能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)之差即，若以真空能級(jí)為參考能級(jí)，費(fèi)米能級(jí)=-功函數(shù)把最高填充能級(jí)（費(fèi)米能級(jí)）上的一個(gè)電子拿到真空所需最低能量，即功函數(shù)Pt低溫能帶理論解釋導(dǎo)體中的溫差電勢(shì)價(jià)帶導(dǎo)帶Pt高溫溫度增加費(fèi)米能級(jí)：0k時(shí)金屬電子的最高占據(jù)能級(jí)。溫度增加，高于費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)上也有電子分布，溫度越高，更多電子將分布在更高的能級(jí)上。電子的化學(xué)勢(shì)增加。溫度梯度→化學(xué)勢(shì)梯度=擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力根據(jù)費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，溫度為T時(shí)，能級(jí)為E的狀態(tài)上電子占據(jù)的概率是EF對(duì)金屬是化學(xué)勢(shì)，對(duì)半導(dǎo)體是費(fèi)米能級(jí)值（也是化學(xué)勢(shì)）kB波爾茲曼常數(shù)由上式，費(fèi)米能級(jí)EF是f=1/2對(duì)應(yīng)的電子的能量值EN型半導(dǎo)體能帶理論解釋金-半接觸電勢(shì)價(jià)帶導(dǎo)帶同一溫度金屬雜質(zhì)能級(jí)（施主能級(jí)，半導(dǎo)體中性時(shí)占據(jù)有電子）費(fèi)米能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)緊鄰導(dǎo)帶底（N型）雜質(zhì)能級(jí)是局域能級(jí)N型費(fèi)米能級(jí)靠近導(dǎo)帶底（本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)在禁帶中間）價(jià)帶與導(dǎo)帶能級(jí)是廣域能級(jí)真空能級(jí)參考能級(jí)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)高于金屬備注導(dǎo)電時(shí)，N型半導(dǎo)體的價(jià)帶中出現(xiàn)電子才能導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子來(lái)自雜質(zhì)能級(jí)（雜質(zhì)能級(jí)上的電子借助熱運(yùn)動(dòng)或電場(chǎng)力躍遷到導(dǎo)帶能級(jí)）金屬與半導(dǎo)體接觸后電子如何流動(dòng)？注：綠線空能級(jí)，藍(lán)線電子占據(jù)能級(jí)，實(shí)線電子允許占據(jù)能級(jí)，虛線電子不允許占據(jù)的能級(jí)N型半導(dǎo)體能帶理論解釋金-半接觸電勢(shì)價(jià)帶導(dǎo)帶同一溫度金屬雜質(zhì)能級(jí)（施主能級(jí)）費(fèi)米能級(jí)真空能級(jí)參考能級(jí)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)低于金屬備注導(dǎo)電時(shí)，N型半導(dǎo)體的價(jià)帶中出現(xiàn)電子才能導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子來(lái)自雜質(zhì)能級(jí)金屬與半導(dǎo)體接觸后電子如何流動(dòng)？能帶理論解釋金-半接觸電勢(shì)價(jià)帶導(dǎo)帶同一溫度金屬費(fèi)米能級(jí)P型半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)（受主能級(jí)，半導(dǎo)體中性時(shí)無(wú)電子占據(jù)）半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)高于金屬導(dǎo)電時(shí)，p型半導(dǎo)體的價(jià)帶中出現(xiàn)空穴才能導(dǎo)電。價(jià)帶中的空穴靠?jī)r(jià)帶中的電子跳上雜質(zhì)能級(jí)產(chǎn)生真空能級(jí)參考能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)緊鄰價(jià)帶頂（P型）雜質(zhì)能級(jí)是局域能級(jí)價(jià)帶與導(dǎo)帶能級(jí)是廣域能級(jí)金屬與半導(dǎo)體接觸后電子如何流動(dòng)？能帶理論解釋金-半接觸電勢(shì)價(jià)帶導(dǎo)帶同一溫度金屬費(fèi)米能級(jí)P型半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)（全空）半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)低于金屬導(dǎo)電時(shí)，p型半導(dǎo)體的價(jià)帶中出現(xiàn)空穴才能導(dǎo)電。價(jià)帶中的空穴靠?jī)r(jià)帶中的電子跳上雜質(zhì)能級(jí)產(chǎn)生真空能級(jí)參考能級(jí)金屬與半導(dǎo)體接觸后電子如何流動(dòng)？備注N是金屬中自由電子（導(dǎo)帶電子）數(shù)目費(fèi)米能級(jí)（化學(xué)勢(shì)）與自由電子濃度關(guān)系熱電效應(yīng)的逆效應(yīng)：

帕爾貼效應(yīng)（接觸電勢(shì)的逆效應(yīng)）、湯姆遜效應(yīng)（溫差電勢(shì)的逆效應(yīng)）、半導(dǎo)體制冷1、珀耳帖效應(yīng)塞貝克效應(yīng)（熱電效應(yīng)：1821）：***珀耳帖（peltier）效應(yīng)（1834）：兩種不同金屬組成一回路并有電流在回路中通過(guò)時(shí)，將使一接頭處放熱，另一接頭吸熱。電流方向改變，吸、放熱接頭改變。數(shù)學(xué)表述如下：qAB=ΠABIqAB

金屬AB接頭處吸收或放出珀耳帖熱的速率。ΠAB

：珀耳帖系數(shù)。I：電流強(qiáng)度。備注珀耳帖效應(yīng)ABT1+ΔTT1-ΔT自由電子濃度NA>NB

+-+-接觸電勢(shì)的電位金屬與金屬接觸的情況圖釋：若電子從高電位端（電子勢(shì)能低處）流向低電位端（電子勢(shì)能高處），是需要吸熱的；若電子從低電位端（電子勢(shì)能高處）流向高電位端（電子勢(shì)能低處），是需要放熱的；但是，情況總是如此嗎？珀耳帖效應(yīng)：金半結(jié)金屬與費(fèi)米能級(jí)較低的n型半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體珀耳帖效應(yīng)：金半結(jié)金屬與費(fèi)米能級(jí)較低的n型半導(dǎo)體接觸金屬+++++半導(dǎo)體-----接觸以后，電子從金屬流入半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)或?qū)芗?jí)，同時(shí)金屬費(fèi)米能級(jí)（包括其他能級(jí)）下降，半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)（包括其他能級(jí)）升高，直至兩費(fèi)米能級(jí)相同。此時(shí)，金屬電位較高，半導(dǎo)體電位較低金屬+金屬+半導(dǎo)體-半導(dǎo)體-數(shù)p稱為Peltier系數(shù)。

備注吸熱放熱電流流動(dòng)的實(shí)現(xiàn)：左端接觸處，金屬費(fèi)米能級(jí)的電子躍上半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（要吸熱），然后在導(dǎo)帶中從半導(dǎo)體的左側(cè)流動(dòng)到右側(cè)，進(jìn)入金屬時(shí)，躍下進(jìn)入金屬的費(fèi)米能級(jí)（要放熱）。另外，左端接觸處，電子的流動(dòng)是從高接觸電位端（低電勢(shì)能端）到低接觸電位端，也需要吸熱，右端接觸處，電子的流動(dòng)是從高電勢(shì)能到底電勢(shì)能，也需要放熱。但此時(shí)電子在不同接觸電位間的流動(dòng)導(dǎo)致的吸熱與放熱稱為次要的考慮。電流I金屬與較低費(fèi)米能級(jí)n型半導(dǎo)體接觸的情況注：電子在電位高處勢(shì)能低，電位低處勢(shì)能高+高電位端-低電位端++--++--珀耳帖效應(yīng)：金半結(jié)金屬與費(fèi)米能級(jí)較高的n型半導(dǎo)體接觸金屬半導(dǎo)體珀耳帖效應(yīng)：金半結(jié)金屬與費(fèi)米能級(jí)較高的n型半導(dǎo)體接觸金屬-----半導(dǎo)體+++++接觸以后，電子從半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)或價(jià)帶能級(jí)流入金屬的導(dǎo)帶能級(jí)，同時(shí)金屬費(fèi)米能級(jí)（包括其他能級(jí)）升高，半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)（包括其他能級(jí)）降低，直至兩費(fèi)米能級(jí)相同。此時(shí)，金屬電位較低，半導(dǎo)體電位較高金屬-金屬-半導(dǎo)體+半導(dǎo)體+數(shù)p稱為Peltier系數(shù)。

備注吸熱放熱電流流動(dòng)的實(shí)現(xiàn)：左端接觸處，金屬費(fèi)米能級(jí)的電子躍上半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（要吸熱），然后在導(dǎo)帶中從半導(dǎo)體的左側(cè)流動(dòng)到右側(cè)，進(jìn)入金屬時(shí)，躍下進(jìn)入金屬的費(fèi)米能級(jí)（要放熱）。另外，左端接觸處，電子的流動(dòng)是從低接觸電位端（高電勢(shì)能端）到高接觸電位端，要放熱，右端接觸處，電子的流動(dòng)是從低電勢(shì)能到高電勢(shì)能，需要吸熱。雖然電子在不同接觸電位間的流動(dòng)導(dǎo)致的吸熱與放熱為次要考慮因素，但對(duì)于選用前者費(fèi)米能級(jí)較低的n型半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，吸熱端制冷效果較好。電流I金屬與較高費(fèi)米能級(jí)n型半導(dǎo)體接觸的情況注：電子在電位高處勢(shì)能低，電位低處勢(shì)能高+高電位端-低電位端++--++--金屬與P型半導(dǎo)體接觸（金半接觸）的情況p型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)靠近價(jià)帶頂PPEvEF放熱吸熱P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電主要靠?jī)r(jià)帶頂?shù)目昭ㄟw移，這需要價(jià)帶中電子反方向的遷移實(shí)現(xiàn)電流流動(dòng)的實(shí)現(xiàn)：左端接觸處，金屬費(fèi)米能級(jí)的電子躍下半導(dǎo)體的價(jià)帶的空穴（要放熱），然后靠空穴在價(jià)帶中從半導(dǎo)體中的右側(cè)向左側(cè)移動(dòng)而流動(dòng)到右側(cè)，進(jìn)入金屬時(shí)，躍上進(jìn)入金屬的費(fèi)米能級(jí)（要放熱）。電流I備注同樣可分析得出：選用費(fèi)米能級(jí)高于金屬的p型半導(dǎo)體，吸熱端制冷效果較好。總之，金半接觸處：電子進(jìn)n出p要吸熱電子進(jìn)p出n要放熱http:///forum.php?mod=viewthread&tid=4786322備注2、利用珀耳帖效應(yīng)的半導(dǎo)體制冷3、珀耳帖效應(yīng)的微觀機(jī)理PN吸熱（冷端）放熱（熱端）--+-+-接觸電位+-備注4、湯姆遜效應(yīng)（導(dǎo)體）湯姆遜效應(yīng)（1851）：在具有溫度梯度的一根均勻?qū)w通以電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象。數(shù)學(xué)表述如下：吸熱率qA=σAj（dT/dx）σA：湯姆遜系數(shù)。j：電流密度（單位橫截面上的電流強(qiáng)度）。AT1-ΔTT1+ΔT此處加熱j上述效應(yīng)廣泛用于加熱、致冷、發(fā)電，特別是溫差發(fā)電。+-溫差電勢(shì)的電位-備注熱電阻與熱敏電阻熱電阻熱敏電阻1熱電阻測(cè)溫原理熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系0℃的阻值；溫度系數(shù).備注2熱電阻結(jié)構(gòu)：電阻體＋絕緣套管＋接線盒3幾種熱電阻材料鉑熱電阻熱電阻的測(cè)量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀（-259.34℃~630.73℃）。銅熱電阻在-50～150℃范圍內(nèi)，銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出—輸入特性接近線性，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)是電阻率低，體積大，熱慣性大，在100℃以上時(shí)易氧化。熱敏電阻熱電阻1熱敏電阻原理熱敏電阻是半導(dǎo)體測(cè)溫元件，按溫度系數(shù)分：⊙負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)-MF型號(hào);

⊙正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)-MZ型號(hào).NTC又分兩類：⊙用于測(cè)量溫度—阻值與溫度呈負(fù)的指數(shù)關(guān)系；

⊙負(fù)的突變型—當(dāng)溫度上升至某一