半導體物理第7次課 (2)課件

半導體的磁效應之一：霍爾效應由于載流子是帶電粒子，在磁場中運動時將受到洛倫茲力的作用，勢必對載流子的運動產生影響。實驗上發(fā)現(xiàn)如果把通電的條狀半導體樣

品放置在磁場中，如果磁場的方向與電流方向垂直，則在垂直于電流和磁場的方向上有一橫向電動勢，而且對于P型和N半導體材料，此電動勢的方向相反。這種現(xiàn)象稱為霍耳效應，對應的電動勢為霍耳電動勢。

霍爾效應示意圖電場、磁場共同作用下的動態(tài)平衡載流子在磁場力的作用下作橫向運動，因此使得電荷在側面積累。兩側積累的的電荷形成一個附加的電場，載流子在此電場的作用下受到一個橫向的力的作用，此力與磁場引起的洛倫茲力的方向相反。磁場引起的偏轉力及附加電場引起的電場力最后相互抵消達到一種動態(tài)平衡。平衡時的橫向電場稱為霍耳電場，兩側的電勢差稱為霍爾電勢。2、霍爾角在無磁場時，載流子的漂移運動方向與電流方向相同或相反，但兩者沒有夾角(0或180）。磁場引起附加電場，使得載流子的運動方向與外場的方向有一個夾角，此夾角稱為霍耳角?；舳堑恼袘扔诨舳妶雠c外場的比值，即，若霍爾電場較小，

則，可見偏轉角的方向與霍耳系數(shù)相同。將R代入可得

3、霍耳遷移率由于磁場的存在，電子的漂移運動方向發(fā)生變化，因此以上公式中所用的遷移率嚴格來說應是磁場下的遷移率，即霍耳遷移率。引入霍爾遷移率后，霍耳系數(shù)要進行修改，

相應的霍耳角、霍耳電勢等也要進行修改。

霍爾遷移率對簡單能帶結構的半導體材料，Rn與Rp不必修正。由半導體的能帶結構可以算出霍耳遷移率與一般遷移率的比值，它們?yōu)閮煞N載流子同時存在時的霍爾系數(shù)在磁場作用下電子與空穴的橫向運動方向是相同的，它們引起的橫向電流的大小

積累在兩側的電荷產生的霍耳電場引起的電流，由它引起的橫向電流為

當達到平衡時兩者數(shù)值相同，即

兩種載流子同時存在時的霍爾系數(shù)-cont而有兩種載流子同時存在時的電導率為

代入前面的式子，可以得到霍耳電場與磁場及電流的關系

兩種載流子同時存在是的霍耳系數(shù)

其中。磁阻效應當半導體材料置于外場中時，半導體的電阻值比無磁場時的大，這種現(xiàn)象稱為磁阻現(xiàn)象，即磁場引起的電阻變化現(xiàn)象。磁阻現(xiàn)象的本質是載流子在磁場的作用下偏轉使得沿外電場方向運動的載流子密度變小，這相當于電阻增加。

1）載流子軌跡呈波動狀；

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，使得沿外場方向運動的載流子數(shù)目減小。1、軌跡變長，相當于遷移率下降1、在磁場力的作用下，載流子作圓周運動。2、在電場力的作用下，載流子作定向運動?？傮w：螺旋運動。運動速度不同的影響1、由于載流子運動速度偏離平均速度，在霍爾電場和磁場的共同的作用下，載流子可能向不同的方向偏離。導致沿外場方向運動的載流子數(shù)目和速度分量下降。2、因為J=nqv,因此n、v的下降導致電流密度的減小，即電導率減小。磁敏器件由于霍爾電場也與遷移率成正比，所以無論是利用霍爾效應還是磁阻效應作磁敏器件，載流子遷移率m越大越好。目前適合做磁阻元件的半導體材料主要有InSb、InAs、GaAs、Ge和Si等。半導體材料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族化臺物半導體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。應用范圍半導體磁敏元件，包括霍爾元件（開關型、線性），磁阻型磁敏器件。例如：偽幣檢測器磁敏電位器磁阻式齒輪傳感器磁敏測距儀磁敏尺磁記錄設備左：InSb電阻與磁場的關系

右：一種磁敏電位器

晶格振動的熱導率載流子的熱傳導率半導體中載流子的熱傳導系數(shù)

載流子的熱導率與它們的遷移率及濃度有關。遷移率越大，載流子流動越快，k越大；載流子密度越大，參與輸運的電子越多，k也越大。另外溫度越高，電子的熱運動能量越大，則每次能傳送的能量也越大，相應的k也大；載流子的電導率與熱傳導率成正比。

簡并情況下載流子的熱傳導率對簡并半導體來說，參與熱傳導的電子局限與費米能級附近，與金屬中的傳導電子相似，所以它的熱傳導系數(shù)應與金屬的相同，即。

可以看出它非簡并半導體中的載流子的熱導率是相似的，只不過前面的系數(shù)有差別。

Seebeck系數(shù)由于溫差產生的電動勢稱為溫差電動勢。溫差電動勢與材料本身及兩端的溫度差有關。單位溫差引起的電動勢稱為溫差電動勢率，或塞貝克系數(shù)。P、N型半導體的Seebeck系數(shù)P型半導體的Seebeck系數(shù)為正，N型的為負；可以用來判斷導電類型、發(fā)電、測量溫度等。溫差發(fā)電小Figureofmerit

Z(優(yōu)值)優(yōu)值決定了熱電轉換效率。特點：

體積小、無噪音、無振動、可以用任何熱源，如太陽能、核能、廢熱、地熱、海洋溫差等。實際使用的溫差發(fā)電材料200℃左右：BiTe為主體的溫差發(fā)電材料，轉換效率一般為3～4%左右。在500℃以下的溫度，ZnSb是一種很好的溫差電材料，價格也便宜，煤油燈發(fā)電機大部分采用此材料。500℃左右使用PbTe、GeTe、AgSbTe、SnTe或者它們的合金材料，轉換效率為5%左右。PbTe是應用最多的半導體溫差發(fā)電器材。1000℃左右使用FeSi、GeSi合金等半導體材料。特別是Ge、Si合金材料，已有效率達10%的報導。利用溫差電動勢測量導電型號熱探針半導體材料接觸時，對于N型材料材料熱觸點相對于室溫觸點為正，對P型材料熱觸點為負的。熱電動勢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。為了防止這種情況的產生，可用冷探針來代替熱探針，即一個探針為室溫，另一個冷卻。利用熱探針測導電型號

熱電效應II：帕爾帖效應當兩種導體接觸處通過電流J時，在接觸觸會放熱或吸熱，這種現(xiàn)象稱為帕爾帖效應。實驗證明放出或吸收的熱量與通過的電流成正比，即，II稱為帕爾帖系數(shù)。機理分析N型半導體的導帶比金屬的費米能級高，所以金屬側的電子要得到額外的能量才能進入半導體的導帶，所以它要在電流流出處（即電子進入處）吸熱。當電子從N型半導體進入金屬時它要當初多余的熱量，即在電流流入處發(fā)熱。利用這個原理可制造半導體制冷、制熱器件。一個電子吸收或放出的能量為

在電流為J的條件下，單位時間內流過的電子數(shù)為J/e，所以單位時間內吸收或放出的熱量為：

帕爾帖系數(shù)與Seebeck系數(shù)的關系因為，

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)，即溫差電動勢率半導體制冷器

與半導體溫差發(fā)電器相反，在半導體和全屬接觸處通電流時，由于勢壘的存在，電子越過勢壘時，吸收能量（冷卻）或放出能量（發(fā)熱）。利用這種帕爾貼效應在半導體金屬接觸處通電時，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半導體制冷器的特點及應用實際應用時常把許多溫差電偶組成溫差電堆，由若干溫差電堆構成溫差致冷器。半導體致冷器雖然功率小，但它具備小型化時效率不變。無振動、無噪聲、無摩擦損耗、溫度控制容易；改變電流方向就可以實現(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)學儀器、藥物等的儲存等。熱電效應III：湯姆遜效應當電流通過溫度梯度均勻的導體或半導體時，原有的溫度分布將被破壞，為維持原有的溫度分布，半導體或導體除產生焦耳熱外，還將吸熱或放熱，這種效應稱為湯姆遜效應。吸收或放出的熱量與通過的電量及溫度的落差成正比，即

機理分析溫度不同處載流子的熱運動能是不同的。假定電勢能高的地方溫度較高，那么在外場的作用下載流子將發(fā)生漂移運動，使得高能（高溫）電子向低能（低溫）方向運動，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，半導體將放熱。反之，如果電勢能高的地方為低溫，那么由于在電場力的作用下，載流子由低能向高能處運動，為了維持原先的溫度梯度，半導體將從外界吸熱。熱磁效應I：愛廷豪森效應當薄片導體內有電流J流過時，若在垂直薄片及電流的方向上加磁場B，則在薄片的兩側有溫度梯度產生，產生的溫度梯度與電流強度、磁場強度成正比，比例系數(shù)為愛廷豪森系數(shù)，即顯然它與霍耳效應十分相似，但現(xiàn)在產生的不是霍耳電場，而是溫度梯度。機理分析洛倫茲力與霍爾電場力達到平衡后，運動速度大于平均速度的載流子受到的磁場力大于霍爾電場力，向一方偏轉。而運動速度小于平均速度的載流子受到的磁場力小于霍爾電場力，向另一側偏轉。這樣導致在兩邊積累的載流子的熱運動能不一致，因此在橫向產生一個溫度梯度。

熱磁效應II：Nernst效應X方向存在溫度梯度，磁場為Z方向，則在Y方向產生電動勢。即在熱流與磁場垂直的方向有電動勢產生。這種現(xiàn)象稱為能斯特現(xiàn)象，對應的電場稱為能斯特電場，它與溫度梯度及磁場強度成正比，系數(shù)Q稱為能斯特系數(shù)。

與愛廷豪森效應相似，Nernst效應的實驗裝置與霍耳效應相似，但在霍耳效應時有電流流過半導體，而這里是熱流流過半導體。

機理分析其實我們可以這樣分析。載流子從高溫向低溫的定向熱運動速度與低溫向高溫的定向運動的速度是不同的。在沒有磁場時兩個方向的載流子數(shù)目相同，但方向相反，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，兩側沒有電場。我們看某一斷面，加上外磁場后，沿兩個方向運動的載流子在磁場的作用下向相反的方向偏轉，但由于兩個方向的速度不同，因此產生的橫向電場是不同的，分別為總的橫向電場為兩者之差，即熱磁效應III：里紀—勒克杜效應

若X方向存在溫度梯度，磁場為Z方向，則在Y方向存在溫度差。溫度差與磁場強度、X方向的溫度梯度成正比，即這是因為向兩邊偏轉的載流子速度不同，因而攜帶的熱運動能也不同，使得兩側的溫度有一差別。三種熱磁現(xiàn)象與霍耳效應往往是混在一起的。

半導體的其他效應聲電效應超聲放大效應壓阻效應磁光效應聲磁電效應量子霍爾效應聲電效應當聲波在半導體材料中傳播時，在聲波傳播方向上會產生直流電場，這種現(xiàn)象稱為聲電效應。聲電效應的本質是聲波在晶體中傳播時，晶格受到擠壓或拉伸，導致能帶受到波浪狀調制，并隨聲波傳播發(fā)生相應的運動。電子趨向于能量較低的位置。但假如電子運動的速度小于聲波傳播的速度，電子就會沿著聲波傳播方向前進，產生電子流。電子最終聚集在聲波傳出的面上，因此在半導體內部形成一個直流電場。經典類比：有風浪時水面上的漂浮物？聲電效應示意圖超聲放大效應在上述聲電效應實驗中，如果樣品兩端加上電壓，并使外場引起的載流子漂移速度略大于聲波的傳播速度，則可觀測到超聲波的放大。此現(xiàn)象稱為超聲放大效應。原因：當聲子運動到晶格某處時，載流子也剛好到達，并將部分能量轉移給晶格，使得晶格振動加劇，此即相當于聲波加強。經典類比：飛機速度=聲波速度時，飛機會解體：超音速飛機遇到的聲障？應用：超聲波換能器超聲放大效應示意圖壓阻現(xiàn)象如果對半導體材料施加外力，則半導體材料的電阻會發(fā)生變化。這種現(xiàn)象稱為壓阻現(xiàn)象。壓阻現(xiàn)象的本質是晶格常數(shù)在外加壓力作用下發(fā)生變化，導致能帶結構（帶隙、載流子濃度、遷移率等）發(fā)生變化。在某些臨界壓力下，晶體會發(fā)生相變，此