半導體的熱電性質

半導體物理(SemiconductorPhysics)主講：彭新村信工樓519室，Email:東華理工機電學院電子科學與技術第十一章半導體的熱電性質11.1半導體熱電效應的物理解釋11.2半導體熱電效應的實際應用11.1半導體熱電效應的物理解釋一、單一半導體單一載流子的溫差電動勢效應考慮下圖所示均勻摻雜的p型半導體，兩端與金屬以歐姆接觸（線性I-V特性）相接，兩端溫度分別為T0、T0+ΔT，在半導體內部形成均勻的溫度梯度。假定在T0與T0+ΔT溫度下半導體均未達到飽和電離區(qū)，根據公式(3-46)，多數(shù)載流子濃度隨溫度指數(shù)增加。因此，低溫端附近載流子濃度比高溫端附近低，空穴便從高溫端向低溫端擴散，在低溫端積累了空穴（整體帶正電），高溫端留下電離施主雜質（空間電荷，整體帶負電），半導體內部形成自低溫端指向高溫端的電場。在電場作用下，空穴又向高溫端方向漂移，當空穴的漂移與擴散運動相平衡時達到穩(wěn)定狀態(tài)。這時在半導體內部有穩(wěn)定的電場，兩端形成一定的電勢差，這就是由于溫度梯度引起的溫差電動勢（Θ）。金屬金屬T0T0+ΔTP型半導體+-Θ對于n型半導體，其溫差電動勢效應的物理過程與p型半導體相似，區(qū)別為溫差電動勢是電子從高溫端向低溫端擴散而導致的，電場的方向是由高溫端指向低溫端。金屬金屬T0T0+ΔTn型半導體-+Θ11.1半導體熱電效應的物理解釋二、單一半導體兩種載流子的溫差電動勢效應考慮下圖所示均勻摻雜的半導體，兩端溫度分別為T0與T0+ΔT，在半導體內部形成均勻的溫度梯度。由于溫度增加時，熱激發(fā)增強，兩種載流子的濃度都會增加。因此，低溫端附近載流子濃度均比高溫端附近低，空穴與電子均從高溫端向低溫端擴散。前者的擴散會形成低溫端高于高溫端電勢的溫差電動勢——Θp，后者的擴散會形成低溫端低于高溫端電勢的溫差電動勢——Θn。由于電子與空穴的濃度梯度、擴散系數(shù)、遷移率等物理參量不同，理論上Θp與Θn大小不同，因此樣品兩端的總溫差電動勢大小應為|Θp-Θn|，方向則由Θp與Θn的大小決定。金屬金屬T0T0+ΔT均勻摻雜半導體-+Θn+-Θp三、兩種半導體的溫差電動勢效應——塞貝克效應考慮兩種摻雜濃度不同的n型半導體a、b組成的閉合回路，假定na>nb，在A、B兩個接觸點就會發(fā)生電子擴散，單位時間內由半導體a擴散到半導體b的電子數(shù)要比b擴散到a中的電子數(shù)多，半導體a因失去電子帶正電，半導體b因得到電子帶負電，于是在接觸處便形成了電位差，該電位差稱為接觸電勢。設A、B兩處的接觸電勢分別為εA、εB

。理論證明，接觸電勢是與溫度成正比的。顯然A、B兩端溫度相同時，εA=εB，此時整個回路的電勢差因兩者相互抵消而為0。若A端溫度為T0，B端溫度為T0+ΔT，則回路的總電勢差應為εB-εA，回路中有電流流過。這種效應是于1821年由塞貝克發(fā)現(xiàn)的，故稱為塞貝克效應，產生的溫差電動勢也稱為塞貝克電動勢。11.1半導體熱電效應的物理解釋abAB-+-+εAεBT0T0+ΔTεB-εA四、半導體的珀爾帖效應考慮下圖所示兩種摻雜濃度不同的n型半導體a、b組成的閉合回路，假定na>nb，在A、B接觸處便有接觸電勢εA、εB。若給整個回路加上外加電源，回路中便有如圖所示的電流流過，電子的漂移運動方向與電場相反。當電子通過A處時，要克服εA大小的反向電勢就需要吸收一定的能量，即熱能；當電子通過B處時，受到εB大小的正向電勢的作用，能量降低，因此會放出熱能。這種在接頭A、B處分別發(fā)生的吸熱和放熱的現(xiàn)象稱為珀爾帖效應，是于1834年由珀爾帖首次發(fā)現(xiàn)的。11.1半導體熱電效應的物理解釋abAB-+-+εAεB外加電源：εI電勢能降低，放熱電勢能增加，吸熱發(fā)生塞貝克效應與珀爾帖效應的條件：（1）如果構成回路的是兩種摻雜濃度相同的半導體，則在接觸處不會產生接觸電勢，此時即使兩結點溫度不同也不會產生溫差電動勢效應。因此，需要采用濃度不同的兩種半導體或者兩種不同的導體材料。（2）對與塞貝克效應，結點間必須有溫度差，否則兩結點的溫度相同時，它們的接觸電勢也相同，總溫差電動勢也為0。五、半導體的湯姆遜效應考慮下圖所示的均勻溫度梯度的n型半導體，兩端會產生如圖所示的溫差電動勢。若兩端加上電源，則回路中有如圖所示的電流，電子的漂移運動方向與電流方向相反，電子通過半導體時，由于受到正向溫差電動勢的作用，電勢能會降低，因此會放處熱量；同理，若外加電源的正負極反向連接，則會吸熱。這種現(xiàn)象即為湯姆遜效應。