半导体的热电性质

半导体物理(SemiconductorPhysics)主讲：彭新村信工楼519室，Email:东华理工机电学院电子科学与技术第十一章半导体的热电性质11.1半导体热电效应的物理解释11.2半导体热电效应的实际应用11.1半导体热电效应的物理解释一、单一半导体单一载流子的温差电动势效应考虑下图所示均匀掺杂的p型半导体，两端与金属以欧姆接触（线性I-V特性）相接，两端温度分别为T0、T0+ΔT，在半导体内部形成均匀的温度梯度。假定在T0与T0+ΔT温度下半导体均未达到饱和电离区，根据公式(3-46)，多数载流子浓度随温度指数增加。因此，低温端附近载流子浓度比高温端附近低，空穴便从高温端向低温端扩散，在低温端积累了空穴（整体带正电），高温端留下电离施主杂质（空间电荷，整体带负电），半导体内部形成自低温端指向高温端的电场。在电场作用下，空穴又向高温端方向漂移，当空穴的漂移与扩散运动相平衡时达到稳定状态。这时在半导体内部有稳定的电场，两端形成一定的电势差，这就是由于温度梯度引起的温差电动势（Θ）。金属金属T0T0+ΔTP型半导体+-Θ对于n型半导体，其温差电动势效应的物理过程与p型半导体相似，区别为温差电动势是电子从高温端向低温端扩散而导致的，电场的方向是由高温端指向低温端。金属金属T0T0+ΔTn型半导体-+Θ11.1半导体热电效应的物理解释二、单一半导体两种载流子的温差电动势效应考虑下图所示均匀掺杂的半导体，两端温度分别为T0与T0+ΔT，在半导体内部形成均匀的温度梯度。由于温度增加时，热激发增强，两种载流子的浓度都会增加。因此，低温端附近载流子浓度均比高温端附近低，空穴与电子均从高温端向低温端扩散。前者的扩散会形成低温端高于高温端电势的温差电动势——Θp，后者的扩散会形成低温端低于高温端电势的温差电动势——Θn。由于电子与空穴的浓度梯度、扩散系数、迁移率等物理参量不同，理论上Θp与Θn大小不同，因此样品两端的总温差电动势大小应为|Θp-Θn|，方向则由Θp与Θn的大小决定。金属金属T0T0+ΔT均匀掺杂半导体-+Θn+-Θp三、两种半导体的温差电动势效应——塞贝克效应考虑两种掺杂浓度不同的n型半导体a、b组成的闭合回路，假定na>nb，在A、B两个接触点就会发生电子扩散，单位时间内由半导体a扩散到半导体b的电子数要比b扩散到a中的电子数多，半导体a因失去电子带正电，半导体b因得到电子带负电，于是在接触处便形成了电位差，该电位差称为接触电势。设A、B两处的接触电势分别为εA、εB

。理论证明，接触电势是与温度成正比的。显然A、B两端温度相同时，εA=εB，此时整个回路的电势差因两者相互抵消而为0。若A端温度为T0，B端温度为T0+ΔT，则回路的总电势差应为εB-εA，回路中有电流流过。这种效应是于1821年由塞贝克发现的，故称为塞贝克效应，产生的温差电动势也称为塞贝克电动势。11.1半导体热电效应的物理解释abAB-+-+εAεBT0T0+ΔTεB-εA四、半导体的珀尔帖效应考虑下图所示两种掺杂浓度不同的n型半导体a、b组成的闭合回路，假定na>nb，在A、B接触处便有接触电势εA、εB。若给整个回路加上外加电源，回路中便有如图所示的电流流过，电子的漂移运动方向与电场相反。当电子通过A处时，要克服εA大小的反向电势就需要吸收一定的能量，即热能；当电子通过B处时，受到εB大小的正向电势的作用，能量降低，因此会放出热能。这种在接头A、B处分别发生的吸热和放热的现象称为珀尔帖效应，是于1834年由珀尔帖首次发现的。11.1半导体热电效应的物理解释abAB-+-+εAεB外加电源：εI电势能降低，放热电势能增加，吸热发生塞贝克效应与珀尔帖效应的条件：（1）如果构成回路的是两种掺杂浓度相同的半导体，则在接触处不会产生接触电势，此时即使两结点温度不同也不会产生温差电动势效应。因此，需要采用浓度不同的两种半导体或者两种不同的导体材料。（2）对与塞贝克效应，结点间必须有温度差，否则两结点的温度相同时，它们的接触电势也相同，总温差电动势也为0。五、半导体的汤姆逊效应考虑下图所示的均匀温度梯度的n型半导体，两端会产生如图所示的温差电动势。若两端加上电源，则回路中有如图所示的电流，电子的漂移运动方向与电流方向相反，电子通过半导体时，由于受到正向温差电动势的作用，电势能会降低，因此会放处热量；同理，若外加电源的正负极反向连接，则会吸热。这种现象即为汤姆逊效应。