《其他半导体材》ppt课件

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1、第十一章其他半导体材料1.热电材料2.半导体红外光学材料3.半导体陶瓷材料10.1热电效应热电效应又称为温差效应，将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应热电效应示意图热电效应赛贝克效应珀尔贴效应汤姆孙效应10.1.1赛贝克效应ABTT0K：玻耳兹曼常数，e：电子电荷量，T：接触处的温度NA，NB：分别为导体A和B的自由电子密度。赛贝克系数单位温差所产生的温差电动势，称为赛贝克系数10.1.2珀尔帖效应两种不同导体a,b连接后，通

2、入电流，接头处便可产生吸热或者放热现象，称为珀尔帖效应QTT珀尔帖系数dH/dt表示单位时间内接头处单位面积上所吸收或者放出的热量10.1.3汤姆孙效应当存在着温度梯度的均匀半导体中有电流通过时，导体中除了产生与导体电阻相关的焦耳热外，还要吸收或者放出热量，称为汤姆孙效应开耳芬关系式热电材料的优值较大的赛贝克系数－－热电效应大较小的热导率－－热量保持在接头较高的电导率－－焦耳热少固溶体合金理论利用合金化引起晶格短程畸变，使其加强对声子的散射，降低晶格热导率，对载流迁移率影响不大，因而对材料的电导率影响很小。热

3、电优值和温度Bi2Te3－－室温工作Bi-Sb合金－－低温范围，20K～200KPbTe－－高温范围，300K～900KSiGe固溶体SiGe固溶体的热电性能，载流子浓度，温度更大热电优值ZT～1－－－实际情况ZT～4－－－理论来利用ZT=3的材料制备家用冰箱，在经济上可以与传统压缩机式冰箱竞争提高ZT提高ZT提高赛贝克系数提高电导率降低热导率－－重要途径热导率热导率包括晶格热导率和载流子热导率载流子热导率调节余地很小降低晶格热导率（增加对声学声子的散射）成为提高材料热电优值最主要的方法典型的高热电性能材料应

4、该为窄带隙半导体10.1.4热电材料的应用热电发电半导体制冷1）热电发电所谓热电发电就是将热能直接转变成电能，通过高温与低温的温差产生的热将移动的热能转变成电能，使其发电。地球上任何的地方均存在温差，可以说有无限的利用前景。其应用领域可以从家庭直至整个地球，可利用的热源温度范围为—200℃~+2000℃（现在的技术水平）。半导体热电堆发电技术和太阳能光伏发电技术并称为21世纪的两大最具潜力的新烈发电技术，对于缓解其至解决当前日益增长的能源压力和环境危机具有重大意义。半导体热电发电机（简称为TEG），实质上是许

5、多p和n型半导体材料按照一定的排列组合方式构成的半导体堆(Thermopile)。因此，半导体热电发电也经常被称为半导体热电堆发电。热电发电示意图TEG工作原理发电机工作于冷热源之间，热端从热源吸热，由冷端向冷源放热，将热能转化为电能，以温差电动势或电流的形式输出。TEG产生的温差电动势主要由汤姆逊(Thomson)电动势和帕尔贴电动势组成。当半导体材料的两端存在温差时，半导体的导电机构受到热激发后运动状态会发生改变。对于n型半导体，自由电子从高温向低温迁移，因此在低温端积累电子带负电，而高温端缺乏电子带正电

6、。同时，高低温端会在导体中建立起一个静电场，一方面阻止自由电子从高温向低温运动，一方面使反向的自由电子加速到低温端。当达到静电平衡时,半导体两端就会形成一定的电动势。TEG优点TEG循环与传统热力发电相比具有以下的优点:①无噪音、无污染、无旋转机械运行寿命长,可靠性高；②能够满足中小发电量的要求,可以灵活地调整负荷；③适用于工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等中低混度范围的热量利用,发电潜力巨大；④对热源温度要求较低,即使在100℃以下,也能输出电能；⑤能够适用于特殊场合(如荒漠、深层空间等

7、)的发电需要。TEG循环的效率一般为5～10%。在影响TEG循环效率因素中,半导体材料的热电特性起着至关重要的作用。现在常见的半导体热电材料有Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3、PbTe以及SiGe等。2）半导体制冷半导体制冷也叫温差制冷、热电制冷或电子制冷，是利用“塞贝克效应”的逆效应-“珀尔帖效应”进行制冷。法国物理学珀尔帖在1834年发现在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个结点变冷，另一个变热，这种效应后来被称为珀尔帖效应，但由于当时半导体材料的热电性能差、效率低，一直没得到实

8、际应用。直到20世纪50年代，随着热电性能较好的半导体材料的迅猛发展，热电效应的效率大大提高，才使热电发电和热电制冷进入工程实践领域。例如可以用于小型旅行电冰箱、冷暖饮水机等家用电器，还可用于低温医疗器具，当然其最重要的应用是在信息技术领域，可以作为电子元器件（红外探测器、半导体激光器、晶体管、精密电阻元器件及计算机CPU或其它芯片）的冷源，用于提高其性能。半导体制冷的优点与现行的压缩式制冷或吸收式