金属、绝缘体和半导体的热导率

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1、金属、绝缘体和半导体的热导率（比较）微电子物理2011-01-0622:17:37阅读190评论4  字号：大中小 订阅XieMeng-xian. (电子科大，成都市)  （金属的热导率是否一定很大？绝缘体的热导率是否一定很小？为什么重掺杂半导体的热导率低于轻掺杂半导体的热导率？为什么在高温下金刚石的热导率高于金属等各种材料的热导率？） 热导率是材料的一个重要热学性能参量。对于半导体材料而言，其热导率的大小将直接关系到所制作的半导体器件的耐高温性能以及处理功率的能力等。材料的热导率是衡量热能在介质中传输难易程度的一个物理量。实验表明，热流密度j（单位时间内

2、通过单位截面的热能）与温度梯度（dT/dx）成正比，比例系数κ就是热导率，即有热传导的Fourier定律（负号表示热能总是从高温端流向低温端）： j=-κ(dT/dx).对于合金、混合物或者多孔材料等材料的热导率，与这些材料的电阻率相似，可以采用相应的混合法则来计算。热传导的物理本质是自由粒子的扩散。气体的热传导就是气体分子从高温端扩散到低温端而产生热流的一种现象；若气体分子的平均热运动速度为v，气体分子碰撞的平均自由程为?，单位体积气体的定容比热为Cv，则分子运动论给出热导率为:  κ=(1/3)Cv?v.对于固体的热传导，产生的机理主要有两种：一是自由

3、载流子（电子和空穴）的扩散，二是声子（晶格振动能量子）的扩散。与气体分子的热导率类似，自由载流子和声子的热导率，也决定于比热、速度和平均自由程，即都可以表示成与上式相同的形式，只是其中的v和?分别为相应的平均热运动速度和平均自由程.   （1）金属的热导率：金属的热传导主要就是其中自由电子（价电子）从高温端扩散到低温端而产生热流的现象，相对来说,声子的热传导作用可以忽略。因为金属中的价电子实际上只有能量处于Fermi面附近的自由电子才能参与导电和导热等输运过程，则这种电子往往称为传导电子。因此在热导率表示式中的v应该选取为传导电子的速度——Fermi速度v

4、f（vf=(2Ef/m)1/2）.如果电子碰撞的平均自由时间为τ，则电子平均自由程?=vfτ。因此，金属电子的热导率与温度和电子遭受散射的情况有关。热导率与温度的关系：在高温下，金属的比热为常数（～6卡/克-度，Dulong-Petit定律），则热导率主要决定于电子的平均自由时间；当温度升高时，金属中的声子密度将线性地增加，就使得电子遭受散射的平均自由时间线性地减短，所以维持热导率不变。 在很低温度下，由于晶体中的声子数目很小，则电子的平均自由时间或者平均自由程即变得非常大（决定于晶体边界或者杂质的散射），并且与温度无关。于是这时金属的热导率与温度的关系将

5、主要决定于比热的变化；按照Debye比热理论，随着温度的降低，比热即T3式下降，从而导致金属的热导率近似指数式地下降。 总之，金属的热导率主要是传导电子扩散所致的热导率。在高温下，由于晶格振动散射，使得电子的平均自由时间随着温度的升高而线性地减短，则导致热导率与温度无关；在低温下，由于电子的平均自由时间和平均自由程很大、而与温度无关，则热导率决定于比热，并且随着温度的下降而很快减小。（2）绝缘体的热导率：对于绝缘体，因为不存在载流子，则它的热传导主要是其中声子从高温端扩散到低温端而产生热流所致。声子热导率与温度的关系：在高温下（T>>Debye温度Θ），随

6、着温度的升高，晶格比热近似为常数，而声子密度正比地增加，使得声子之间的散射加剧，则声子平均自由时间减短，从而导致热导率下降； 在低温下（T<<Θ），这时声子密度很低，则声子的平均自由程很长（由晶体尺寸决定）、而与温度无，因此热导率主要决定于晶格比热，即随着温度的降低而按照T3规律降低。这已经得到实验了证明，并且在同一温度下，晶粒尺寸越大，声子的平均自由程就越长，则热导率也就越高。一般，绝缘体的热导率低于金属，但是并非完全如此，例如：①对于含有杂质的不纯金属或者合金，其中的电子由于受到杂质、缺陷的散射，平均自由程很短，则热导率也可能与绝缘体一样的小；②作为绝

7、缘体的金刚石具有很高的热导率（～2000W-m1-K1），几乎是金属Ag的5倍。由于金刚石具有很强的共价键，所以它具有很高的声子热导率。而高分子聚合物，因为在其聚合链之间存在较弱的二次键合，所以它的声子热导率很小（一般都小于1W-m1-K1）。总之，绝缘体的热导率主要是声子扩散所致的热导率。在高温下，由于声子密度增大，散射加剧，使得声子的平均自由时间随着温度的升高而减短，则导致热导率随之线性地下降；在低温下，由于声子的平均自由时间和平均自由程很大、并与温度无关，则热导率决定于比热，并且随着温度的下降而很快减小。（3）半导体的热导率： 半导体的热导率

8、κ包括两个部分，即声子的热导率和载流子的热导率；其中声子热导率的情