[精品]浅析半导体的热电效应.doc

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1、浅析半导体的热电效应冯启业222007322072003电科一班摘要：把热能转换为电能的所谓热电效应的发现已有一个半世纪的历史，这是与温度梯度的存在有关的现彖，其中最重要的是温差电现象。但是，由于金属的温羌电动势很小，只是在用作测最温度的温并电偶方面得到了应用。半导体岀现后,发现它能得到比金属大得多的温差电动势，在热能与电能的转换上，可以有较高的效率，因此，在温芳发电、温差致冷方面获得了发展。由于温度梯度及电流同时存在时引起的一些现象——主要是塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。关键词：热电效应塞贝克效应珀尔帖效应汤姆逊效应正文：一、塞贝克效应塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，

2、它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压羌的热电现象。在两种金属A和B组成的

3、川路屮，如果使两个接触点的温度不同，则在冋路屮将出现电流，称为热电流。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电了逸出功和有效电了密度这两个基木因素。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流了往冷端扩散的结果。例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消

4、时•，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温茅电动势。自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为负），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为正），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。可见，在有温度罢的半导体屮，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜的，并且其中的Fermi能级也是倾斜的；两端Fermi能级的差就等于温差电动势。实际上，影响Seebeck效应的因素还有两个：第一个因素是载流了的能饋和速度。因为热端和冷端的载流了能量不同，这实际上就反映了半导体Fermi能级在两端存在

5、差异,因此这种作用也会对温弟电动势造成影响——增强Seebeck效应。第二个因素是声子。因为热端的声了数多于冷端，则声了也将要从高温端向低温端扩，并在扩散过程屮可与载流了碰撞、把能量传递给载流了，从而加速了载流了的运动——声了牵引，这种作用会增加载流了在冷端的积累、增强Seebeck效应。半导体的Seebeck效应较显著。一般，半导体的Seebeck系数为数百mV/K,这要比金属的高得多。利用塞贝克效应，可制成温羌电偶（thermocouple,即热电偶）来测量温度。只要选用适当的金屈作热电偶材料，就可轻易测最到从一180°C到+2000°C的温度，如此宽泛的测量范I韦I,令洒精或水银温度计望

6、尘莫及。现在，通过采用的和钳合金制作的热电偶温度计，M至可以测量高达+2800°C的温度！二、珀尔帖效应两种不同的金属构成闭合I川路，当回路屮存在胃流电流时，两个接头之间将产生温差。这就是珀尔帖效应（PeltierEffect）otfl尔帖效应也称作热电第二效应。对帕尔帖效应的物理解释是：电荷载体在导体屮运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料屮处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。所以，半导体电了制冷的效果就主要取决于电荷载体运动的两种材料的能级弟，即热电势热纯金属的导电导热性能

7、好，但制冷效率极低（不到1%）。半导体材料具有极高的热电势，可以成功的用来做小型的热电制冷器。经过多次实验，科学家发现：P型半导体（Bi2Te3・Sb2Te3）和N型半导体（Bi2Te3-Bi2Se3）的热电势茅最大，应用屮能够在冷接点处表现出明显制冷效果。电了冰箱简单结构为：将P型半导体，N型半导体，以及铜板，铜导线连成一个冋路，铜板和导线只起导电作用，冋路由12V直流电供电，接通电流后，一个接点变冷（冰箱内部），另一个接头散热（冰箱后面散热器）。帕尔帖效应发现100多年来并未获得实际应用，因为金属半TEC套件导体的珀尔帖效应很弱。直到上世纪90年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碼化钮为基

8、的化合物是故好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体电了致冷元件——热电致冷器（ThermoElectriccooling,简称TEC）。与风冷和水冷相比，半导体致冷片具有以下优势:（1）可以把温度降至室温以下；（2）精确温控（使用闭环温控电路，精度可达土0.1°C）；（3）高可靠性（致冷组件为固体器件，无运动部件，寿命超过20力小时，失效率低）；（4）没有工作噪音。汤姆逊效应1856年，汤姆逊