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1、半 导 体 物 理(Semiconductor Physics),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+T，在半导体内部形成均匀的温度梯度。假定在T0 与T0+T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
2、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（）。,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。,-,+,11.1 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
3、，两端温度分别为T0与T0+T，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p，后者的扩散会形成低温端低于高温端电势的温差电动势n。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p与n大小不同，因此样品两端的总温差电动势大小应为|p-n|，方向则由p与n的大小决定。,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nanb，在A、B两个接触点就会发生电子扩散，
4、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A、B。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，A=B，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+T，则回路的总电势差应为B-A，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,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
5、、b组成的闭合回路，假定nanb，在A、B接触处便有接触电势A、B。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A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B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,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。,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,
