高二物理 半導(dǎo)體中的熱效應(yīng) 競(jìng)賽

半導(dǎo)體中的熱效應(yīng)

半導(dǎo)體中的熱效應(yīng)●塞貝克效應(yīng)●珀耳帖效應(yīng)●湯姆孫效應(yīng)熱電效應(yīng)有三個(gè)：塞貝克效應(yīng)：

兩種金屬或半導(dǎo)體接觸，在兩個(gè)接觸點(diǎn)之間若存在溫度差便產(chǎn)生電流，這種電流稱(chēng)為熱電流。如果是開(kāi)路環(huán)，則在兩端之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)或溫差電動(dòng)勢(shì)。這種電動(dòng)勢(shì)與溫度差及材料的性質(zhì)有關(guān)。材料的性質(zhì)由如下的特征系數(shù)決定：系數(shù)α稱(chēng)為溫差電動(dòng)勢(shì)率，等于單位溫度差的熱電動(dòng)勢(shì)。原理：如果導(dǎo)體不均勻加熱，載流子的平均能量和濃度將在高溫處高。因此，在均勻半導(dǎo)體中的溫度梯度將引起載流子平均能量的梯度和濃度梯度。這樣出現(xiàn)載流子的擴(kuò)散并產(chǎn)生電流。在開(kāi)路環(huán)中定態(tài)下樣品中各處的電流密度等于零，說(shuō)明由溫度梯度產(chǎn)生的電流與電場(chǎng)形成的電流互相抵消，在樣品中產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)方向相反當(dāng)溫度增加時(shí)，載流子濃度和速度都增加，由熱端擴(kuò)散到冷端。N型半導(dǎo)體，多子是電子，則熱端缺少電子，冷端有過(guò)剩電子，產(chǎn)生由熱端指向冷端的電場(chǎng)，熱端電勢(shì)高，冷端電勢(shì)低。P型半導(dǎo)體則相反。則由半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)的正負(fù)，可以判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型。熱探針?lè)☉?yīng)用I應(yīng)用II溫差電偶（熱電偶）：利用金屬的塞貝克效應(yīng)，制作測(cè)量溫度用的熱電偶。應(yīng)用III溫差發(fā)電器半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)很大，可用來(lái)制作把熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿臏夭畎l(fā)電器。N型和P型半導(dǎo)體熱電材料做成如圖所示的兩臂，一端用金屬以歐姆接觸相接，溫度為T(mén)1，另一端通過(guò)歐姆接觸與電阻RL相連，溫度為T(mén)0，當(dāng)T1>T0時(shí)，由于塞貝克效應(yīng)，負(fù)載RL中便有電流流過(guò)，構(gòu)成溫差發(fā)電器。溫差發(fā)電器原理圖RL珀耳帖效應(yīng)：

在處于相同溫度中的兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體接觸處通電流時(shí)，產(chǎn)生或者吸收熱量的現(xiàn)象稱(chēng)為珀耳帖效應(yīng)。金屬金屬圖6.6應(yīng)用：半導(dǎo)體制冷器用外電源產(chǎn)生電流，通過(guò)珀耳帖效應(yīng)，制造制冷器，使得一個(gè)接頭不斷吸熱，一個(gè)接頭不斷放熱。N型和P型半導(dǎo)體熱電材料做成如圖所示的兩臂，一端用金屬以歐姆接觸相接；另一端接直流電源產(chǎn)生電流。接電源的一端保持溫度T0，由于珀耳帖效應(yīng)，當(dāng)電流由金屬流向P型材料時(shí)，接觸處將吸收熱量；當(dāng)電流由N型材料流向金屬時(shí)，接觸處也將吸收熱量，因而，用金屬相連的一端不斷從周?chē)h(huán)境中吸收熱量使溫度下降，夠成制冷器。半導(dǎo)體制冷器原理圖吸熱端放熱端湯姆孫效應(yīng)：

當(dāng)電流流過(guò)有均勻溫度梯度的導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，原有的溫度分布將被破壞，為了維持原有的溫度分布，則導(dǎo)體將吸熱或放熱，這種效應(yīng)稱(chēng)為湯姆孫效應(yīng)。電子在電場(chǎng)作用下，由低溫處漂移至高溫處，能量變化為：間接躍遷為一個(gè)二級(jí)過(guò)程（電子與光子作用，電子與聲子作用），因此其發(fā)生概率比直接躍遷小得多，相應(yīng)的吸收系數(shù)也小。吸收系數(shù)的理論表達(dá)式為：四、補(bǔ)充

1.直接帶隙半導(dǎo)體中，涉及聲子發(fā)射和吸收的間接躍遷也可能發(fā)生。主要是涉及光學(xué)聲子，發(fā)射聲子過(guò)程，吸收應(yīng)發(fā)生在直接躍遷吸收限短波一側(cè)。吸收聲子過(guò)程發(fā)生在吸收限長(zhǎng)波一側(cè)，可使直接躍遷吸收邊不是陡峭地下降為零。

2.間接禁帶半導(dǎo)體中，仍可能發(fā)生直接躍遷。Ge吸收譜的肩形結(jié)構(gòu)的解釋?zhuān)琍306，圖10.8。

3.重?fù)诫s半導(dǎo)體（如n型），Ef進(jìn)入導(dǎo)帶，低溫時(shí)，Ef以下能級(jí)被電子占據(jù)，價(jià)帶電子只能躍遷到Ef以上的狀態(tài)，因而本征吸收長(zhǎng)波限藍(lán)移，即伯斯坦移動(dòng)(Burstein-Moss效應(yīng))。

4.強(qiáng)電場(chǎng)作用下，能帶傾斜，小于Eg的光子可通過(guò)光子誘導(dǎo)的隧道效應(yīng)發(fā)生本征躍遷，既本征吸收長(zhǎng)波限紅移，即弗朗茲-克爾德什（Franz-Keldysh）效應(yīng)。研究本征吸收的意義