半导体热电材料共134页
半导体物理第十一章半导体的热电性质part
开耳芬关系式
ab
Tdab dT
abT
dab bT aT
dT
T
4.半导体的温差电动势率
❖ 一种载流子 p型半导体 n型半导体
p
k0 q
(3 2
p)
n
k0 q
(3 2
n)
p
EFEV k0T
p In
NV
n
ECEF k0T
In n NC
两种载流子 两种材料
s
pp nn
ab 半-金
5.半导体的热导率
载流子的贡献
e p
(11-62)
11.5.1 载流子对热导率的贡献
❖ 当半导体具有温度梯度而载流子由高温端向 低温端运动的过程中便将热能从高温端传向 了低温端，形成热传导。
2 cm n n *T
1 2m n *2gE22 1 2m n *22 (2)2
E 2
EEch2k2 2mn *1 2mn *2
对于长声学波散射，γ=-1/2，则
以一维情况为例在晶体中设想一个很小的面积dsdtdx为沿x方向的温度梯度则dtdsdtdx称为晶体的热导率wmk以e代表载流子对热传导的贡献p代表声子对热传导率的贡献则半导体的热导率可以写成金属导体的热传导主要通过电子的运动而绝缘体的热传导主要依靠格波的传播即声子的运动
第11章 半导体的热电性质
1 2 3 4 5 66
半导体的热电性质
热电效应的一般描述 温差电动势率 珀尔帖效应 汤姆孙效应 半导体的热导率
半导体热电效应的应用
11.3 半导体的珀尔帖效应
当两种不同的半导 体或者半导体与金属 接触通以电流时，接 触面处除产生焦耳热 以外，还要吸热或者 放热，称为珀尔帖效 应，而且这个效应是 可逆的。
半导体热电转换材料的发展现状与未来发展趋势_概述说明
半导体热电转换材料的发展现状与未来发展趋势概述说明1. 引言1.1 概述半导体热电转换材料是一种具有强大潜力的功能性材料，在能源转换和节能领域具有广泛的应用前景。
热电转换技术可以将废热直接转化为电能，从而提高能源利用效率，减少对环境的不良影响。
随着社会经济的发展和对可再生能源的需求日益增长，人们对于半导体热电转换材料的关注度也在不断提高。
1.2 文章结构本文将首先介绍半导体热电转换材料的发展现状，包括其研究历史、常见的材料类型以及已有的应用和成就。
然后，我们将重点探讨该领域关键性要点，包括评估参数、制备技术进展以及结构与晶格调控对性能的影响。
接下来，我们将进行可行性与商业化前景分析，讨论技术上的挑战与解决方案，并评估市场需求和应用领域潜力。
最后，我们将展望未来发展趋势，并提出进一步研究方向和政策支持的建议。
1.3 目的本文旨在全面介绍半导体热电转换材料的发展现状，并分析其未来的发展趋势和商业化前景。
通过对该领域关键性要点和可行性进行深入探讨，我们希望为进一步推动该技术的研究和应用提供有益信息和启示。
同时，本文也将提出多学科交叉合作和创新推动发展的建议，以期促进半导体热电转换材料领域的持续进步和突破。
2. 半导体热电转换材料的发展现状2.1 研究历史和背景半导体热电转换材料是一种能够将废热转化为电能的材料。
其原理基于Seebeck 效应，即在温度差下产生的电压差。
早在19世纪初期，科学家们就开始对热电效应进行了研究并提出了相关理论。
随着技术的进步，人们对半导体热电转换材料的兴趣逐渐增加，并在工业和航天领域中实现了一些应用。
2.2 常见的半导体热电转换材料目前，常见的半导体热电转换材料主要包括铋锑合金、硒系化合物、铢碲化合物等。
这些材料具有较高的载流子迁移率和较低的热导率，因此可以实现较高的热电效率。
2.3 已有的应用和成就半导体热电转换材料已经在多个领域取得了一些应用和成就。
例如，在宇航领域，半导体热电模块可以将宇宙航天器上产生的废热转化为电能，从而延长航天器的寿命。
毕业论文----半导体热电材料的应用及研究进展
半导体热电材料的应用及研究进展物理与电子工程学院物理学（物理）专业 2009级袁仲富指导教师田德祥摘要：本文首先简单介绍了热电材料的三种效应以及半导体热电材料在热电发电和制冷方面的应用，然后重点介绍半导体热电材料国内外的研究进展及其方向。
关键词：半导体热电材料；塞贝克系数；电导率；热导率；热电优值Abstract:This paper first introduces the three effect of thermoelectric materials and semiconductor thermoelectric materials on thermoelectric power generation and refrigeration applications，and then focuses on the semiconductor thermoelectric materials at home and abroad research progress and its direction..Key word:Semiconductor thermoelectric materials；The seebeck coefficient；Electrical conductivity；Thermal conductivity；Thermal power optimal value1 引言从1823年，Thoums Seebeck 发现了热电效应(即塞贝克效应[1])，人们开始了解热电材料，经过一百多年的研究，人们对热点材料的研究已经取得了长足的进展。
20世纪50—60年代，由于人们在热能电能相互转化特别是制冷方面的迫切要求，人们研究了很多有价值的热电材料，其中有很多热电材料得到了广泛的应用。
70年代以来，由于氟利昂制冷技术的发展，热电材料的研究几乎处于停顿状态。
近年来，氟利昂对环境尤其是对臭氧层的破坏被人们所认识，制造无污染，无噪声的制冷机成为了制冷技术的目标。
半导体热电材料前景
半导体热电材料前景
一、热电材料概述
热电材料是一类具有独特电热效应的材料，能够将热能转化为电能或对外提供
电能的材料。
热电材料可分为金属型热电材料和半导体型热电材料，其中半导体热电材料由于其效率高、体积小、成本较低等优点，在能源领域具有重要的应用前景。
二、半导体热电材料的优势
1.高效率：半导体热电材料能够将热能转化为电能的效率较高，可有效
提高能源利用效率。
2.小体积：半导体材料相对较小，可实现微型化、集成化设计，适用于
一些对体积要求较高的场景。
3.成本较低：相比于一些稀有金属材料，半导体热电材料的成本相对较
低，具有更广泛的应用前景。
三、半导体热电材料的发展现状
目前，半导体热电材料在汽车、航空航天、军事等领域得到了广泛应用，如汽
车尾气废热回收、航空航天能源管理系统等。
同时，随着科技的发展，半导体热电材料在新能源、新材料等领域也逐渐得到应用，预示着未来其发展前景十分广阔。
四、未来发展趋势
1.研发新型材料：未来需要不断研发新型半导体热电材料，以提高转换
效率、降低成本。
2.应用领域拓展：预计未来半导体热电材料将进一步拓展到家电、医疗、
智能穿戴等领域，为各行业提供可持续、高效的能源解决方案。
3.技术改进：随着技术的不断进步，半导体热电材料的性能和稳定性将
会得到进一步提升，为其应用带来更广阔的空间。
综上所述，半导体热电材料由于其高效率、小体积、成本较低等优势，未来在
能源领域以及其他领域都具有广阔的应用前景，发展潜力巨大。
我们有理由相信，在不久的将来，半导体热电材料将会成为能源转换领域的重要支柱之一。
半导体热电材料
转换成电能，或直接由电能产生致冷作用。1821 年德国塞贝克(see—beck)在金属中发现温 差电效应，仅在测量温度的温差电偶方面得到了 应用。半导体出
晶体致冷元件正是利用晶体的这一特点。 (4)以多种材料，按不同的工作温度范围配套， 改善优值系数。中国
。目前，液态材料还处于研究阶段。按功能分类， 可分为两大类： 温差发电材料。主要有ZnSb、PbTe、GeTe、SiGe 等合金材料。半导体温差发电机的特点是：无
噪声、无磨损、无振动、可靠性高、寿命长；维 修方便；易于控制和调节，可全天候工作；可替 代电池。半导体温差发电机的热源，可用煤油、 石油气以及利用Pu238、sr90
3为基的固溶体合金材料，常用于温差致冷，小 功率的温差发电器(如心脏起搏器)和级联温差发 电机的低温段。温差电材料的转换效率一般为3 ％～4％。以Bi2Te3为基的温
差电材料具有最佳的优值和最大的温度降。 中温材料 工作温度约为500～600℃，主要是PbTe、GeTe、 AgSbTe2或其合金材料。PbTe早已用于工业生
、Po210等放射性同位素。 温差致冷材料。主要是铋、锑、硒、碲组成的固 溶体，通常是由Bi—Sb—Te组成p型 材料，Bi—
Se—Te组成n型材料。目前，半导体致冷器 所用材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3及其固溶体， 其优值系数z为2～3×10-3／℃。通常把若
现后，发现它能得到比金属大得多的温差电动势， 热能与电能转换有较高的效率，因此，在温差发 电、温差致冷方面得到了发展。 粉末冶金法。宜于大批量生产，材料的机械强度
半导体物理第11章半导体的热电性质
一、塞贝克效应
半导体中塞贝克效应的温差电动势（以n型半导体为例）为：
Vs = α∆T
其温差电动势率（即塞贝克系数）为：
α = −(
Ec − E F qT
+
3 k0 2 q
)
对于 P 型半导体材料可作类似的讨论，P型半导体材料的温差电动势的方 向与n型半导体相反。根据这一点可以用温差电动势的方向来判断半导体材料 。 的导电类型。
第十一章 十一章 半导体的热电性质
Part 第十一章 1
11.1 热电效应 11.1 11.2 半导体的热导率
前言
所谓热电效应，即指把热能转换为电能的过程 。 所谓热电效应，即指把热能转换为电能的过程 热电效应，即指把热能转换为电能的过程。 半导体具有比金属大得多的温差电动势，也就是 说，在热能与电能的转换过程中，半导体具有较高的 转换效率。 半导体的热电性质已在温差发电、温差制冷等方 面得到了广泛的应用。
热电效应
一、塞贝克效应
在如图所示的结构中，n 型半导体的两端与同一种金属接触， 在如图所示的结构中，n 并保持有温度差△T ，此时回路中便有电流产生，该电流称为温差 并保持有温度差△ ，此时回路中便有电流产生，该电流称为温差 电流，产生该电流的电动势称为温差电动势。这种由于两端存在温 电流，产生该电流的电动势称为 温差电动势。这种由于两端存在温 ，产生该电流的电动势称为温差电动势 度差而产生电动势的现象称为塞贝克效应。 度差而产生电动势的现象称为塞贝克效应 塞贝克效应。
（r为泊松比）
若电流由金属流向半导体（P型）为吸热过程，上式取“ + ”号；若电流由 半导体（P型）流向金属为放热过程，上式取“ - ”号。 实际中，已利用珀耳贴效应的原理制造出了半导体制冷器和半导体发热器件。
半导体热电材料
降低声子热导率的方法
(1) 一般情况下, 如果材料是由多种原子组成的大晶胞构成的复杂结 构晶体时, 其声子散射能力较强, 事实证明, 一些热电性能较好的材 料大部分都具备这类结构。另外, 为了使材料的晶体结构更复杂化, 可以通过掺杂或不同材料之间形成固溶体的办法来提高声子的散射能 力。
（2）在某些具有较大孔隙的特殊结构的热电材料的孔隙中, 填入某 些尺寸合适质量较大的原子, 由于原子可以在笼状孔隙内振颤, 从而 可以大大提高材料的声子散射能力, 使热导率提高。目前这类工作正 在具有Skutrrudite 结构的热电材料中展开
半导体中 ke«kl
1. 形成固熔体结构，通过点阵缺陷提高声子散射几率 2. 通过热电材料中晶体结构中的孔隙位置填入杂质原子 3. 通过细化晶粒增加晶界散射降低热导率 4. 低维化利用纳米量子点增加热传导声子散射
Slack提出电子晶体声子玻璃(PEGS)假设， 并计算了热电优值上限为ZT≈ 4
低维材料有以下优点：① 提高了费米能 级附近的态密度，从而提高了Seebeck系数；②
超晶格量子阱的一些重要现象和性质即可用二维电子气的态密度 来描述。 通过对二维电子气的态密度的计算，发现二维电子气的 态密度与能级无关。正是这种特性，给超晶格带来了许多方面的应 用。
5、量子阱的分类
（1）三维超晶格（零维量子点）： 是指载流子在三个方向上的运动都要受到约束的材料体系，即电子在
三个维度上的能量都是量子化的。 （2）二维超晶格（一维量子线）：
这时夹在两个垒层间的阱就是量子阱。
当取垂直衬底表面方向(垂直方向)为Z轴，超晶格中的电子沿z方向运 动将受到超晶格附加的周期势场的影响，而其xy平面内的运动不受影响。 导带中电子的能量可表示为:
半导体的热电效应PPT课件
先讨论某种材料的绝对温差电动势率，再讨论两种材料的 ab 。
1.3.1 一种载流子的绝对温差电动势率
假设
均匀温度梯度， 均匀掺杂P型材料， 载流子浓度随温度指数增大。
塞贝克效应能带图
11-2
能带图表示电子的能量，对空穴来说
，高温端空穴能量低于低温端。假定
半导体与金属接触处半导体的费米能
塞
级与金属费米能级等高，但是半导体 内部的费米能级由于内部电场的作用
贝 克 效
使之是倾斜。
应
能
两端费米能级之差除以电荷q，就是温
带
差电动势 S 。
图
计算
应用
1.3.2 两种载流子的绝对温差电动势率
1.3.3 两种材料的温差电动势率
2. 半导体的珀尔帖效应 1834年
2.1 珀尔帖系数
2.2 珀尔帖效应机理
I
珀尔帖效应能带图
3 汤姆逊效应
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半导体的热电性质
半导体的热电性质
1
塞贝克效应
2
珀尔帖效应
3
汤姆逊效应
4
半导体的热导率
5
半导体热电效应的应用
1.1 塞贝克效应简介
a
T2 A
B T1
b ab b
C
D
（a）
aab
T2
b
a
T1 （b）
图11-1 塞贝克效应 （a）开路；（b）闭路
1.2 塞贝克系数
aab
T2
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
It'S An Honor To Walk With You All The Way
演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
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6、纪律是自由的第一条件。——黑格 尔 7、纪律是集体的面貌，集体的声音， 集体的 动作， 集体的 表情， 集体的 信念。 ——马 卡连柯
8、我们现在必须完全保持党的纪律， 否则一 切都会 陷入污 泥中。 ——马 克思 9、学校没有纪律便如磨坊没有水。— —夸美 纽斯
10、一个人应该：活泼而守纪律，天 真而不 幼稚， 勇敢而 鲁莽， 倔强而 有原则 ，热情 而不冲 动，乐 观而不 盲目。 ——马 克思
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 —— 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭