第9章：半导体的热电性质
华中科技大学半导体物理总复习课
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σ = nqµn + pqµp
4 3 2
1
1 -
2 ln ρ = − ln n − ln(qµn )
-3
= − ln N D − ln(qµn )
4
① B③
②
C D 本征区
④⑤ ⑥
E
杂质电离 杂质电离散射
本征激发 晶格振动散射
杂质浓度很高时，偏离直线严重
原因： 逐渐出现简并化，杂质不能全电离 迁移率随杂质浓度升高而显著下降
p0
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外加电场下的漂移运动及漂移电流 以及磁场下的霍耳效应和磁阻效应
散射对迁移率的影响（仍从温度、杂质的角度）
µi ∝ Ni−1T 3/ 2 µs ∝ T −3/ 2
8.异质结
异质结
1.突变反型异质结能带图（不考虑界面态）
导带底突变：ΔEc = χ1 − χ 2 价带顶突变：ΔE v = ( E g 2 − E g1 )－（χ1－χ 2） ΔEc + ΔEv = E g 2 − E g1
异质结 EF不一致 载流子相对运动 介电常数不同 形成空间电荷区 内建电场在交 界面处不连续 D1 D2 能带弯曲， 不连续
模 型
发射－复合模型：热发射的电子和空穴通过界面态进行复合 隧道模型：隧道效应 隧道－复合模型：考虑了复合作用
2.突变同型异质结的电流输运结构
① 表面能级密度在1013cm-2以下，有扩散模型、发射模型、隧道模型， 其结果与反型异质结类似。 ② 表面能级密度在1013cm-2以上，提出双肖特基二极管模型。
8
异质结
本章内容提要 异质结及其能带图 异质结的电流输运机构 异质结在器件中的应用 半导体超晶格
8.1 异质结及其能带图
同质结：由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的结。 （如第5章讨论的p-n结）
异质结：由两种不同的半导体单晶材料组成的结。 反型异质结： 导电类型相反的两种不同的半导体 单晶材料所形成（如n-pGe-GaAs） 同型异质结： 导电类型相同的两种不同的半导体 单晶材料所形成（如n-nGe-Si）
qVD = qV + qV
2.突变同型异质结能带图（不考虑界面态） 不考虑两种半导体交界面处的界面态的情况下，任何 异质结的能带图都取决于形成异质结的两种半导体的 电子亲和能、禁带宽度以及功函数。
n-n
电子流动
电子耗尽层：禁带宽度大的一边
（与反型异质结不同）
费米能级不一致
电子积累层：禁带宽度小的一边
2.双异质结激光器
3半导体敏感效应
三、压敏效应
1、电压敏感效应
通过它的电流和电压之间不成线性关系，即电阻随电压而变。 用具有压敏特性的材料可以制成压敏电阻器。压敏电阻可用于过电 压吸收、高压稳压、避雷针等。
某些半导体材料对电压的变化十分敏感，例如半导体氧化锌陶瓷，
0
T 9.3 半导体导电性的敏感效应
第9章 电学性质
2、压力敏感效应
取决于传感器本身，可通过传感器本身的改善来加以抑 制，有时也可以对外界条件加以限制。
外界影响
冲击与振动
电磁场 输入
温度
供电
传感器
输出
线性 滞后 重复性 灵敏度 衡量传感器特 性的主要技术 指标
各种干扰稳定性 温漂 稳定性(零漂) 分辨力
误差因素 传感器输入输出作用图
0e
9. 3 半导体导电性的敏感效应
B T
第9章 电学性质
一、热敏效应
半导体的导电主要是由于电子和空穴造成的。温度增加，半导体中 导电电子和空穴数目增加，因而使电导率升高。
0e
B T
电阻率与温度的关系为：
0e
B T
9. 3 半导体导电性的敏感效应
第9章 电学性质
热敏电阻传感器的特点： 1）电阻温度系数大，灵敏度高； 2）结构简单，体积小，易于点测量； 3）电阻率高，且适合动态测量； 4）阻值与温度变化的关系是非线性的； 5）稳定性较差。
0
R B B 9. 3 半导体导电性的敏感效应
2 H0 2 0 2 Z 2 H 2 Z 0
第9章 电学性质
2、磁阻效应
• 半导体中，在与电流垂直的方向施加磁场后，使电 流密度降低，即由于磁场的存在使半导体的电阻增 大，这种现象称为磁阻效应。
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。
半导体器件中的热电效应分析
半导体器件中的热电效应分析热电效应是指当两个不同温度的接触点间存在一种电压差，即热电压，这一现象被称为热电效应。
而半导体器件中的热电效应，则是指在半导体材料中，由于温度差异而产生的电压现象。
在半导体器件中，热电效应主要由Seebeck效应和Peltier效应构成。
Seebeck效应是指当半导体材料的两个接点温度不同时，将产生一个由温度差异引起的电压现象。
而Peltier效应则是指当电流通过半导体材料时，会产生热量的变化。
这种热电效应在半导体器件中具有广泛的应用。
首先，它可以用于能量转换。
通过将热能转化为电能，热电材料可以用来制造热电发电机，从而实现能量的捕获和利用。
其次，热电效应还可以用于温度测量。
通过测量半导体器件两个接点之间的电压差，可以推测出所测物体的温度。
此外，热电效应还被广泛用于冷却和制冷技术。
通过利用Peltier效应，在半导体材料中产生热流的变化，可以实现对物体的冷却或制冷。
这种技术在电子器件中的应用十分重要，能够帮助维持器件的工作温度，提高其性能和寿命。
然而，半导体器件中的热电效应也存在一些挑战和问题。
首先，热电材料的效率问题是一个关键的挑战。
热电效应的效率通常由热电转换效率来衡量，而目前大多数热电材料的效率较低，远远不能满足实际应用需求。
因此，提高热电材料的效率是当前研究的重点之一。
其次，热电效应还受到热电子迁移效应的限制。
由于热电材料中电子的迁移速率有限，导致热电效应的响应时间较长。
为了克服这一问题，需要在热电材料设计和制备过程中充分考虑电子迁移效应的影响。
此外，半导体材料的热稳定性也是一个重要的问题。
由于热电效应的产生需要半导体材料的电子能带结构发生变化，如果材料在高温下发生相变或失去稳定性，将会影响热电效应的产生和稳定性。
为了解决上述问题，研究人员们正在不断探索新的热电材料和热电器件的设计。
一方面，他们通过调节材料的组分和结构，以及通过材料的纳米化处理等手段，提高材料的热电转换效率。
半导体材料的性质及在电子行业的应用
半导体材料的性质及在电子行业的应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有一些独特的性质和特点，因而在电子行业中有着广泛的应用。
本文将简要介绍半导体材料的性质和应用。
一、半导体材料的性质1.导电性能。
半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。
与导体相比，半导体的导电性能较弱，但比绝缘体要强。
通常情况下，半导体的导电性能受温度、掺杂浓度等因素的影响，可以通过控制这些因素来改变半导体材料的导电性能。
2.禁带宽度。
半导体材料中能带的能量范围称为禁带，禁带中间的能量范围称为禁带宽度。
半导体材料的禁带宽度通常较窄，约为1eV左右，这使得半导体材料在连通和断开电路方面比绝缘体更加灵活。
3.热电性能。
半导体材料还具有一些特殊的热电性能。
例如，热电效应使得半导体材料可以将温度变化转化为电压输出。
这种特性在温度传感器方面有着广泛的应用。
二、半导体材料应用于电子行业1.半导体芯片。
半导体芯片是半导体材料最重要的应用之一。
半导体材料可以制成各种芯片，如处理器芯片、内存芯片、传感器芯片等。
这些芯片是电子设备的核心，它们的性能直接影响到设备的整体性能。
2.光电设备。
半导体具有较好的光电特性，如光电转换和发光等。
在光电设备方面，半导体材料可以用于制造光电二极管、太阳能电池板、LED灯等。
这些设备在通信、光学、能源等领域有着广泛的应用。
3.传感器。
半导体材料的热电、光电等特性使得其可以用于制造各种传感器。
例如，压力传感器、温度传感器、光传感器等。
这些传感器在工业生产、汽车行业、医疗行业等多个领域都有广泛的应用。
4.功率器件。
功率器件是电子行业中必不可少的元器件，半导体材料可以制成各种功率器件，如三极管、场效应管、晶闸管等。
这些器件在电力、电动车、电子制造等领域有着广泛的应用。
总体而言，半导体材料具有独特的性质和特点，可以制成各种电子器件，应用于多个领域。
随着半导体技术的不断发展和进步，半导体材料在电子行业中的应用也会越来越广泛，为我们的生活带来更多的便利和高科技体验。
半导体高中物理
半导体高中物理半导体是一种电子能带结构介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的导电性质。
在高中物理学中，半导体是一个重要的话题。
本文将探讨半导体的基本概念、性质和应用。
首先，我们来了解半导体的基本概念。
半导体是指在温度较高时表现为导体，而在温度较低时表现为绝缘体的物质。
它的导电性质是通过材料中的载流子（电子或空穴）传导电流来实现的。
在半导体中，电子和空穴是通过化学反应或热激发产生的。
半导体材料可以是单晶体（如硅、锗）或复合材料（如硅锗合金）。
半导体具有一些独特的性质。
首先是温度敏感性。
随着温度的升高，半导体的导电性会增强，因为更多的载流子会被激发出来。
这种特性使得半导体在温度传感器和温度控制器中得到广泛应用。
其次是光电性质。
半导体在受到光照时，会发生光生电效应，产生电子-空穴对。
这种特性使得半导体在光电器件（如太阳能电池、光电二极管）中有重要的应用。
半导体的导电性质可以通过掺杂来调节。
掺杂是指向半导体中引入杂质，改变其导电性质的过程。
掺杂分为施主掺杂和受主掺杂。
施主掺杂是向半导体中引入能够提供额外自由电子的杂质，如磷或砷。
这些自由电子可以增加半导体的导电性能，使其成为N型半导体。
受主掺杂是向半导体中引入能够提供额外空穴的杂质，如硼或铟。
这些空穴可以增加半导体的导电性能，使其成为P型半导体。
N型半导体和P型半导体的结合形成PN结。
PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
当N型半导体和P型半导体相接触时，N型半导体中的自由电子会向P型半导体中的空穴扩散，形成电子-空穴对结合区域。
在这个结合区域中，自由电子和空穴会重新组合，形成电子空穴复合。
这种电子空穴复合过程会导致PN结的区域失去自由电荷，形成一个电势差，称为内建电势。
内建电势使得PN结形成一个单向导电的区域，即正向偏置和反向偏置。
PN结具有一些重要的应用。
其中之一是二极管。
二极管是一种电子器件，可以在电流只能从P端流向N端的情况下导电。
二极管广泛应用于电源电路、整流电路和信号调制电路中。
微电子技术基础-半导体及其基本特性
半导体材料的分类
3.半导体材料的分类
对半导体材料可从不同的角度进行分类。 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导 体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型 、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶 半导体。 比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依 此可分为：元素半导体、化合物半导体和固溶半导体三大 类。
载流子
9. 非本征半导体的载流子
热平衡时: 在非本征情形:
np n
2 i
n p
n大于p
p大于n
N型半导体：
P型半导体：
载流子
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
载流子
电中性条件: 正负电荷之和为0
p + Nd – n – Na = 0
原子能级 能带
量子态和能级 固体的能带结构
半导体的能带
半导体的能带结构
导 带
Eg
价 带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带； 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带； 禁带：导带底与价带顶之间能带； 带隙：导带底与价带顶之间的能量差。
半导体的能带
电子和空穴的有效质量m*
半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子， 但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的
基本方程
方程的形式1
x, t s 0
2
特例： 方程的形式2
E
1
s 0
x dx
s
均匀Si中，无 外加偏压时，
方程RHS＝0， 静电势为常数
电荷 密度
半导体物理知识点总结(最新最全)
一、半导体物理知识大纲➢核心知识单元A：半导体电子状态与能级（课程基础——掌握物理概念与物理过程、是后面知识的基础）→半导体中的电子状态（第1章）→半导体中的杂质和缺陷能级（第2章）➢核心知识单元B：半导体载流子统计分布与输运（课程重点——掌握物理概念、掌握物理过程的分析方法、相关参数的计算方法）→半导体中载流子的统计分布（第3章）→半导体的导电性（第4章）→非平衡载流子（第5章）➢核心知识单元C：半导体的基本效应（物理效应与应用——掌握各种半导体物理效应、分析其产生的物理机理、掌握具体的应用）→半导体光学性质（第10章）→半导体热电性质（第11章）→半导体磁和压阻效应（第12章）二、半导体物理知识点和考点总结第一章半导体中的电子状态本章各节内容提要：本章主要讨论半导体中电子的运动状态。
主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。
阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。
最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。
在1.1节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。
（重点掌握）在1.2节，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。
介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此基础上引入本征激发的概念。
（重点掌握）在1.3节，引入有效质量的概念。
讨论半导体中电子的平均速度和加速度。
（重点掌握）在1.4节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。
（重点掌握）在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。
（理解即可）在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。
（掌握能带结构特征）在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构。
（掌握能带结构特征）本章重难点：重点：1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点；三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。
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。
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电荷积累
内建电场
费 米 能 级 与 能 带 倾 斜 程 度 不 一 致 塞贝克效应能带图
如何用热探针法判断导电类型
温度升高 浓度、速度增加
载流子不同 热端扩散到冷端
温差电动势不一样
9.2热电效应的应用 1.温差发电器（塞贝克效应）
2.致冷器（珀耳帖效应）
考试说明
一、考试题型： 1、名词解释(5×3ˊ) 2、判断题（10×1ˊ） 3、填空题（10×2ˊ） 4、证明题（2×5ˊ） 5、作图及说明题(4×5ˊ) 6、计算题（1×10ˊ） 7、论述题(1×15ˊ)
吸热或发热 温度梯度 通以电流 （均匀导体）
塞贝克 珀耳帖 汤姆逊
热力学定律 一个循环后吸收的热量全部转变为对外界做的功，内能不变
开耳芬关系式：
ab abT
d ab bT aT
dT
T
半导体中同样存在以上效应，而且数值比金属导体大得多
说明微观过程：
温度不同载流子浓ຫໍສະໝຸດ 差平衡 漂移运动 扩散运动
第九章 半导体的热电性质
热能与电能的转化
提高效率
半导体具有比金属大得多的温差电动势
温差发电、温差致冷
温度梯度 电流
现象(金属) 半导体更强
塞贝克效应 珀耳帖效应 汤姆逊效应
9.1热电效应的一般描述 1.塞贝克效应（1821）
ab
d dT
塞贝克系数（V/K）
开路
闭路
图9－1：塞贝克效应
温差电流、温差电动势
二、考试内容： 教案及对应的课本内容
三、成绩计算 平时成绩30分（6次作业每次满分为5分，分为5（A）4（B）3（C 等级）
四、复习应注意的事项 1、注意归纳、总结 •本课程的主要内容有哪些?你通过学习《半导体物理学》课程， 对哪些物理现象（规律、概念、过程）有了新的认识，请用三个 以上的实例进行详细说明。 电子状态、统计分布、载流子输运、非平衡载流子、 p-n结、半导 体表面与MIS结构、金属和半导体的接触、异质结、半导体的热电 性质 2、平时强调的重点内容 3、课堂上补充的内容
•两个不同的导体
现象
•两个接头A、B具有不同的温度
（闭路），与两个接头 的温度有关
（开路）
2.珀耳帖效应（1834）
现象 接头处吸热或放热
•两个不同的导体
（与两种导体的性质
•通以电流
及接头的温度有关）
接头处单位时间单位面积吸收的热量
dH dt
J ab
图9－2 珀耳帖效应
珀耳帖系数（温度的函数，正表示吸热）
3.汤姆逊效应
温差电现象 珀耳帖现象
热力学分析
存在温度梯度 的均匀导体中 通电流
吸收或放出热量 （除焦耳热以外）
dH dt
aT J x
dT dx
图9－3 汤姆逊效应 汤姆逊系数（正负对应放热和吸热，V/K），与导体和温度有关
4.相互关系
不同导体 温度梯度
存在电流 闭合
不同导体 通以电流
吸热或发热 接头
五、考试应注意事项 1、全面、正确、准确、简洁的统一 2、规范性（特别是作图题） 3、论述题要注意条理性 4、考虑充分后再写内容，保持卷面的整洁 5、注意字迹工整 6、尽量多检查，不要贸然提前交卷