溫差電材料PPT學習教案

1、會計學1溫差電材料溫差電材料第1頁/共68頁n 熱電效應:是由溫差引起的電效應或由電流引起的可逆熱效應。因此也稱之為溫差電效應。n 熱電或溫差電材料：具有熱電效應的材料稱之為熱電或溫差電材料。第2頁/共68頁2. 熱電材料的特點：熱電材料的特點：發(fā)發(fā)電電制冷制冷可靠性高可靠性高 ； 噪音電平低；噪音電平低； 壽命長壽命長 ； 幾乎不需維護；幾乎不需維護；尺寸小重量輕；尺寸小重量輕； 成本低；成本低；可以利用各種熱源發(fā)電?？梢岳酶鞣N熱源發(fā)電。能制成結(jié)實的器件；能制成結(jié)實的器件； 冷卻速率易控制；冷卻速率易控制； 操作無噪音；操作無噪音；可進行可逆操作；可進行可逆操作； 性能系數(shù)不依賴于容量；性

2、能系數(shù)不依賴于容量； 不受體積限制。不受體積限制。 應用熱電效應的形式為熱電發(fā)電和熱電制冷。不論是作為發(fā)電還是制冷都有其它電池和制冷器所不具備的優(yōu)勢。第3頁/共68頁 遠程空間探測器（已用于先鋒號、旅行遠程空間探測器（已用于先鋒號、旅行電子器件的局部冷卻，包括：電子器件的局部冷卻，包括： 者號、伽俐略號等等）者號、伽俐略號等等） 紅外探測器紅外探測器遠距離氣象站遠距離氣象站 計算機計算機CPUCPU遠距離導航系統(tǒng)遠距離導航系統(tǒng) 纖維光導激光器纖維光導激光器潛水艇潛水艇微微米尺寸的冷卻器（由汽車電池驅(qū)動微微米尺寸的冷卻器（由汽車電池驅(qū)動）海底發(fā)電站（用于采油井閥門）海底發(fā)電站（用于采油井閥門）潛

3、水艇和鐵路客車的空調(diào)器潛水艇和鐵路客車的空調(diào)器利用廢熱發(fā)電，包括：利用廢熱發(fā)電，包括：水冷器（飲水機）水冷器（飲水機） 大型內(nèi)燃機卡車大型內(nèi)燃機卡車超導電子器件超導電子器件 煉鋼工業(yè)，煉鋼工業(yè)， 化學工業(yè)化學工業(yè)家用電冰箱家用電冰箱發(fā)發(fā) 電電制制 冷冷 3. 溫差電材料的應用領(lǐng)域溫差電材料的應用領(lǐng)域第4頁/共68頁v熱電效應是電流引起的可逆熱效應和溫差引起的電效應的總稱，包括： Seebeck效應： 熱效應 電流（能源） Peltier效應： 電流 熱效應（環(huán)境） Thomson效應： 電流 熱效應二、二、 熱電發(fā)展簡史：熱電發(fā)展簡史：第5頁/共68頁1823年：年：Seebeck效應效應18

4、34年：年：Peltier效應效應1855年：年：Thomson效應效應1911年：年：Altenkirch Z 1949年：年：Ioffe 引入半導體理論引入半導體理論近年來：量子熱電理論，電子晶體聲子玻璃概念。近年來：量子熱電理論，電子晶體聲子玻璃概念。第6頁/共68頁（1 1）賽貝克效應）賽貝克效應n賽貝克效應是德國科學家T.J.Seebeck在1823年發(fā)現(xiàn)的。如圖1.1所示，當兩種不同的導體a,b兩端相接組成一閉合線路時，若兩個接頭A,B處具有不同的溫度，則線路中便有電流，產(chǎn)生電流的電動勢稱為溫差電動勢，而這種效應則稱為賽貝克效應。如將此閉合回路“開路”，則C,D間就有所謂的溫差電動

5、勢。導體導體A導體導體B結(jié)點2T+T 結(jié)點1T+U - 圖4.1第7頁/共68頁v（1823）塞貝克效應：）塞貝克效應：當在結(jié)點當在結(jié)點1和和2之間施加溫差之間施加溫差T ，將會產(chǎn)，將會產(chǎn)生電勢差生電勢差U。此處是兩種材料的賽貝克系數(shù)，它是每種材料的賽貝克此處是兩種材料的賽貝克系數(shù)，它是每種材料的賽貝克系數(shù)之差，即系數(shù)之差，即 abab 當溫差當溫差T=|T1-T2|很小時，溫差電動勢很小時，溫差電動勢V與與T成正成正比。定義比。定義 即單位溫差所產(chǎn)生的溫差電動勢（溫差電動勢率）為賽即單位溫差所產(chǎn)生的溫差電動勢（溫差電動勢率）為賽貝克系數(shù)（也稱為熱功率）。貝克系數(shù)（也稱為熱功率）。Seebec

6、k系數(shù)：系數(shù)：ab = U/ T第8頁/共68頁v（1834）Peltier效應的示意圖效應的示意圖(圖1.2)：當在結(jié)點當在結(jié)點1和和2之間施加電流之間施加電流J時時 ，將會產(chǎn)生溫差，將會產(chǎn)生溫差T。導體導體A導體導體B結(jié)點2T-T 結(jié)點1TJ (2) Peltier效應效應圖圖4.24.2第9頁/共68頁接頭吸收或放出的熱量稱為珀爾帖熱量，這種珀爾帖熱量接頭吸收或放出的熱量稱為珀爾帖熱量，這種珀爾帖熱量Q Q與兩種導體材料與兩種導體材料a,ba,b的性質(zhì)和接頭處的溫度有關(guān)。若電流由導體的性質(zhì)和接頭處的溫度有關(guān)。若電流由導體a a流向?qū)w流向?qū)wb b，dH/dtdH/dt代表單位時間代表單

7、位時間在接頭的單位面積上吸收的熱量，在接頭的單位面積上吸收的熱量，J J為電流密度，則為電流密度，則abdQJdt式中式中 abab稱為珀爾帖系數(shù)，稱為珀爾帖系數(shù)， abab為正值時，表示吸熱，反之為放熱。如兩為正值時，表示吸熱，反之為放熱。如兩邊乘以接頭面積邊乘以接頭面積s,s,則單位時間接頭處吸收的熱量則單位時間接頭處吸收的熱量dQ/dtdQ/dt為為abdQIdt式中式中I I為電流強度。珀爾帖效應是可逆的。如電流由導體為電流強度。珀爾帖效應是可逆的。如電流由導體b b流向?qū)w流向?qū)wa,a,則在接頭處放出相同的熱量，由珀爾帖系數(shù)的定義則在接頭處放出相同的熱量，由珀爾帖系數(shù)的定義有：有：

8、badQ/dTIabba abab的單位為的單位為V V 。珀爾帖系數(shù)是溫度的函數(shù)，所以在溫度不同的接頭處。珀爾帖系數(shù)是溫度的函數(shù)，所以在溫度不同的接頭處，吸收或放出的熱量不同。，吸收或放出的熱量不同。第10頁/共68頁英國科學家英國科學家W.ThomsonW.Thomson于于18551855年從熱力學上分析了上述兩種效應的關(guān)系年從熱力學上分析了上述兩種效應的關(guān)系；并提出：當存在著溫度梯度的均勻?qū)w中有電流通過時，導體中除產(chǎn)生；并提出：當存在著溫度梯度的均勻?qū)w中有電流通過時，導體中除產(chǎn)生與導體電阻相當?shù)慕苟鸁嶂?，還要吸收或放出熱量，如圖與導體電阻相當?shù)慕苟鸁嶂猓€要吸收或放出熱量，如圖

9、1.31.3所示；這所示；這一效應稱為湯姆遜效應，這種熱量稱為湯姆遜熱量。在單位時間、單位體一效應稱為湯姆遜效應，這種熱量稱為湯姆遜熱量。在單位時間、單位體積內(nèi)吸收或放出的湯姆遜熱量積內(nèi)吸收或放出的湯姆遜熱量dH/dtdH/dt與電流密度與電流密度J J及溫度梯度及溫度梯度dT/dxdT/dx成正比成正比的。如電流由低溫的。如電流由低溫(T)(T)端流向高溫端流向高溫(T+dT)(T+dT)端，則端，則（3 3）湯姆遜效應）湯姆遜效應dHdTJdtdx JTT+dTQdx圖圖4.3式中式中 -簡寫為簡寫為，稱為導體，稱為導體a a的湯姆遜系數(shù)的湯姆遜系數(shù)，單位為，單位為V/KV/K，其數(shù)值與材

10、料的性質(zhì)和溫度有，其數(shù)值與材料的性質(zhì)和溫度有關(guān)。該效應也是可逆的；如電流是由高溫端關(guān)。該效應也是可逆的；如電流是由高溫端流向低溫端，對于為正值的導體為放熱，如流向低溫端，對于為正值的導體為放熱，如值為負，則為吸熱。因為湯姆遜熱量非常小值為負，則為吸熱。因為湯姆遜熱量非常小，所以這種效應還沒有實際的應用。，所以這種效應還沒有實際的應用。第11頁/共68頁Thomson導出的三個溫差電系數(shù)間的關(guān)系導出的三個溫差電系數(shù)間的關(guān)系：0/TababdTTT這兩個關(guān)系式稱為開耳芬關(guān)系式。 第12頁/共68頁（1911） Altenkirch 通過統(tǒng)計熱力學，推導出衡通過統(tǒng)計熱力學，推導出衡量材料熱電性能高低

11、的量材料熱電性能高低的溫差電優(yōu)值系數(shù)溫差電優(yōu)值系數(shù)Z：Z 其中，其中， -材料的材料的SeebeckSeebeck系數(shù)；系數(shù)； -材料的電導率材料的電導率 -材料材料的熱導率的熱導率Z值越大材料的熱電性能越高。值越大材料的熱電性能越高。指明了開發(fā)指明了開發(fā)高性能熱電材料的努力方向。高性能熱電材料的努力方向。(4) 溫差電優(yōu)值系數(shù)溫差電優(yōu)值系數(shù)Z第13頁/共68頁n在很長一段時間里，這兩方面的研究都集中在金屬材料方面，所取得的應用主要是作測溫的熱電偶。n曾想利用塞貝克效應進行發(fā)電，但試驗證明，利用金屬材料所得的熱電轉(zhuǎn)換效率很低，最高不超過0.6% 。V ice waterTheating coi

12、lsthermocouple第14頁/共68頁1949年，前蘇聯(lián)的年，前蘇聯(lián)的Ioffe院士將院士將半導體材料半導體材料及其及其固體理論固體理論引入熱電研究領(lǐng)域，用半導體材料代替過去的金屬材料引入熱電研究領(lǐng)域，用半導體材料代替過去的金屬材料，使材料的溫差電性能獲得了突飛猛進的發(fā)展，使其在，使材料的溫差電性能獲得了突飛猛進的發(fā)展，使其在溫差電制冷和發(fā)電領(lǐng)域真正獲得了廣泛的應用。溫差電制冷和發(fā)電領(lǐng)域真正獲得了廣泛的應用。當對半導體材料進行研究時發(fā)現(xiàn)，它的熱電轉(zhuǎn)換效率可當對半導體材料進行研究時發(fā)現(xiàn)，它的熱電轉(zhuǎn)換效率可達達3.5%以上。以上。(5) 半導體材料溫差電理論半導體材料溫差電理論第15頁/共

13、68頁1 半導體材料的特征半導體材料的特征半導體材料在自然界及人工合成的材料中是一個大的部類。顧名思義，半導體在其電的傳導性方面，其電導率低于導體，而高于絕緣體。它具有如下的主要特征。n（1）在室溫下，它的電導率在10310-9S/cm之間,S為西門子，電導單位，S=1/r(W. cm) ； 一般金屬為107104S/cm,而絕緣體則p ，則，s = neme，n反之，若pn, s = pemp。第25頁/共68頁3.2 能帶結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)我們首先看看單個原子的情況。我們首先看看單個原子的情況。n大家都知道原子是由原子核及其周圍的電子構(gòu)成的，外圍的電子數(shù)等于原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)。n這些電子都有自己的

14、能量，根據(jù)現(xiàn)代量子力學的理論，這些能量是量子化的，即有一定的數(shù)值，而且是不連續(xù)的，這些彼此不連續(xù)而有一定數(shù)值的能量稱為能級。n一個電子的能量只能從一個能級跳到另一個能級，不可能連續(xù)地變化，伴隨這種跳躍會吸收或放出一定的能量。n根據(jù)鮑林 (L.Pauling）的不相容理論，不可能有兩個電子的量子數(shù)完全相同。這樣，在原子的一個能級上，只能有兩個電子，它們的量子數(shù)區(qū)別在于其自旋（spin)的正與反。第26頁/共68頁n當許多原子彼此靠近而形成晶體時當許多原子彼此靠近而形成晶體時，各原子的電子間發(fā)生相互作用，各原子間原來在分散狀態(tài)的能級擴展成為能帶，n這能帶是由彼此能量相差比較小的能級所組成的準連續(xù)組

15、。因為只有這樣才能保持電子能量的量子化并符合鮑林的不相容原理。n圖3.2 示出了元素銅的能帶形成過程，當原子相靠近時能級擴展為能帶的情形以及在形成晶體時，在晶體內(nèi)的原子間距（即晶格常數(shù)）上，能帶發(fā)生的搭接的現(xiàn)象。原子間距離a03p3d4s4pE=0能量圖3.2元素銅的能帶形成 （其中ao為晶格常數(shù)）許多原子形成晶體的情況：許多原子形成晶體的情況：第27頁/共68頁圖3.3 碳原子彼此接近形成金剛石的能帶示意圖 1一價帶；2一禁帶；3一導帶；ao金剛石晶格常數(shù)；xo一能帶搭接時的原子距離n圖3.3 示出了碳原子形成金剛石晶體時能帶的形成，以及能帶間禁帶的形成。圖圖3.4 金屬、半導體和絕緣金屬、

16、半導體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導體絕緣體n按照能帶搭接或分立的情況，我們可以把金屬、半導體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)的區(qū)別用圖3.4加以簡單表示。原子間距離（）能量（eV）第28頁/共68頁n根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)圖3.4，可以把固體材料分成兩大類：p一類是價帶與導帶相互搭接，這是導體；p另一類則在價帶與導帶之間存在著禁帶，這包括半導體與絕緣體。圖圖3.4 金屬、半導體和絕緣體金屬、半導體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖的能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶隙）金屬半導體絕緣體n在導體中：p一類材料是由于電子在價帶中并未填滿，電子可以

17、在帶內(nèi)的各個能級上自由流動，這需要的能量非常之??；p另一類材料雖然在價帶中被填滿，但由于能帶之間的相互搭接，所以價電子很容易從價帶進入到導帶成為自由電子而導電。第29頁/共68頁n而半導體材料則因其價帶已填滿，在價帶和導帶間存在有禁帶，價電子必須要具有足夠的能量躍過禁帶才能進入導帶而導電，在常溫或更高一些溫度下，由于能量的不均勻分布，總有一部分價電子能進入導帶，使其具有一定的電導率。n對絕緣體而言，其禁帶寬度大，以致在常溫或較高溫度下均不能使其價電子進入導帶所以不能導電。圖圖3.4 金屬、半導體和絕緣體金屬、半導體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)示意圖的能帶結(jié)構(gòu)示意圖(E稱為禁帶寬度或帶隙）稱為禁帶寬度或帶

18、隙）金屬半導體絕緣體第30頁/共68頁n能帶理論能帶理論是從固體的整體出發(fā)，主要考慮到晶體結(jié)構(gòu)的長程序的周期性晶體結(jié)構(gòu)的長程序的周期性。用這個理論容易說明導體、半導體、絕緣體之間的區(qū)別以及半導體材料的一些本性。n化學鍵理論化學鍵理論主要從物質(zhì)的化學組成、晶體結(jié)構(gòu)等短程序排列從物質(zhì)的化學組成、晶體結(jié)構(gòu)等短程序排列來說明半導體材料的物性與化學組成、雜質(zhì)行為等問題。n固體的化學鍵主要有離子鍵、共價鍵、金屬鍵、分子鍵等。n它們的特征列入表3.1 中。3.3 化學鍵化學鍵第31頁/共68頁表表3.1 化學鍵的構(gòu)造及其物理性質(zhì)化學鍵的構(gòu)造及其物理性質(zhì)第32頁/共68頁圖3.5 不同化學鍵的電子分布n 各種

19、鍵的本質(zhì)區(qū)別在于價電子對各個原子間的不同分配關(guān)系各種鍵的本質(zhì)區(qū)別在于價電子對各個原子間的不同分配關(guān)系，圖3.5示出了前四種化學鍵的價電子分配關(guān)系。p 在離子鍵中，如NaCl，Na原子將其價電子完全給了原子將其價電子完全給了Cl而形成而形成Na+離子與離子與Cl-離子離子。這種物質(zhì)在常溫下為絕緣體，但在熔融狀態(tài)則靠離子導電。p 以金剛石為代表的是外圍價電子共用外圍價電子共用的共價鍵。p 以Ar為代表的范德華鍵是靠瞬時電偶極矩的感應和引力瞬時電偶極矩的感應和引力形成的鍵。p以金屬Mg的外圍電子形成自由電子為正離子正離子Mg2+所共享，并被正離子產(chǎn)生的庫侖力所吸引。(a) 離子鍵(b) 共價鍵(c)

20、 范德華鍵(d) 金屬鍵第33頁/共68頁將硅作為半導體的代表，其共價鍵的示意圖見圖2.6。n從圖3.6 中可看出每個硅原子共有4個共價鍵，有8個電子。n按照鮑林的不相容理論，每個能級上只有一對電子。n這可用雜化軌道來解釋，即在組成晶體時，原子的勢場受到周圍原子的影響而產(chǎn)生微擾，從而雜化組成新的軌道。n從圖中可以看到，在這種共價鍵的結(jié)構(gòu)中沒有自由電子，這反映在絕對零度的溫度條件下，半導體是呈絕緣體的情形。圖3.6 硅的共價鍵第34頁/共68頁圖3.7 硅的本征激發(fā)示意圖n隨著溫度的升高，電子的能量也隨之增高，但能量在電子之間并非是均勻分布的能量在電子之間并非是均勻分布的，其中能量高的電子就可能

21、掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子，如圖3.7所示。n這反映在能帶結(jié)構(gòu)上，就是電子從價帶進電子從價帶進入到導帶的空閑著的能級上入到導帶的空閑著的能級上。第35頁/共68頁n從圖3.7可以看出，這種熱激發(fā)的電子脫離價鍵后，使某個硅原子中少了一個價電子，從電平衡的角度相當于帶一個正電荷粒子，這種電子的缺位稱為空穴，n而空穴也可以發(fā)生流動，即鄰近原子的價電子跑而空穴也可以發(fā)生流動，即鄰近原子的價電子跑過來填補這個缺位，而本身又產(chǎn)生一個空穴，在電過來填補這個缺位，而本身又產(chǎn)生一個空穴，在電場下如此連續(xù)傳遞就形成了電流場下如此連續(xù)傳遞就形成了電流。n這樣，空穴就可看成是帶正電荷的載流子，這就是空穴的形成與空

22、穴導電的原理。n當半導體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時，導電稱當半導體主要是靠熱激發(fā)產(chǎn)生載流子時，導電稱為本征導電（為本征導電（intrinsic conductivity） ，這種半，這種半導體稱為本征半導體（導體稱為本征半導體（intrinsic semiconductor)。n其特點是自由電子數(shù)等于空穴數(shù)。從圖3.7中可以看出電子與空穴產(chǎn)生的一一對應關(guān)系。圖3.7 硅的本征激發(fā)示意圖利用這個機可理，可以方便地解釋什么是空穴：利用這個機可理，可以方便地解釋什么是空穴：第36頁/共68頁n如果在硅中摻入磷(P)，P外圍有5個價電子，當它占據(jù)Si原子的位置時，在電子軌道上只能容納4個電子，另一個電

23、子就成為自由載流子，如圖3.8 （a）所示。n但這時并未產(chǎn)生空穴，P原子由于失掉一個電子，就呈帶正電的離子，這種離子在固體中只能振動，而不可能移動，所以不能參加導電。圖3.8 硅中雜質(zhì)的作用（a）磷的施主作用；（b）Al的受主作用；我們再看看雜質(zhì)參加導電的情況：我們再看看雜質(zhì)參加導電的情況：n每個P原子可貢獻一 個電子，如果P在硅中具有一定的濃度，當它所貢獻的自由電子的數(shù)目明顯地超過由上述的本征激發(fā)所產(chǎn)生載流子的數(shù)目時，這種半導體就呈電子型導電，被稱為n型（negative-負的）半導體。n這時 P及其相類似雜質(zhì)就被稱為施主（donor-給予者）雜質(zhì)，簡稱施主。第37頁/共68頁n 相反，如果

24、雜質(zhì)是鋁（Al）而不是P，Al只有3個價電子，當它占據(jù)Si的位置與其他Si原子形成共價鍵時，則少了一個電子子，見圖3.8（b）。n 別的Si原子的價電子可以來補充，這就形成帶正電的空穴載流子。n 同樣，當Al 的濃度足夠高時，半導體的導電是以空穴為主，稱為p型（positive-正的）半導體。n 類似Al這種雜質(zhì)被稱為受主（acceptor-接受者）雜質(zhì)，或受主。圖圖3.8 硅中雜質(zhì)的作用硅中雜質(zhì)的作用（a）磷的施主作用；（）磷的施主作用；（b）Al的受主作用；的受主作用；第38頁/共68頁我們首先要弄清它的熱電效應是怎樣產(chǎn)生的。如圖3.11所示，如果取一個半導體，將一端加熱，另一端冷卻，那么

25、熱端的載流子數(shù)量增多，動能增大，就向冷端擴散，冷端自然也向熱端擴散，最后達到平衡。其結(jié)果是載流子離開熱端的數(shù)量大于由冷端進入熱端的數(shù)量。如果這是一根n型半導體棒，那么熱端由于缺少電子而帶正電，冷端則帶負電；同理，如果是p 型半導體，它的熱端帶負電；冷端帶正電。T2 T1 P型半導體 N型半導體低溫高溫I外部負載金屬導流片（a）+T2T1PT2T1N+（b）圖3.11 半導體材料的塞貝克效應(a) 熱電電勢；(b) n型和p型半導體受熱后的載流子分布(T2T1)3.4 半導體材料溫差電基本原理半導體材料溫差電基本原理第39頁/共68頁n在實際中利用這個現(xiàn)象可測量半導體的導電類型。在實際中利用這個

26、現(xiàn)象可測量半導體的導電類型。n如果我們將熱端放到如果我們將熱端放到pn結(jié)處，如圖結(jié)處，如圖3.11(a)，則，則p 型冷端的正電位和型冷端的正電位和n型冷端的型冷端的負電位相加而形成熱電動勢。負電位相加而形成熱電動勢。n而金屬的熱電效應則只利用不同金屬的逸出功（見而金屬的熱電效應則只利用不同金屬的逸出功（見3.3 節(jié)）不同及電子密度不節(jié)）不同及電子密度不同而形成。同而形成。T2 T1 P型半導體 N型半導體低溫高溫I外部負載金屬導流片（a）+T2T1nT2T1p+（b）圖圖3.11 半導體材料的塞貝克效應半導體材料的塞貝克效應(a) 熱電電勢；熱電電勢；(b) n型和型和p型半導體受熱后的載流

27、子分布型半導體受熱后的載流子分布(T2T1)第40頁/共68頁我們再看看半導體的帕爾帖效應。圖我們再看看半導體的帕爾帖效應。圖3.12所示所示為其原理。從圖（為其原理。從圖（a）可以看出，當電流從）可以看出，當電流從n區(qū)進入?yún)^(qū)進入p區(qū)時，在區(qū)時，在pn結(jié)（結(jié)（1）處的載流子不斷）處的載流子不斷地流走，因此需要相應地產(chǎn)生新的載流子，為地流走，因此需要相應地產(chǎn)生新的載流子，為此需要消耗能量，如圖（此需要消耗能量，如圖（b）所示，這就使溫）所示，這就使溫度降低。當載流子流向度降低。當載流子流向pn結(jié)（結(jié)（2）處時，兩種）處時，兩種載流子是相迎地運動著，它就產(chǎn)生電子與空穴載流子是相迎地運動著，它就產(chǎn)生

28、電子與空穴的復合，從而放出能量，如圖（的復合，從而放出能量，如圖（b）所示，使）所示，使溫度升高。這些效應是半導體致冷與半導體的溫度升高。這些效應是半導體致冷與半導體的熱電轉(zhuǎn)換應用的基礎(chǔ)。熱電轉(zhuǎn)換應用的基礎(chǔ)。圖圖3.12 半導體材料的波爾帖效應示意圖半導體材料的波爾帖效應示意圖(a) pn結(jié)處的載結(jié)處的載 流子的活動；流子的活動；(b) 載流子載流子的能量變化的能量變化 珀爾帖珀爾帖電子電子空穴空穴導帶導帶禁帶禁帶價帶價帶放熱放熱吸熱吸熱n 1 p 2 n(a)(b)+- 第41頁/共68頁 I. I. 熱電致冷電路熱電致冷電路實際熱電應用電路中所采用的熱電材料基本上半導體，因為半導體內(nèi)部特有

29、的結(jié)構(gòu)決定了它實際熱電應用電路中所采用的熱電材料基本上半導體，因為半導體內(nèi)部特有的結(jié)構(gòu)決定了它能夠產(chǎn)生比其它類型的材料更加顯著的熱電效應。在熱電致冷電路中，熱電元件部分由能夠產(chǎn)生比其它類型的材料更加顯著的熱電效應。在熱電致冷電路中，熱電元件部分由P P型型半導體、半導體、N N型半導體以及金屬導流片構(gòu)成，如圖型半導體以及金屬導流片構(gòu)成，如圖1.41.4所示。所示。(3)熱電效應應用電路圖1.4在外加電場的作用下，在外加電場的作用下，P P型半導體中的空穴和型半導體中的空穴和N N型半導體中的型半導體中的電子向上端金屬導流流片移動，從而產(chǎn)生電子和空穴的復合電子向上端金屬導流流片移動，從而產(chǎn)生電子

30、和空穴的復合。復合之前載流子各自具有的動能和勢能在復合之后就轉(zhuǎn)化。復合之前載流子各自具有的動能和勢能在復合之后就轉(zhuǎn)化為金屬的晶格振動熱，產(chǎn)生放熱現(xiàn)象。而同時又有新的空穴為金屬的晶格振動熱，產(chǎn)生放熱現(xiàn)象。而同時又有新的空穴和電子分別從下端的金屬導流片遷出，因為進入半導體后載和電子分別從下端的金屬導流片遷出，因為進入半導體后載流子具有更高的勢能，所以從金屬中遷移出流子具有更高的勢能，所以從金屬中遷移出的載流子需要額的載流子需要額外吸收能量外吸收能量,也就是吸收下端金屬片的晶格振動能，從而產(chǎn)生也就是吸收下端金屬片的晶格振動能，從而產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象。這種致冷效果是珀爾帖效應的合理應用。為了達吸熱現(xiàn)象。這種

31、致冷效果是珀爾帖效應的合理應用。為了達到盡量大的致冷程度，實際熱電制冷電路由上述電路擴展而到盡量大的致冷程度，實際熱電制冷電路由上述電路擴展而成，即由幾十對半導體電偶臂加金屬導流片串連而成。然后成，即由幾十對半導體電偶臂加金屬導流片串連而成。然后將多個吸熱端和多個放熱端分別用導熱性好的陶瓷基片平貼將多個吸熱端和多個放熱端分別用導熱性好的陶瓷基片平貼固定起來。固定起來。第42頁/共68頁 II. 溫差發(fā)電電路溫差發(fā)電電路第43頁/共68頁熱電器件的全面性能可以用熱力學（卡諾）效率和優(yōu)值的乘積來表征8。對于熱電發(fā)電器，最佳效率可表示為：12hc1h2chTT(1ZT)1T(1ZT)T / T 對于

32、熱電致冷器，最大制冷效率m為：12chcm1hc2T(1ZT)T / TTT(1ZT)1在上兩式中，Th為熱端絕對溫度；Tc為冷端絕對溫度；=(Th+Tc)/2；Z為熱電優(yōu)值，21211221122Z) (r (r 式中，為賽貝克系數(shù)。對P型半導體，為正值；對N型半導體，為負值。是熱導率。腳碼指的是構(gòu)成溫差電偶的兩種半導體材料。單種材料的熱電優(yōu)值為： 2Zr(4) 熱電器件材料性能表征及優(yōu)化原理熱電器件材料性能表征及優(yōu)化原理第44頁/共68頁第45頁/共68頁1、無量綱溫差電優(yōu)值系數(shù)： Z= 2 / :Seebeck系數(shù) :電導率 :熱導率 （1）溫差電優(yōu)值系數(shù)： （2）無量綱量優(yōu)值: ZT 其中：T是絕對溫度ZT值越大，材料的熱電性能越高，器件的轉(zhuǎn)換效率越高。近幾十年來研究的常規(guī)半導體熱電材料在 3001300K范圍內(nèi)ZT值都小于或接近1 如果能把優(yōu)值提高到3