半導(dǎo)體物理第次課

半導(dǎo)體物理第次課第一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日MobilityofthecarriersinEMfieldsMovementsofcarriersinEMfields:

Random+drift第二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日Inthefollowingdiscussions,wetakeelectronsasexample.Letfieldstrength=E,andtheeffectivemassofelectronism*,thentheacceleratoroftheelectronisSupposerandomscattering,i.e.,v=0aftereachscattering,thenwehaveaveragespeedofcarriers

wheretistheaveragefreetimebetweentwoconsecutivescatterings.第三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日DefinitionofthemobilityMobilitym:averagespeedofcarrierunderunitfield,whichisaquantityreflectstheeasinessofcarriermovementsinSM.Or

第四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日MobilityofcommonSM（cm2/VSec）SMmnmpSilicon1350480Germanium3900500GalliumArsenide8000100-3000Itcanbeseenthatthemobilityofelectronsarehigherthanthatofholes,thatwhythatelectronicdevicesthatbasedonN-typeSMrunsfasterthatdevicesbasedonp-typeSM.第五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日DependenceofmondopinglevelWhy?第六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日DependenceofmonT第七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日RelationbetweenCurrentdensityandmobilityCurrentdensity:chargespassthroughaunitareainunittimeDensityofcarriers:n,p;Carriersinabovecolumncanpassthroughtheunitareainunittime,so第八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日RelationbetweenConductivityandmobilityTotalconductivityofSM第九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日Hotelectrons—mobilityunderhighfieldWhenE>103V/cmorso,SinceelectricfieldwillnotaffectcarrierconcentrationuntilE~105V/cm,

whenE~103V/cmismainlycausedbythechangeofmobility,i.e.,misnotaconstantwhenE>E~103V/cm.第十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日DependenceoftheaveragedriftspeedofcarriersonEforsomeSM第十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日ReasonsforthechangeofmobilityE=0,carrierandlatticeareatthermalequilibrium;WhenEisnottoostrong,carriersabsorbenergyfromexternalfield,andthespeedofthecarriersincrease.Atthesametime,partoftheabsorbedenergygivetolatticebyscatteringprocesswhichcausetheSMbecomewarmorevenhot.WhenEisveryhigh,thespeedofcarriersisveryfast,soscatteringhappenssofrequentlythatalltheabsorbedenergyfromtheexternalfieldgivestothelattice.Thespeedofthecarriernolongerincrease,whichresultthedecreaseofmobility.Classicalanalogy:Aballfreefallsfromthespace:Atthebegin,whenthespeedislow,airfrictionissmall,sothespeedoftheballincreases,butasthespeedoftheballreachesacertainvalue,thekineticenergygainedfromgravitationalfieldaretransferredtotheair,andthespeedoftheballnolongerincrease.第十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日SomePhenomenaofSMGunn’seffectHalleffectMagneto-resistanceThermoelectricPhonon-electroneffectUltrasonicamplificationMechanicalpressure-resistanceMageneto-opticaleffectQuantumHalleffect第十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日Gunn’seffectIn1963,Gunnfoundthatwhenthebiasvoltagereachesacertainvalue,,thereareoscillationsinthecircuitatfrequencyofGHz.ThisphenomenoniscalledGunn’soscillation.第十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日Gunn’sDiode第十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日PhysicsoftheGunn’seffectCharacteristicofthebandstructureofGaAs:

1,Directband,avalleyatk=0;

2,In[111]direction,thereisanothervalleyatL,whichis0.29eVhigherthanthevalleyatk=0;Theeffectivemassatthesetwovalleysarequitedifferent,atL,m*is0.55,whileatk=0,m*=0.067.第十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日NegativedifferentialconductivityWhenEisnottoobig,electronsinCBarenearthevalleyatk=0,somisbigsincetheeffectivemassatk=0issmaller;WhenEisbigenough,electronscantransferfromthevalleyatk=0tothevalleyatL.BecausetheelectronsatLisheavier,thespeedoftheelectronsatLisalsosmaller,i.e.,missmaller;Whensuchtransitionissevere,theconductivitydecreases,andaI-Vcurvewithnegativedifferentialappears;Becauseofthenegativeresistance,thecircuitisnotstable,sooscillationocuurs.第十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日

0<E<E1,第一能谷為主;E>E2,第二能谷為主;E1<E<E2,過(guò)渡區(qū)，遷移率不斷減小。箭頭之間時(shí)s〈0.第十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日Gunn’sOscillator耿氏振蕩可用來(lái)產(chǎn)生高頻振蕩（毫米波段）。耿氏效應(yīng)的本質(zhì)是多能谷散射引起的負(fù)微分電導(dǎo)。第十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日多能谷下的電導(dǎo)率在半導(dǎo)體的能帶理論中

半導(dǎo)體的導(dǎo)帶極小值可能不止一個(gè)；

等能面不一定是球面；

嚴(yán)格來(lái)說(shuō)每個(gè)能谷對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率張量

因此必須計(jì)算所有能谷的電導(dǎo)率以求得總電導(dǎo)率。第二十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日單一能谷的遷移率與電流對(duì)一個(gè)橢球面，有效質(zhì)量可以分為兩個(gè)，一個(gè)與主軸平行的ml與兩個(gè)與主軸垂直的mt。因此我們有

由此對(duì)應(yīng)三個(gè)電流及三個(gè)遷移率

第二十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日所有能谷對(duì)應(yīng)的電流及電導(dǎo)率對(duì)多能谷的半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，總電流必須計(jì)及所有能谷。對(duì)硅的導(dǎo)帶來(lái)說(shuō)，一共有6個(gè)能谷，由于同一軸上的兩個(gè)能谷對(duì)稱，因此6個(gè)能谷可分為3組，每組能谷對(duì)應(yīng)的電子濃度應(yīng)為總濃度的1/3。對(duì)鍺來(lái)說(shuō)，總共有4個(gè)能谷，所以每一能谷對(duì)應(yīng)的載流子濃度為總濃度的1/4。以下我們僅以硅為例討論?？紤]多能谷因素后，所以某一方向的總電流密度為

第二十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日電導(dǎo)率有效質(zhì)量如果我們將此電流公式與單能谷時(shí)的比較，不難發(fā)現(xiàn)我們只要引入一個(gè)新的有效質(zhì)量

則電流及電導(dǎo)率的公式

在形式上仍與單能谷時(shí)相同。此有效質(zhì)量稱為電導(dǎo)率有效質(zhì)量。考慮晶體周期勢(shì)影響的有效質(zhì)量？導(dǎo)帶密度有效質(zhì)量？第二十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日RelationbetweenconductivityandcarrierconcentrationNotlinear,therearesometransitions.Thereasonforthisisthatthedominatescatteringmechanismofthecarrierchanges.Inaddition,whenheavilydoped,impuritiesarenotfullyionized,whichreducescarrierconcentration,whichresultsinnonlinearrelationbetweendopinglevelandconductivity.Forelectronsandholes,becauseofthedifferenceineffectivemass,conductivitiesaredifferentevenwhenthecarrierconcentrationsarethesame.

第二十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日Dependenceofconductivityonm,n,andTTheconductivityofSMisdependentonbothmandn;ForintrinsicSM,。第二十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日ForextrinsicSM,nisdividedintothreetemperatureregions,misalsodependentonTandscatteringmechanisms第二十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體的磁效應(yīng)之一：霍爾效應(yīng)由于載流子是帶電粒子，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)將受到洛倫茲力的作用，勢(shì)必對(duì)載流子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。霍爾效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)如果把通電的條狀半導(dǎo)體樣

品放置在磁場(chǎng)中，如果磁場(chǎng)的方向與電流方向垂直，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上有一橫向電動(dòng)勢(shì)，而且對(duì)于P型和N半導(dǎo)體材料，此電動(dòng)勢(shì)的方向相反。這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)為霍耳電動(dòng)勢(shì)。

第二十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日霍爾效應(yīng)示意圖第二十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日電場(chǎng)、磁場(chǎng)共同作用下的動(dòng)態(tài)平衡載流子在磁場(chǎng)力的作用下作橫向運(yùn)動(dòng)，因此使得電荷在側(cè)面積累。兩側(cè)積累的的電荷形成一個(gè)附加的電場(chǎng)，載流子在此電場(chǎng)的作用下受到一個(gè)橫向的力的作用，此力與磁場(chǎng)引起的洛倫茲力的方向相反。磁場(chǎng)引起的偏轉(zhuǎn)力及附加電場(chǎng)引起的電場(chǎng)力最后相互抵消達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。平衡時(shí)的橫向電場(chǎng)稱為霍耳電場(chǎng)，兩側(cè)的電勢(shì)差稱為霍爾電勢(shì)。第二十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日價(jià)帶電子與空穴的關(guān)系價(jià)帶電子電荷-e速度受力方向-E有效質(zhì)量<0加速度方向真實(shí)粒子價(jià)帶空狀態(tài)+e與價(jià)帶電子相同與價(jià)帶電子相反>0與價(jià)帶電子相同空態(tài)第三十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日提示：空穴能帶與電子能帶不同第三十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日價(jià)帶電子與空穴的關(guān)系導(dǎo)帶電子電荷-e速度受力方向-E有效質(zhì)量>0加速度方向真實(shí)粒子空穴+e與導(dǎo)帶

電子相反與導(dǎo)帶

電子相反>0與導(dǎo)帶電子相反假設(shè)粒子第三十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日霍爾效應(yīng)的定量分析1、霍耳系數(shù)當(dāng)霍耳電場(chǎng)引起的力與磁場(chǎng)引起的力最后達(dá)到平衡時(shí)，我們有由此我們得到一個(gè)十分重要的公式。即霍耳電勢(shì)與流過(guò)樣品的電流大小及磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，比例系數(shù)稱為霍耳系數(shù)，對(duì)電子R=-1/ne，對(duì)空穴為R=1/pe。

第三十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日

2、霍爾角在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，載流子的漂移運(yùn)動(dòng)方向與電流方向相同或相反，但兩者沒(méi)有夾角(0或180）。磁場(chǎng)引起附加電場(chǎng)，使得載流子的運(yùn)動(dòng)方向與外場(chǎng)的方向有一個(gè)夾角，此夾角稱為霍耳角?；舳堑恼袘?yīng)等于霍耳電場(chǎng)與外場(chǎng)的比值，即，若霍爾電場(chǎng)較小，

則，可見(jiàn)偏轉(zhuǎn)角的方向與霍耳系數(shù)相同。將R代入可得

第三十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日3、霍耳遷移率由于磁場(chǎng)的存在，電子的漂移運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，因此以上公式中所用的遷移率嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)是磁場(chǎng)下的遷移率，即霍耳遷移率。引入霍爾遷移率后，霍耳系數(shù)要進(jìn)行修改，

相應(yīng)的霍耳角、霍耳電勢(shì)等也要進(jìn)行修改。

第三十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日霍爾遷移率對(duì)簡(jiǎn)單能帶結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，Rn與Rp不必修正。由半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)可以算出霍耳遷移率與一般遷移率的比值，它們?yōu)榈谌?yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的霍耳電場(chǎng)的方向及霍耳電勢(shì)差的符號(hào)是相反。根據(jù)霍耳電勢(shì)差的符號(hào)可確定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型、載流子濃度。根據(jù)霍爾電勢(shì)差的大小可以用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。根據(jù)磁場(chǎng)存在時(shí)產(chǎn)生橫向電勢(shì)差的特點(diǎn)可以用來(lái)制作傳感器。通過(guò)霍爾遷移率的測(cè)量，可以確定載流子散射的主要機(jī)制。霍耳系數(shù)是半導(dǎo)體材料的一個(gè)很重要參數(shù)。

第三十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日兩種載流子同時(shí)存在時(shí)的霍爾系數(shù)在磁場(chǎng)作用下電子與空穴的橫向運(yùn)動(dòng)方向是相同的，它們引起的橫向電流的大小

積累在兩側(cè)的電荷產(chǎn)生的霍耳電場(chǎng)引起的電流，由它引起的橫向電流為

當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)兩者數(shù)值相同，即

第三十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日兩種載流子同時(shí)存在時(shí)的霍爾系數(shù)-cont而有兩種載流子同時(shí)存在時(shí)的電導(dǎo)率為代入前面的式子，可以得到霍耳電場(chǎng)與磁場(chǎng)及電流的關(guān)系第三十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日兩種載流子同時(shí)存在是的霍耳系數(shù)

其中。第四十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日利用霍爾效應(yīng)測(cè)量導(dǎo)電型號(hào)的局限性一般情況下b>1，對(duì)于以空穴為主的半導(dǎo)體，當(dāng)溫度較低時(shí)p>>n，R>0，當(dāng)溫度較高時(shí)，r若在某一溫度p=nb，則R=0，若溫度再增高，則R<0。因此對(duì)P型半導(dǎo)體而言，隨溫度變化霍耳系數(shù)會(huì)變號(hào)，所以測(cè)量P型半導(dǎo)體時(shí)應(yīng)該注意。對(duì)N型半導(dǎo)體，由于分子始終是負(fù)的，所以不會(huì)改變符號(hào)。對(duì)于的材料，不能利用霍爾效應(yīng)判斷導(dǎo)電型號(hào)。第四十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日磁阻效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體材料置于外場(chǎng)中時(shí)，半導(dǎo)體的電阻值比無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的大，這種現(xiàn)象稱為磁阻現(xiàn)象，即磁場(chǎng)引起的電阻變化現(xiàn)象。磁阻現(xiàn)象的本質(zhì)是載流子在磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn)使得沿外電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子密度變小，這相當(dāng)于電阻增加。

1）載流子軌跡呈波動(dòng)狀；

2）載流子速度不同使得大于及小于平均速度

的載流子受力方向相反，使得沿外場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目減小。第四十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日1、軌跡變長(zhǎng)，相當(dāng)于遷移率下降1、在磁場(chǎng)力的作用下，載流子作圓周運(yùn)動(dòng)。2、在電場(chǎng)力的作用下，載流子作定向運(yùn)動(dòng)?？傮w：螺旋運(yùn)動(dòng)。第四十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日運(yùn)動(dòng)速度不同的影響1、由于載流子運(yùn)動(dòng)速度偏離平均速度，在霍爾電場(chǎng)和磁場(chǎng)的共同的作用下，載流子可能向不同的方向偏離。導(dǎo)致沿外場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目和速度分量下降。2、因?yàn)镴=nqv,因此n、v的下降導(dǎo)致電流密度的減小，即電導(dǎo)率減小。第四十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日磁阻與磁場(chǎng)強(qiáng)度及遷移率的關(guān)系如果mB遠(yuǎn)小于1，則電阻增加的數(shù)值與霍耳遷移率及磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，即

系數(shù)稱為磁阻系數(shù)。不同的散射機(jī)制其對(duì)應(yīng)的磁阻系數(shù)是不同的，對(duì)晶格振動(dòng)散射，而對(duì)電離雜質(zhì)散射，

磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，電阻變化與磁場(chǎng)成正比。第四十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日磁敏器件由于霍爾電場(chǎng)也與遷移率成正比，所以無(wú)論是利用霍爾效應(yīng)還是磁阻效應(yīng)作磁敏器件，載流子遷移率m越大越好。目前適合做磁阻元件的半導(dǎo)體材料主要有InSb、InAs、GaAs、Ge和Si等。半導(dǎo)體材料Si、Ge的霍爾系數(shù)大，但遷移率小。因此，它適合于做直接利用霍爾電壓的磁敏元件。III-V族化臺(tái)物半導(dǎo)體InAs和InSb的霍爾系數(shù)雖然小，但遷移率卻非常大，所以它們適合做磁阻器件。第四十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)用范圍半導(dǎo)體磁敏元件，包括霍爾元件（開(kāi)關(guān)型、線性），磁阻型磁敏器件。例如：偽幣檢測(cè)器磁敏電位器磁阻式齒輪傳感器磁敏測(cè)距儀磁敏尺磁記錄設(shè)備第四十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日左：InSb電阻與磁場(chǎng)的關(guān)系

右：一種磁敏電位器

第四十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體的熱效應(yīng)

熱導(dǎo)率

單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)單位截面單位溫度差的樣品兩端的熱能量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它與樣品兩端的溫度差成正比，即式中k稱為熱導(dǎo)率，W為熱能流密度。對(duì)金屬來(lái)說(shuō)，k主要來(lái)自于電子的熱傳導(dǎo)，對(duì)絕緣體來(lái)說(shuō)，主要靠晶格振動(dòng)傳熱，而對(duì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，電子傳導(dǎo)與晶格振動(dòng)傳導(dǎo)同等重要。

第四十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日晶格振動(dòng)的熱導(dǎo)率第五十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日載流子的熱傳導(dǎo)率半導(dǎo)體中載流子的熱傳導(dǎo)系數(shù)

載流子的熱導(dǎo)率與它們的遷移率及濃度有關(guān)。遷移率越大，載流子流動(dòng)越快，k越大；載流子密度越大，參與輸運(yùn)的電子越多，k也越大。另外溫度越高，電子的熱運(yùn)動(dòng)能量越大，則每次能傳送的能量也越大，相應(yīng)的k也大；載流子的電導(dǎo)率與熱傳導(dǎo)率成正比。

第五十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日簡(jiǎn)并情況下載流子的熱傳導(dǎo)率對(duì)簡(jiǎn)并半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，參與熱傳導(dǎo)的電子局限與費(fèi)米能級(jí)附近，與金屬中的傳導(dǎo)電子相似，所以它的熱傳導(dǎo)系數(shù)應(yīng)與金屬的相同，即。

可以看出它非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中的載流子的熱導(dǎo)率是相似的，只不過(guò)前面的系數(shù)有差別。第五十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日熱電效應(yīng)I：塞貝克效應(yīng)當(dāng)兩種金屬或半導(dǎo)體接觸時(shí)，如果兩個(gè)觸點(diǎn)的溫度不同，則電路中有電流流過(guò)。如果不是閉合回路，則在開(kāi)環(huán)端兩端有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。第五十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日Seebeck系數(shù)由于溫差產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。溫差電動(dòng)勢(shì)與材料本身及兩端的溫度差有關(guān)。單位溫差引起的電動(dòng)勢(shì)稱為溫差電動(dòng)勢(shì)率，或塞貝克系數(shù)。第五十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日P、N型半導(dǎo)體的Seebeck系數(shù)P型半導(dǎo)體的Seebeck系數(shù)為正，N型的為負(fù)；可以用來(lái)判斷導(dǎo)電類(lèi)型、發(fā)電、測(cè)量溫度等。第五十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日溫差發(fā)電小Figureofmerit

Z(優(yōu)值)優(yōu)值決定了熱電轉(zhuǎn)換效率。特點(diǎn)：

體積小、無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、可以用任何熱源，如太陽(yáng)能、核能、廢熱、地?zé)帷⒑Ｑ鬁夭畹?。第五十六?yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)際溫差發(fā)電塊的結(jié)構(gòu)第五十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日實(shí)際使用的溫差發(fā)電材料200℃左右：BiTe為主體的溫差發(fā)電材料，轉(zhuǎn)換效率一般為3～4%左右。在500℃以下的溫度，ZnSb是一種很好的溫差電材料，價(jià)格也便宜，煤油燈發(fā)電機(jī)大部分采用此材料。500℃左右使用PbTe、GeTe、AgSbTe、SnTe或者它們的合金材料，轉(zhuǎn)換效率為5%左右。PbTe是應(yīng)用最多的半導(dǎo)體溫差發(fā)電器材。1000℃左右使用FeSi、GeSi合金等半導(dǎo)體材料。特別是Ge、Si合金材料，已有效率達(dá)10%的報(bào)導(dǎo)。第五十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日利用溫差電動(dòng)勢(shì)測(cè)量導(dǎo)電型號(hào)熱探針半導(dǎo)體材料接觸時(shí)，對(duì)于N型材料材料熱觸點(diǎn)相對(duì)于室溫觸點(diǎn)為正，對(duì)P型材料熱觸點(diǎn)為負(fù)的。熱電動(dòng)勢(shì)裝置一般只限于低阻材料。如果電阻率足夠高，熱探針可能使材料處于本征狀態(tài)。由于一般情況下電子遷移率高于空穴遷移率，因此熱探針將總是為正，即易將P型高阻材料誤判為n型。為了防止這種情況的產(chǎn)生，可用冷探針來(lái)代替熱探針，即一個(gè)探針為室溫，另一個(gè)冷卻。第五十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日利用熱探針測(cè)導(dǎo)電型號(hào)

第六十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日熱電效應(yīng)II：帕爾帖效應(yīng)當(dāng)兩種導(dǎo)體接觸處通過(guò)電流J時(shí)，在接觸觸會(huì)放熱或吸熱，這種現(xiàn)象稱為帕爾帖效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)證明放出或吸收的熱量與通過(guò)的電流成正比，即，II稱為帕爾帖系數(shù)。第六十一頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)理分析N型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶比金屬的費(fèi)米能級(jí)高，所以金屬側(cè)的電子要得到額外的能量才能進(jìn)入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，所以它要在電流流出處（即電子進(jìn)入處）吸熱。當(dāng)電子從N型半導(dǎo)體進(jìn)入金屬時(shí)它要當(dāng)初多余的熱量，即在電流流入處發(fā)熱。利用這個(gè)原理可制造半導(dǎo)體制冷、制熱器件。一個(gè)電子吸收或放出的能量為

在電流為J的條件下，單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的電子數(shù)為J/e，所以單位時(shí)間內(nèi)吸收或放出的熱量為：

第六十二頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日帕爾帖系數(shù)與Seebeck系數(shù)的關(guān)系因?yàn)椋?/p>

所以帕爾帖系數(shù)可改寫(xiě)為a就是前面提到的塞貝克系數(shù)，即溫差電動(dòng)勢(shì)率第六十三頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體制冷器

與半導(dǎo)體溫差發(fā)電器相反，在半導(dǎo)體和全屬接觸處通電流時(shí)，由于勢(shì)壘的存在，電子越過(guò)勢(shì)壘時(shí)，吸收能量（冷卻）或放出能量（發(fā)熱）。利用這種帕爾貼效應(yīng)在半導(dǎo)體金屬接觸處通電時(shí)，所出現(xiàn)的吸熱現(xiàn)象而做成的致冷器叫做溫差致冷器或者電子冷凍器第六十四頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體制冷器的特點(diǎn)及應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用時(shí)常把許多溫差電偶組成溫差電堆，由若干溫差電堆構(gòu)成溫差致冷器。半導(dǎo)體致冷器雖然功率小，但它具備小型化時(shí)效率不變。無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲、無(wú)摩擦損耗、溫度控制容易；改變電流方向就可以實(shí)現(xiàn)冷卻或加熱。適合與做小型冷凍器、恒溫器、電子裝置的冷卻（如CPU的冷卻）以及醫(yī)學(xué)儀器、藥物等的儲(chǔ)存等。第六十五頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日熱電效應(yīng)III：湯姆遜效應(yīng)當(dāng)電流通過(guò)溫度梯度均勻的導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，原有的溫度分布將被破壞，為維持原有的溫度分布，半導(dǎo)體或?qū)w除產(chǎn)生焦耳熱外，還將吸熱或放熱，這種效應(yīng)稱為湯姆遜效應(yīng)。吸收或放出的熱量與通過(guò)的電量及溫度的落差成正比，即

第六十六頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)理分析溫度不同處載流子的熱運(yùn)動(dòng)能是不同的。假定電勢(shì)能高的地方溫度較高，那么在外場(chǎng)的作用下載流子將發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)，使得高能（高溫）電子向低能（低溫）方向運(yùn)動(dòng)，這樣就使得原先的溫度梯度受到破壞。為了維持原先的溫度，半導(dǎo)體將放熱。反之，如果電勢(shì)能高的地方為低溫，那么由于在電場(chǎng)力的作用下，載流子由低能向高能處運(yùn)動(dòng)，為了維持原先的溫度梯度，半導(dǎo)體將從外界吸熱。第六十七頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日熱磁效應(yīng)I：愛(ài)廷豪森效應(yīng)當(dāng)薄片導(dǎo)體內(nèi)有電流J流過(guò)時(shí)，若在垂直薄片及電流的方向上加磁場(chǎng)B，則在薄片的兩側(cè)有溫度梯度產(chǎn)生，產(chǎn)生的溫度梯度與電流強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，比例系數(shù)為愛(ài)廷豪森系數(shù)，即顯然它與霍耳效應(yīng)十分相似，但現(xiàn)在產(chǎn)生的不是霍耳電場(chǎng)，而是溫度梯度。第六十八頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)理分析洛倫茲力與霍爾電場(chǎng)力達(dá)到平衡后，運(yùn)動(dòng)速度大于平均速度的載流子受到的磁場(chǎng)力大于霍爾電場(chǎng)力，向一方偏轉(zhuǎn)。而運(yùn)動(dòng)速度小于平均速度的載流子受到的磁場(chǎng)力小于霍爾電場(chǎng)力，向另一側(cè)偏轉(zhuǎn)。這樣導(dǎo)致在兩邊積累的載流子的熱運(yùn)動(dòng)能不一致，因此在橫向產(chǎn)生一個(gè)溫度梯度。

第六十九頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日熱磁效應(yīng)II：Nernst效應(yīng)

X方向存在溫度梯度，磁場(chǎng)為Z方向，則在Y方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。即在熱流與磁場(chǎng)垂直的方向有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。這種現(xiàn)象稱為能斯特現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)稱為能斯特電場(chǎng)，它與溫度梯度及磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，系數(shù)Q稱為能斯特系數(shù)。與愛(ài)廷豪森效應(yīng)相似，Nernst效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置與霍耳效應(yīng)相似，但在霍耳效應(yīng)時(shí)有電流流過(guò)半導(dǎo)體，而這里是熱流流過(guò)半導(dǎo)體。第七十頁(yè)，共八十二頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)理分析其實(shí)我們可以這樣分析。載流子從高溫向低溫的定向熱運(yùn)動(dòng)速度與低溫向高溫的定向運(yùn)動(dòng)的速度是不同的。在沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)兩個(gè)方向的載流子數(shù)目相同，但方向相反，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，兩側(cè)沒(méi)有電場(chǎng)。我們看