浙大材料物理导论第五章半导体

材料物理导论,第五章：半导体Semiconductor,5.1半导体材料,元素半导体Ge，Si化合物半导体材料GaAs，InP，GaP,GaAlAs宽禁带半导体材料SiC/GaN/ZnO有机半导体材料,半导体材料的分类I（按功能分类）,电子材料检波/放大/整流/存储光电材料发光/探测/光伏/成像热电材料测温、发电传感材料气敏/湿敏/热敏/光敏/磁敏光子材料激光/光传输/光放大/光计算/光存储微波材料,半导体材料的分类II（按成分分类）,元素半导体由单一元素构成的半导体材料，如锗、硅、硒等化合物半导体由两种或两种以上元素构成的半导体材料，如InP,GaAs，Ga1-xAlxAs,GaN，ZnO，SiC等有机半导体由有机高分子材料构成的半导体，如电荷转移络合物，芳香族化合物复合半导体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/无机，有机/无机，有机/有机复合,半导体材料的分类III（按结构分类）,单晶半导体：整块半导体材料中的原子周期性地有序排列。多晶半导体：半导体材料中分成许多区域，各区域内的原子周期性地有序排列。非晶态半导体：半导体材料中的原子排列长程没有周期性，但短程有序。异质结构半导体：指外延层与衬底材料不同的半导体多层膜结构。超晶格半导体：利用外延技术制备的人工晶体结构。纳米半导体：结构尺度为纳米的半导体材料，如纳米颗粒或纳米薄膜。复合半导体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/无机，有机/无机，有机/有机复合。,常见半导体材料的结构,金刚石结构轨道杂化导致四个价电子等价。(1s)2(2s)2(2p)2-(1s)2(2s)1(2p)3面心立方两个面心立方点阵沿对角线相对移动1/4距离,常见半导体材料的结构,闪锌矿结构：与金刚石结构相似，闪锌矿结构也是一种由面心立方构成的复式格子，但两套格子各自的原子不同。在这种结构中，既有轨道杂化，又有原子间的电荷转移，原子间的键为离子键与共价键组成的混合键。所以电子云的分布呈非对称分布而偏向某一原子,热力学稳定相为钎锌矿结构，宽带隙，缺乏中心对称性，具有强的压电特性，对可见光透明等（ZnO）,常见半导体材料的结构,5.2半导体的导电机构,一.本征半导体（semiconductor）,本征半导体是指纯净的半导体。,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。,1.本征半导体的能带结构：,所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成“空穴”（hole）,半导体的满带与空带之间也是禁带，但是禁带宽度Eg很窄(0.12eV),例如半导体CdS,满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一个带正电的空位，称为“空穴”,电子和空穴总是成对出现的。,电子和空穴叫本征载流子，它们形成半导体的本征导电性,2.两种导电机构：,（1）电子导电半导体的载流子是电子,当光照hEg时，可发生本征吸收，形成本征光电导。,解,例要使半导体CdS产生本征光电导，求激发电子的光波的波长最大多长？,空带,满带,在外电场作用下，电子可以跃迁到空穴上来，这相当于空穴反向跃迁,空穴跃迁也形成电流，这称为空穴导电,（2）空穴导电半导体的载流子是空穴,当外电场足够强时，共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中，使半导体击穿,为什么导体的电阻随温度升高而升高，而半导体的电阻却随温度升高而降低？,半导体,导体,二.杂质（impurity）半导体,1.n型半导体,又称n型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，ED10-2eV，极易形成电子导电,该能级称为施主（donor）能级。,本征半导体Si、Ge等的四个价电子，与另四,个原子形成共价结合，,当掺入少量五价的杂质,元素（如P、As等）时，,就形成了电子型半导体，,n型半导体,空带,施主能级,ED,Si原子浓度1022cm3则P原子浓度1018cm3,np=1.51010cm3,1018,1018cm3,室温下：,本征激发,杂质激发,导带中电子浓度,nn=1.51010,满带中空穴浓度,设Si中P的含量为104,电子是多数载流子，,空穴是少数载流子。,在n型半导体中：,电子浓度nn,施主杂质浓度nd,2.p型半导体,四价的本征半导体Si、e等掺入少量三价的杂质元素（如、Ga、In等）时，就形成空穴型半导体，又称p型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处，EA10-1eV，极易产生空穴导电。,该能级称受主（acceptor）能级。,空带,EA,受主能级,P型半导体,Si原子浓度1022cm3则B原子浓度1018cm3,np=1.51010,室温下：,本征激发,杂质激发,导带中电子浓度,nn=1.51010cm3,满带中空穴浓度,设Si中B的含量为104,1018,1018cm3,空穴是多数载流子，,电子是少数载流子。,空穴浓度np,受主杂质浓度na,在p型半导体中：,3.n型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺Te，六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。,4.p型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。,化合物GaAs中掺Si,Si可以替代Ga，施主Si可以替代As，受主施主/受主5/1,三.杂质补偿作用,实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿作用：,若ndna为n型（施主）,若ndna为p型（受主）,利用杂质的补偿作用，可以制成p-n结,掺杂的要求,高浓度降低能量、可行性高效率能级小高质量迁移率大稳定性化学键能大高性价比最便宜环保性无毒、污染小,载流子浓度计算统计分布函数,玻色子，自旋为0或整数，例如光子、声子等的粒，能级上可以容纳无数的粒子费米子，自旋为半整数，例如电子，每一能级上最多只能容纳一个粒子两者服从不同的统计分布，但可以用一统一的公式表达其中正号对应费米子，负号对应玻色子,假定与能级E对应的有G(E)个量子态，则由于N和G（E）与半导体材料本身的能带结构及掺杂情况有关，因此只要知道了N、G(E)和温度T，就可以求出Ef。反过来，如果知道了Ef，由此可以确定各能级上的电子数及总粒子数N可以证明费米函数等于化学势，处于热平衡状态系统有相同的化学势，所以对一个处于热平衡的系统，各处费米能级相同,费米函数的性质,对于费米子，一个量子态要么被电子占据，要么空着，能量为E的能级被占据的几率为f(E)，因此空着的几率为不难看出，f(E)与1-f(E)相对E=Ef是对称的，在该点占据及空着的几率均为1/2。能量比费米能级高的能级空着的几率大，反之，能量比费米能级低的能级充满的几率较大。当能量很大时，即时，费米分布与玻色分布趋向同一函数，,费米函数与波耳兹曼函数,能带中的电子和空穴浓度,导带电子密度单位体积中能量在E-E+dE中的导带电子数为将上式对整个导带积分即得到单位体积中导带的电子数目，即,公式简化,1、大多数情况下费米能级与导带底的距离比kT大得多，所以费米函数可以用玻尔兹曼函数代替2、f(E)随E按指数下降，导带宽度为eV量级，因此将上限扩展至无穷大处也不会引起较大的误差,导带电子密度,导带状态有效密度Nc的物理意义,上式表明，导带中所有能级上电子的总密度等价于能量为Ec，态密度为Nc的一个能级。即把一个涉及许多能级的复杂的能带问题简化成了只有一个能级问题，即可以将导带理解为一个电子都集中于导带底Ec，密度为Nc的能级。因此Nc称为导带的有效状态密度,价带状态有效密度Nv,按照完全相似的讨论手法，我们可以得到价带的状态有效密度为上述公式中参数的意义与讨论导带时相同。,最后简化结果,有关有效状态密度,用两个能级代替导带和价带，大大简化各种分析有效状态密度反映了导带或价带容纳电子或空穴的能力有效状态密度是温度的3/2次方函数，温度愈高，N愈大对T=300K，两者对硅分别为2.81019cm-3和1.041018cm-3，大大小于价电子密度,质量作用定律,如果将n与p相乘，则可以发现乘积pn与Ef无关，即对特定的半导体材料，Ef与掺杂种类及掺杂浓度有关，因此由np与Ef无关可以推论此乘积pn与掺杂种类及掺杂浓度无关，即只与半导体材料本身能带结构有关如果由于某种原因使得电子增加，则其中的空穴数目必然减少。当掺杂浓度很大时，费米能级可能进入导带或价带，玻尔兹漫近似不再成立，因此电子空穴数目乘积不再与Ef无关。,本征半导体的费米能级,由p=n，我们得到因为NvNc,所以对本征半导体来说，费米能级位于禁带中间稍偏下面的部位，但十分接近中间位置。不过如果某种半导体的Nc与Nv及mdn与mdp相差太大，则本征半导体的Ef偏离中心位置的距离可能较远。例如锑化铟的费米能级偏离禁带中心达0.2eV,本征载流子浓度,将上面的Ef代入n与p的表达式，我们可以得到同样可得本征载流子浓度随温度指数增加，而且pi=ni,实例,室温下硅的本征载流子浓度为而有效状态密度分别为Nc=2.811019cm-3和Nv=1.041018cm-3，即导带及价带只有约10亿分之一的能级被电子或空穴填充。因此室温下本征半导体的导电能力一般是很差的。,杂质能级上的电子分布,有关杂质能级上计算电子浓度的费米分布函数有两种形式,杂质能级上的占据情况,对于施主能级，它被电子占据的几率为对受主能级它被空穴占据的几率为,施主能级,施主浓度乘施主能级被电子占据的几率即为施主能级上的电子数：同样，空着的施主能级为,受主能级,同样，受主浓度乘受主能级被电子占据的几率即为受主能级上的电子数未被电子占据的受主能级为,硅的能带结构:导带,导带在与X间有一极小值，偏离中心点4/5，共有6个对称的极小点，称为能谷。因为4度对称轴，所以y,z方向等价，因此,5.3半导体能带结构,l表示纵向、t表示横向质量。等能面为旋转椭球面，中心轴为轴,硅的能带结构:价带,有3个子能带，都在k=0处有极大值1、2两个能带简并，但曲率不同，因此它们对应的空穴有效质量不同，重的一个称为重空穴，轻的为轻空穴第三个能带与1、2两个有距离特点:间接能带：导带底与价带顶不重合,锗的能带结构:导带,在与L之间的布里渊边界上有一极小值，截角8面体共有8个极小值，但因为极小值刚好位于布里渊区边界，相对两个极小之间相差一个倒格矢，所以实际上只有4个极小值，即只有4个能谷，同样，等能面也是旋转椭球面，但中心轴为轴,GaAs的能带结构,导带底与价带顶都在k=0处，即为直接能带；等能面为球形；导带在(100)方向接近布里渊边界区还有另外一个极小值；它的价带情况与硅、锗的类似，也有三个子能带，也有轻重空穴之分直接带隙,半导体的费米能级,本征半导体,N型本征半导体,P型本征半导体,Ec,Ei,Ev,Ef,Ec,Ev,Ef,Ed,Ec,Ev,Ef,Ea,室温下、正常掺杂浓度,半导体禁带中的能级,施主能级掺入价数较高的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。受主能级掺入价数较的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。激子能级：束缚的电子-空穴对极化子能级：电子-晶格相互作用,禁带中其他能级,表面态:表面原子状态与体内的不同等电子杂质:杂质价电子数与母体的相同固有原子缺陷(A格子空位VA,B格子空位,A元素间隙原子,B元素间隙原子)错位原子:化合物半导体中两种原子换位间隙杂质,实例,硅的介电常数为14，有效质量分别p）,而对p型半导体而言，可简化为（因为pn）,载流子漂移,常见半导体材料的迁移率（厘米2/伏秒）,对硅而言，由于电子的有效质量小于空穴的有效质量，因而电子的迁移率比空穴的大，因此对于同样尺寸的器件，相对来说，N型材料制作的器件工作频率较高,当半导体中通以电流时，电子与空穴除热运动外还在电场的作用下作漂移运动，大小为E带电粒子在磁场中运动时要受到磁场引起的洛伦兹力,霍尔效应原理,当霍耳电场引起的力与磁场引起的力最后达到平衡时，有,由此我们得到一个十分重要的公式,即霍耳电势与流过的电流大小及磁场强度成正比比例系数称为霍耳系数对电子R=为-1/ne，对空穴为R=1/pe,霍耳迁移率由于磁场的存在，电子的漂移运动方向发生变化，因此以上所指的迁移率严格来说应是磁场下的迁移率,引入霍耳迁移率后，霍耳系数要进行修改，,对简单能带半导体，Rn与Rp没有差别由半导体的具体能带结构可以算出霍耳迁移率与一般迁移率的比值，它们为,通过霍尔系数测量，可以确定材料的导电类型，载流子浓度，电导率等十分重要的参数因此霍耳系数是半导体材料的一个很重要参数,5.5p-n结,一.p-n结的形成,在n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，该区就成为p型半导体（补偿作用）,在p型和n型半导体交界面附近产生了一个内建(电)场,阻止电子和空穴进一步扩散,电子和空穴的扩散，,平衡的PN结：没有外加偏压,能带结构,载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势,自建场和自建势,内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动，达到了新的平衡,在p型n型交界面附近形成的这种特殊结构称为p-n结（阻挡层，耗尽层），约0.1m厚,p-n结,p-n结处存在电势差U0形成的势垒区。,也阻止n区带负电的电子进一步向p区扩散,它阻止p区带正电的空穴进一步向n区扩散；,对Si:U0=0.60.7V,对Ge:U0=0.20.3V,由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势垒带来的附加势能。,电子的能带出现弯曲现象：,二.P-n结的单向导电性,1.正向偏压,p-n结的p型区接电源正极，叫正向偏压,形成正向电流（m级）,阻挡层势垒降低、变窄,有利于空穴向n区运动,也有利电子向p区运动,外加正向电压越大，形成的正向电流也越大且呈非线性的伏安特性,锗管的伏安特性曲线,2.反向偏压,p-n结的p型区接电源负极，叫反向偏压。,也不利于电子向p区运动,阻挡层势垒升高、变宽，,没有正向电流,不利于空穴向n区运动，,但是由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，,称漏电流（级）,当外电场很强，反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大反向击穿,用其单向导电性，可制成二极管(diode):整流、开关,击穿电压,用其光生伏特效应，可制成太阳能电池,pn结的应用：,加反向偏压时，pn结的伏安特性曲线,用其电致发光效应，可制成发光二极管（LED）,双极晶体管,双极晶体管的结构,由两个相距很近的PN结组成：,分为：NPN和PNP两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,MOS场效应晶体管,半导体器件,p-n结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管（trasistor）和其他一些半导体器件。,集成电路,大规模集成电路,超大规模集成电路,晶体管,（1947）,（1962）,（80年代）,103,105,甚大规模集成电路,巨大规模集成电路,107,109,（70年代）,（90年代）,（现在）,晶体管的发明,1947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。,1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。,2000诺贝尔物理学奖,杰克基尔比信息技术方面的基础性工作：集成电路,每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有300多万个三极管。,INMOST900微处理器,尺寸效应,四个尺寸参量：载流子平均自由程磁场中电子回旋半径rc薄膜厚度dDeBroglie波长分几种情况来讨论,体材料：l忽略载流子与样品边界的作用，体内散射为主。dl界面散射需考虑r磁场量子化l电导能带理论不符合，低迁移率量子理论，介观物理d载流子运动量子尺寸效应,异质外延晶格常数差,晶格失配度临界厚度晶格失配时厚度,SiGe/Si结构中热应力对临界厚度的影响,JYHuangetalJ.Appl.Phys.1998,异质结：两种不同的材料“连接”在一起形成异质结,半导体、金属、绝缘体等大量材料都可以用来制备优质的异质结,例：,SiO2/Si异质结，界面缺陷非常少,III-V化合物异质结,GaAs/AlGaAs,GaInAs/InP,GaInAs/AlInAs,GaSb/AlSb,GaN/AlN,InN/GaN,II-VI化合物异质结,CdZnO/ZnO,ZnMgO/ZnO,光电子、微电子广泛采用异质结,调制能带结构，实现能带剪裁,量子结构中的电子态,例：几种半导体异质结构能带图,(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g),(h),(i),(b):单结异质结构(c)(e):双结异质结构(f):四结异质结构(d)(g)(h)(i):多结异质结构,(a)(b):单异质结(c):单量子阱(d):多量子阱(e):单势垒结构(f):双势垒结构(g):多势垒结构(h):I类超晶格(i):II类超晶格,根据能带的不连续性，可以分为,I型,II型,电子和空穴在同一种材料中,电子和空穴在不同的材料中,一般约有几百个毫电子伏，比载流子的能量(kT)要大许多，载流子被限制在势阱中。,势阱宽度,势阱宽度,阱中载流子的deBroglie波长,经典势阱,量子势阱,量子阱结构,有如下假设：1）电子有效质量m*为各向同性有效质量2）对异质结构的势能，假设为理想的台阶形状方势阱近似,对应于薄膜厚度非常薄的多层膜情况,量子阱中的电子态和态密度,在禁带较窄的薄膜两侧，生长另一种禁带较宽的材料，就构成了量子阱。,考虑电子情况，势能：,势阱高度,势阱宽度,电子气（空穴气）,江崎岭于奈发现半导体中的隧道效应,1973诺贝尔物理学奖,霍尔效应1879年由JohnsHopkins大学的研究生EdwinHall发现1978年KlausvonKlitzing和Th.Englert发现霍尔平台1980年,注意到霍尔平台的量子化单位,1985年,KlausvonKlitzing获诺贝尔物理奖1982年,崔琦,H.L.Stomer等发现具有分数量子数的霍尔平台,磁性性质-霍尔效应的历史,体材料,薄膜,VH=BI/(nqd),RH=VH/I=B/nqd=霍尔系数,K.V.克利青量子霍耳效应,1985诺贝尔物理学奖,霍尔常数（强磁场中，纵向电压和横向电流的比值）量子化RHV/Ih/e21，2，3，该效应称为整数量子霍尔效应AT&T的D.Tsui、H.Stormer和A.Gossard发现随着磁场增强，在v1/3,1/5,1/7等处，霍尔常数出现了新的台阶这种现象称为分数量子霍尔效应,崔琦,1998诺贝尔物理学奖,分数量子霍尔效应,劳克林,斯特默,分数效应崔琦,Stomer等发现,当Landau能级的占据数,这里p,m为整数,m为奇数时,有霍尔平台.,LED特点,低电压3-4V高效节能35%长寿命10万小时（电灯3000-8000小时）体积小环保（废弃物少）应用广泛（全彩色显示、汽车电子、手机显示，仪器仪表显示、未来白光照明）海岛、高山无电网处易实现太阳能照明（军事）,5.6半导体发光二极管、激光器,2000诺贝尔物理学奖,信息技术方面的基础性工作:异质结发光,泽罗斯阿尔费罗夫,赫伯特克勒默,ActiveLayer,5-periodIn0.3Ga0.7N/GaNSLs(2.5nm/4.0nm),Transparentelectrode,Pelectrode,Nelectrode,BlueInGaN/GaNmulti-quantumwellLEDstructure,N-typeGaN:Si3-4m,SubstrateSapphireorSi,P-typeAl0.1Ga0.9N:Mg100nm,P-typeGaN:Mg0.5m,GaNbufferlayer:30nm,2.5nmInGaN,4.0nmGaN,电子、空穴复合发光,三块半导体,紧密接触，形成p-I-n结,（本征）,量子阱LED能带结构图,超晶格LED能带结构图,同质结激光器实质上是由同一种材料制成的一个p-n结（重掺杂）,1.同质结激光器,半导体激光器分两类:,异质结激光器实质上是由两种不同材料制成的一个p-I-n结（I为本征半导体）,半导体激光器,半导体激光器是光纤通讯中的重要光源，在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用。,重掺杂,普通掺杂,加正向偏压V粒子数反转,电子空穴复合发光,它的两个端面就相当于两个反射镜，,光振荡并利于选频。,的反射系数，,激励能源就是外接电源（电泵）,维持激光的输出,由自发辐射引起受激辐射,p-n结本身就形成一个光学谐振腔，,它提供正向电流，使电子空穴的复合不断进行，,适当镀膜达到所要求,可形成,核心部分：,p型GaAs,n型GaAs,典型尺寸（m）：,长L=250-500,宽W=5-10,厚d=0.1-0.2,GaAs同质结半导体激光器,2.异质结激光器,作为概念上的过渡，先介绍同质p-I-n结,同质结的缺点是需要重掺杂，且光损耗大,三块半导体,紧密接触，形成p-I-n结,加正向偏压实现粒子数反转,（本征）,需要电压较高,异质p-I-n结激光器：,Ga1-xAlxAsGaAsGa1-xAlxAs,加正向偏压后，很容易实现粒子数反转,GaAs和GaAlAs,晶格常数基本相同，禁带宽度不同，折射系数不同,紧密接触,形成p-I-n结,2）GaAs的折射率比两侧高5%，可形成全反射，把激光束限制在激活区内,实际使用的都是异质结激光器,异质结激光器的优点：,1）无须重掺杂,3）阈值电流密度低，可在室温下连续工作,半导体激光器的特点：,功率可达102mW,效率高,制造方便,成本低,所需电压低（对GaAs只需1.5V）,体积小,极易与光纤接合,电能直接变成光能,寿命长,可达百万小时,用于激光通讯、信息储存、处理和显示器件、测距、制导、夜视等,发光与太阳能电池原理,电子空穴复合：发光,光生电子空穴：太阳能电池,5.7半导体光伏电池（Solarcell）,光h,光生载流子,太阳能电池的发明,1954年，贝尔实验室，第一枚太阳能电池，偏远地区通讯系统供电，效率太低(6%)，造价太高(357美元/瓦),RussellOhl,RussellOhl专利,太阳能电池工作原理,有光照,在半导体内激发电子空穴对（且其寿命足够长）,有一个静电场（分离电子空穴对）,被分离的电子和空穴经电极收集输出电池体外,光生伏特效应,光生电动势,太阳辐射光谱与吸收,到达地面的能量主要集中在可见光区,太阳辐射光谱曲线及地球大气吸收的影响,Conversionefficiencyofsolarcellmaterialsversusbandgapforsinglejunctioncells.,Bandgap：1.11.7eV(best:1.5eV).Directbandstructure.Long-termstabilityandnon-toxicity.Easytoproduce.,A.Goetzberger,C.Hebling/SolarEnergyMaterials&SolarCells62(2000)119,CdTe,Si无毒、地壳中储量丰富、技术成熟单晶硅、多晶硅体材料电池非晶硅、微晶硅、多晶硅薄膜电池单晶硅体材料电池：效率高、成本昂贵,实验室中硅电池效率的发展,薄膜太阳能电池,薄膜太阳电池非晶硅,P-i-n结构非晶硅太阳电池,叠层的a-Si:H太阳电池,薄膜太阳电池化合物半导体电池,III-V化合物晶体电池经验分析，使电池效率高的最佳半导体带隙1.4eV左右GaAs:1.45eVSi:1.1eV1967年第一个GaAs电池9%70年代20%80年代（MOCVD)25%90年代叠层电池30%最有希望的下一代空间电池薄膜单晶材料，价格昂贵，晶粒间界电活性高，多晶薄膜电池,薄膜太阳电池III-V化合物,GaAs空间电池,叠层的III-V化合物空间电池,热电材料物理,1.什么是热电材料热电材料（也称温差电材料，thermoelectricmaterials）是一种利用固体内部载流子运动，实现热能和电能直接相互转换的功能材料。,什么是热电效应热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，包括Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。,p型BixSb2-xTe3纳米晶Science320(2008)634.,Seebeck效应：1823年，德国人Seebeck首先发现当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过，即温差电现象或Seebeck效应。,式中S为seebeck系数，它的大小和符号取决于两种材料的特性和两结点的温度。原则上讲，当载流子是电子时，冷端为负，S是负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端为负，S是正值,Peltier效应：1834年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应,Thomson效应：1854年，Thomson发现当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度时，就会产生可逆的热效应，称为Thomson效应。Peltier效应和Thomson效应都是电制冷（或电制热）效应，但是由于Thomson效应是一种二级效应，实际应用价值不大。,热电性能优异的材料：大的Seebeck系数大的电导率小的热导率,2.如何衡量材料的热电性能效率高，则ZT和T大，T大意味着热导率小通常用无量纲热电优值zT来衡量材料的热电性能：,1.目前已发现的主要热电材料体系Bi2Te3/Sb2Te3体系PbTe体系SiGe体系CoSb3为代表的方钴矿型(Skutterudite)热电材料Zn4Sb3金属硅化物（如-FeSi2、MnSi2、CrSi2等）NaCo2O4为代表的氧化物等,研究相对成熟热电性能好温度覆盖范围合适,Bi2Te3/Sb2Te