半导体热电材料-陈健-材物1302

1、半导体热电材料材物1302 陈健热电材料介绍应用制冷原理半导体热电材料分类热电材料介绍制冷原理半导体热电材料分类前景展望热电材料介绍它能直接把热能转换成电能，或直接由电能产生致冷作用。半导体出现后，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。半导体热电材料指具有较大热电效应的半导体材料，亦称温差电材料。概述所谓的热电效应，是当受热物体中的电子(空穴)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。热电效应热电材料介绍包括塞贝克效应，珀尔帖效应，汤姆逊效应。 Seebeck Effect两种不同金属构成的回路

2、中，如果两种金属的结点处温度不同，该回路中就会产生一个温差电动势。这就是塞贝克效应(Seebeck Effect)。TVd/dSab式中S为塞贝克系数，其大小与符号取决于两金属特性及两节点温度。当载流子是电子时，冷端为负，S为负值；当载流子是空穴时，热端为负，S为正值。Peltier Effect两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。这就是珀尔帖效应（Peltier Effect）。Peltier Effect产生的原因是位于节点两边材料中载流子浓度与Fermi能级不一样，当电流通过节点时，为了维持能量和电荷的守恒，必须与环境交换能量。分类中温材料工作温度

3、约为500600，主要是PbTe、GeTe、AgSbTe2或其合金材料。PbTe早已用于工业生产，是较成熟的材料，它制备工艺较简单，且可制成n型和p型材料。中温材料可用于温差致冷(如PbTe等)，工作温度的上限由材料的化学稳定性决定。材料的转换效率一般为5%左右。高温材料工作温度约为9001000，主要有SiGe、MnSi2、CeS等。SiGe合金是较成熟的合金材料。虽然制备工艺有一定难度，但机械强度大，工作温度范围宽，从室温到900间的平均优值可达8.5l0-3/，SiGe合金材料的理论转换效率可达10%。低温材料工作温度约为200，主要是Bi2Te3及Bi2Te3为基的固溶体合金材料，常用

4、于温差致冷。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。制冷原理半导体制冷又称热电制冷或温差电制冷，主要是利用热电效应中的帕耳帖效应达到制冷目的。电子从电源负极出发，经金属片B1、结点4,P型半导体、结点3、金属片A、结点2,N型半导体、结点1、金属片B2，再回到电源的正极。P型半导体的多数载流子为空穴，其空穴电流方向与电子相反。而空穴在金属中所具有能量低于在P型半导体中所具有的能量。因此空穴在电场的作用下由金属片A通过结点3到达P型半导体时，必须增加一部分能量。但是空穴白身无法增加能量，只有从金属片A处吸收能量，并且把这部分热能转变成空穴的

5、势能，因而使金属片A处的温度降低。制冷原理而当空穴沿P型半导体经结点4流向金属片B1时，由于P型半导体中空穴能量大于金属B1中空穴的能量，因而空穴要释放出多余的势能，并巨将其转变为热能释放出来，则使金属片B1处温度升高。而图中右半部分是由N型半导体与金属片A和金属片B2相连。N型半导体的多数载流子为电子，而电子在金属中的势能低于在N型半导体中所具有的势能。在电场的作用下，电子从金属片A通过结点2到达N型半导体时必然要增加势能，而这部分势能只能从金属片A处取得，结果金属片A处的温度必然会降低。而当电子从N型半导体经结点1流向金属片B2时，因电子由势能高处流向势能低处，因此在金属B2处释放能量，使之转变为热能释放出来，则使金属片B2处温度升高。制冷原理前景展望热电材料低维化是一个热点趋势提高费米能级态密度，导致载流子有效质量增加，塞贝克系数增大。由于声子的量子禁闭效应和多层界面声子散射的