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《半导体物理学》课程教案大纲一、课程说明（一）课程名称：《半导体物理学》所属专业：物理学（电子材料和器件工程方向）课程性质：专业课学分：学分（二）课程简介、目标与任务：《半导体物理学》是物理学专业（电子材料和器件工程方向）本科生的一门必修课程。
通过学习本课程，使学生掌握半导体物理学中的基本概念、基本理论和基本规律，培养学生分析和应用半导体各种物理效应解决实际问题的能力，同时为后继课程的学习奠定基础。
本课程的任务是从微观上解释发生在半导体中的宏观物理现象，研究并揭示微观机理；重点学习半导体中的电子状态及载流子的统计分布规律，学习半导体中载流子的输运理论及相关规律；学习载流子在输运过程中所发生的宏观物理现象；学习半导体的基本结构及其表面、界面问题。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：本课程的先修课程包括热力学与统计物理学、量子力学和固体物理学，学生应掌握这些先修课程中必要的知识。
通过本课程的学习为后继《半导体器件》、《晶体管原理》等课程的学习奠定基础。
（四）教材与主要参考书：［］刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学（第版）［］. 北京：电子工业出版社. .［］黄昆,谢希德. 半导体物理学［］. 北京：科学出版社. .［］叶良修.半导体物理学（第版）［］. 上册. 北京：高等教育出版社. .［］. . , ( .), , , .二、课程内容与安排第一章半导体中的电子状态第一节半导体的晶格结构和结合性质第二节半导体中的电子状态和能带第三节半导体中电子的运动有效质量第四节本征半导体的导电机构空穴第五节回旋共振第六节硅和锗的能带结构第七节族化合物半导体的能带结构第八节族化合物半导体的能带结构第九节合金的能带第十节宽禁带半导体材料（一）教案方法与学时分配课堂讲授，大约学时。
限于学时，第节可不讲授，学生可自学。
（二）内容及基本要求本章将先修课程《固体物理学》中所学的晶体结构、单电子近似和能带的知识应用到半导体中，要求深入理解并重点掌握半导体中的电子状态（导带、价带、禁带及其宽度）；掌握有效质量、空穴的概念以及硅和砷化镓的能带结构；了解回旋共振实验的目的、意义和原理。
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。
半导体物理姜胜林 刘欢4半导体中的电子状态6载流子输运7非平衡载流子8p －n 结9金属和半导体的接触12半导体的热电性质11异质结5半导体中载流子的统计分布10半导体表面与MIS 结构12半导体的热电性质本章内容提要热电三大效应赛贝克效应珀耳帖效应汤姆逊效应热电效应的应用热电效应热能电能应用：温差发电、温差制冷热电第一效应——塞贝克效应热电第二效应——珀耳帖效应热电第三效应——汤姆逊效应12.1 热电效应的一般描述1.塞贝克效应1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeck Effect ）”。
Thomas Johann Seebeck （1780～1831）［应用］塞贝克效应发现之后，人们就为它找到了应用场所。
利用塞贝克效应，可制成温差电偶（thermocouple ，即热电偶）来测量温度。
只要选用适当的金属作热电偶材料，就可轻易测量到从－180℃到＋2000℃的温度，如此宽泛的测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。
现在，通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计，甚至可以测量高达＋2800℃的温度！塞贝克系数开路1834年，法国实验科学家珀耳帖发现，将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 ）。
Jean Charles Athanase Peltier （1785～1845）［应用］帕耳帖效应发现100多年来并未获得实际应用，因为金属半导体的珀尔帖效应很弱。
直到上世纪90年代，原苏联科学家约飞的研究表明，以碲化铋为基的化合物是最好的热电半导体材料，从而出现了实用的半导体电子致冷元件——热电致冷器（Thermo Electric cooling ，简称TEC）。
2.珀耳帖效应（与两种导体的性质及接头的温度有关）珀耳帖效应πJabJ为电流密度William Thomson, （1824～1907）［应用］汤姆逊效应因为产生的电压极其微弱，至今尚未发现实际应用。
半导体陶瓷的热电性能与热电器件应用半导体陶瓷是一类具有半导体特性和陶瓷结构的材料，具有优良的热电性能。
热电性能是指材料在温度差下产生的热电势和电流之间的关系，也称为热电效应。
热电器件是利用热电效应将热能转化为电能或将电能转化为热能的设备。
本文将介绍半导体陶瓷的热电性能以及其在热电器件中的应用。
半导体陶瓷具有良好的热电性能是由于其特殊的电子结构和晶体结构。
在半导体陶瓷中，电子能带结构使得材料中的电子具有特殊的能量分布。
通过加热或施加温度梯度，材料内部会产生电子迁移和扩散，从而产生热电势差和电流。
半导体陶瓷的导电性和隔热性使得其在温度梯度下产生的热电势差较大，因此具有较高的热电转换效率。
半导体陶瓷的热电性能可以通过材料的热电参数来描述。
热电参数是指材料在特定温度下的热电势差和电导率。
热电势差是指单位温度差下的电势差，通常用热电势系数（也称为Seebeck系数）来表示。
电导率是指材料中的电流密度和电场强度之间的关系，它决定了材料对电流的导电能力。
热电参数的大小往往决定了半导体陶瓷的热电转换效率。
目前，人们通过合适的掺杂和制备工艺来改善材料的热电参数，以提高热电器件的效率。
半导体陶瓷的热电器件广泛应用于能量转换和热管理领域。
在能量转换方面，半导体陶瓷可以将废热转化为电能。
废热是指在工业生产、汽车运作和电子设备使用过程中产生的热能，如果不进行有效的回收利用，将会造成能源的浪费和环境的污染。
通过将半导体陶瓷制成热电器件，可以将废热中的热能转化为电能，从而提高能源利用效率。
热电汽车座椅、热电功率发生器和热电太阳能装置等都是典型的利用半导体陶瓷热电器件进行能量转换的应用。
在热管理领域，半导体陶瓷的热电器件可以实现热能的调控和传输。
随着电子器件的迅速发展，电子器件的紧凑化和集成化导致高功率器件的热问题日益突出。
半导体陶瓷热电器件可以通过调控温度梯度实现对热的引导和散热，从而实现对电子器件的热管理。
热电散热片、热通道结构和热电冷却模块都是利用半导体陶瓷热电器件进行热管理的典型应用。
半导体材料的热电性能研究随着能源需求的不断增长和可再生能源的日益重要，寻找高效的能源转换和储存材料成为迫切的需求。
在这个背景下，半导体材料的热电性能研究日趋受到关注。
热电效应是指在温度梯度下，通过半导体材料将热能转化为电能的现象。
这一效应可以用于利用余热发电、太阳能电池等领域。
要研究半导体材料的热电性能，我们需要了解材料的电导率和热导率。
电导率是指材料在电场作用下的载流子运动能力，和电子迁移率有关。
热导率则表示了材料对热能传导的能力。
热电性能的关键在于同时具备高电导率和低热导率的材料。
近年来，有机半导体材料在热电转换领域表现出优异的性能。
有机半导体材料具有良好的导电性和热导率，相较于无机半导体材料，有机半导体材料更易于合成和加工。
这一特点使得有机半导体材料成为热电领域的研究热点。
在有机半导体材料的热电性能研究中，一种重要的特性是材料的带隙。
带隙是指材料在固态中能量量子态分布的能级间隙。
具有较小的带隙的材料通常具有较高的电导率，而较大的带隙则表明更好的热隔热性能。
除了带隙之外，材料的晶格结构也对热电性能有着重大影响。
晶格结构的完整性和稳定性能够减小电子和热子的散射，从而提高电导率和降低热导率。
因此，在研究半导体材料的热电性能时，我们需要对材料的晶格结构进行深入的分析。
此外，控制载流子的输运也是研究半导体材料热电性能的重要方向。
载流子的输运受到材料的缺陷、晶界等因素的影响，通过对这些因素的调控，可以提高材料的电导率和热导率。
为了提高半导体材料的热电性能，研究人员还开展了许多新颖的方法。
例如，合成复合材料。
复合材料通过将两种不同材料相结合，可优化电导率和热导率之间的平衡。
同时，改变材料的形态，例如纳米结构、多层薄膜结构等也是提高热电性能的有效手段。
最后，为了更好地研究半导体材料的热电性能，需要建立具有高精度和高效率的实验和理论方法。
实验手段如热电设备、电导率和热导率测量装置等可以帮助我们获得准确的热电性能数据。
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》教学大纲课程名称：半导体物理学英文名称：Semiconductor Physics课程编号：课程类别：专业选修课使用对象：应用物理、电信专业本科生总学时： 48 学分： 3先修课程：热力学与统计物理学；量子力学；固体物理学使用教材：《半导体物理学》刘恩科等主编，电子工业出版社出版一、课程性质、目的和任务本课程是高等学校应用物理专业、电子与信息专业本科生的专业选修课。
本课程的目的和任务是：通过本课程的学习使学生获得半导体物理方面的基本理论、基本知识和方法。
通过本课程的学习要为应用物理与电信专业本科生的半导体集成电路、激光原理与器件、功能材料等后续课程的学习奠定必要的理论基础二、教学内容及要求本课程所使用的教材，共13章，概括可分为四大部分。
第1～5章，晶体半导体的基本知识和性质的阐述；第6～9章归结为半导体的接触现象；第10～12章，半导体的各种特殊效应；第13章，非晶态半导体。
全部课堂教学为48学时，对上述内容作了必要的精简。
10～13章全部不在课堂讲授，留给学生自学或参考，其他各章的内容也作了部分栅减。
具体内容和要求如下：第1章半导体中的电子状态1.半导体的晶格结构和结合性质2.半导体中的电子状态和能带3.半导体中电子的运动有效质量4.本征半导体的导电机构空穴5.回旋共振6.硅和锗的能带结构7.III-V族化合物半导体的能带结构8.II-VI族化合物半导体的能带结构9.Si1-xGex合金的能带10.宽禁带半导体材料基本要求：将固体物理的晶体结构和能带论的知识应用到半导体中，以深入了解半导体中的电子状态；明确回旋共振实验的目的、意义和原理，进而了解主要半导体材料的能带结构。
（限于学时，本章的第7-10节可不讲授，留学生参阅，不作具体要求）。
重点：半导体中的电子运动；有效质量；空穴概念。
难点：能带论的定性描述和理解；锗、硅、砷化镓能带结构第2章半导体中杂质和缺陷能级1.硅、锗晶体中的杂质能级2.III-V族化合物中的杂质能级3.氮化镓、氮化铝、氮化硅中的杂质能级4.缺陷、位错能级基本要求：根据不同杂质在半导体禁带中引入能级的情况，了解其性质和作用，由其分清浅杂质能级（施主和受主）和深能级杂质的性质和作用；了解缺陷、位错能级的特点和作用。
半导体的热电效应及热电材料研究与应用VIP专享文档 2015-11-02 9页摘要：据半导体热电效应以及制冷原理进行了分析，并分析了提高半导体热电材料热电优值的方法介绍了当今国内外半导体热电材料研究和热电材料制冷方面的应用。
关键词：热电效应；半导体热电材料；塞贝克系数；电导率；热导率；热电优值，半导体制冷；正文:一．热电效应把热能转换为电能的所谓热电效应的发现已有一个半世纪的历史，这是与温度梯度的存在有关的现象，其中最重要的是温差电现象。
但是，由于金属的温差电动势很小，只是在用作测量温度的温差电偶方面得到了应用。
半导体出现后，发现它能得到比金属大得多的温差电动势，在热能与电能的转换上，可以有较高的效率，因此，在温差发电、温差致冷方面获得了发展。
由于温度梯度及电流同时存在时引起的一些现象——主要是塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。
（1）塞贝克效应塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。
在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。
塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。
半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。
产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。
例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。
自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为负），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为正），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。
半导体热电效应制热制冷效果介绍半导体热电效应是指当半导体材料受热或受冷时，产生的电压差或电流的现象。
这种效应可用于制热和制冷，具有广泛的应用前景。
本文将深入探讨半导体热电效应的原理、制热制冷效果以及相关应用。
原理半导体热电效应基于热电效应的基本原理，即当两个不同温度的导体或半导体材料连接在一起时，由于温度差异，会产生电压差。
这种现象被称为热电效应。
在半导体材料中，热电效应主要由两种机制引起：Seebeck效应和Peltier效应。
Seebeck效应Seebeck效应是指当两个不同温度的导体或半导体材料连接在一起时，由于温度差异，导致电子在两个材料之间产生漂移，从而产生电势差。
这个电势差可以用来驱动电流的流动。
Seebeck系数是衡量材料热电性能的重要参数，它表示单位温度差下产生的电势差。
Peltier效应Peltier效应是指当电流通过两个不同温度的导体或半导体材料之间时，会产生热量的吸收或释放。
当电流流过材料时，由于电子的能量变化，会引起材料的温度变化。
这种现象可以用来实现制冷或制热。
制热效果半导体热电效应可以用于制热。
当电流通过半导体材料时，根据Peltier效应，会产生热量的释放。
这种热量可以用来加热周围的环境。
制热效果取决于材料的热导率、电流大小以及电流通过的时间。
通过控制这些参数，可以实现精确的制热效果。
制热效果的应用非常广泛。
例如，在冷冻设备中，半导体制热器可以用来抵消冷冻过程中产生的热量，从而提高冷冻效率。
此外，在一些特殊的环境中，如航天器中，由于无法使用传统的加热器，半导体制热器可以提供稳定的加热效果。
制冷效果半导体热电效应还可以用于制冷。
当电流通过半导体材料时，根据Peltier效应，会吸收外界的热量。
这种热量吸收可以用来降低周围环境的温度。
制冷效果取决于材料的热导率、电流大小以及电流通过的时间。
通过控制这些参数，可以实现精确的制冷效果。
制冷效果的应用也非常广泛。
例如，在电子设备中，半导体制冷器可以用来降低元器件的温度，提高设备的性能和可靠性。
《半导体物理》课程考试大纲一、适用专业：集成电路工程二、参考书目：1．刘恩科朱秉升编，半导体物理学，国防工业出版社三、考试内容与基本要求：第一章绪论[考试要求]本章要求学生掌握本课程研究的对象和内容，了解半导体材料及器件的应用，了解本课程的基本要求；了解与半导体晶体相关的概念，重点掌握倒格子、布里渊区的概念，重点了结晶体中的缺陷、晶格振动和晶体中的电子运动。
[考试内容]①晶格、格点、基矢、布里渊区、倒格子等概念②晶体中的缺陷、晶格振动③晶体中的电子运动第二章半导体中的电子状态[考试要求]本章要求学生掌握电子、空穴和有效质量的概念，重点了解和掌握半导体的能带结构，了解半导体中的杂质和缺陷能级。
[考试内容]①电子、空穴和有效质量的概念②能带论，并用能带理论解释半导体物理学中的一些现象③常用半导体的能带结构④半导体中的杂质和缺陷第三章热平衡状态下载流子的统计分布[考试要求]本章要求学生掌握状态密度及费米能级的概念，掌握热平衡状态下本征半导体及杂质半导体的载流子浓度，了解非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化。
[考试内容]①状态密度及费米能级的概念以及它们的表达式②热平衡状态下本征及杂质半导体的载流子浓度③非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化④简并半导体第四章载流子的漂移和扩散[考试要求]本章要求学生掌握半导体中载流子的各种散射机制，了解电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系，掌握载流子的扩散和漂移运动、爱因斯坦关系。
[考试内容]①半导体中载流子的各种散射机制②电导率和迁移率③电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系④载流子的扩散和漂移运动，爱因斯坦关系⑤强电场效应，热载流子第五章非平衡载流子[考试要求]本章要求学生掌握非平衡载流子的注入与复合，了解各种复合理论，连续性方程。
[考试内容]①非平衡载流子的注入与复合②各种复合理论③连续性方程第六章p-n结[考试要求]本章要求学生掌握p-n结概念及其能带图，掌握理想p-n结的电流电压关系，了解p-n 结电容，了解实际p-n结的电流电压关系、p-n结击穿、p-n结隧道效应等。
第十讲热电效应半导体的热电效应与金属材料的热电效应一样，主要有： 塞贝克效应（德国物理学家，1821年发现）珀耳贴效应（法国物理学家，1834年发现）汤姆逊效应（英国物理学家，1856年发现）式中 α 为塞贝克系数，单位为V/K ，也称为温差电动势率。
利用塞贝克效应，可制成热电偶，用来测量温度。
只要选用适当的金属材料，可测量到从 -180℃到2800℃范围的温度。
一、塞贝克效应S V Tα=∆1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应”。
温差电动势的表达式为：托马斯·约翰·塞贝克（1770～1831）图1 塞贝克效应电子浓度 n 随温度的上升按指数规律增大，在半导体中产生了电子的浓度梯度，电子由高温端向低温端扩散，在低温端积累了负电荷，产生了由高温端指向低温端的自建电场。
在自建电场的作用下，电子做漂移运动，电子漂移的方向与扩散方向相反，当漂移和扩散达到动态平衡时，在半导体两端产生一电动势，即温差电动势。
温差电动势的方向：n 型半导体的高温端为“+”，低温端为“-”；而p 型半导体的高温端为“-”，低温端为“+”。
图2 半导体的塞贝克效应以 n 型半导体为例，其结构如图 2 所示， n型半导体的两端与金属以欧姆接触相连接，并保持有温度差△T ，在半导体内部形成温度梯度。
图3 塞贝克效应应用影响塞贝克效应的另一个因素是“声子曳引效应”。
当样品中存在温度梯度时，声子也将从高温端向低温端扩散，并在扩散过程中与载流子碰撞把能量传递给载流子，从而加速了载流子的扩散运动，即声子曳引作用。
增强了塞贝克效应。
可以用温差电动势的方向来判断半导体的导电类型，如图 3 所示。
n 型半导体和p 型半导体中塞贝克效应的温差电动势率分别为：C F 00n C 33ln 22E E k k n qT q q N α⎛⎫⎛⎫-=-+=-- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭0F V 0p V 33ln 222k E E k p q T q N α-=+=-1834年法国物理学家帕耳帖发现，当电流通过不同金属的结点时，在结点处有吸、放热现象。
第十一章
半导体的热电性质
前言
所谓热电效应，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、半导体制冷等方面得到了广泛的应用。
前言
半导体的热电效应与金属材料的热电效应一样，主要有： 塞贝克效应（德国物理学家，1821年发现）
铂耳贴效应（法国物理学家，1834年发现）
汤姆孙效应（英国物理学家，1852年发现）
第十一章
Part 1
11.1 热电效应
11.2 半导体的热导率
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，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度差而产生电动势的现象称为塞贝克效应。
11.1热 电 效 应
一、塞贝克效应
对于 n 型半导体材料来说，电子浓度 n 0 由掺杂控制，并随温度的上升按指数规律增大。
即
因此，半导体高温端的电子浓度大于低温端的电子浓度，在半导体材料内产生了电子浓度梯度。
所以，电子就由高温端（即高电子浓度端）向低温端（即低电子浓度端）扩散，并在低温端积累有净的负电荷，高温端则由于电子离开而积累有净的正电荷，在半导体中产生电场，电场方向沿电子浓度梯度的反方向，即由高温端指向低温端。
这个电场的存在必将引起电子沿着与扩散方向相反的方向作漂移运动。
当漂移和扩散达到动态平衡时，即在半导体两端产生一稳定的电动势 V s ，即温差电动势，其方向高温端为正，低温端为负。
()⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛--=T k E E h T k m n o F c o
n exp 22323*0π
一、塞贝克效应其温差电动势率（即塞贝克系数）为：
3()
2c F
E E k qT q α-=-+ 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。
由于半导体的赛贝克系数比金属的大得多，所以，可用来制作温差发电装置（热能转化为电能）。
半导体中塞贝克效应的温差电动势（以n 型半导体为例）为：
T
V s ∆=α
二、珀耳贴效应
在如图所示的结构中，当半导体的两端与同一种金属接触，并在半导体两端施加一电压，使回路中有电流流过时，在半导体与金属的接触面处有吸热或放热产生，这一现象称为半导体的珀耳贴效应。
半导体的珀耳贴效应是可逆的。
二、珀耳贴效应
以P型半导体和金属相接触为例来说明珀耳贴效应：金属与半导体的接触为欧姆接触，平衡时金属和半导体有统一的费米能级。
当电流由金属流向半导体时，在金属中，空穴处于E F 附近，而半导体中E F 的位置比价带顶E V 高出E F - E V ，即半导体中价带顶的空穴能级比金属中的空穴能级高。
所以，金属中的空穴至少要吸收E F – E V 的能量才能通过接触面进入半导体（实际过程是价带电子流向金属）。
进入半导体中的空穴，要在半导体中运
动还需吸收能量E，因此，空穴要通过金属
和半导体的接触面，必须吸收E F – E V + E
的能量。
同理，空穴从半导体流向金属时，
空穴必须放出E F – E V + E 的能量。
二、珀耳贴效应若在回路中通过的电流为 I ，则单位时间内吸收或放出的热量为：式中π称为珀耳贴系数，金属与半导体接触的珀耳贴系数
dQ
I dt π=05()ln 2v k T P r q N π=±+-⎡⎤⎢⎥⎣⎦（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。
三、汤姆孙效应
在如图所示的结构中，当半导体的两端与同一种金属接触，并保持温度差△T（或温度梯度），这时回路中若有电流流过时，在半导体中除了产生焦耳热外，随着电流方向的不同，在半导体和金属的接触面处还要吸收或放出一定的热量，这一现象称为汤姆孙效应。
吸收或放出的热量称为汤姆孙热量。
汤姆孙效应也是可逆的。
三、汤姆孙效应
以P 型半导体和金属相接触为例来说明汤姆孙效应：金属与半导体的接触为欧姆接触，当电流从低温端流向高温端时，P 型半导体中的空穴沿电势降落的方向从低温端运动到高温端，空穴的动能增加了qV ；另一方面，空穴是沿着温度升高的方向运动的，即空穴从温度场中又获得了（k 0△T 3/2）的平均热能量。
这两部分能量的代数和即为空穴自 T 0 端运动到 T 0 + △T 端时获得的净能量。
即
在单位时间、单位体积内吸收或放出的汤姆孙热量与电流密度和温度梯度有关，即： x dQ
dT J dt dx
σ= 式中 是汤姆孙系数，单位为V/K 。
σT k qV E ∆+=∆02
3
三、汤姆孙效应T k qV E ∆⎪⎭
⎫ ⎝⎛++=∆025γqT E E dT dE q V F F T
p
--=1σqT E E dT dE q F C F T
n
-+=1σ实际中，对空穴从热场中获得的能量进行修正，得
当净能量△E 大于零时，对应于空穴从晶格中吸收这部分能量；当净能量△E 小于零时，对应于空穴向晶格放出这部分能量。
P 型半导体材料的汤姆孙系数为： 当电流沿正温度梯度方向流动时，空穴吸收能量， 为正；当电流沿负
温度梯度方向流动时，空穴放出能量， 为负。
n 型半导体材料的汤姆孙系
数为：T p σT p σ
半导体的热导率
概述
固体的热导率是晶格振动（声子）的贡献和导电载流子的贡献两部分组成。
优良的电导体一般也是好的热导体，如金属的热传导，主要是通过电子的运动，将能量由金属的高温部分带到低温部分。
绝缘体中没有自由载流子，因此，绝缘体的热传导主要依靠格波的传播，即声子的运动来传输热量。
概述
半导体材料的电学性质介于导体和绝缘体之间，因此，半导体的热导率由声子的运动和电子的运动两种机构决定。
一般情况下，声子对热导率的贡献(K P)所占的比例要比载流子的贡献(K C)大得多。
半导体材料的热导率可表示为：
K = K P+ K C
式中各量的单位为：W/m.K
一、载流子对热导率的贡献 此时载流子的分布函数要随空间坐标变化，讨论载流子对热导率的贡献时，须求解玻耳兹曼方程。
此处直接给出计算结果，即
20*
832n C n nl k T
K m k T π=1、只有一种载流子存在
当半导体具有温度梯度，其中的载流子由高温端向低温端运动时，便将热能从高温端携带到低温端，形成热传导。
一、载流子对热导率的贡献 由于载流子带有电荷，在输运能量的同时也形成电流，因此，半导体的热导率与电导率之间一定存在某种联系。
理论和实验证明：
C
K L
T σ=式中Ｌ为常数，称为洛伦兹数。
可以证明，对于长声学波散射机构，有：
20
2
2C K k T q σ=以上的结果是对只有一种载流子运动的非简并半导体而言的。
一、载流子对热导率的贡献
2、电子和空穴两种载流子同时存在
当电子和空穴两种载流子同时存在时，高温端的电子和空穴浓度均大于低温端，此时具有与温度梯度同方向的载流子浓度梯度，所以，电子和空穴由高温端向低温端扩散。
一、载流子对热导率的贡献
我们知道，半导体中电子和空穴的扩散速度各不相同，电子的扩散速度快，空穴的扩散速度慢，电子和空穴扩散运动的结果在半导体体内产生一电场，其方向沿温度梯度的反方向，该电场使空穴加速，电子减速，最终使得两者以相同的速度运动。
这种扩散过程称为双极扩散。
在双极扩散过程中，电子和空穴不断复合，这样，电子和空穴在高温端吸收的热量，在低温端放出，转变为晶格的热振动能量，同时，电子和空穴相遇复合。
通过双极扩散的机构，电子和空穴共同将能量从高温端运载到低温端。
二、声子对热导率的贡献 半导体中热传导绝大部分是声子（晶格振动）的贡献。
通过晶格振动将热量从高温处传输到低温处时，热能并不是沿直线由样品的一端传输到另一端，而是通过格波之间的散射交换能量，即通过声子的运动运载热能。
因此，声子对热传导率的贡献实质上就是格波之间的散射过程的贡献。
声子对热导率的贡献 为：
1
3
P V p K C vl 式中 v 为声子速度，C V 为单位体积的定容热容量，l p 为声子的平均自由程。
谢谢
小论文题目
一、随着器件特征尺寸的不断缩小，CMOS器件和电路会
出现什么问题？目前有哪些应对措施？
二、谈谈你对太阳能光伏技术和产业发展的认识。
三、以高电子迁移率晶体管（HEMT）为例分析说明异质
结器件的优势。
四、简述非晶态半导体的应用和发展趋势。
五、什么是稀磁半导体？简述稀磁半导体的主要性质和
应用。
