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半导体中的热效应
半导体中的热效应
● 塞贝克效应
● 珀耳帖效应
● 汤姆孙效应
热电效应有三个：
塞贝克效应：

两种金属或半导体接触，在两个接触点之间若存在温度差 便产生电流，这种电流称为热电流。如果是开路环，则在两端之间产生电动势，称为热电动势或温差电动势。
这种电动势与温度差及材料的性质有关。材料的性质由如下的特征系数决定：
系数α称为温差电动势率，等于单位温度差的热电动势。
原理：如果导体不均匀加热，载流子的平均能量和浓度将在高温处高。因此，在均匀半导体中的温度梯度将引起载流子平均能量的梯度和浓度梯度。这样出现载流子的扩散并产生电流。在开路环中定态下样品中各处的电流密度等于零，说明由温度梯度产生的电流与电场形成的电流互相抵消，在样品中产生温差电动势。
N型半导体和P型半导体的温差电动势方向相反
当温度增加时，载流子浓度和速度都增加，由热端扩散到冷端。 N型半导体，多子是电子，则热端缺少电子，冷端有过剩电子，产生由热端指向冷端的电场，热端电势高，冷端电势低。P型半导体则相反。
则由半导体的温差电动势的正负，可以判断半导体的导电类型。
热探针法
应用I
应用II
温差电偶（热电偶）：利用金属的塞贝克效应，制作测量温度用的热电偶。
应用III
温差发电器
半导体的塞贝克效应很大，可用来制作把热能转变为电能的温差发电器。
N型和P型半导体热电材料做成如图所示的两臂，一端用金属以欧姆接触相接，温度为T1，另一端通过欧姆接触与电阻RL相连，温度为T0，当T1>T0时，由于塞贝克效应，负载RL中便有电流流过，构成温差发电器。
温差发电器原理图
RL
珀耳帖效应：

在处于相同温度中的两种导体或半导体接触处通电流时，产生或者吸收热量的现象称为珀耳帖效应。
金属
金属
图6.6
应用：
半导体制冷器
用外电源产生电流，通过珀耳帖效应，制造制冷器，使得一个接头不断吸热，一个接头不断放热。
N型和P型半导体热电材料做成如图所示的两臂，一端用金属以欧姆接触相接；另一端接直流电源产生电流。接电源的一端保持温度T0，由于珀耳帖效应，当电流由金属流向P型材料时，接触处将吸收热量；当电流由N型材料流向金属时，接触处也将吸收热量，因而，用金属相连的一端不断从周围环境中吸收热量使温度下降，够成制冷器。
半导体制冷器原理图
吸热端
放热端
汤姆孙效应：

当电流流过有均匀温度梯度的导体或半导体时，原有的温度分布将被破坏，为了维持原有的温度分布，则导体将吸热或放热，这种效应称为汤姆孙效应。
电子在电场作用下，由低温处漂移至高温处，能量变化为：
间接跃迁为一个二级过程（电子与光子作用，电子与声子作用），因此其发生概率比直接跃迁小得多，相应的吸收系数也小。
吸收系数的理论表达式为：
四、补充
1.直接带隙半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生。主要是涉及光学声子，发射声子过程，吸收应发生在直接跃迁吸收限短波一侧。吸收声子过程发生在吸收限长波一侧，可使直接跃迁吸收边不是陡峭地下降为零。
2.间接禁带半导体中，仍可能发生直接跃迁。Ge吸收谱的肩形结构的解释，P306，图10.8。
3.重掺杂半导体（如n型），Ef进入导带，低温时，Ef以下能级被电子占据，价带电子只能跃迁到Ef以上的状态，因而本征吸收长波限蓝移，即伯斯坦移动(Burstein-Moss效应)。
4.强电场作用下，能带倾斜，小于Eg的光子可通过光子诱导的隧道效应发生本征跃迁，既本征吸收长波限红移，即弗朗兹-克尔德什（Franz-Keldysh）效应。
研究本征吸收的意义：
研究半导体的本征吸收光谱，不仅可以根据吸收限决定禁带宽度Eg，还有助于了解能带的复杂结构，也可作为区分直接带隙和间接带隙半导体的重要依据。

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