第十章-其他半导体材料

第十一章其他半导体材料1.热电材料2.半导体红外光学材料3.半导体陶瓷材料10.1热电效应热电效应又称为温差效应，将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应热电效应示意图热电效应赛贝克效应珀尔贴效应汤姆孙效应10.1.1赛贝克效应BAABNNekTTEln)(ABTT0K：玻耳兹曼常数，e：电子电荷量，T：接触处的温度NA，NB：分别为导体A和B的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(00)()(0TETEVABAB赛贝克系数单位温差所产生的温差电动势，称为赛贝克系数TVdTVTab)(lim0baab10.1.2珀尔帖效应两种不同导体a,b连接后，通入电流，接头处便可产生吸热或者放热现象，称为珀尔帖效应QTT珀尔帖系数dH/dt表示单位时间内接头处单位面积上所吸收或者放出的热量dtdHJab110.1.3汤姆孙效应当存在着温度梯度的均匀半导体中有电流通过时，导体中除了产生与导体电阻相关的焦耳热外，还要吸收或者放出热量，称为汤姆孙效应dxdTJdtdHTa开耳芬关系式ababTTababTdTdT热电材料的优值较大的赛贝克系数－－热电效应大较小的热导率－－热量保持在接头较高的电导率－－焦耳热少2ZLZ固溶体合金理论利用合金化引起晶格短程畸变，使其加强对声子的散射，降低晶格热导率，对载流迁移率影响不大，因而对材料的电导率影响很小。热电优值和温度Bi2Te3－－室温工作Bi-Sb合金－－低温范围，20K～200KPbTe－－高温范围，300K～900KSiGe固溶体SiGe固溶体的热电性能，载流子浓度，温度更大热电优值ZT～1－－－实际情况ZT～4－－－理论来利用ZT=3的材料制备家用冰箱，在经济上可以与传统压缩机式冰箱竞争提高ZT提高ZT提高赛贝克系数提高电导率降低热导率－－重要途径热导率热导率包括晶格热导率和载流子热导率载流子热导率调节余地很小降低晶格热导率（增加对声学声子的散射）成为提高材料热电优值最主要的方法典型的高热电性能材料应该为窄带隙半导体10.1.4热电材料的应用热电发电半导体制冷1）热电发电所谓热电发电就是将热能直接转变成电能，通过高温与低温的温差产生的热将移动的热能转变成电能，使其发电。地球上任何的地方均存在温差，可以说有无限的利用前景。其应用领域可以从家庭直至整个地球，可利用的热源温度范围为—200℃~+2000℃（现在的技术水平）。半导体热电堆发电技术和太阳能光伏发电技术并称为21世纪的两大最具潜力的新烈发电技术，对于缓解其至解决当前日益增长的能源压力和环境危机具有重大意义。半导体热电发电机（简称为TEG），实质上是许多p和n型半导体材料按照一定的排列组合方式构成的半导体堆(Thermopile)。因此，半导体热电发电也经常被称为半导体热电堆发电。热电发电示意图TEG工作原理发电机工作于冷热源之间，热端从热源吸热，由冷端向冷源放热，将热能转化为电能，以温差电动势或电流的形式输出。TEG产生的温差电动势主要由汤姆逊(Thomson)电动势和帕尔贴电动势组成。当半导体材料的两端存在温差时，半导体的导电机构受到热激发后运动状态会发生改变。对于n型半导体，自由电子从高温向低温迁移，因此在低温端积累电子带负电，而高温端缺乏电子带正电。同时，高低温端会在导体中建立起一个静电场，一方面阻止自由电子从高温向低温运动，一方面使反向的自由电子加速到低温端。当达到静电平衡时,半导体两端就会形成一定的电动势。TEG优点TEG循环与传统热力发电相比具有以下的优点:①无噪音、无污染、无旋转机械运行寿命长,可靠性高；②能够满足中小发电量的要求,可以灵活地调整负荷；③适用于工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等中低混度范围的热量利用,发电潜力巨大；④对热源温度要求较低,即使在100℃以下,也能输出电能；⑤能够适用于特殊场合(如荒漠、深层空间等)的发电需要。TEG循环的效率一般为5～10%。在影响TEG循环效率因素中,半导体材料的热电特性起着至关重要的作用。现在常见的半导体热电材料有Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3、PbTe以及SiGe等。2）半导体制冷半导体制冷也叫温差制冷、热电制冷或电子制冷，是利用“塞贝克效应”的逆效应-“珀尔帖效应”进行制冷。法国物理学珀尔帖在1834年发现在两种不同金属组成的闭合线路中，若通以直流电，就会使一个结点变冷，另一个变热，这种效应后来被称为珀尔帖效应，但由于当时半导体材料的热电性能差、效率低，一直没得到实际应用。直到20世纪50年代，随着热电性能较好的半导体材料的迅猛发展，热电效应的效率大大提高，才使热电发电和热电制冷进入工程实践领域。例如可以用于小型旅行电冰箱、冷暖饮水机等家用电器，还可用于低温医疗器具，当然其最重要的应用是在信息技术领域，可以作为电子元器件（红外探测器、半导体激光器、晶体管、精密电阻元器件及计算机CPU或其它芯片）的冷源，用于提高其性能。半导体制冷的优点与现行的压缩式制冷或吸收式制冷方式相比，半导体制冷是靠电子（空穴）在运动中直接传递热量来实现的，因而有如下优点：①不需要制冷剂，无污染、清洁卫生；②无机械传动部件，结构简单、无噪声、无磨损、可靠性高；③通过改为工作电流的大小来调节制冷速度和制冷温度，控制灵活；④热电堆可以任意排布、大小形状皆可根据需要改变。从具体应用的实际情况看，大面积推广应用还有待材料Z值与性价比的提高。根据其制冷功率划分：1.制冷功率小于10W时，是最为理想的经济方式；2.当制冷功率低于50W时，可同其它制冷方式竞争；3.在50W~1kW的应用中，只有当半导体制冷器的某个或某些特性在应用中显得十分重要时，才考虑采用主要应用的三类热电材料室温下优值系数Z最高的是P型材料Ag0.58Cu0.29Ti0.29Te四元合金，其在300K时Z值可以达到5.7×10-3K-1，但制备起来较为困难；200~300K普冷范围内热电性能优良、应用最多的材料是三元Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3固溶体合金，其平均优值系数Z可维持在3.0×10-3K-1左右，是目前各国半导体制冷器生产厂家的首选材料，但是温度降到200K以下时，热电性能将迅速下降；20~200K深、低冷范围内最好的材料是N型Bi-Sb合金，其Z值可大于3.0×10-3K-1，其中Bi85Sb15在80K时的Z值可以达到6.5×10-3K-1，是已知材料中最高的，但当温度超过200K时，优值系数会大大低于同温度下的固溶体材料。10.2半导体红外光学材料自然界中,一切温度高于绝对零度摄氏-273.16的物体都不断地辐射着红外线,这种现象称为热辐射。红外线是一种人眼不可见的光波，它是由物质内部的分子、原子的运动所产生的电磁辐射，是电磁频谱的一部分,其波段介于可见光和微波波段之间(0.76～1000微米)。通常按波长把红外光谱分成4个波段:近红外（0.76～3微米）、中红外（3～6微米）、中远红外（6～20微米）和远红外（20～1000微米）。大气窗口物体发出的辐射，大都要通过大气才能到达红外光学系统。由于大气中二氧化碳、水汽等气体对红外辐射会产生选择性吸收和其他微粒的散射，使红外辐射发生不同程度的衰减。人们把某些衰减较小的波段，称为大气窗口。在0.76～20微米波段内有3个大气窗口:1～2.7微米,3～5微米，8～14微米。目前红外系统所使用的波段，大都限于上述大气窗口之中（大气窗口还与大气成份、温度和相对湿度等因素有关）。由于红外系统所探测的目标处于各自的特定背景之中，从而使探测过程复杂化。因此，在设计红外系统时，不但要考虑红外辐射在大气中的传输效应，还要采用抑制背景技术，以提高红外系统探测和识别目标的能力红外光学材料的要求宽的红外透过波段;对不同波长红外线有高的透过率;对不同波长红外线有理想的折射率和低色散;材料具有良好的力学、热学性能及对环境的适应性能;易加工成各种形状和大的尺寸;制造成本低。10.2.1红外透射特性材料所能透过的红外波长范围－－带隙在该波段，其透过率的大小－－晶格振动和载流子吸收色散表示材料的折射率n随着波长的变化率材料的反射率定义为反射光强与入射光强之比光损耗机理吸收损耗－－本征损耗带间吸收，晶格振动吸收，载流子吸收非本征损耗材料表面和体内发生散射造成的光损耗红外光学材料的应用红外系统按工作原理，可分为主动式和被动式两类。主动式系统需自带红外光源照射目标；被动式系统则直接探测目标的红外辐射。被动式系统主要用于军用红外系统，如热成像系统、搜索跟踪系统、红外辐射计和警戒系统等。军事应用红外系统比雷达系统的分辨率高，隐蔽性好，且不易受电子干扰，较之可见光系统具有能识别伪装、可昼夜工作、受天气影响较小等优点。夜间可见光很微弱，但人眼看不见的红外线却很丰富。红外线视仪可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆。红外制导系统已广泛应用于空空、地空、岸舰和舰舰导弹等数十种战术导弹上。空间红外侦察设备已用于导弹预警卫星、气象卫星、陆地卫星和照相侦察卫星上。10.3半导体陶瓷材料PTCNTC临界温度热敏电阻材料线性热敏半导体陶瓷压敏半导体陶瓷