半导体热电材料

晶体致冷元件正是利用晶体的这一特点。 (4)以多种材料，按不同的工作温度范围配套， 改善优值系数。中国
干对温差电偶排列成阵、组成半导体致冷电堆或 组成级联式致冷电堆。目前，一级半导体致冷电 堆可达-40℃，两级或三级的致冷器，其致冷温 度可达-80℃到-100℃。当然
，致冷温度愈低，效率和产冷量就愈低。 应用 (1)半导体温差发电材料用于制备温差发电机， 已应用于海岸挂灯、浮标灯、边防通讯用电源、 石油管道中无人中继站电源和
3为基的固溶体合金材料，常用于温差致冷，小 功率的温差发电器(如心脏起搏器)和级联温差发 电机的低温段。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。 中温材料 工作温度约为500～600℃，主要是PbTe、GeTe、 AgSbTe2或其合金材料。PbTe早已用于工业生
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。 粉末冶金法。宜于大批量生产，材料的机械强度
高且成分均匀，易于制成各种形状的温差电元件， 其缺点是破坏了结晶方位，材料密度较小，从而 不能获得高的热电性能。 熔体结晶法。设备操作简单，严格控制可获得单 晶或由
几个大晶粒组成的晶体，材料性能较好。缺点是 不宜大批量生产，材料的机械强度差，切割的材 料耗损较大。 连续浇铸法。宜于大批量生产。缺点是设备费用 大，且不易控制。
区域熔炼法。可获得高质量的单晶材料，杂质分 布均匀。缺点是价格昂贵，不宜大批量生产。 单晶拉制法。可获得高质量的单晶，但单晶炉的 结构比பைடு நூலகம்复杂。缺点是不适宜大批
概述 半导体热电材料 (semiconductorthaermoelectricmaterial)指具 有较大热电效应的半导体材料，亦称温差电材料。 它能直接把热能
转换成电能，或直接由电能产生致冷作用。1821 年德国塞贝克(see—beck)在金属中发现温 差电效应，仅在测量温度的温差电偶方面得到了 应用。半导体出
。目前，液态材料还处于研究阶段。按功能分类， 可分为两大类： 温差发电材料。主要有ZnSb、PbTe、GeTe、SiGe 等合金材料。半导体温差发电机的特点是：无
噪声、无磨损、无振动、可靠性高、寿命长；维 修方便；易于控制和调节，可全天候工作；可替 代电池。半导体温差发电机的热源，可用煤油、 石油气以及利用Pu238、sr90
Ge、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8.5×l0-
3／℃，SiGe合金材料的理论转换效率可达10％。 液态材料 工作温度可高达数千度，主要使用于极高温度的 热源。主要材料有Cu2s•Cu8Te2S等
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。AgSbTe3具有极低的晶格热 导率，前途看好。中温材料可用于温差致冷(如 PbTe等)，而主要用于温
差发电机和级联温差发电机的中温段，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900～1000℃，主要有Si
野战携带电源以及海底探查、宇宙飞船和各类人 造卫星用电源。 (2)半导体温差致冷材料，用于制造各种类型的 半导体温差致冷器，如各种小型冷冻器、恒温器、 露点温度计、
电子装置的冷却，以及在医学、核物理、真空技 术等方面都有应用。 发展趋势 (1)寻求为满足不同用途和更佳优值系数的新型 半导体材料。 (2)对材料的研究愈来愈
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量生产。 外延法制取薄膜。该法目前用于Bi2Te3薄膜生长。 分类 热电材料种类繁多，如PbTe、ZnSb、SiGe、 AgSbTe2、GeTe、CeS及某
些Ⅱ-V族。Ⅱ-Ⅵ族、V-Ⅵ族化合物和固溶体， 目前已有一百余种。按工作温度分类，可分4大 类： 低温材料 工作温度约为200℃，主要是Bi2Te3及Bi2Te
、Po210等放射性同位素。 温差致冷材料。主要是铋、锑、硒、碲组成的固 溶体，通常是由Bi—Sb—Te组成p型 材料，Bi—
Se—Te组成n型材料。目前，半导体致冷器 所用材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3及其固溶体， 其优值系数z为2～3×10-3／℃。通常把若
深入，如将p型Sb2Te3加入Bi2Se3中，组成四元 合金，获得较好的Z值。 (3)发展材料制备工艺，以获得最佳的组织结构。 例如，Bi2Te3及以其为基的固溶
体在晶体结构上是辉碲铋矿型结构，有强烈的方 向性，平行于解理面的电导率σ是垂直于 解理面的4～10倍，热导率为3～5倍，温差电优 值系数约为2倍，所以取向