Теплопроводность полупроводников

Коэффициент теплопроводности полупроводников

Представлена таблица теплопроводности полупроводников при низкой отрицательной и положительной температурах — в интервале от -263 до 27°С.

Процесс теплопереноса в твердом теле в общем случае протекает за счет движения свободных носителей заряда и колебаний решетки атомов. Соответственно, выделяют две составляющие теплопроводности: решеточную и электронную. Общая теплопроводность материала определяется суммой этих величин.

В металлах количество свободных электронов достаточно велико, и электронная составляющая теплопроводности вносит основной вклад в общую теплопроводность — движение свободных заряженных частиц является основным механизмом переноса тепла в металлах. Электронная составляющая определяется в первую очередь удельным электрическим сопротивлением металлов и их температурой — чем эти параметры меньше, тем выше теплопроводность большинства металлов.

Диэлектрикам свойственна решеточная (или фононная) теплопроводность, при которой процесс переноса тепла происходит за счет передачи энергии тепловых колебаний соседних атомов решетки. Электронная составляющая переноса тепла в диэлектриках практически отсутствует из-за малого количества свободных носителей заряда.

Теплопроводность полупроводников обычно обусловлена решеточной составляющей теплопроводности. Однако, некоторые полупроводники с высоким содержанием легированных добавок, содержат большое количество свободных электронов (или дырок) и имеют высокий уровень электронной теплопроводности и низкую фононную проводимость. К таким полупроводникам можно отнести, например, теллурид свинца PbTe и висмута Bi2Te3.

Температурная зависимость коэффициента теплопроводности полупроводников определяется в основном их химическим составом и степенью легирования. Теплопроводность таких полупроводников, как ZnSb, CdS, CdSe, CdTe и других уменьшается при повышении температуры. Однако, влияние температуры на теплопроводность некоторых полупроводников таково, что при ее увеличении она сначала увеличивается, а затем начинает снижаться. К таким полупроводникам можно отнести: GaP, AlN, AlSb и некоторые другие.

Теплопроводность полупроводников при комнатной температуре находится в широком диапазоне. По данным таблицы видно, что при температуре 27°С ее величина имеет значение от 1,7 (у HgSe n-типа) до 490 Вт/(м·град) у SiC n-типа. Интересно отметить, что коэффициент теплопроводности полупроводника SiC n-типа имеет величину большую, чем теплопроводность меди и серебра при этой же температуре.

Теплопроводность полупроводников при различных температурах, Вт/(м·град)
t, °С -263 -253 -233 -193 -123 27
Cd3As2 нелегированный, n=2·1018 см-3 2,7 2,8
CdSb p-типа, n=(3…5)·1015 см-3 4,9 (-173°С) 3,0 1,9
ZnSb, чистота исходного материала 99,9999% 260 210 40 11,5 5,2 5,0
ZnO*1, концентрация примесей менее 2,5·1018 см-3 300 520 450 260 134 54
ZnS, гексагональная структура, концентрация примесей менее 5·1017 см-3 300 380 310 155 70 27
CdS, концентрация примесей более 1016 см-3, || оси c 540 360 200 97 43 20
CdSe n-типа, чистота исходного материала более 99,99%, нелегированный, || оси c 230 200 72 32
CdTe, концентрация примесей менее 2·1018 см-3 520 250 117 44 18,4 7,5
HgSe n-типа, n(при 4,2 К)=2,1·1017 см-3 120 93 41 11 4,4 1,7
HgTe p-типа, концентрация акцепторов 1018…1019 см-3 25 (-213°С) 14 5,0 2,6
BN*2 2,0 10 43 112 180
GaP p-типа, R(при 27°С)=75 см3/Кл 190 590 700 450 210 140 (-23°С)
GaAs n-типа, n(при -196°С)=2·1016 см-3 1400 2500 780 270 105 58
GaSb p-типа, n=1,5·1017 см-3 140 340 320 180 85 36
InP n-типа, n(при -196°С)=2·1016 см-3 1800 2700 1200 470 190 70
InAs n-типа, n(при -196°С)=3·1016 см-3 2900 1700 600 170
InSb n-типа, n=7·1013 см-3 2000 1100 370 90 42
SiC n-типа, концентрация атомов 1017 см-3, || оси c 350 1900 5100 4100 1500 490
PbS p-типа, n(при 27°С)=1,7·1018 см-3 70 48 13 8,0
PbS природный, n(при 27°С)=1,48·1017 см-3 5,5 (-173°С) 3,9 2,6
PbSe p-типа, n(при 27°С)=5,4·1018 см-3 70 37 11,5 5,2
PbSe n-типа, n=6,4·1017 см-3, легированный медью 5,0 3,0 1,8
Bi2Te3 n-типа, n(при -196°С)=3·1017 см-3 6,4 3,5 2,9
AlN*3 65 100 175 290 330 200
AlSb p-типа, R(при 27°С)=7,0 см3/Кл 72 280 330 210 115 69 (-23°С)

Примечание:
*1 Приведены средние значения теплопроводности ZnO гексагональной структуры: λср=1/3(2λас), где λа и λс — теплопроводности вдоль осей а и с соответственно. Для 30<Т<300 К λас=1,2.
*2 Горячепрессованная поликристаллическая керамика плотностью 97% теоретической, размер зерен 20 мкм, концентрация примесей O и C меньше 2·1019 см-3.
*3 Синтетический монокристалл, атомное содержание кислорода (1…5)·1020 см-3.
Обозначения: n — концентрация носителей тока; R — постоянная Хола.

Источники:

  1. Охотин А.С., Боровикова Р.П. и др. Теплопроводность твердых тел. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1984. — 320 с.
  2. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
  3. Кайданов В.И., Нуромский А.Б. Электропроводность, термоэлектрические явления и теплопроводность полупроводников. Учебное пособие. Ленинград, 1981. — 79 с.
  4. Стильбанс Л. С. Физика полупроводников. М.: Советское радио, 1967. — 451 с.
Читайте также

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подписаться, не комментируяВсе комментарии модерируются. Спам будет удален!