Теплопроводность 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.
| 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(2λа+λс), где λа и λс — теплопроводности вдоль осей а и с соответственно. Для 30<Т<300 К λа/λс=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:
- Охотин А.С., Боровикова Р.П. и др. Теплопроводность твердых тел. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1984. — 320 с.
- Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
- Кайданов В.И., Нуромский А.Б. Электропроводность, термоэлектрические явления и теплопроводность полупроводников. Учебное пособие. Ленинград, 1981. — 79 с.
- Стильбанс Л. С. Физика полупроводников. М.: Советское радио, 1967. — 451 с.