一、热电材料的特点与热电优值

制造热电发电机或热电致冷器的材料称为热电材料,是一种能实现电能与热能交互转变的材料其优点如下:

（1）体积小,重量轻，坚固,且工作中无噪音;（2）温度控制可在±0.1℃之内;（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。被认为会破坏臭气层)，不会造成任何环境污染;（4）可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制。

虽然其优点众多，但利用热电材料制成的装置其效率(<10%)仍远比传统冰箱或发电机小。所以若能大幅度提升这些热电材料的效率，将对广泛用于露营的手提式致冷器，太空应用和半导体晶片冷却等产生相当重要的影响。家庭与工业上的冷却将因热电装置无运动的部件，是坚固的，安静的，可靠的，且避免使用会破坏臭气层的含氯氟碳氢化合物。热电材料需要有高导电性以避免电阻所引起电功率之损失，同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不会因热传导而改变。 材料的热电效率可定义热电优值 (Thermoelectric figure of merit) ZT来评估:

其中，S为塞贝克系数(thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T为绝对温度，σ为电导率，κ为导热系数。为了有一较高热电优值ZT，材料必须有高的塞贝克系数(S)，高的电导率与低的导热系数。

二、温度传感器的分类 作用 工作原理 及其应用范围

目前主要有热敏电阻、双金属片、集成化半导体温度传感器和热电偶四大类。

热敏电阻（其中分正温度和负温度特性两类），其根据电阻材料随温度的变化而影响材料的电阻率随之相应变化的原理实现温度传感的，其特点是工作温度范围广，成本低、但线性差，误差较大，适用于温控精度要求不高的场合。

双金属片通常是将两片不同的金属叠在一起，根据不同金属的热膨胀率的差异，导致双金属机构产生于温度变化相对应的形变的原理做成的，其特点的温度范围大，但精度极低。

集成化半导体温度传感器是由硅二极管和运算放大器组成的，是三端器件，其根据硅二极管正向压降随温度的升高而线性降低的原理，由于线性降低的线性精度虽然良好，但变化值微小，所以要通过运算放大器线性放大，另外，通过改变运算放大器的负反馈电阻的值，实现输出不同电压变化范围的各规格产品，以适应不同设备的要求。其特点是精度高，热惯性小，响应快，输出负载能力大（抗电磁干扰能力强），成本较高，温度适用范围小。

热电偶是根据两个不同导体或半导体在不同的温度下之间产生电动势的所谓的温差发电效应产生的传感器，其并非真正意义上的温度传感器，但它对温差敏感。

三、为什么半导体中塞贝克系数seebeckcoefficient随着载流子浓度上升而下降

塞贝克效应又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差电压，该电势差取决于两种金属中的电子溢出功不同及两种金属中电子浓度不同造成的。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。

四、导电性好的材料导热性差吗

材料的导热性和导电性分别用热导 [公式] 和电导 [公式] 来衡量，而热导一般包括两个部分：

[公式]

其中 [公式] 表示电子热导，顾名思义就是由自由电子的扩散产生的热导，在温度梯度下电子会从高温区向低温区扩散完成传热过程。电子热导和材料的电导联系紧密，其关系满足Wiedemann-Franz定律：

[公式]

L是Loranz常数：L=2.45×10^-8 [公式]

即电子热导部分和电导成正比关系。

第二部分 [公式] 称为声子热导，与电导无关。所谓声子，并不是真实的微观粒子，而是固体材料中的晶格点阵的集体运动模式，这种运动模式和粒子很像，称为准粒子。而由晶格振动产生的热传导就是声子热导。

声子热导满足[公式] ,Cv是比热，l 是声子平均自由程，v是声子传播速度。直观上也容易理解，同样的温度梯度下，比热大的材料导热多；而声子平均自由程越大，表示声子在运动中受到的散射越少，热传导越顺利；声子传播速度v越大，显然传热也会越快。

如果是绝缘体，不导电没有电导，也就没有电子热导，主要靠声子热导导热。

这个问题还涉及到热电材料研究的一个基本问题：在材料热导和电导紧密关联的前提下，如何提高热电优值ZT？

所谓热电材料是指能将热能和电能相互转换的功能材料，这种转换能力的高低由热电品质因子ZT来衡量： [公式]

这个S是赛贝克系数，用来衡量赛贝克效应大小。赛贝克效应是热电效应的一种，是指将两种不同金属各自的两端分别连接，并放在不同的温度下，就会在这样的线路内发生电流。塞贝克系数有一个更好理解的名字叫热电势，也就是由于温度梯度产生的电势差。热电势的物理机制有两种：一是载流子扩散，即由于温度梯度载流子会从高温端向低温端扩散，从而产生电势差；二是声子曳引，由于电声子耦合，温度梯度下声子扩散会拽着电子一起扩散，从而产生电势差。

我们可以看到，决定材料热电品质因子的三个物理量S、 [公式] 和 [公式] 之间彼此存在着相互制约的关系，要想得到高的ZT值必须提高S和 [公式] 同时降低 [公式] 。

S和电导 [公式] 都与载流子浓度有关，载流子浓度越大电导越大，但S一般而言会越小，材料热电性能随载流子浓度的依赖关系如下图，图中的 [公式] 即是塞贝克系数S。同时电导 [公式] 和 [公式] 又紧密相关，正是由于电子热导和电导之间的正比关系使得很难在提高电导的同时又降低热导。

五、塞贝克系数是什么

"塞贝克系数"

为半导体材料的温差电动热（称为塞贝克系数）.I为电流强度.To为冷端温度.ATHc为冷、热端间的温差.R为半导体致冷器内电阻

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六、塞贝克的电磁板衰减实验验证了什么？

塞贝克系数（Seebeck coefficient，thermopower）的定义：一种材料的Seebeck系数是度量材料上的温度差引起的热电电压大小的量。Seebeck系数国际单位是伏每开尔文（V/K），另外一个常用的单位是微伏每开尔文（μV/K）。

根据这个定义，我们可以测试塞比克系数。商用的块体材料Seebeck系数测试系统有很多，国产的有科瑞欧公司的CTA-x系列和嘉仪通科技的Namicro-3，国外的有日本ULVAC公司的ZEM3和德国林赛斯公司的LSR-3。

我在这里推导一下Seebeck系数测试原理。我们有Fig. 1所示的测试系统。在材料A两端施加温差，用材料B做导线连接材料A的两端（这里需要确认接触为欧姆接触），导线的两个自由端1和2处于室温，并且在导线的1和2点测试电压（ΔV_12），1接电压表正极，2接电压表负极。