金屬、絕緣體和半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率

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1、金屬、絕緣體和半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率（比較）微電子物理2011-01-0622:17:37閱讀190評(píng)論4??字號(hào)：大中小?訂閱XieMeng-xian.?(電子科大，成都市)??（金屬的熱導(dǎo)率是否一定很大？絕緣體的熱導(dǎo)率是否一定很??？為什么重?fù)诫s半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率低于輕摻雜半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率？為什么在高溫下金剛石的熱導(dǎo)率高于金屬等各種材料的熱導(dǎo)率？）?熱導(dǎo)率是材料的一個(gè)重要熱學(xué)性能參量。對(duì)于半導(dǎo)體材料而言，其熱導(dǎo)率的大小將直接關(guān)系到所制作的半導(dǎo)體器件的耐高溫性能以及處理功率的能力等。材料的熱導(dǎo)率是衡量熱能在介質(zhì)中傳輸難易程度的一個(gè)物理量。實(shí)驗(yàn)表明，熱流密度j（單位時(shí)間內(nèi)

2、通過單位截面的熱能）與溫度梯度（dT/dx）成正比，比例系數(shù)κ就是熱導(dǎo)率，即有熱傳導(dǎo)的Fourier定律（負(fù)號(hào)表示熱能總是從高溫端流向低溫端）：?j=-κ(dT/dx).對(duì)于合金、混合物或者多孔材料等材料的熱導(dǎo)率，與這些材料的電阻率相似，可以采用相應(yīng)的混合法則來計(jì)算。熱傳導(dǎo)的物理本質(zhì)是自由粒子的擴(kuò)散。氣體的熱傳導(dǎo)就是氣體分子從高溫端擴(kuò)散到低溫端而產(chǎn)生熱流的一種現(xiàn)象；若氣體分子的平均熱運(yùn)動(dòng)速度為v，氣體分子碰撞的平均自由程為?，單位體積氣體的定容比熱為Cv，則分子運(yùn)動(dòng)論給出熱導(dǎo)率為:??κ=(1/3)Cv?v.對(duì)于固體的熱傳導(dǎo)，產(chǎn)生的機(jī)理主要有兩種：一是自由

3、載流子（電子和空穴）的擴(kuò)散，二是聲子（晶格振動(dòng)能量子）的擴(kuò)散。與氣體分子的熱導(dǎo)率類似，自由載流子和聲子的熱導(dǎo)率，也決定于比熱、速度和平均自由程，即都可以表示成與上式相同的形式，只是其中的v和?分別為相應(yīng)的平均熱運(yùn)動(dòng)速度和平均自由程.???（1）金屬的熱導(dǎo)率：金屬的熱傳導(dǎo)主要就是其中自由電子（價(jià)電子）從高溫端擴(kuò)散到低溫端而產(chǎn)生熱流的現(xiàn)象，相對(duì)來說,聲子的熱傳導(dǎo)作用可以忽略。因?yàn)榻饘僦械膬r(jià)電子實(shí)際上只有能量處于Fermi面附近的自由電子才能參與導(dǎo)電和導(dǎo)熱等輸運(yùn)過程，則這種電子往往稱為傳導(dǎo)電子。因此在熱導(dǎo)率表示式中的v應(yīng)該選取為傳導(dǎo)電子的速度——Fermi速度v

4、f（vf=(2Ef/m)1/2）.如果電子碰撞的平均自由時(shí)間為τ，則電子平均自由程?=vfτ。因此，金屬電子的熱導(dǎo)率與溫度和電子遭受散射的情況有關(guān)。熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系：在高溫下，金屬的比熱為常數(shù)（～6卡/克-度，Dulong-Petit定律），則熱導(dǎo)率主要決定于電子的平均自由時(shí)間；當(dāng)溫度升高時(shí)，金屬中的聲子密度將線性地增加，就使得電子遭受散射的平均自由時(shí)間線性地減短，所以維持熱導(dǎo)率不變。?在很低溫度下，由于晶體中的聲子數(shù)目很小，則電子的平均自由時(shí)間或者平均自由程即變得非常大（決定于晶體邊界或者雜質(zhì)的散射），并且與溫度無關(guān)。于是這時(shí)金屬的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系將

5、主要決定于比熱的變化；按照Debye比熱理論，隨著溫度的降低，比熱即T3式下降，從而導(dǎo)致金屬的熱導(dǎo)率近似指數(shù)式地下降。?總之，金屬的熱導(dǎo)率主要是傳導(dǎo)電子擴(kuò)散所致的熱導(dǎo)率。在高溫下，由于晶格振動(dòng)散射，使得電子的平均自由時(shí)間隨著溫度的升高而線性地減短，則導(dǎo)致熱導(dǎo)率與溫度無關(guān)；在低溫下，由于電子的平均自由時(shí)間和平均自由程很大、而與溫度無關(guān)，則熱導(dǎo)率決定于比熱，并且隨著溫度的下降而很快減小。（2）絕緣體的熱導(dǎo)率：對(duì)于絕緣體，因?yàn)椴淮嬖谳d流子，則它的熱傳導(dǎo)主要是其中聲子從高溫端擴(kuò)散到低溫端而產(chǎn)生熱流所致。聲子熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系：在高溫下（T>>Debye溫度Θ），隨

6、著溫度的升高，晶格比熱近似為常數(shù)，而聲子密度正比地增加，使得聲子之間的散射加劇，則聲子平均自由時(shí)間減短，從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降；?在低溫下（T<<Θ），這時(shí)聲子密度很低，則聲子的平均自由程很長（由晶體尺寸決定）、而與溫度無，因此熱導(dǎo)率主要決定于晶格比熱，即隨著溫度的降低而按照T3規(guī)律降低。這已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)了證明，并且在同一溫度下，晶粒尺寸越大，聲子的平均自由程就越長，則熱導(dǎo)率也就越高。一般，絕緣體的熱導(dǎo)率低于金屬，但是并非完全如此，例如：①對(duì)于含有雜質(zhì)的不純金屬或者合金，其中的電子由于受到雜質(zhì)、缺陷的散射，平均自由程很短，則熱導(dǎo)率也可能與絕緣體一樣的??；②作為絕

7、緣體的金剛石具有很高的熱導(dǎo)率（～2000W-m1-K1），幾乎是金屬Ag的5倍。由于金剛石具有很強(qiáng)的共價(jià)鍵，所以它具有很高的聲子熱導(dǎo)率。而高分子聚合物，因?yàn)樵谄渚酆湘溨g存在較弱的二次鍵合，所以它的聲子熱導(dǎo)率很?。ㄒ话愣夹∮?W-m1-K1）?？傊?，絕緣體的熱導(dǎo)率主要是聲子擴(kuò)散所致的熱導(dǎo)率。在高溫下，由于聲子密度增大，散射加劇，使得聲子的平均自由時(shí)間隨著溫度的升高而減短，則導(dǎo)致熱導(dǎo)率隨之線性地下降；在低溫下，由于聲子的平均自由時(shí)間和平均自由程很大、并與溫度無關(guān)，則熱導(dǎo)率決定于比熱，并且隨著溫度的下降而很快減小。（3）半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率：?半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率

8、κ包括兩個(gè)部分，即聲子的熱導(dǎo)率和載流子的熱導(dǎo)率；其中聲子熱導(dǎo)率的情