塞貝克係數

材料的塞貝克係數（也稱為熱電勢、 ^[1]熱電勢和熱電靈敏度）是在塞貝克效應中，單位溫差所產生電壓大小的測量。 ^[2]塞貝克係數的 SI 單位是伏特每開爾文(V/K)， ^[2] 但更常見的單位是微伏每開爾文 (μV/K)。

利用熱電效應製成的是熱電發電裝置和熱電冷卻裝置，需要以提高材料的塞貝克係數來提高性能。^[3]

從物理上講，塞貝克係數的大小和符號可以理解為材料中電流攜帶的每單位電荷的熵。它可能是正的或負的。對導體中獨立移動的自由電荷載流子，塞貝克係數對於帶負電的載流子（例如電子）為負，對於帶正電的載流子（例如電子空穴）為正。

根據「 唐-崔瑟豪斯第二原理」，塞貝克係數除了測量熱電性能外，還可以用來探測和設計半導體中電子輸運的能量敏感度和散射機制。 ^[4]麻省理工學院的唐爽和崔瑟豪斯夫人指出，塞貝克係數的最大值可由載流子輸運對能量的敏感度單調決定，因此可以用來探測半導體材料和設備中電子的散射機制。 ^{[5] [6] [7] [8]}

定義

定義塞貝克係數的一種方法是當對材料施加溫度梯度時，以及當材料達到電流密度處處為零的穩定狀態時，建立的電壓。如果材料兩端的溫差ΔT較小，則材料的塞貝克係數定義為：

${\displaystyle S=-{\Delta V \over \Delta T}}$

其中 Δ V是兩端的熱電電壓。

塞貝克效應表示的電壓偏移無法直接測量，因為由於測量引線中的溫度梯度和塞貝克效應，測量的電壓（通過連接電壓表）包含額外的電壓貢獻。電壓表電壓始終取決於所涉及的各種材料之間的相對塞貝克係數。

技術上，塞貝克係數是根據溫度梯度驅動的電流部分來定義的，如矢量微分方程中所示

${\displaystyle \mathbf {J} =-\sigma {\boldsymbol {\nabla }}V-\sigma S{\boldsymbol {\nabla }}T}$

此處，${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {J} }$是電流密度， ${\displaystyle \scriptstyle \sigma }$是電導率， ${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}V}$是電壓梯度，並且${\displaystyle \scriptstyle {\boldsymbol {\nabla }}T}$是溫度梯度。上述零電流、穩態特殊情況有${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {J} =0}$ ，這意味著兩個電導率項已抵消，因此${\displaystyle {\boldsymbol {\nabla }}V=-S{\boldsymbol {\nabla }}T.}$

正負號習慣

該符號在以下表達式中明確表示：

${\displaystyle S=-{\frac {V_{\rm {left}}-V_{\rm {right}}}{T_{\rm {left}}-T_{\rm {right}}}}}$

因此，如果S為正，則溫度較高的一端電壓較低，反之亦然。材料中的電壓梯度將與溫度梯度相反。

塞貝克效應通常主要由電荷載流子擴散的貢獻決定，電荷載流子擴散往往會將電荷載流子推向材料的冷側，直到建立補償電壓。因此，在p 型半導體， S為正，在n 型半導體（僅具有負移動電荷，電子）中， S為負。然而，在大多數導體中，電荷載流子表現出類空穴和類電子行為，並且S的符號通常取決於它們中的哪一個占主導地位。

測量

實際上，絕對塞貝克係數很難直接測量，因為通過電壓表測量的熱電電路的電壓輸出僅取決於n-型和p-型半導體間塞貝克係數的差異。這是因為連接到電壓表的電極必須放置在材料上才能測量熱電電壓。然後，溫度梯度通常還會在測量電極的一端感應出熱電電壓。這種兩種材料的排列通常稱為熱電偶。

測得的塞貝克係數是n-型和p-型半導體兩極的貢獻，可以寫為：

${\displaystyle S_{AB}=S_{B}-S_{A}={\Delta V_{B} \over \Delta T}-{\Delta V_{A} \over \Delta T}}$