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1、金属、绝缘体和半导体的热导率（比较）微电子物理2011-01-06 22:17:37阅读190评论4 字号：大中小订阅Xie Meng-xian. （电子科大，成都市）（金属的热导率是否一定很大？绝缘体的热导率是否一定很小？为什么重掺杂半导体的热导率低于轻掺杂半导体的热导率？为什么在高温下金刚石的热导率高于金属等各种材料的热导率？）热导率是材料的一个重要热学性能参量。对于半导体材料而言，其热导率的大小将直接关系到所制 作的半导体器件的耐高温性能以及处理功率的能力等。材料的热导率是衡量热能在介质中传输难易程度的一个物理量。实验表明，热流密度j （单位时间内 通过单位截面的热能）与温度梯度（dT/
2、dx）成正比，比例系数k就是热导率，即有热传导的Fourier定律 （负号表示热能总是从高温端流向低温端）：j=-k（dT/dx）.对于合金、混合物或者多孔材料等材料的热导率，与这些材料的电阻率相似，可以采用相应的混合 法则来计算。热传导的物理本质是自由粒子的扩散。气体的热传导就是气体分子从高温端扩散到低温端而产生热 流的一种现象；若气体分子的平均热运动速度为v,气体分子碰撞的平均自由程为？，单位体积气体的定容 比热为Cv，则分子运动论给出热导率为：k=（1/3）Cv ? v.对于固体的热传导，产生的机理主要有两种：一是自由载流子（电子和空穴）的扩散，二是声子（晶 格振动能量子）的扩散。与气体
3、分子的热导率类似，自由载流子和声子的热导率，也决定于比热、速度和 平均自由程，即都可以表示成与上式相同的形式，只是其中的v和？分别为相应的平均热运动速度和平均自 由程.（1）金属的热导率：金属的热传导主要就是其中自由电子（价电子）从高温端扩散到低温端而产生热流的现象，相对来 说,声子的热传导作用可以忽略。因为金属中的价电子实际上只有能量处于 Fermi 面附近的自由电子才能参与导电和导热等输运过 程，则这种电子往往称为传导电子。因此在热导率表示式中的v应该选取为传导电子的速度Fermi速 度vf （vf=（2Ef/m）1/2）.如果电子碰撞的平均自由时间为t,则电子平均自由程?=vf t。因此
4、，金属电子的热 导率与温度和电子遭受散射的情况有关。热导率与温度的关系：在高温下，金属的比热为常数（6卡/克-度，Dulong-Petit定律），则热导 率主要决定于电子的平均自由时间；当温度升高时，金属中的声子密度将线性地增加，就使得电子遭受散 射的平均自由时间线性地减短，所以维持热导率不变。 在很低温度下，由于晶体中的声子数目很小，则电 子的平均自由时间或者平均自由程即变得非常大（决定于晶体边界或者杂质的散射），并且与温度无关。 于是这时金属的热导率与温度的关系将主要决定于比热的变化；按照Debye比热理论，随着温度的降低， 比热即T3式下降，从而导致金属的热导率近似指数式地下降。总之，金
5、属的热导率主要是传导电子扩散所致的热导率。在高温下，由于晶格振动散射，使得电子 的平均自由时间随着温度的升高而线性地减短，则导致热导率与温度无关；在低温下，由于电子的平均自 由时间和平均自由程很大、而与温度无关，则热导率决定于比热，并且随着温度的下降而很快减小。（2）绝缘体的热导率：对于绝缘体，因为不存在载流子，则它的热传导主要是其中声子从高温端扩散到低温端而产生热流 所致。声子热导率与温度的关系：在高温下（TDebye温度0）,随着温度的升高，晶格比热近似为常数， 而声子密度正比地增加，使得声子之间的散射加剧，则声子平均自由时间减短，从而导致热导率下降；在 低温下（T0），这时声子密度很低，
6、则声子的平均自由程很长（由晶体尺寸决定）、而与温度无，因此 热导率主要决定于晶格比热，即随着温度的降低而按照 T3 规律降低。这已经得到实验了证明，并且在同 一温度下，晶粒尺寸越大，声子的平均自由程就越长，则热导率也就越高。一般，绝缘体的热导率低于金属，但是并非完全如此，例如：对于含有杂质的不纯金属或者合金， 其中的电子由于受到杂质、缺陷的散射，平均自由程很短，则热导率也可能与绝缘体一样的小；作为绝 缘体的金刚石具有很高的热导率（2000 W-m_1-K_1），几乎是金属Ag的5倍。由于金刚石具有很强的共价键，所以它具有很高的声子热导率。而高分子聚合物，因为在其聚合链 之间存在较弱的二次键合，
7、所以它的声子热导率很小（一般都小于1 W-m_1-K_1）。总之，绝缘体的热导率主要是声子扩散所致的热导率。在高温下，由于声子密度增大，散射加剧， 使得声子的平均自由时间随着温度的升高而减短，则导致热导率随之线性地下降；在低温下， 由于声子的 平均自由时间和平均自由程很大、并与温度无关，则热导率决定于比热，并且随着温度的下降而很快减小。（3）半导体的热导率：T(K)半导体的热导率K包括两个部分，即声子的热导率和载流子的热导率；其中声子热导率的情况与绝 缘体的相同。对于掺杂浓度低于1018cm二温度高于600K的半导体 载流子对半导体热传导的贡献一般都很小， 因此半导体的热导率基本上就是声子的热
8、导率。从而，半导体热导率与温度的关系也将呈现为倒V形的变 化曲线，如图所示（图中也示出了 Cu 的热导率，以资比较）。在高温下，声子之间的散射使得平均自由 程反比于温度而减短，导致热导率也下降（-1/T）；在低温下，因为比热-T3,则热导率随着温度的升高 而迅速增大。半导体的掺杂浓度提高时，其热导率将减小；重掺杂半导体（1019cm3）的热导率可减小20% 30%。可见，半导体中的载流子对导热还有一定的阻碍作用。总之，半导体的热导率主要是声子的热导率。因此，在高温下热导率将随着温度的升高而线性地减 小，低温下随着温度的降低而很快地减小。由于不同的材料具有不同的导热机理，并且还与杂质、缺陷等因素
9、有关，所以不同材料的热导率将 各不相同。在表中列出了在室温下各种材料的热导率数据。可见，金属的热导率不一定大，绝缘体和半导 体的热导率也不一定小；实际上，作为绝缘体或者半导体的金刚石是迄今为止所知道的具有最大室温热导 率的材料。金刚石是一种优良的耐高温的半导体材料，并且还可以用作为大功率半导体激光器和大功率微波器 件 IMPATT 的热沉。此外，由于金刚石还具有较宽的禁带宽度、较高的载流子迁移率和较大的临界雪崩击 穿电场强度，所以它也是一种能够用来制作高频、高速、高电压、大电流、高温、抗辐射的大功率器件的 一种先进半导体材料，有着广阔的应用前景。半导体材料SiGeGaAsGaPGaNAIN3g
10、C6H-SiC金刚石热导率切収)1.50.60.460.51.52.53.23.620陶瓷、玻璃塔融石英氮化硅筑化輻蓝宅石BeO热导率(WcnvK)7515020003000370026000聚合物材料聚丙烯矍氯乙烯聚碳酸酯鬼龙6用聚四氟乙烯低密度聚乙烯肓童度聚乙烯热导率(WSHEO0.120+170.220.240+25Q.3Q5纯金属材料NbFeZnWAlCuAg热导率(w-nyK)5280113178250390420合金材料不锈钢108055%Cu-45%Ni70%Ni-30%Cu青铜35Cu-5%Sn斓6S%Cu-3?%2n95%l-c热导率(W/m-K)12-165019 525801251
