GaN基半导体材料热电性质的第一性原理计算与研究

发布时间：2017-10-14 03:08

  本文关键词：GaN基半导体材料热电性质的第一性原理计算与研究

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【摘要】：热电材料是新型能源材料,它是能将热能和电能相互转换的功能材料。其中GaN基半导体材料由于禁带宽度大、热导率高、塞贝克系数大和耐高温等特性,使得其在热电领域的应用也很广泛。热电材料的热电特性由无量纲物理量热电优值ZT来表述,好的热电材料要求有大的功率因子S2σ和小的热导率κ。论文采用第一性原理计算方法,结合基本近似原理及密度泛函理论,对GaN材料的电子特性进行了计算。采用基于半经典玻尔兹曼输运方程的模拟计算方法对Ga N的N型及P型半导体的热电性质进行了计算,得到了塞贝克系数曲线、电导率曲线、功率因子曲线及热电优值曲线。计算结果表明,N型和P型半导体的塞贝克系数都随着载流子浓度的提高而降低,且在载流子浓度一定时,温度越高,塞贝克系数越大;N型和P型半导体的电导率随着载流子浓度的提高而增加,且在载流子浓度一定时,温度越高,电导率越小;N型和P型半导体的功率因子都随载流子浓度的增加呈现先增后减的趋势;N型半导体功率因子在温度为300K,载流子浓度为1017cm-3时,功率因子取得最大值 1750μW/mK2;P型半导体功率因子在温度为1200K,载流子浓度为1020cm-3时,功率因子取得最大值 3500μW/mK2;热导率随着掺杂变化改变较小,在研究中取做定值κ=5.85×104/T;N型和P型半导体的热电优值,都随着载流子浓度的增加呈现先增后减的趋势。N型半导体热电优值在温度为1200K时,载流子浓度为1018cm-3时,热电优值ZT的峰值为0.0039;P型半导体热电优值在温度为1200K时,载流子浓度为1020cm-3时,热电优值达到最大,为0.0085;由此可知,GaN的P型掺杂半导体较N型掺杂半导体而言,具有更好的热电特性。
【关键词】：第一性原理 玻尔兹曼输运方程 热电材料 氮化镓
【学位授予单位】：河北科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 引言8
• 1.2 选题依据8-11
• 1.2.1 课题研究背景8-9
• 1.2.2 课题研究现状9-10
• 1.2.3 课题研究意义10-11
• 1.3 本论文研究内容11
• 1.4 本文的章节安排11-14
• 第2章 热电材料14-24
• 2.1 热电材料概述14
• 2.2 热电现象的三个基本效应14-17
• 2.3 热电材料基本参数17-21
• 2.4 GaN基半导体材料优点21-22
• 2.5 本章小结22-24
• 第3章 理论基础与计算方法24-34
• 3.1 第一性原理计算24
• 3.2 基本近似24-25
• 3.2.1 Born-Oppenheimer绝热近似25
• 3.2.2 Hartree-Fock近似25
• 3.3 密度泛函理论25-28
• 3.3.1 Hohenberg-Kohn定理26
• 3.3.2 Kohn-Sham方程26-27
• 3.3.3 交换关联泛函27-28
• 3.4 玻尔兹曼输运理论28-30
• 3.5 本文采用的计算软件30-32
• 3.6 本章小结32-34
• 第4章 GaN本征半导体电子结构计算34-46
• 4.1 理论模型34-35
• 4.2 计算方法35-38
• 4.3 结果分析38-44
• 4.3.1 晶格常数38-39
• 4.3.2 电荷密度39-40
• 4.3.3 能带40
• 4.3.4 态密度40-44
• 4.4 本章小结44-46
• 第5章 GaN基半导体材料热电性能分析46-54
• 5.1 N型掺杂GaN热电性能分析46-50
• 5.1.1 性能计算参数设置46-47
• 5.1.2 输运与热电特性47-50
• 5.2 P型掺杂GaN热电性能分析50-52
• 5.2.1 性能计算参数设置50
• 5.2.2 输运与热电特性50-52
• 5.3 本章小结52-54
• 结论54-56
• 参考文献56-60
• 攻读硕士学位期间所发表的论文60-62
• 致谢62

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 郭志敏;郝彦忠;裴娟;孙宝;李英品;;Sb_2S_3纳米粒子敏化ZnO微纳分级结构的光电化学性能[J];河北科技大学学报;2016年01期

2 苏杰;马昊;李明军;郑树凯;刘磊;;Zn-Sb化合物热电材料的研究进展[J];材料科学与工程学报;2014年02期

3 刘新赞;;热电致冷原理与应用[J];河北工业科技;2006年06期

4 金瑞琴,朱建军,赵德刚,刘建平,张纪才,杨辉;p型GaN的掺杂研究[J];半导体学报;2005年03期

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本文编号：1028626