塞貝克效應（Seebeck effect）又稱作第一熱電效應，是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。塞貝克效應的熱電勢方向為：熱端電子由負流向正。塞貝克效應最早由物理學家塞貝克提出，故而得名。
半導體和金屬產(chǎn)生塞貝克效應的機理是不相同的。國內(nèi)熱電材料測量起步較晚，市面上的塞貝克系數(shù)測量系統(tǒng)主要以自制和進口儀器為主。利用塞貝克效應，目前人們已經(jīng)制成了熱電偶溫度計、溫差發(fā)電器和溫差電制冷器。
貢獻者
1770年，托馬斯·約翰·塞貝克生于當時隸屬于東普魯士王國的塔林，即今天的愛沙尼亞首都。塞貝克(Seebeck)的父親是一個具有瑞典血統(tǒng)的德國人，也許正因為如此，他鼓勵兒子在他曾經(jīng)學習過的柏林洪堡大學和哥廷根大學學醫(yī)。1802年，塞貝克獲得醫(yī)學學位。由于他的研究方向是實驗醫(yī)學中的物理學，且一生中多半時間從事物理學教育和研究工作，所以人們通常認為他是一個物理學家。
畢業(yè)后，塞貝克進入耶拿大學，在那里結識了約翰·沃爾夫岡·馮·歌德。德國浪漫主義運動以及歌德反對艾薩克·牛頓關于光與色的理論的思想，使塞貝克深受影響，此后長期與歌德一起從事光色效應方面的理論研究。塞貝克的研究重點是太陽光譜，他在1806年揭示了熱量和化學對太陽光譜中不同顏色的影響，1808年首次獲得了氨與氧化汞的化合物。1812年，正當塞貝克從事應力玻璃中的光偏振現(xiàn)象時，他卻不曉得另外兩個科學家布魯斯特和比奧已經(jīng)搶先在這一領域里有了發(fā)現(xiàn)。
1818年前后，塞貝克返回柏林洪堡大學，獨立開展研究活動，主要研究內(nèi)容是電流通過導體時對鋼鐵的磁化。當時，阿雷格（Arago）和大衛(wèi)（Davy）剛發(fā)現(xiàn)了電流對鋼鐵的磁化效應，賽貝克對不同金屬進行了大量的實驗，發(fā)現(xiàn)了磁化的熾熱的鐵的不規(guī)則反應，也就是常說的磁滯現(xiàn)象。此間，塞貝克還曾研究過光致發(fā)光、太陽光譜不同波段的熱效應、化學效應、偏振，以及電流的磁特性等。
1820年代初期，塞貝克通過實驗方法研究了電流與熱的關系。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導線連接在一起，構成一個電流回路。他將兩條導線首尾相連形成一個結點，他突然發(fā)現(xiàn)，如果把其中的一個結加熱到很高的溫度而另一個結保持低溫的話，電路周圍存在磁場。他實在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構成的一個結時會有電流產(chǎn)生，這只能用熱磁電流或熱磁現(xiàn)象來解釋他的發(fā)現(xiàn)。在接下來的兩年里時間，即1822～1823年，塞貝克將他的持續(xù)觀察報告給普魯士科學學會，把這一發(fā)現(xiàn)描述為“溫差導致的金屬磁化”。
塞貝克確實已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了熱電效應，但他卻做出了錯誤的解釋：導線周圍產(chǎn)生磁場的原因，是溫度梯度導致金屬在一定方向上被磁化，而非形成了電流。科學學會認為，這種現(xiàn)象是因為溫度梯度導致了電流，繼而在導線周圍產(chǎn)生了磁場。對于這樣的解釋，塞貝克十分惱火，他反駁說，科學家們的眼睛讓漢斯·奧斯特（電磁學的先驅）的經(jīng)驗給蒙住了，所以他們只會用“磁場由電流產(chǎn)生”的理論去解釋，而想不到還有別的解釋。但是，塞貝克自己卻難以解釋這樣一個事實：如果將電路切斷，溫度梯度并未在導線周圍產(chǎn)生磁場。所以，多數(shù)人都認可熱電效應的觀點，后來也就這樣被確定下來了。
原理
產(chǎn)生塞貝克（Seebeck）效應的機理，對于半導體和金屬是不相同的。
半導體效應
產(chǎn)生Seebeck效應的主要原因是熱端的載流子往冷端擴散的結果。例如p型半導體，由于其熱端空穴的濃度較高，則空穴便從高溫端向低溫端擴散；在開路情況下，就在p型半導體的兩端形成空間電荷，即熱端有負電荷，冷端有正電荷，同時在半導體內(nèi)部出現(xiàn)電場；當擴散作用與電場的漂移作用相互抵消時，即達到穩(wěn)定狀態(tài)，在半導體的兩端就出現(xiàn)了由于溫度梯度所引起的電動勢—溫差電動勢。自然，n型半導體的溫差電動勢的方向是從低溫端指向高溫端（Seebeck系數(shù)為負），相反，p型半導體的溫差電動勢的方向是高溫端指向低溫端（Seebeck系數(shù)為正），因此利用溫差電動勢的方向即可判斷半導體的導電類型。
可見，在有溫度差的半導體中，存在電場。此時半導體的能帶是傾斜的，并且其中的Fermi能級也是傾斜的；兩端Fermi能級的差就等于溫差電動勢。
實際上，影響Seebeck效應的因素還有兩個：
第一個是載流子的能量和速度。因為熱端和冷端的載流子能量不同，這實際上就反映了半導體Fermi能級在兩端存在差異，因此這種作用也會對溫差電動勢造成影響—增強Seebeck效應。
第二個是聲子。因為熱端的聲子數(shù)多于冷端，則聲子也將要從高溫端向低溫端擴散，并在擴散過程中可與載流子碰撞、把能量傳遞給載流子，從而加速了載流子的運動—聲子牽引，這種作用會增加載流子在冷端的積累、增強Seebeck效應。
半導體的Seebeck效應較顯著。一般，半導體的Seebeck系數(shù)為數(shù)百，這要比金屬的高得多。
金屬效應
金屬的載流子濃度和Fermi能級的位置基本上都不隨溫度而變化，所以金屬的Seebeck效應必然很小，一般Seebeck系數(shù)為。
一般金屬的Seebeck效應很小，但是在一定條件下還是可觀的；實際上，利用金屬Seebeck效應來檢測高溫的金屬熱電偶就是一種常用的元件。
產(chǎn)生金屬Seebeck效應的機理較為復雜，可從兩個方面來分析。
1）電子從熱端向冷端的擴散
這里的擴散不是濃度梯度所引起的，因為金屬中的電子濃度與溫度無關，而是熱端的電子具有更高的能量和速度所造成的。顯然，如果這種作用是主要的，則這樣產(chǎn)生的Seebeck效應的系數(shù)應該為負。
2）電子自由程的影響
金屬中雖然存在許多自由電子，但對導電有貢獻的卻主要是Fermi能級附近2kT范圍內(nèi)的所謂傳導電子。而這些電子的平均自由程與遭受聲子散射、雜質(zhì)和缺陷散射等散射狀況和能態(tài)密度隨能量的變化情況有關。
如果熱端電子的平均自由程是隨著電子能量的增加而增大的話，那么熱端的電子將由于一方面具有較大的能量，另一方面又具有較大的平均自由程，則熱端電子向冷端的輸運則是主要的過程，從而將產(chǎn)生Seebeck系數(shù)為負的Seebeck效應；金屬等皆如此。
相反，如果熱端電子的平均自由程是隨著電子能量的增加而減小的話，那么熱端的電子雖然具有較大的能量，但是它們的平均自由程卻很小，因此電子的輸運將主要是從冷端向熱端的輸運，從而將產(chǎn)生Seebeck系數(shù)為正的Seebeck效應；金屬等即如此。塞貝克效應電壓的計算公式：
式中，與分別為兩種材料的塞貝克系數(shù)。如果與不隨溫度的變化而變化，上式即可表示成如下形式：
塞貝克后來還對一些金屬材料做出了測量，并對35種金屬排成一個序列：他指出，當序列中的任意兩種金屬構成閉合回路時，電流將從排序較前的金屬經(jīng)熱接插件流向排序較后的金屬。
應用
塞貝克效應發(fā)現(xiàn)之后，人們不久就找到了應用場所。利用塞貝克效應，可制成熱電偶（即熱電偶）來測量溫度。只要選用適當?shù)慕饘僮鳠犭娕疾牧希涂奢p易測量到從到的溫度，如此寬泛的測量范圍，令乙醇或水銀溫度計望塵莫及。熱電偶溫度計，甚至可以測量高達的溫度！
熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起后形成兩個結點，環(huán)路電壓VOUT為熱結點結電壓與冷結點（參考結點）結電壓之差。因為VH和VC是由兩個結的溫度差產(chǎn)生的，也就是說VOUT是溫差的函數(shù)。比例因數(shù)α對應于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。
測量儀器
國內(nèi)熱電材料測量起步較晚，但進步很快，seebeck系數(shù)測量系統(tǒng)主要以自制和進口儀器為主。主要國際廠商為日本ULBAC-RIKO、德國linseis和荷蘭Kryoz Technologies。日本的ULBAC-RIKO進入中國市場較早，早期用戶采用日本產(chǎn)品較多，但在中國設立售后服務的卻沒有。后期德國的linseis進入了中國市場。低溫范圍（75-298k），市面上主要是Kryoz Technologies的Cryolab系列。
另外，各研究機構也有一些自行搭建的賽貝克系數(shù)測量系統(tǒng)，但均未能規(guī)模商業(yè)化，國內(nèi)部分高校也自行搭建了seebeck系數(shù)的測試系統(tǒng)，但精確度欠佳。
熱電現(xiàn)象
溫差電效應是由于不同種類固體的相互接觸而發(fā)生的熱電現(xiàn)象。它包括三種效應：塞貝克（Seebeck）效應、帕爾貼（Peltier）效應與湯姆遜（Thomson）效應。
1）塞貝克效應
若將導體（或半導體）A和B的兩端相互緊密接觸組成環(huán)路，若在兩聯(lián)接處保持不同溫度與，則在環(huán)路中將由于溫度差而產(chǎn)生溫差電動勢。在環(huán)路中流過的電流稱為溫差電流，這種由兩種物理性質(zhì)均勻的導體（或半導體）組成的上述裝置稱為熱電偶（或熱電偶），這是法國科學家塞貝克1821年發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)，溫差電動勢還有如下兩個基本性質(zhì)：①中間溫度規(guī)律，即溫差電動勢僅與兩結點溫度有關，與兩結點之間導線的溫度無關。②中間金屬規(guī)律，即由A、B導體接觸形成的溫差電動勢與兩結點間是否接入第三種金屬C無關。只要兩結點溫度 相等，則兩結點間的溫差電動勢也相等。正是由于①、②這兩點性質(zhì)，溫差電現(xiàn)象如今才會被廣泛應用。
2）帕爾貼（Peltier）效應
1834年，帕爾貼發(fā)現(xiàn)，電流通過不同金屬的結點時，在結點處有吸放熱量的現(xiàn)象。吸熱還是放熱由電流方向確定，稱為帕爾貼熱，其產(chǎn)生的速率與所通過的電流成正比。帕爾貼熱中的稱帕爾貼系數(shù)，其大小等于在結點上每通過單位電流時所吸放的熱量。電流通過兩種不同金屬構成的結點時會吸放熱的原因是在結點處集結了一個帕爾貼電動熱，帕爾貼熱正是這電動勢對電流做正功或負功時所吸放的熱量。考慮到不同的金屬具有不同的電子濃度和費米能，兩金屬接觸后在結點處要引起不等量的電子擴散，致使在結點處兩金屬間建立了電場，因而建立了電壓。注：上述解釋僅考慮了產(chǎn)生溫差電現(xiàn)象的某一方面因素，實際情況要復雜得多。
可見，帕爾貼電動勢應是溫度的函數(shù)，不同結的帕爾貼電動勢對溫度的依賴關系也可不同。上述觀點也能用來解釋當電流反向時，兩結對帕爾貼熱的吸放應倒過來，因而是可逆的。一般金屬結的帕爾貼電勢為μV量級，而半導體結可比它大數(shù)個量級。
3）湯姆孫效應
1856年，用熱力學分析了塞貝克效應和佩爾捷效應后,W·湯姆孫（即開爾文）預言還應有第三種溫差電現(xiàn)象存在。后人實驗發(fā)現(xiàn)，如果在存在有溫度梯度的均勻導體中通過電流時，導體中除了產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，還要吸收或放出一定的熱量，這一現(xiàn)象定名為湯姆孫效應，所吸放的熱量稱為湯姆孫熱。湯姆孫熱與佩爾捷熱的區(qū)別是，前者是沿導體（或半導體）作分布式吸放熱，后者在結點上吸放熱。湯姆孫熱也是可逆的，但測量湯姆孫熱比測量佩爾捷熱困難得多，因為要把湯姆孫熱與焦耳熱區(qū)分開來較為困難。
4）溫差發(fā)電器
溫差電現(xiàn)象主要應用在溫度測量、溫差發(fā)電器與溫差電制冷三方面。其中，溫差發(fā)電是利用塞貝克效應把熱能轉化為電能。當一對熱電偶的兩結處于不同溫度時，熱電偶兩端的溫差電動勢就可作為電源。常用的是半導體溫差熱電偶；這是一個由一組半導體溫差電偶經(jīng)串聯(lián)和并聯(lián)制成的直流發(fā)電裝置。每個熱電偶由一N型半導體和一P型半導體串聯(lián)而成，兩者聯(lián)接著的一端和高溫熱源接觸，而N型和P型半導體的非結端通過導線均與低溫熱源接觸，由于熱端與冷端間有溫度差存在，使P的冷端有負電荷積累而成為發(fā)電器的陰極；N的冷端有正電荷積累而成為陽極。若與外電路相連就有電流流過。這種發(fā)電器效率較小，為了能得到較大的功率輸出，實用上要把很多對熱電偶串、并聯(lián)成溫差電堆。
5）溫差電制冷器
根據(jù)佩爾捷效應，若在溫差電材料組成的電路中接入一電源，則一個結點會放出熱量，另一結點會吸收熱量。若放熱結點保持一定溫度，另一結點會開始冷卻，從而產(chǎn)生制冷效果。半導體溫差電制冷器也是由一系列半導體溫差電偶串、并聯(lián)而成。溫差電制冷由于體積十分小，安靜無噪音，運行安全故障少，并且可以調(diào)節(jié)電流來正確控制溫度，故可應用于潛艇、精密儀器的恒溫槽、小型儀器的降溫、血漿的儲存和運輸?shù)葓龊稀?/p>
參考資料 >