J. Physique Lett. 46, 49-52 (1985)
DOI: 10.1051/jphyslet:0198500460104900

The effect of a multivalley energy band structure on the thermoelectric figure of merit

D.M. Rowe et C.M. Bhandari

Dept. of Physics, Electronics and Electrical Engineering, U.W.I.S.T., P.O. Box 25, King Edward V avenue, Cathays Park, Cardiff CF1 3XE, U.K.

Abstract
A comparison is drawn between the dimensionless thermoelectric figure of merit of a multivalleyed semiconductor (ZT)mv and one having a single valleyed structure (ZT)sv. In the analysis both acoustic phonon scattering and ionized impurity scattering are considered. Although it is advantageous to employ a multivalleyed semiconductor in thermoelectric applications it is concluded that the beneficial effect of a multivalleyed structure is reduced with increase in carrier concentration and the presence of intervalley scattering. At a carrier concentration which optimizes the thermoelectric figure of merit, the ratio (ZT)mv/(ZT)sv for silicon-germanium alloy is reduced by approximately 40 percent.

Résumé
Les coefficients de qualité thermoélectrique sans dimension de semiconducteurs à vallées multiples (ZT)mv ou à vallée unique (ZT) sv sont ici comparés. La diffusion des phonons acoustiques et celle des impuretés ionisées sont prises en considération. Bien qu'il soit avantageux pour les applications thermoélectriques d'utiliser un semiconducteur à vallées multiples, l'effet bénéfique est réduit par l'augmentation de la concentration des porteurs et la présence de diffusion inter-vallées. Lorsque la concentration des porteurs est optimale pour le coefficient de qualité thermoélectrique, le coefficient (ZT) mv/(ZT)sv pour l'alliage silicium-germanium est réduit d'environ 40 %.

PACS
7125T - Electronic structure of crystalline semiconductor compounds and insulators.
7220D - General theory, carrier scattering mechanisms semiconductors/insulators.
7220P - Thermoelectric effects semiconductors/insulators.
7280J - Electrical conductivity of other crystalline inorganic semiconductors.
2520M - Other semiconductor materials.

Key words
band structure of crystalline semiconductors and insulators -- carrier density -- electron phonon interactions -- Ge Si alloys -- impurity scattering -- many valley semiconductors -- thermoelectric effects in semiconductors and insulators -- Si Ge alloy -- carrier concentration dependence -- multivalley energy band structure -- thermoelectric figure of merit -- semiconductor -- single valleyed structure -- acoustic phonon scattering -- ionized impurity scattering -- intervalley scattering