Термоэлектрические явления
1.1. Термоэлектрические явления
К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томсона.
Эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) состоит в возникновении э.д.с. в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных материалов (разных металлов или полупроводников или металла и полупроводника), если температуры контактов различны (рис. 4.14).
Термо-э.д.с. имеет три составляющие. Первая составляющая обусловлена диффузией носителей заряда из области полупроводника с более высокой температурой в область с более низкой (рис. 4.15). Градиент концентрации возникает вследствие дополнительной генерации основных или собственных носителей под возникновением повышенной температуры. Таким образом, градиент температуры вызывает создание градиента концентрации носителей заряда с их последующей диффузией к менее нагретому контакту. Вследствие указанных процессов «холодный» контакт приобретает знак основных носителей заряда, а «горячий» – знак соответствующих ионизированных донорных или акцепторных атомов примеси. Ионы являются элементами кристаллической решетки полупроводника и создают неподвижный объемный заряд: положительный в полупроводнике n-типа или отрицательный в полупроводнике р-типа.
Рис. 4.14. Схема распределения температур в термоэлементе
Таким образом, диффузионная составляющая термо-э.д.с. возникает из–за нарушения (вследствие диффузии) электрической нейтральности областей полупроводника с разной температурой.
Вторая составляющая термо-э.д.с. – это следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов. Если оба спая (рис. 4.14) имеют одну и ту же температуру, то контактные разности потенциалов на этих спаях равны, направлены в противоположные стороны и не дают результирующей термо-э.д.с. Если же температура сплава различна, то величина контактной разности потенциалов будет также различна. Поэтому в цепи термоэлемента появляется вторая составляющая термо-э.д.с. с той же полярностью, что и диффузионная.
Рис. 4.15. Объемные заряды в полупроводнике n-типа (а) и р-типа (б) при наличии разности температур
Рекомендуемые материалы
Третья составляющая термо-э.д.с. возникает в термоэлементе вследствие увлечения электронов (дырок) фононами, т.е. квантами тепловой энергии колебаний кристаллической решетки. Если в полупроводнике существует градиент температуры, то будет существовать направленное движение фононов от горячего спая к холодному. В результате столкновения фононов с носителями заряда фононы увлекают за собой в n-полупроводнике электроны, а в р-полупроводнике – дырки. Этот эффект может оказаться преобладающим при низких температурах.
Результирующая термо-э.д.с., состоящая их трех рассмотренных составляющих, зависит от температуры горячего (Тг) и холодного (Тх) спаев, от электрофизических свойств материалов.
Эффект Пельтье состоит в охлаждении или нагревании контакта двух материалов при протекании через него постоянного тока (рис. 4.16).
Если напряженность внешнего электрического поля e направлена так, как изображено на рис. 4.16, то перенос носителей тока через контакт (электрический ток) будет связан с переходом электронов из полупроводника в металл. Однако энергия электронов в зоне проводимости полупроводника больше, чем у электронов проводимости в металле. Поэтому электроны, переходя из полупроводника в металл, избыток энергии передадут кристаллической решетке в области контакта. В результате этого перенос электронов из полупроводника в металл будет сопровождаться выделением тепла на контакте и его нагревом.
При противоположном направлении напряженности внешнего электрического поля прохождение электрического тока будет связано с переходом электронов из металла в полупроводник, т.е. с уровней с меньшей энергией на уровни с большей энергией. Энергию, необходимую для этого, электроны получают от кристаллической решетки в области контакта, что приводит к его охлаждению.
Рекомендация для Вас - 52 Деятельность следователя по возмещению материального ущерба, причиненного преступлением, и обеспечению исполнения приговора.
Рис. 4.16. Схема контакта электронного полупроводника с металлом,
поясняющая эффект Пельтье [2]
Эффект Томсона состоит в выделении или поглощении тепла, дополнительно к теплу Джоуля – Ленца, при протекании постоянного тока по однородному полупроводнику, в котором имеется градиент температуры.
Эффекты Зеебека и Пельтье наблюдаются в металлах и полупроводниках. В полупроводниках соответствующие величины, например термо-э.д.с., обычно на несколько порядков превышают таковые в металлах. Поэтому эффекты Зеебека и Пельтье в полупроводниках нашли большое практическое применение. В частности, эффект Зеебека используется для создания источников питания. К.п.д. полупроводниковых термогенераторов достигает 15–20 %. Термоэлектрические явления используются также в технике измерения электрофизических параметров полупроводников для определения типа их проводимости (рис. 4.15).
Термоэлектрический эффект Зеебека применяется для измерения температуры (термопары) и при других измерениях, которые могут быть сведены к измерению температуры.
Эффект Пельтье используется при создании компактных холодильных установок.
