Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 90
Текст из файла (страница 90)
Чем больше амплитуда и длительность импульсов тока, тем за меньшее число переключений происходит перегруппировка ионов в проводящем канале, приводящая к кристаллизации в нем аморфного полупроводника. Максимальное число переключений, которое выдерживает переключатель до выхода его из строя, составляет 1О'...1О". Для правильной оценки такого, казалось бы большего, числа срабатываний переключателя необходимо учесть, что время рассасывания современных транзисторов может составлять всего несколько наносекунд.
Это означает, что транзистор, работающий в схеме переключателя, может по крайней мере за несколько часов выполнить более 1О" переключений. Таким образом, малый срок службы приборов на аморфных полупроводниках, связанный с относительно большой ионной составляющей проводимости этих материалов цри повышенных температурах, ставит под сомнение их перспективность н значительно ограничивает их области применения. Для повышения стабильности параметров переключателей, их надежности и числа срабатываний до выхода нз строя необходимо использовать полупроводниковые материалы с большим коэффициентом темпеРатУРной чУвствительности 1В)4То) и одно- 426 временно с более высокой темцературой плавления или размягчения, с меньшей ионной составляющей проводимости.
Положительными особенностями приборов на аморфных полупроводниках являются простота их изготовления и высокая устойчивость к проникающей радиации. к Ь Почему н прн какнх услоанях переключателя не нмерфных полупроводняках могут находиться п двух сестеяннях: закрытом н открытом? К Почему у некоторых переключателей не удается последовать псреходнын учлетах ВАХ, соответствующий отрнцательнему дн4н1ыренцпальнему с<юрнтн». ленею? 3.
Как может нзмемяться прн нзмененнн температуры напряженнт переключення переключателей па аморфных полупроводннках? 4. Почему е клементах памнтп пя аморфных полупроводннках оскрытет состояние может сохраняться даже после отключення нрнйора от нстечнпка пнтання? глава соединенных полупроводниковых термобатарей в едином конст- руктивном исполнении с системой теплообмена, называют полу- проводниковым термоэлектрическим блоком. Полупроводниковые термоэлектрические устройства Полупровохиньовое термоэлектрическое устройство — это устройство, лействне которого основано иа использовании термоэлектрических э$$ектов Пелтлье нли Эеебека в полупроволинках, прелиазначеиное алн получения теплоты нли холода с использованием аиеьтрической энергии или получения электрической энергии с использованием тепловой. $13.1.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ В полупроводниковых термоэлектрических устройствах используют полупроводниковые термоэлементы, каждый из которых состоит из двух ветвей, обладающих разным типом электропровод- ности. Ветвь термоэлемента, материал которого имеет электропроводность р-типа, называют положительной ветвью. Ветвь термоэлемеита с электропроводностью л-типа — отрицательной ветвью.
Положительную и отрицательную ветви полупроводникового термоэлемента соединяют между собой последовательно контактной пластиной (рис. 13.1). Зону электрического соединения ветвей полупроводникового термоэлемента называют спаем. При работе термоэлемента его спаи имеют различную температуру: один из них является теплопоглощающим, другой — тепло- выделяющим. Полупроводниковое термоэлектрическое устройство обычно имеет большое число последовательно соединенных между собой термоэлементов в едином конструктивном исполнении — полупроводниковую термобатарею. Полупроводниковое термоэлектрическое устройство, включающее одну или несколько электрически 428 Возникновение герма-ЭДС (эффект Зеебека) При наличии разности температур спаев в цепи с термоэлементом появляется термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), которая состоит из трех составляющих. Первая составляющая термо-ЭДС обусловлена диффузией носителей заряда от нагретого спая, температура которого из-за подводимой к нему тепловой мощности от какого-нибудь источника выше температуры тепловыделяющего спая.
Диффузия носителей заряда в ветвях термоэлемента может возникать по двум причинам. Во-первых, в ветвях термоэлемента у нагретого спая оказывается большее число ионизнрованных примесей. Прн дополнительной ионизация примесей увеличи- ! вается концентрация основных носителей Х заряда на нагретых концах ветвей термоэлемента. В этом случае возникает диф- "и фузия основных носителей в каждой ветви термоэлемента нз-за градиента кон- Рис.!3.!. Скема полупроцеитрации (рис. 13.2).
Во-вторых, если в волннкового термоэлемеп. та с сопротивлением наветвях термоэлемента все примеси были ионизироваиы уже при низкой температу ! — положительная ве вь: (Эта температура ВЫШЕ температуры 2 — отрииательивя ветвь; истощения примесей), то концентрация основных носителей заряда при нагреве практически не увеличится.
Но на нагретых концах ветвей термоэлемента носители заряда приобретают большие энергии. Поэтому опять происходит диффузия основных носителей заряда от нагретого конца а каждой ветви термоэлемента, связанная с выравниванием средней энергии, приходящейся на один носитель определенного знака. Диффузия, например, электронов в отрицательной ветви может происходить только от нагретого конца этой ветви вдоль нее и не может происходить в положительную ветвь, так как переходу электронов в положительную ветвь препятствует потенциальный барьер нагретого спая термоэлемеита. Аналогично, дырки в положительной ветви могут диффундировать вдоль нее от нагретого конца.
Перемещение носителей заряда, связанное с их диффузией, нарушает электрическую нейтральность в ветвях термоэлемента — иа нагретых концах ветвей термоэлемента остаются иескомпенсированные ионизированные примесные атомы, а на противо- 429 э( эа э слал) т,>уу Эе эп э(рр эр)л эд э э( эа э,р аз( Рнс. (3.2. Появление термо-ЭДС в результате диффузии носите. лей заряда по ветвям термоэлемента: а — спви термоэлеменгв находятся орн одной темнернтуре Г, (не нсе доноры н вкпепторы ноинзированы); 6 — энергетические диаграммы ветвей термоэлемеитв в состоянии термодииаиического равновесия (при Г~), в — спзи термоэлемеита нвходятсв при разных темпера.
турах (около нагретых спасе все примеси ноннзнроавны); г — энергетические диаграммы ветвей термоэлемента прн сопротивлении нагрузки Ля = 0 (идет ток, рваный току короткого замыкания термоэлемеита); д — энергетические диаграммы пря сопротивлении нвгруз. кил„= с (возникла терно-ЭДС) положных концах образуется избыток основных носителей заряда. В результате возникает первая составляющая термо-ЭДС, которую можно назвать диффузионной, так как она возникает нз-за процессов диффузии. Вторая составляюшая термо-ЭДС вЂ” это следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов. Если оба сная термоэлемента имеют одну и ту же температуру, то контакт- Л „,ай Рис.
!З.З. Появление терно-ЭДС из-за температурной зависимости контактной разности потенпналов прн коротком замыкании ветвей термоэлемента и энергетические дкаграммы спаев, находяшнхся при разных температурах ные разности потенциалов на этих спаях равны, направлены в противоположные стороны при обходе контура с термоэлементом и не дают результирующей ЭДС. Если же температура спаев термоэлемента различна, то значение контактной разности потенциалов на спаях будет также различно (рис. 1З.З).
Тогда в цепи термоэлемента появляется вторая составляющая термо-ЭДС с той же полярностью, что и первая составляющая. Третья составляющая термо-ЭДС возникает в термоэлементе вследствие увлечения носителей заряда квантамн тепловой энергии — фононами. Если в ветвях термоэлемента есть градиент температуры, то будет существовать направленное движение фононов от нагретых концов ветвей. В результате столкновений фононов с носителями заряда фононы увлекают за собой электроны в отрицательной ветви и дырки в положительной ветви. Этот эффект может оказаться преобладающим прн низких температурах.
Результирующая термо-ЭДС, состоящая нз трех рассмотренных составляющих, зависит от разности температур спаев термоэлемента н от электрофнзнческнх свойств полупроводниковых материалов, образующих ветви термоэлемента. В небольшом диапазоне температур термо-ЭДС Ю можно считать (с достаточной для практических целей точностью) пропорциональной разности температур спаев термоэлемента н некоторому коэффициенту а(л, называемому коэффициентом терло-ЭДС: й= бт. (13.! ) Поглощение н выделение теплоты в спаих термоэлемента (эффект Пельтье) Прн прохождении постоянного тока через термоэлемент в его спаях поглощается нлн выделяется в зависимости от направления тока некоторое количество теплоты, пропорциональное времени, току и коэффициенту Пельгье: Е=~П П (13.2) Если направление тока в цепи с термоэлементамн такое, как показано на рнс.
!3.4, то на спае ! свободные электроны и дырки, возникшие в результате тепловой генерации, движутся в разные стороны под действием суммарного электрического поля (диффузионного поля спая н внешнего поля). При тепловой генерацни носителей заряда а области спая ! на переброс электрона нз валентной зоны в зону проводимости затрачивается некоторая тепловая энергия кристал— о ! лической решетки полупровод- и у р ! и ника. Поэтому при заданном а ° о~ о ° направлении тока спай ! будет + охлаждаться, спай 2 прн этом Т-Т, Ту Тр нагревается, так как к нему с разных сторон подходят элект- рг г роны и дырки, которые отдают прн рекомбинации некоторую энергию в виде теплоты. В результате при прохождении тока термоэлемент работает как своеобразный тепловой насос, забирая тепловую энергию на спае ! (теплопоглощающем спае при данном направлении тока) и выделяя ее иа спае 2 (тепловыделяющем спае).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
