Пасынков.Полупроводниковые приборы (1084497), страница 92
Текст из файла (страница 92)
Зааисимости удельнозначеиий удельного сопротивления, со сопр е, теплопро- У термоэлементов из материалов со аодиости и и эффективности тер- моэлемеита Е от коипеитрапии средней концентрацией носителей иосателез заряда заряда, что соответствует полупроводниковым материалам, эффективность достигает максимального значения. Поэтому полупроводниковые термоэлемеиты экономичнее металлических термопар, Максимум эффективности», как показывают расчеты, лежит в диапазоне концентраций носителей заряда (2...3)!0" см '. Такие концентрации на три порядка меньше концентрации носителей заряда в металлах. Конструкция, свойства и параметры полупроводниковых термобатарей Коэффициент термо-ЭДС большинства термоэлементов (а<а= = а, — аз) составляет 300...500 мкВ/К.
Учитывая, что почти все термоэлектрические генераторы работают при разности температур спаев, не превышающей 600 К, от одного термоэлемеита можно получить термо-ЭДС 0,3 В. При этом, согласно (13.24), оптимальные условия получения электрической мощности на нагрузке достигаются прн сопротивлении нагрузки, сравнимом с сопротивлением термоэлемента, т. е.
около нескольких миллиом. Для получения приемлемых напряжений и для согласования с реальными нагрузочиыми сопротивлениями необходимо последовательное соединение многих термоэлемеитов. В большинстве термоэлектрических генераторов (ТЭГ) полупроводниковая термобатарея представляет собой плоскую конструкцию, состоящую из нескольких десятков термоэлементов (рис.
13.6). По форме термоэлементы могут быть разнообразными в зависимости от конструктивных особенностей источника 437 тепловой энергии. Наиболее распространены термоэлемеиты нз ветвей в виде параллелепипедов с различным соотношением токового сечения и токовой высоты. Соединение отдельных ветвей между собой металлическими контактными пластинами должно быть сделано так, чтобы контактные сопротивления были намного меньше сопротивления ветвей термоэлемента.
Иначе контактные сопротивления могут уменьшить эффективность термоэлемента из-за увеличения Рнс 13 6. Оанн нз аарнаатов конструкпнн термобатарен общего сопротивления термоэлемента при неизменном значении термо-ЭДС. В качестве источников тепловой энергии в ТЭГ применяют атомные реакторы, источники теплоты с радиоактивными изотопами, используют химические реакции горения и тепловую энергию, излучаемую Солнцем. В настоящее время существуют трн основные области применения термоэлектрических генераторов: 1) для катодной защиты магистральных газо- н нефтепроводов от коррозии; 2) для питания электрической энергией космических аппаратов; 3) для питания электрической энергией навигационных и метеорологических установок. 4 тз.з.
холодильники и тапловый н*сосы Максимальное снижение температуры теплопоглощающих спаеа термоэлемеита При прохождении тока через термоэлементы наряду с поглощением на спае ! (см. рис. 13.4) в единицу времени некоторого количества теплоты (7ц = — П~ з1 (! 3.25) происходит еще выделение джоулевой теплоты, пропорциональ- зак 1ь)да = лп 1 17 ° 1 з (13,26) Алгебраическая сумма соотношений (13.25) и (13.26) для теплопоглощающего сная () =() + Ед.
= — П,,1+ — 1'и. (13.27) 1 2 Графическое пояснение уравнений (!3.27) дано на рис. 13.7. Прн токе, равном нулю, оба эффекта отсутствуют и охлаждения ие происходит, а при достаточно большом токе 9д превысит ь!и и охлаждение первых спаев перейдет в нагрев. Поэтому существует оптимальный ток, при котором эффект охлаждения максимален (от теплопоглощающего сная отводится максимальное количество теплоты).
Дифференцированием (13.27) находим, что Я достигает максимума при оптимальном токе Рнс. 13.7. Зависимость теплоты, выаеляемой Ядм н поглощаемой Дп на спас ! термозлемента (см. рнс. 13.4), а также результнрующап завнсн. ность теплоты О ат значения тока через термозлемент 1,„, = Пьз/Я . (! 3.28) При этом токе ф.„, = П', р/(2Д) . (13.29) Из (13.29) следует, что чем меньше сопротивление термоэлемента, тем больше количество теплоты Я~ „отводимое от теплопоглощающего спая.
Однако из этого ие следует, что, увеличивая токовые сечения или уменьшая токовую длину ветвей термоэлемента, можно достичь более низких температур на теплопоглощающем спае, так как одновременно в такой же мере возрастают теплопроводность и поток теплоты по ветвям термоэлемента от тепловыделяющего спая к теплопоглощающему. Температура теплопоглощающего спая будет понижаться до тех пор, пока количество теплоты 11к, пеРеносимое междУ спаами в РезУльтате теплопроводности по ветвям термоэлемента, ие сбалансирует отводимое от сная! количество теплоты 9, прн токе 1.
(В данном случае ие учитываем поток теплоты из окружающей среды на теплопоглощающий спай термоэлемента, т. е. предполагаем, что теплоизоляция теплопоглощающего спая идеальна.) 419 ной квадрату силы тока и сопротивлению сная 1. В первом приближении можно считать, что сопротивления спаев 1 и 2 равны, т. е. каждое нз них составляет половину полного сопротивления. термоэлеиента Я.
Тогда джоулева теплота, выделяющаяся на первом спае, — а= о,=к(т — т ) или т — т = — абак (Тх Тг)ма« = Кд 2 Т1 ™ЯХТ? и)й ! (13.31) Коягрольныа вопросы Применение полупроводниковых холодильников Использоваине принципа полупроводникового теплового насоса Условием теплового баланса, следовательно, будет В оптимальном режиме работы термоэлемента, т. е. с учетом (13.29), получим (Т,— Т,),„= — Ф,„/К= Пхг,х/(2К)т) . (!3.30) Используя (!3.3) и (13.2!), находим Таким образом, требования, которым должен удовлетворять полупроводник ветвей термоэлемента, работающего в холодильнике, сводятся к достижению возможно большего значения эффективности Я (как н для термоэлемента, работающего в термоэлектрическом генераторе). Полупроводниковые холодильники успешно применяют в радиоэлектронике, медицине, сельском хозяйстве, метрологии и для бытовых целей (например, автомобильные холодильники).
Однако экономичность полупроводниковых холодильников при охлаждении объемов более десятков литров пока еще ниже экономичности существующих компрессионных машин. Поэтому полупроводниковые холодильники могут конкурировать с компрессиоинымн только прн охлаждении малых объемов. В полупроводниковой термобатарее при прохождении через нее постоянного тока происходит охлаждение одних спаев и нагрев других из-за поглощения и выделения теплоты на соответствующих спаях в связи с эффектом Пельтье. Это явление, во-первых, оказывается удобным для непользования в термостатах: простое изменение направления тока позволяет либо охлаждать, либо нагревать спаи термоэлементов, находящиеся внутри термостата.
Во-вторых, разогрев тепловыделяющих спаев в полупроводниковой термобатарее происходит ие только из-за выделения обычной джоулевой теплоты, но и в результате переноса теплотм Пельтье с теплопоглощающих спаев на тепловыделяющие. Таким образом, на тепловыделяющих спаях может выделяться большее количество теплоты, чем было затрачено электрической энергии, Так, при разности температур 10 К на каждый ватт выделяемой иа тепловыделяющих спаях теплоты необходимо затратить не более 0,2 Вт электрической энергии. Принцип теплового насоса может оказаться экономически целесообразным даже для обогрева и охлаждения жилых н производственных помещений.
Но это будет возможно только при существенном снижении стоимости термоэлементов, когда выигрыш в расходе электрической энергии компенсирует стоимость полупроводникового термоэлектрического подогревателя. г. По каким иричииаи в полупроводниковых термоэлементах может возникать терно-ЭДС? 2. Что необходимо длк получении максимального КПЙ термоэлектрического генератора при непосредственном преобразовании тепловой энергии в электрическую? 3. Каков принцип действии полупроводниковых холодильников? 4.
Как можно использовать эффект Пекьтье длк подогрева н почему этот зф~рект ие используют дли обогрева жилых и производственных помегдеинй? глава Полупроводниковые гальваномагнитные приборы и, В> и> $14Л. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ дпВ = дЕ„. (14.2) (14.1) йх = Е„а = пВа. 442 Полупроводниковые гальваиомагиитиме приборы — это полупроводниковые приборы. а которых используется воздействие магнитного поля на движущиеся в электрическом поле носители зарядов. Принцип действия различных полупроводниковых гальваномагнитных приборов основан на двух эффектах: на эффекте Холла, т. е.
на эффекте возникновения поперечной разности потенциалов в полупроводнике, по которому проходит электрический ток, в том случае, когда есть магнитное поле, перпендику. лярное направлению тока, и на магниторезистивном эффекте, т. е, на эффекте изменения электрического сопротивления полупроводника под действием магнитного поля (эффект Гаусса). Оба эффекта вызваны тем, что на движу>цийся со скоростью тг носитель заряда в магнитном поле с индукцией В действует сила Лоренца Г,= д[нВ]. Рассмотрим подробнее эти эффекты. Эффект Холла Предположим, что в пластинке полупроводника, находящейся в магнитном поле, идет ток, обусловленный движением только электронов (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
