Учебник - Электричество - Калашников С.Г. (1238776), страница 101
Текст из файла (страница 101)
Тогда т = Я с1я, 15 = 1 есть полная сила тока, а (г1Т/г1я)1эх = ЯХТ, и мы находим Ят = пгХТй. (201.2) Эта формула представляет собой интегральную форму закона и дает полное количество теплоты Томсона, выделенной во всем рассматриваемом отрезке проводника. Так же как и в эффекте Пельтье, мы будем считать тепло положительным, если оно выделяется. За положительное направление тока примем направление от холодного конца проводника к горячему (направление градиента температуры).
Значение коэффициента Томсона мало. Так, например, для висмута при комнатной температуре и 10 ~ В/К. Эффект Томсона, как и эффект Пельтье, возникает потому, что в проводнике с током существует поток энергии Р, пропорциональный плотности тока у н выражаемый формулой (200.2). Конечно, при наличии градиента температуры в проводнике имеется еще н поток энергии, обусловленный теплопроводностью. Однако последний поток не зависит от тока, и поэтому мы не будем его учитывать.
ГЛ. Хгх ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ Рассмотрим в однородном проводнике бесконечно тонкий слой с площадью 1, ограниченный плоскостями х = сопв1 и х+ 4х = сопэс и имеющий объем 4х (рис. 345). Положим, что электроны движутся вдоль оси Х и обо- значим температуру на выбранных плоскостях че- Т Т+ гГТ рез Т и Т+ ЫТ, а потоки энергии — через Р и Р+ + гГР. Тогда за каждую едингщу времени в рассматриваемый объем будет входить энергия Р, а выходить из него — энергия Р + 4Р.
Следовательно, в единице объема будет выделяться энергия 1 Ят Р(х) — Р(х+ 4х) гГР(х) т4 1Гх Ых Подставив теперь в эту формулу вместо Р его выражение (200.2), получим х х+4г Ят Л 4Й.. Гт — =1- —" — 1 —- Рнс. 345. К объясне- тг е Их 4х г е п 1 1 а Г о м с о а 3 Д ь — «Э / . = Е е с т ь н Р Я ж е о с т ь э л е к т Р и- ческого поля в проводнике. Величина же ГФ' функция температуры и изменяется в пространстве потому, что изменяется температура ГГоэтому можно написать дй дй„мт ох НТ 4х Следовательно Ят Л ж„ат = 1 — — — +1Е, тГ е 4Т Их В этой формуле второе слагаемос 1Е есть тепло Джоуля — Ленца, рассчитанное на единицу объема и единицу времени.
Первое же щ1агаемое показывает, что выделяется еще и дополнительная энергия, пропорциональная 1 4Т14х. Это н есть тепло Томсона. 3 202. Применения термоэлектричества Термоэлектричестио широко используют для измерения температур. Для этого служат термоэлементы (термопары). Пример технической термопары схематически показан на рис. 346. Она содержит две проволоки из различных металлов 1 и х, концы которых сварены (спай 1). Обе проволоки заключены в фарфоровую трубку Т для предохранения спая от химических воздействий.
Второй спай (П) поддерживается при неизменной температуре. Концы цепи а и б присоединяют к милливольтметру или (при очень точных измерениях) к потенциометру для измерения термо-ЭДС компенсационным методом. Термопары обладают тем преимуществом, что позволяют измерять как очень высокие, так и очень низкие температуры, что невозможно сделать с помощью обычных жидкостных термометров. Для увеличения ЭДС термоэлементы соединяют последовательно в термобатареи, как показано на рис.
347. При этом все четные спаи поддерживают при одной температуре, а все нечет- 474 элвктгичгскив явлкния В кОнтАктАх Гл х!х тов зависит от приложенного напряжения, а при одном и том же его значении может сильно изменяться при перемене направления тока. Электронные процессы в контактах полупроводник-металл отличаются от процессов в контактах двух полупроводников. Мы, однако, ограничимся рассмотрением только контактов двух полупроводников, которые находят особенно важные технические применения.
В З 152 мы видели, что по характеру своей проводимости полупроводники могут быть электронными (п-тип) и дырочными (р-тип). В полупроводниках и-типа основными подвижными носителями заряда являются отрицательные электроны, а в полупроводниках р-типа — положительные дырки. В случае контакта двух полупроводников электроны и дырки получают возможность переходить из одного полупроводника в другой, и поэтому между полупроводниками, так же как и между металлами, возникает контактная разность потенциалов, а в тонком пограничном слое появляется контактное электрическое поле. Если в контакте находятся два полупроводника одного и того же типа (оба электронные или оба дырочные), то оба полупроводника обмениваются одинаковыми частицами: либо электронами, либо дырками, и явления в этом случае имеют большое сходство с явлениями в двух соприкасающихся металлах.
Поэтому мы остановимся только па том случае, когда один из полупроводников имеет электронную проводимость (п-тип), а другой — дырочную (р-тип). Такие контакты называют электронно-дырочпыми переходами или р — п-переходами. Отметим, что такой контакт в чистом виде нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника, так как вследствие шероховатости поверхности соприкосновение будет происходить лишь в немногих точках; между ними будут воздушные зазоры, в которых образуются пленки окислов, и контакт будет иметь сложное строение. Поэтому для получения р — п-перехода обычно в пластинку чистого полупроводника (например, германия или кремния) вводят две примеси — одну донорную (т.е.
сообщающую электронную проводимость), а другую акцепторную (сообщающую дырочную проводимость), и распределяют их таким образом, чтобы в одном конце имелся избыток одной из примесей, а в другом конце — избыток другой. Тогда в одной половине пластинки возникает электронная проводимость, а в другой — дырочная, причем между обеими областями будет расположен тонкий переходный слой, в котором обе примеси компенсируют друг друга. Рассмотрим сначала р — и-переход в отсутствие тока. Вследствие теплового движения электроны из и-области будут переходить в р-область (и там рекомбинировать с дырками), а дырки 475 Р-К ПВРЕХОДЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ 4 гОЗ из р-области -- в и-область (и рекомбинировать с электронами).
Поэтому в п-области, вблизи границы раздела, появится положительный объемный заряд, а в р-области — отрицатечьный объемный заряд; и-область приобретет положительный потенциал и энергия электрона в ней станет меньше (так как заряд электрона отрицателен), а потенциал р-области сделается отрицательным и энергия электрона в ней увеличится. Кривая рас- пРеделепиЯ потенциальной энеРгии электРонов Идо бУдег иметь вид, показанный на рис.
348 а сплошной кривой. Напротив, энергия положительных дырок И'л будет больше в п-области и меньше в р-области (штриховая кривая). 1н 6д ~он Од н ~н 6~ Ы ~н -н ~о ~н — н 1 ~о 1н р, ~=~о-~о=в и в' д ~~1 д' ° ° ° ~ т~фЩЯ И~д яо ° ° о~ "~ЯЯЯ) Рис. 348. Электрический ток н р — и-переходе В состоянии равновесия полный ток через контакт равен нулю. Этот ток в отличие от металлов, где носителями заряда являются только электроны, складывается как из движения электронов, так и из движения дырок. Остановимся на этом вопросе подробнее. Прежде всего напомним, что в любом полупроводнике, помимо основных носителей заряда (представленных в большинстве), всегда имеется еще и некоторое число неосповных носителей заряда (ср.
Э 152). Поэтому в электронном полупроводнике наряду с электронами проводимости (основные носители заряда) имеется еще небольшое число дырок (неосновные носители заряда), а в дырочном полупроводнике, кроме дырок, еще и некоторое число электронов. Чисно неосповных носителей обычно мало по сравнению с числом основных, Обратимся опять к рис. 348. Мы видим, что контактное поле способствует движению неоспавных носителей, которые «скатываются» с потенциального уступа.
Поэтому все неосновные носители, генерируемые в приконтактпой области, движутся через ЭЛЕКТРИЧЕОКИЕЯВЛЕНИЯ В КОНТАКТАХ Гл хгх р — и-переход и образуют некоторый ток силы г„, направленный от п к р. Сила этого тока практически не зависит от разности потенциалов между и- и р-полупроводниками и определяется только числом неосновных носителей, образующихся в приконтактной области в единицу времени. Основные же носители (дырки, движущиеся справа налево, и электроны, движущиеся слева направо) образуют ток г',>, направленный противоположно, т.е. От р к и. Из рис. 348а видно, что контактное поле препятствует движению основных носителей, которые должны преодолевать потенциальный барьер.
В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера, при которой полный ток г — го ге — О Посмотрим теперь, что будет происходить при наличии тока через контакт. Предположим, что мы прило>кили к контакту напряжение такого знака, что па п-области имеется отрицательный потенциал и на р-области — положительный (рис. 348 б).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
