physics_saveliev_2 (535939), страница 45
Текст из файла (страница 45)
Оно бу. дет уменьшать поток быстрых и увеличивать поток медленных электронов. Кагда оба потока выравняются Рис. 1И, в каждом сечении, наступит равновесное состояние. При этом на каждом участке проводника длиной дх будет происходить изменение потенциала др, соответствующее изменению температуры г(Т на том же участке. Введем обозначение (77,2) В общем случае потенциал вдоль проводника может изменяться по разным причинам. Под ду в-(77.2) подразумевается только та часть изменения потенциала, которая вызвана градиентом температуры. Между концами проводника, находящимися при температурах Т, и Тм появляется разность потенциалов ге Др,„фф„= ~ бит.
(77.3) г, Величина р невелика — порядка !0-4 в/град. Поэтому обнаружить разность потенциалов (77.3) бывает трудно. Описанный процесс возникновения разности потенциалов на концах неравномерно нагретого проводника имеет место и в полупроводниках.
Если носителями тока являются электроны, потенциал нагретого конца, как мы г, т т, т, сяуаяффуз= ~ омя т)Т+ ~ ))В С)7 = ~ рд С)Т вЂ” ~ мип ЙТ (77,4) г, г, г, (при определении пределов интегрирования надо иметь в виду, что з. д. с. действует в направлении убывания потенциала). Термозлектродвижущая сила ю'„рмо слагается нз суммы скачков потенциала (77.1) в контактах (спаях) и суммы изменений потенциала (77.4), вызванных днффузией носителей тока. Таким образом, ~ теамя ~ иоят + ~ яяффтз' Подставив сюда выражения (77.1) и (77.4) и произведя несложные преобразования, находим Величина ! лж. а=б — —— е ЙТ (77.5) является характеристикой металла или полупроводника и называется козффициентом термо-э.
д. с, ') Такой же знак р имеют металлы, у ноторых знак холлов. ской разности потенциалов соответствует положительным носителям (см. последний абзац $ 73). видели, оказывается выше, чем потенциал холодного. Значит, у полупроводников п-типа с)~р и с)Т имеют одинаковые знаки и, следовательно, р ) О. В случае дырочной проводимости дырки, диффунднруя в большем числе к холодному концу, создают вблизи него избыточный положительный заряд. Таким образом, у полупроводника р.типа потенциал холодного конца будет выше, чем потенциал нагретого, и р ( О '). Вернемся снова к рис. 168. За счет неодинаковости р для участков Л и В возникнет в направлении, указанном стрелкой, э.
д. с., равная Воспользовавшись обозначением (77.5) выражение для термо-э. д. с. можно представить в виде т, ~'т.ю,о=- ~ вл«1' — ~ внг/Т (775) тй т, Если ал н ан в пределах интервала Т, —: Тз мало изменяются с температурой, можно написать д тепко = алв (Т~ 7 з) где через а„н обозначена разность ал — ав. Величину а.тв называют удел ь ной те р мо-э. д, с. данной пары металлов или полупроводников. Для большинства пар металлов сслн имеет порядок 1О-з —: 10-4 в/град; для полупроводников она может оказаться гораздо больше(до 1,5 1О-з в/град). Это объясняется тем, что у полупроводников с разным типом проводимости сс имеет разные знаки '), вследствие чего )сслн, '= !сел) + )схн! ° В отдельных случаях удельная термо-э.
д, с. слабо зависит от температуры. Однако, как правило, с увели. чением разности температур спаев Ю„ри, изменяется не по линейному закону, а довольно сложным образом, вплоть до того, что может менять знак. Так, например, если олин свай пары железо — медь поддерживать при 0'С, то при температуре второго сная, равной примерно 540'С, терно-э. д.
с. обращается в нуль; при более низкой температуре спая сотернр имеет один знак, прн более высокой — другой. Явление Зеебека используется для измерения температур. Соответствующее устройство называется термопарой. Один спай термопары поддерживают при постоянной температуре (например, при 0'С), другой помещают в тот объем, температуру которого хотят измерить.
О величине температуры можно судить по силе возникающего термо-тока, измеряемой гальванометром. Более точный результат получается, если измерять возникающую терно-э. д. с. по методу компенсации. ') При повышении температуры уровни Ферми принесных полупроводников смещаются но направлению к середине запрещенной зоны, т. е. длн полупроводников разных типов в противоположные стороны Величина (77.2) длн полупроводников с разным типоч проводимости также имеет разные знаки.
281 С помощью термопар можно измерять с точностью порядка сотых долей градуса как низкие, так и высокие температуры. В качестве источников тока термопары из металлов и нх спчавов не используются вследствие весьма низкого к. п. д. (не более 0,ба). Термопары из полупроводниковых материалов обладают гораздо большим к. п. д. (до 7%), Они уже нашли применение в качестве небольших генераторов тока для бытовых целей.
Энергии такого генератора, надеваемого в виде абажура 'на стекло керосиновой лампы, хватает для питания радиоприемника, Явление Пельтье. Это явление, открытое Пельтье в 1834 г., заключается в том, что при протекании тока через цепь, составленную из разнородных металлов или полупроводников, в одних спаях происходит выделение, а в других — поглощение тепла. Таким образом, явление Пельтье оказывается обратным явлению Зеебека. Ко.
личество выделившегося тепла определяется выражением 'чЯВ )7АВ ч 77АВ~~ (77.8) где д — заряд, прошедший через спай, Плв — коэффициент пропорциональности, называемый к о э ф ф и ц и е нто м Пельтье (ток течет от звена А к звену В). В отличие от тепла Джоуля-Ленца тепло Пельтье пропорционально не квадрату, а первой степени силы тока. При перемене направления тона Я изменяет знак, т. е. вместо выделения тепла наблюдается поглощение такого же количества тепла (при том же д). Следовательно, 77лв = )7вл Между коэффициентом Пельтье и коэффициентом термо-э. д, с. имеется вытекающее из законов термодинамики соотношение И„в = а„вт.
Явление Пельтье имеет следующее объяснение, Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны от спая имеют различную среднюю энергию (имеется в виду полная энергия — кинетическая плюс потенциальная). Если носители, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они отдают избыток энер. гии кристаллической решетке, в результате чего спай нагревается.
На другом спае носители переходят в орласть с большей энергией; недостающую энергию они заимствуют у решетки, что приводит к охлаждению спая. Иначе обстоит дело в контакте двух полупроводников с различными типами проводимости. В этом случае на одном спае электроны н дырки движутся навстречу друг другу. Встретившись, они рекомбинируют: электрон, находившийся в зоне проводимости и-полупроводника, попав в р-полупроводник, занимает в валентной зоне место дырки. При этом высвобождается энергия, которая требуется для образования свободного электрона в л-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике, а также кинетическая энергия электрона и дырки.
Эта энергия сообщается кристаллической решетке и идет на иагревание спая. На другом спае протекающий ток отсасывает электроны и дырКи- от границы между полупроводниками. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок (при этом электрон из валентной зоны р-полупроводннка переходит в зону проводимости л-полупроводника). На образование пары затрачивается энергия, которая заимствуется у решетки — спай охлаждается. А. Ф.
Иоффе выдвинул идею использования явления Пельтье для создания холодильных установок. Созданы опытные образцы небольших бытовых холодильников, рабочим элементом которых является батарея из чередующихся полупроводников п- и р-типа. Спан одного вида (соответствующие, например, переходу от л к Р) введены в охлаждаемую область, другого вида (соответствующие переходу от р к л) выведены наружу. При надлежащем направлении тока внутренние спаи поглощают тепло, понижая температуру окружающего их про. странства, наружные спаи отдают тепло внешней среде. Заманчиво также применить явление Пельтье для электрического обогрева помещений, В этом случае спай, поглошающий тепло, следует вывести наружу, а спай, выделяющий тепло, поместить внутри обогреваемого помещения, Пропуская ток в' соответствующем направлении, можно, как показывают расчеты, получить выделение на внутреннем спае количества тепла, почти в два раза превышающего затраты энергии на создание тока (остальная энергия черпается из внешней среды).
Такая система обогрева имеет еще и то преимущество, что в случае необходимости (например, в жаркую погоду) ее можно без переделок использовать для понижении температуры помещения — для этого нужно лишь изменить направление тока на обратное. Явление Томсона. На основании термодинамическчх соображений Томсон предсказал в 1856 г., что тепло, аналогичное теплу Пельтье, должно выделяться (или поглощаться) при прохождении тока по однородному проводнику, вдоль которого имеется градиент температуры. Этот эффект был впоследствии обнаружен экспериментально и получил название явления Томсона. Удельная мощность, выделяющаяся в проводнике вследствие явления Томсона, равна лг .
ю=т — /, нх (77. 10) 5 78. Полупроводниковые диоды и триоды Выпрямление токов и усиление напряжений можно осуществить с помощью полупроводниковых устройств, называемых полупроводниковыми (или кристаллическими) диодами и триодами. Полупроводниковые триоды называют также транзисторами, лг где — — градиент температуры в данном месте, 1— лх плотность тока, т — коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом То м с он а.
Этоткоэффициент связан с коэффициентом термо-э. д, с. и коэффициентом Пельтье определенными соотношениями, вытекающими из термодинамики. Явление Томсона объясняется по аналогии с явлением Пельтье. Пусть ток течет в направлении возрастания температуры. Если носители тока — электроны, они при своем движении будут переходить из мест с более высокой температурой (и, следовательно, большей средней энергией электронов) в места с более низкой температурой (и меньшей средней энергией).
Избыток своей энергии электроны отдадут решетке, что приведет к выделению тепла. Если носителями тока служат дырки, эффект, как легко видеть, будет иметь обратный знак. Полупроводниковые устройства можно подразделить яа две группы: устройства с точечными контактами и устройства с плоскостпымп контактамн, Мы ограничимся рассмотрением плоскостных диодов и транзисторов. Основным элементом плоскостных устройств является так называемый р — а-переход. Он представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличаюшимися гипом примесной проводимости.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
