Савельев - Курс общей физики Том 2 - Электричество (934756), страница 44
Текст из файла (страница 44)
В качестве источников тока термопары из металлов и нх сплавов не используются вследствие весьма низкого к. п. д. (не более О,бвв). Термопары из полупроводниковых материалов обладают гораздо большим к. п. д. (до 77о). Они уже нашли применение в качестве небольших генераторов тока для бытовых целей. Энергии такого генератора, надеваемого в виде абажура 'иа 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. Количество ' выделившегося тепла определяется выражением (77.8) Рлв=Плв Ч=ПлвЯ где д — заряд, прошедший через спай, Плв — коэффициент пропорциональности, называемый к о э ф ф и ц и е нто м П ельтье (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 тока Я изменяет знак, т. е. вместо выделения тепла наблюдается поглощение такого же количества тепла (при том же д). Следовательно, Плв = Пвл. Между коэффициентом Пельтье и коэффициентом термо-э. д. с. имеется вытекающее из законов термодинамики соотношение Плв = плву. (77.9) Явление Пельтье имеет следующее объяснение. Носители тока (электроиы 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 избытокэнер- гни кристаллической реп1етке, в результате чего сдай 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 и дырки движутся навстречу друг другу. Встретившись, они рекомбиннруют: 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 и-полупроводнике и дырки в р-полупроводнике, а также кинетическая энергия электрона и дырки. Эта энергия сообщается кристаллической решетке и идет на нагреванне спая.'На другом свае протекающий.ток отсасывает электроны и дырхи от границы между полупроводниками. Убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок (прн этом электрон нз валентной зоны р-полупроводника переходит в зону проводимости и-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 а- и р-типа. Спаи одного вида (соответствующие, например, переходу от и к р) введены в охлаждаемую область, другого вида (соответствующие переходу от р к а) выведены наружу.
При надлежащем направлении тока внутренние спаи поглощают тепло, понижая температуру окружающего ихпространства, наружные спаи отдают тепло внешней среде. Заманчиво также применить явление Пельтье для электрического обогрева помещений. В этом случаеспай, поглощающий тепло, следует вывести наружу, а спай, выделяющий тепло, поместить внутри обогреваемого помещения, Пропуская ток я 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 нз внешней среды). Такая система обогрева имеет еще и то преимущество, что в случае необходимости (например, в жаркую погоду) ее можно без переделок использовать для понижения.
температуры помещения — для этого нужно лишь изменить направление тока на обратное. Явление Томсона. На основании термодинамическнх 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 лт . ю =т — 1' лх (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, и где — — градиент температуры в данном месте, 1— дх плотность тока, т — коэффициент пропорциональности, называемый коэффнциевтом Томсона. Этоткоэффициент связан с коэффициентом термо-э. д, с. и ковффициентом 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 внергии 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 плоскостными контактами. Мы ограничимся рассмотрением плоскостных диодов и транзисторов. Основным элементом плоскостных устройств является так называемый р — и-переход. Он представляет гобой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом прнмесной проводимости.
Для изготовления такого перехода берут, например, монокристалл нз очень чистого германия с электронным механизмом проводимости (обусловленным ничтожными остатками примесей). В вырезанную из й кристалла тонкую пластинку Ф~ ~~"г"~~~~ вплавляют с одной стороны $ ~~ кусочек индия. Во время этой Ьв р, л операции, которая осуществля- ф ~ ется в вакууме или в атмосфере инертного газа, атомы р-о-агдельд индия диффундируют в германий на некоторую глубину.
В Рас. !70. той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает р — и-переход. На рис. 170 показан ход концентрации примесей в направлении, перпендикулярном к граничному слою. В р-области основнымн носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси (акцепторы при этом становятся отрицательными ионами); кроме того, в этой области имеется небольшое число неосновных носителей — электронов, возникающих вследствие перевода тепловым движением электронов нз валентной зоны непосредственно в зону прогодимости (этот процесс немного увеличивает н число дырок). В и-области основные носители тока — электроны, отданные донорами в зону проводимости (доноры прн этом превращаются в положительные ионы); происходящий за счет теплового движения переход электронов нз валентной зоны в зону проводимости приводит к образованию небольшого числа дырок — неосновных носителей для этой области.
Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют круг с другом. Поэтому р — и-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между обла- стями возникает двойной 3 электрический слой, об,О О О О+~~О О+ О+.О+.О+ разованный отрицатель- О О О+ О® О О+ О+ О+ нымн ионамн акцептор- *' ной примеси, заряд котоЯЬЭЯО~О+О+О+С+~О+ рых теперь не компенсиЯОО+ОО+'ОО+ЯО+'.О+ руется дыркам~, н и лоОоооо!О+О+'С+~О+'О+ жительныл1и ионами до- 6.—— и ~ ° норной примеси, заряд ко- ООО+О1О+ОО+О+О+ торых теперь не компен- О'О О О О+ф ® О+ (+©+ снруется электронами 1 (рис. 171; кружки — ионы, р-а.лэюаа черные точки — электроны, белые точки — дырки).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
