Термоэлектрические явления в полупроводниках.

ЭФФЕКТЫ ЗЕЕБЕКА И ПЕЛЬТЬЕ

Термоэлектрические явления - это совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электри­ческим" явлениями в металлах и полупроводниках.

Эффект Зеебека

Эффект Зеебека заключается в том, что в замкнутой цепи, со­стоящей из двух разнородных полупроводников р-типа и п-типа, мес­та соединения которых находятся при разных температурах, возника­ет электрический ток. называемый термоэлектрическим током. На концах такой разомкнутой цепи появляется разность потенциалов Е, называемая термо-ЭДС.

Термоэлементом называется устройство, состоящее из двух по­лупроводниковых ветвей, обладающих разным типом электропро­водности. Ветвь термоэлемента с электропроводностью р-гипа назы­вается положительной ветвью, а с электропроводностью л-тииа - от­рицательной.

г

Т2 > 7 7

Г

И

ru

I 77 (1птш«ы0е1янячий>

Рис. 9.1. Структура термоэлемента

Положительная и отрицательная полупроводниковые ветви со­чинены последовательно контактными пластинами, называемыми ^с"аями. При работе термоэлемента спаи имеют разную температуру; " мн из них называется теплопоглощающим. а другой - тепловыде­ляющим.

1ермо-ЭДС состоит из трех составляющих.

Первая составляющая термо-ЭДС обусловлена диффузией '"Жителей заряда от нагретого (внешним источником) спая, темпера- •Ра которого выше температуры тепловыделяющего спая.

Диффузия носителей заряда в полупроводниковых ветвях мож^ возникать по двум причинам:

1.1. В области у нагретого спая оказывается большее число но низированных примесей, а следовательно, и большая концентрац_Ня носителей заряда, чем у не нагретого спая. Поэтому возникает д_Иф. фузия основных носителей заряда в каждой ветви из-за градиента концентраций.

77 т2>т1 т1

< -

О

Рис. 9.2. Диффузия носителей от ншретого спая

1.2. В областях нагретых спаев носители заряда приобретают больше энергии.

п р

Фс, «V, Ф»

Фс Фм. «Ра. Ф у.

Рис. 9.4. Энергетические диаграммы: а в состоянии термодинамического равновесии (7", = Т₂); 6 - при различных температурах 7", < Т_г

Поэтому происходит диффузия основных носителей от нагрето- _г0 конца каждой ветви, связанная с выравниваем средней энергии, приходящейся на один носитель заряда определенного знака.

Диффузия электронов в отрицательной ветви может происхо­дить только от нагретого конца этой ветви вдоль неё. и не может идти в положительную ветвь, так как этому препятствует потенциальный барьер нагретого спая. Аналогично для дырок диффузия идет от на­гретого спая вдоль положительной ветви и не может перейти в отри­цательную ветвь.

Перемещение носителе заряда вследствие диффузии нарушает электронейтральность в ветвях термоэлемента: на нагретых спаях ос­таются некомпенсированные ноны примесей, а на противоположных концах - образуется избыток основных носителей заряда.

В результате возникает первая составляющая термо-ЭДС, назы­ваемая диффузионной.

В области, где существует электрическое поле (неравновесное состояние), энергетические уровни имеют наклон.

E_Ki

2. Вторая составляющая термо-ЭДС - это следствие темиера- турной зависимости контактпон разности потенциалов. Если оба спая термоэлемента имеют одну и ту же температуру, то контактные разности потенциалов на этих спаях равны, направлены в противопо­ложные стороны и при обходе контура суммарная термо-ЭДС равна нулю.

^ЕК2 < Е_{к ]}

р	—	А п 1 1
	N—
	1 1

Е>

а

Рис. 9.5. Возникновение контактной разности потенциалов: а - термоэлемент; б - энергетическая диаграмма

Если температура спаев различна Г, <7\, значения контактной Разности потенциалов на каждом из спаев будут различны. В этом

149

случае появляется вторая составляющая термо-ЭДС с той же поляр ностью. что и первая.

3. Третья составляющая термо-ЭДС возникает вследствие увд_е чення носителей заряда фононамп (квантами тепловой энергии). Если в ветвях термоэлемента есть градиент температуры, то будет сущ_ест_ вовать направленное движение фононов от нагретых ветвей. В зультате столкновений фононов с носителями заряда, фононы увл_е. кают за собой электроны в отрицательной ветви (передают им энер­гию и импульс в результате электрон-фононного рассеяния) и дыр_Ки в положительной ветви. Этот эффект преобладает при низких темпе­ратурах.

Результирующая термо-ЭДС, включающая три составляющих, зависит от абсолютных значений температур спаев, их разности и от электрофизических свойств полупроводниковых материалов, обра­зующих ветви.

В небольшом диапазоне температур термо-ЭДС пропорцио­нальна разности температур спаев: Е = а, ₂ -А7". где а,₂ - коэффи­циент термо-ЭДС (или удельная термо-ЭДС), представляющий собой величину ЭДС. отнесенную к единичной разности температур. Для полупроводников a, j = } 00... 1000 мкВ/К, для металлов

а,, = 1...10 мкВ/К.

9.2. Эффект Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том. что при прохождении элек­трического тока через контакт двух полупроводников с разным типом электропроводности в нем в зависимости от направления тока выде­ляется или поглощается теплота дополнительная к джоулевой.

Количество теплоты при эффекте Пельтье пропорционально си­ле тока и времени: Q„ = ±П • / •/. где П - коэффициент Пельтье.

Рассмотрим структуру термоэлемента, состоящую из трех полу­проводниковых областей (рис. 9.6).

При прохождении тока в направлении, показанном ^нз рис. 9.6, о, свободные электроны и дырки, возникшие в результате тепловой генерации, двигаются на спае 1 в разные стороны под Д^е1 ствием суммарного электрического поля (диффузионного поля спая внешнего поля).

При тепловой генерации носителей заряда в области спая 1 на ереброс электрона затрачивается тепловая энергия кристаллической решетки. Поэтому при заданном направлении тока спай 1 будет ох­лаждаться. а спай 2 - нагреваться, так как к нему с разных сторон подходят электроны и дырки, которые отдают при рекомбинации не­которую энергию в виде теплоты.

В результате при прохождении тока термоэлемент работает как своеобразный «тепловой насос» 2. забирая тепловую энергию на спае I (геплопоглощающем) и выделяя её на спае 2 (тепловыделяю­щем)-

м р п

.......

			<
т><т0	т
		а
			/

- ---------

Рис. 9.6. Термоэлемент:

Дата добавления: 2015-11-26