Термоелектричні явища у напівпровідниках, елементи на його основі

Термоерс.

Між кінцями розімкненого провідника, які мають різну температуру, виникає різниця потенціалів, а значить всередині провідника зявляється електрорушійна сила. Причина ефекту – потік дифузії заряджених частинок від нагрітого кінця до холодного більший, ніж в зворотньому напрямку.

На кінцях провідника (і на його поверхні) зявляються електричні заряди, а в середині – електричне поле. , де a- диференційна термоерс.

Рис. 1.Вказаний знак напруги відповідає позитивним носіям заряду і Т2>Т1.	Рис. 2.Термозонд. З- нагрітий стержень, П- напівпровідник, М- холодна металічна пластина. Знак напруги показаний для позитивних частинок.

Метали – a = 1¸10 мкВ/град,

Напівпровідники - a = (1¸10)´10³ мкВ/град.

За допомогою цього явища можна вимірювати температуру тіла.

Ефект Томсона.

Якщо в однорідному провіднику є градієнт температури в напрямку осі Х і в тому ж напрямку тіче електричний струм густиною j , то в кожній одиниці обєму за одиницю часу виділяється, крім тепла Джоуля j²/s ще додаткове тепло , де a_Т – коеф. Томсона.

При зміні напрямку струму на зворотній тепло Томсона міняє знак: замість поглинання тепла спостерігається його виділення, і навпаки. При наявності градієнта температури в провіднику є ще тепловий потік, обумовлений теплопровідністю речовини.

Кількість тепла, що проходить через одиницю поверхні за одиницю часу в напрямку Х є , де c – коефіцієнт теплопровідності. Якщо цей потік змінюється в просторі (в результаті зміни c чи dT/dx ), то в обємі провідника також виділяється тепло .

В загальному випадку, коли напрям j і ÑT не співпадає, повна генерація тепла в одиниці обєму за одиницю часу рівна .

В стаціонарному випадку Q_V = 0. Тому в провіднику встановлюється такий просторовий розподіл температури, при якому тепло, що відводиться теплопровідністю, як раз дорівнює сумі тепла Джоуля і тепла Томсона.

Ефект Пельтє.

Зворотнє виділення тепла спостерігається на границі контакту двох різних провідників. Кількість тепла, що виділяється на одиниці площі контакту за одиницю часу Q, рівне , де j - густина струму через контакт, а П₁₂ – коефіцієнт Пельтє. Він залежить від властивостей провідників, що контактують.

При зміні напрямку струму на зворотній замість виділення тепла спостерігається його поглинання і навпаки. Тобто, П₁₂ = -П₂₁.

Причина виділення (поглинання) тепла Пельтє полягає в тому, що середні енергії електронів Е₁ і Е₂ в різних провідниках 1 і 2 неоднакові, навіть якщо обидва провідники мають одну і ту ж температуру. При переході з одного провідника в другий змінюється:

1)Потенціальна енергія електрона -ej, оскільки на границі розділу є скачок електростатичного потенціалу і тому j₁ ¹ j₂ .

2) Може змінюватись середня кінетична енергія Е . Причина – не класична статистика Максвела-Больцмана для електронів, а квантова статистика Фермі-Дірака, у відповідності до якої залежить не лише від температури, але і від концентрації електронів.

При наявності струму для підтримки температури контакту постійною від нього необхідно відводити енергію, якщо Е₁ > Е₂ (виділення тепла Пельтє), або підводити її до контакту, коли Е₁<Е₂ (поглинання тепла Пельтє).

П₁₂ = П₁ – П₂, де П₁ і П₂ – коефіцієнти Пельтє для провідника 1 і провідника 2, відповідно.

Зв’язок термоелектричних кінетичних коефіцієнтів:

П = a Т, .

Технічне застосування:

-термоелектричні генератори невеликої потужності;

- термоелектричні охолоджуючі пристрої.

Ефект Нернста-Етінгсгаузена.

Поперечний ефект Нернста-Етінгсгаузена.

Якщо провідник, в якому є градієнт температури, помістити в магнітне поле, то в ньому виникне електричне поле E перпендикулярне до ÑT і B, тобто в напрямку вектора [ÑT´ B]. Якщо градієнт температури направлений вздовж осі Х, а магнітна індукція – вздовж осі Z, то електричне поле паралельне осі Y (рис. 3).

Ey = q_^ Bz dTdx, де q_^ - постійнаНернста-Етінгсгаузена.

Ge: r ~1 Ом см , B ~ 10³ Гс, dT/dx ~ 10² град/см, то Ey ~ 10^-2 В/см.

q_^ залежить від температури і магнітного поля і при зміні цих величин може навіть міняти знак. Знак q_^ не залежить від знаку носіїв заряду.

Рис. 3. Поперечний термомагнітний ефект Нернста-Етінгсгаузена.

Даний ефект виникає по тій же причині, що і ефект Хола, тобто в результаті відхилення потоку заряджених частинок силою Лоренца. Відмінність, однак, полягає в тім, що при ефекті Хола направлений потік частинок виникає в результаті їх дрейфу в електричному полі, а в даному випадку – в результаті дифузії.

Ефект Рігі-Ледюка.

В провіднику, в якому є градієнт температури, при включенні магнітного поля зявляється також поперечна (по відношенню до початкового теплового потоку і напрямку В) різниця температур (рис.4).

dT/dy = S Bz dt/dz

Рис. 4. Поперечний термомагнітний ефект Рігі-Ледюка.

де S - постійна Рігі-Ледюка, що характеризує властивості даної речовини.

Ефект Рігі-Ледюка пов'язаний з тим, дифундуючи носії заряду переносять з собою тепло (теплопровідність). Без магнітного поля потік тепла направлений від гарячого кінця до холодного, тобто паралельно -Ñ_xТ. В магнітному полі потоки дифузії і тепла повертаються силою Лоренца на деякий кут. Тому виникає складова теплового потоку вздовж осі Y, що і приводить до появи складової градієнта температури -Ñ_yТ. Так як сили Лоренца при даному напрямку дифузії залежать від знаку заряджений частинок, то кут повороту теплового потоку, а значить і постійна мають різні знаки для позитивних і негативних носіїв заряду.

Повздовжні термомагнітні ефекти.

Повздовжні термомагнітні ефекти:

- поздовжній ефект Нернста-Етінгсгаузена-зміна термоерс в поперечному магнітному полі;

- поздовжній ефект Рігі-Ледюка – зміна теплопровідності в магнітному полі.

Теплообмін з оточуючим середовищем

1) Ізотермічний – поперечні градієнти температур рівні 0;

2) Адіабатичний – поперечні потоки тепла рівні 0.

Величини різних кінетичних коефіцієнтів – електропровідності, постійної Хола, термоерс та ін. – суттєво залежать від властивостей рухливих носіїв заряду: їх заряду, маси, енергетичного спектру в кристалі, а також від особливостей їх взаємодії з кристалічною граткою.

Поиск по сайту: