33. Термоэлектрический эффект Зеебека. Причины возникновения термо-эдс.

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников (p и n типа), контакты между которыми находятся при различных температурах.

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

Как уже отмечалось, эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает ЭДС (термо-ЭДС), если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников называется термоэлементом или термопарой. Положительные и отрицательные ветви проводника соединены контактными пластинами, известными так же как спаи.

Причины возникновения термо-ЭДС.

Три составляющие :

1. Диффузионная – обусловлена диффузией носителей заряда от нагретого спая к менее нагретому. Нагрев происходит за счёт внешнего источника.

У нагретого спая большее кол-во ионизированных примесей, следовательно больше концентрация носителей, следовательно возникает дифф. градиента концентрации. В областях нагретых спаев носители заряда приобретают большую энергию, следовательно происходит диффузия от нагретого спая каждой ветви связанной с выравниванием средней энергии носителей, приходящейся на носитель каждого знака.

Энергетическая диаграмма для термодинамического равновесия

Диффузия может идти только от нагретого к менее нагретому спаю и не может идти в «+» из-за барьера. Дырки в р-области у нагретого спая не могут перейти в n-область, ввиду потенциального барьера.

Перемещение носителей в следствии диффузии нарушает термонейтральность в ветвях термоэлемента: на нагретых областях остаются нескомпенсированные ионы примеси, а на противоположных избыток…

2. Контактная – следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов.

3. Фононная – при увеличение температуры в одной из областей генерируются фононы, которые увлекают за собой носители заряда. Если есть градиент температур, то будет и движение фононов и перемещение носителей зарядов. Наблюдается при низких температурах.

Результирующее термо-ЭДС зависит от электрофизических свойств п\п, напряженности и т.д.

где α₁₂ — коэффициент термо-ЭДС.

34. Термоэлектрический эффект Пельтье.

При прохождении электрического тока через контакт п\п с разным типом электропроводности в нём выделяется или поглощается теплота.

Q_T= ± π₁₂It, где π₁₂ – коэффициент Пельтье [Дж/К]

Причины возникновения: на п/п с одинаковым типом электропроводности совпадает с контактом Ме-Ме. Носители заряда по обе стороны спая имеют разную Е зависящую от концентрации, мех.рассеивания. Если носители пройдя через спай попадают в область с меньшей энергией, то они передают избыток энергии кристаллической решётке в результате чего происходит выделение теплоты Пельтье Q > 0.

Если носители попадают в область с большей энергией, то они заимствуют энергию у решётки и происходит охлаждение Q теплоты Пельте.

Связанные электроны и дырки, возникшие в результате термогенерации, движутся в разных направлениях под действием суммарного энергетического поля. Этот спай будет охлаждаться, т.к. на переброс электрона была затрачена энергия крист.решётки. На втором спае происходит рекомбинация, выделяется теплота и спай нагревается.

В результате, при прохождении тока термоэлемент работает как своеобразный тепловой насос.

Эффект Пельтье является обратным к коэфф. Зеебека.

Π₁₂= α₁₂Т

Освещённый переход может быть использован для преобразования энергии светового потока в электрическую энергию. При освещении световым потоком ветви ВАХ смещаются на величину Iф, пропорциональную световому потоку Ф. Семейство расположено в первом, третьем и четвёртом квадрантах. Первый квадрант – нерабочая область, так как в нём прямое напряжение и диффузионная составляющая перехода полностью подавляет фототок, и управление световым потоком становится невозможным. Режим работы освещённого перехода при отсутствии внешнего напряжения называется фотогальваническим (или вентильным) – четвёртый квадрант. Достоинством фотовентильного режима является отсутствие дополнительных источников питания и малым уровнем шумов. В этом режиме он используется для работы солнечной батареи. Третий квадрант соответствует фотодиодному режиму – на него подаётся обратное напряжение от внешнего источника, и ток Iф складывается с обратным током насыщения I0 и является функцией освещённости Ф. Достоинство этого режима – малая инерционность и высокая чувствительность. Аналогичные результаты можно получить и при контактах металл-полупроводник и в гетеро-переходах. В качестве материала используются Si, GaAs, InP, AlSb.