3.10. Термоэлектрические эффекты.
Эффект Зеебека. В электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных полупроводников или полупроводника и металла, возникает ЭДС, если между концами этих материалов существует разность температур (рисунок 3.11).
Рис. 3.11. Схема термопары: Т1 – температура свободных концов (холодный контакт).; Т2 – температура горячего спая.
,
где ЕТ ― термоЭДС;
αТ ― коэффициент термоЭДС;
ТГ, ТХ ― температура горячего и холодного концов.
Рассмотрим образование термоЭДС на примере однородного полупроводника. У горячего конца полупроводника свободных носителей зарядов больше, чем у холодного (электронов или дырок в зависимости от типа полупроводника). Носители зарядов у горячего конца полупроводника имеют более высокую энергию и скорость, чем у холодного. Поэтому носители заряда будут диффундировать от горячего конца к холодному. В результате концы полупроводника будут иметь заряды разного знака. Под действием образовавшейся разности потенциалов возникает перетекание зарядов между концами полупроводника. В установившемся режиме в электронных полупроводниках на холодном конце полупроводника образуется отрицательный заряд, а на горячем ― остаётся нескомпенсированный положительный. У дырочного полупроводника на холодном конце возникает положительный заряд. Таким образом, по знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводности полупроводника.
ТермоЭДС полупроводников на два порядка больше, чем у металлов. В зависимости от типа полупроводника коэффициент термоЭДС у полупроводников р– типа αТ >0, у полупроводников n – типа αТ < 0.
Термоэлектрический эффект Зеебека нашёл применение для создания термопар для дистанционного измерения температуры и термогенераторов для преобразования тепла в электричество.
Электротермический эффект Пельтье.
При прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.
,
где QП ― теплота Пельтье; П ― коэффициент Пельтье; I ― ток; t ― время прохождения тока.
Эффект применяют для создания микрохолодильников.
Электротермический эффект Томпсона.
Электротермический эффект Томпсона заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении тока в однородном материале, в котором существует разность температур.
,
где τ ― коэффициент Томпсона.
Эффект применяется для создания термоэлементов и термогенераторов.
3.11. Эффект Холла.
Гальваномагнитным эффектом Холла в полупроводниках называется явление, возникновения ЭДС на боковых гранях полупроводниковой пластины при одновременном действии электрического и магнитных полей.
Рис.3.12. Пластина полупроводника n- типа в электрическом и магнитном поле.
На рис.3.12 изображена пластинка полупроводника n – типа. На движущийся в полупроводнике под действием электрического поля электрон в магнитном поле действует сила Лоренца, которая отклоняет его в направлении, перпендикулярном направлению магнитного поля. В результате электроны накапливаются на правой боковой грани. На противоположной грани создаётся положительный заряд, обусловленный ионами донорной примеси. Накопление зарядов происходит до тех пор, пока электрическое поле этих зарядов не уравновесит силу Лоренца.
,
где RХ ― коэффициент Холла;
в ― толщина пластины;
В ― магнитная индукция в образце;
ЕХ ― напряжённость возникшего электрического поля;
I ― ток.
Знак минус означает, что носителями заряда в данном полупроводнике n – типа являются электроны.
Эффект Холла используется для:
– определения характеристик полупроводниковых материалов;
– создания датчиков Холла;
– как принцип действия приборов нашедших техническое применение.