6.6 Эффекты полупроводников
6.6.1 Эффект Ганна
Эффект Ганна, на принципе которого строят диоды Ганна, был открыт в 1963 году американцем Джоном Ганном. Диод Ганна не обладает электронно-дырочным переходом, а состоит из пластины электронного типа проводимости, выполненной из фосфида индия, арсенида галлия, антимонида галлия и др., к противоположным граням которой подсоединены электроды. Толщина полупроводниковой пластинки составляет от сотен нанометров до сотен микрометров. Концентрация донорных примесей, которые вносят в полупроводник, составляет обычно 1015 см–3. Удельное сопротивление не одинаково по протяжённости полупроводника, а максимальная концентрация примеси сформирована у граней пластины, к которым подсоединены контакты. Полупроводниковую пластину обычно выполняют неравномерного сечения сложной конфигурации, создавая на ней выступы и впадины. Работа и параметры диода Ганна напрямую зависят от распределения примесей в полупроводнике и его формы.
Рисунок 34 – Обозначение диода Ганна на схемах
Для изучения эффекта Ганна обратим внимание на рисунок 35, на котором представлена зависимость проводимости полупроводника i от напряжённости электрического поля E.
Подадим напряжение от внешнего источника питания к граням полупроводника, предназначенным для этого. Пока напряжённость поля будет мала, концентрация носителей зарядов от неё зависеть не станет, что отражено на рисунке линейным нарастанием проводимости полупроводника на участке от начала координат до точки A. Последующее повышение напряжённости поля приводит к замедлению роста проводимости полупроводника, и в точке B, соответствующей критической напряжённости поля, она перестанет повышаться.
Рисунок 35 – Вольт - амперная характеристика диода Ганна
Дальнейшее увеличение напряжённости поля вызывает повышенную интенсивность ударов электронов об атомы кристаллической решётки полупроводника, что приводит к уменьшению его дифференциальной проводимости на участке от B до C. Участок отрицательного дифференциального сопротивления имеет место лишь для переменных токов и напряжений. При увеличении напряжённости поля в связи с тем, что удельное сопротивление в объёме полупроводника несколько различно и волновые возмущения не постоянны, электроны с малой эффективной массой, называемые «быстрыми», отталкиваемые электрическим полем, начнут формировать и заполнять собой участок в сечении полупроводниковой пластины.
6.6.2 Эффекты Пельтье и Зеебека
Если в месте контакта двух специально подобранных разнородных материалов создать разность температур, то между этими материалами возникнет ЭДС. Это свойство носит называние эффекта Зеебека (см. рисунок 36), а обратное явление появления разности температур при протекании электрического тока именуют эффектом Пельтье. В качестве материалов могут выступать два металла, но при этом будет мала развиваемая ими термо-ЭДС. Чтобы получить большую величину термо-ЭДС, в качестве материалов используют пары полупроводников с электронным и дырочным типами проводимостей.
Рисунок 36 – Эффект Зеебека
Если один участок материала будет нагрет больше, чем другой, то электроны вследствие теплового движения будут перемещаться в направлении к менее нагретому участку. При этом из-за диффузии одна область материала будет перенасыщена электронами, а другая, наоборот, бедна ими, в результате чего между ними возникнет термо-ЭДС, и при подключении нагрузки потечёт электрический ток. Он будет противодействовать перераспределению электронов в материале.
Эффект Пельтье. Если через контакт специально отобранных полупроводников пропускать электрический ток, то в результате его действия, перемещаясь из одного полупроводника в другой, электроны, которые находились в более высокой энергетической зоне, попадают в полупроводник, в котором станут занимать более низкую энергетическую зону, а избыточная энергия перейдёт в тепло. Т.е. имевшие большую энергию электроны вынуждены отдать часть энергии, что вызовет тепловыделение. При этом температура той части системы, которую покидают электроны, уменьшается. А температура другой части, в которую они поступают, наоборот увеличивается. При активном отводе тепла от нагреваемого участка температура охлаждаемого участка станет ещё ниже.
Рисунок 37 – Устройство и работы батареи элементов на эффекте Пельтье
Принцип действия элементов Пельтье основан на эффекте Пельтье, а элементов Зеебека, – на эффекте Зеебека. Элементы Зеебека применяют в качестве датчиков температуры. Некоторые элементы Пельтье позволяют охладить предназначенные для этого участки полупроводника до меньшей температуры, чем ноль градусов Цельсия. К достоинствам элементов Пельтье и Зеебека относят компактность, отсутствие механических частей и шума при функционировании, высокую надёжность. Недостаток – крайне низкий КПД компонентов.