2. Термоэлектричество Граница металл-металл

П ри соединении двух металлов контактное электрическое поле будет равно разности полей т.к. они направлены в противоположные стороны, значит, результирующее поле будет меньше большего поля и направлено в сторону большего Е₂₁. Теперь электроны из металла 2 в металл 1 вытягиваются небольшим электрическим полем. Он заряжается отрицательно, а металл 2 положительно. Возникает второе электрическое поле E_к. При равенстве этих полей поток электронов из 2 в 1 прекратится (при одинаковой концентрации электронов). Контактная разность потенциалов между 1 и 2 может достигать нескольких вольт.

С оединим два металла в замкнутую цепь. Вначале электроны из металла 2 устремится в металл 1 с двух концов. Металл 1 зарядится отрицательно, а металл 2 положительно. На этом направленное движение электронов закончится. Но если нагреть один из спаев, например B, электроны опять станут переходить из 2 в 1, но только в спае B. Число электронов в металле 1, в спае В, будет больше, чем число электронов в металле 1 в спае А, а в металле 2 наоборот, а если плотности электронов различны, то возникают диффузионные потоки электронов в металле 1 от В к А, в металле 2 от А к В. Электрическое поле E_к в спае А становится больше и электроны свободно переходят через контакт А.

Возникает электрический ток, который называется термотоком. ЭДС, создающая ток называется термо-Э.Д.С. она прямо пропорциональна разности температур нагретого и холодного спаев .

Такое устройство называется термопарой. Так как К.П.Д. у термопары невелик и мала Э. Д.С., она нашла применение в качестве термометра (амперметр, у которого шкала измерения проградуирована не в амперах, а в градусах), действующего в пределах от -200⁰С до +200⁰С, где применение жидкостных термометров исключается.

Если пропустить ток, полученный от внешнего источника тока через контакт двух металлов того же направления, что на рисунке, то в контакте В электрон будет, разгонятся т.к. там электрическое поле равно сумме полей Е_к и Е_внеш, а в контакте А электроны будут, замедлятся т.к. здесь электрическое поле равно разности полей Е_внеш и Е_к. Поэтому контакт В будет охлаждаться, (там совершается работа по разгону электрона, а значит внутренняя энергия уменьшается) а в контакте А электроны будут отдавать свою энергию и он нагреется. Это явление называется явлением Пельтье. Оно применяется в холодильных установках.

Вопросы:

1. Чему равна напряжённость электрического контактного поля?

2. Что называется термопарой?

3. Где применяется термопара?

4. Где применяется явление Пельтье?

3. р-n переход. Полупроводниковый диод. Транзистор. Тиристор.

1 . Диод. При соприкосновении двух полупроводников с различными типами проводимости контактное электрическое поле будет равно сумме полей. Оно значительно шире, чем у металлов, сильно обеднено носителями тока и обладает повышенным сопротивлением т.к. заряды выталкиваются из этой зоны.

Электрический переход между областями полупроводника, одна из которых имеет электронную проводимость, а другая дырочную, называется электронно-дырочным или р-n переходом.

Каковы же свойства р-n перехода. Подключим внешний источник напряжения отрицательным полюсом к n-полупроводнику, а положительным к p-полупроводнику. При увеличении напряжения от нуля внешнее поле будет уменьшать внутреннее, и при некотором значении станет больше его, в цепи начнёт протекать электрический ток.

При дальнейшем увеличении наблюдается резкое увеличение тока. Зависимость тока от напряжения нелинейная (смотри вольт-амперную характеристику). Такое включение называется прямое. Если поменять полярность, то внешнее электрическое поле только усиливает внутреннее и тока не будет. Это обратное включение.

Р-n переход обладает односторонней проводимостью, и применяется в качестве диода, для преобразования переменного тока в постоянный.

Однако кроме основных носителей тока в полупроводниках имеются неосновные, поэтому при подаче обратного напряжения возникает незначительный обратный ток. При большом возникает пробой и диод может выйти из строя.

2 . Термопара-генератор электрического тока. Мы выяснили, что зона р-n перехода обеднена свободными зарядами. Нагреем р-n переход тогда в нём будут образоваться пары электрон-дырка. Электроны пойдут в p-полупроводник, дырки в n-полупроводник. Возникает термо-Э.Д.С. Полупроводниковая термопара имеет КПД до 10% это значительно больше, чем металлическая.

3 . Электронагреватель. Холодильник. Если по р-n переходу пропустить прямой ток, то зона контакта из-за повышенного сопротивления будет больше нагреваться, чем остальное пространство. При обратном токе электрическое поле контакта разгоняет электроны и дырки, т.е. совершает работу, значит, зона контакта охлаждается. На этом эффекте основано действия холодильников, на полупроводниках.

Для увеличения зоны нагревания в полупроводниковых термопарах и зоны тепла в холодильных установках между полупроводниками р и n- типа можно поместить металл.

4. Фотодиод. Если на р-n переход направить свет, но может наблюдаться фотоэффект (частица света – фотон выбивает электрон со связи и он становиться свободным). Рождается пара электрон-дырка. Под действием контактного поля электроны пойдут в p-полупроводник, а дырки в n-полупроводник. Возникает фото-ЭДС. Это явление используется в фотодиодах в фотогальваническом (генераторном) режиме (солнечные батареи). Фото Э.Д.С. кремниевых фотоэлементов достигает 0,5В.

Е сли включить фотодиод в обратном направлении, то обратный ток, обусловлен­ный наличием неосновных носителей тока, будет мал. Однако освещая р-n переход, мы увеличим количество неоснов­ных носителей, а значит, увели­чится и ток. В этом режиме фо­тодиод работает в качестве эле­мента регистрирующего элек­тромагнитное излучение. Для повышения чувствительности фотодиода между р и n-полупро­водниками помещают слой изо­лятора, который уменьшает обратный ток, однако не препятствует возникновению фото­тока. Это р-i-n переход.

5 . Светоизлучающие диоды. При прохождении прямого тока через р-n переход, в зоне контакта электроны встречаются с дырками и рекомбинируют (свободный электрон занимает место дырки на связи в кристалле), при этом выделяется энергия: р-n переход нагревается. Однако существуют вещества: арсенид галлия GaAs, фосфид галлия GaP, в которых энергия рекомбинации освобождается не в виде теплового излучения, а в виде света. На этом эффекте основана работа светоизлучающих диодов (светодиодов), применяемых в качестве индикаторов и полупроводниковых лазеров.

6 . Стабилитронами и стабисторами называют кремниевые полупроводниковые диоды, вольт-амперные характеристики которых имеют участки малой зависимости напряжения от протекающего тока (участки аб и вг). Поэтому стабилитроны и стабисторы используют в стабилизаторах напряжения и тока. Рабочие участки аб стабилитронов и вг стабисторов находятся на обратной и прямой ветвях характеристик. Стабилитроны работают в режиме неразрушающего электрического пробоя – тунельного или лавинного, а стабисторы – прямого напряжения на p-n-переходе.

7. Варикапы. При подаче обратного напряжения любой р-n-переход представляет собой конденсатор, диэлектриком которого служит высокоомный запирающий слой с низкой концентрацией носителей заряда, а электродами – слои полупроводникового материала, пообе стороны от него, сохраняющие высокую проводимость. Ёмкость такого конденсатора, называемая барьерной, определяется обратным напряжением и уменьшается с его ростом, так как запирающий слой расширяется, что равносильно увеличению расстояния между пластинами. Варикапы используются для управления колебательными контурами в системах автоподстройки частоты радио- и телевизионных приёмников.

Вопросы:

1. Что называется р-n переходом?

2. Каким свойством обладает р-n переход?

3. Что называется полупроводниковым диодом?

4. Где применяется полупроводниковый диод?

5. Где применяется р-n переход?

6. Что такое фотодиод?

7. Что такое светодиод?

8. Что такое стабилитроны?

9. Для чего предназначены стабисторы и стабилитроны?

10. Что такое варикап?

11. Для чего предназначен варикап?