Термоэлектрические

явления в полупроводниках

Явление Зеебека Эффект Пельтье Эффект Томсона

Явление Зеебека

Явление, названное в честь первооткрывателя (1821 г.), немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека, заключается в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разных материалов, возни- кает термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), если места контактов поддержива-ются при различных температурах Т1 и Т2.

В небольшом интервале температур величина термоЭДС, U, пропорциональна разности температур:

где α - коэффициент термоЭДС, составляющий для Si около 0,5 мВ/К.

Зона электрического соединения ветвей полупроводникового термоэлемента называется спаем. Горячий спай – теплопоглощающий, холодный спай –

тепловыделяющий.

Полупроводниковая термобатарея – большое число последовательно соединенных термоэлементов.

Термоэлектрический блок – несколько электрически соединенных полупроводниковых термобатарей, объединенных конструктивно с системой теплообмена.

Явление Зеебека

Рис. 3. Энергетическая зонная диаграмма полупроводниковой

термобатареи, изображенной на рис. 6.2 (подключение нагрузки Rн поазано условно)

Т1 – холодные спаи; Т2 – горячие спаи; Т2>Т1

Коэффициент термоЭДС, α, складывается из трех составляющих:

где αдиф – составляющая термоЭДС, обусловленная диф- фузией носителей тока от нагретого спая; αк – составляющая термоЭДС, обусловленная температур-

ной зависимостью контактной разности потенциалов, воз- никающей между полупроводниками p- и n- типа

проводимости; αфон - составляющая термоЭДС, возникающая вследствие

увлечения носителей заряда квантами тепловой энергии – фононами.

Появление диффузионной составляющей термоЭДС, αдиф, обусловлено тем, что на нагретых концах ветвей термоэлементов носители тока приобретают дополнительную энергию. Поэтому происходит диффузия основных носителей тока от нагретого конца в каждой ветви термоэлемента к холодному.

Диффузия электронов в отрицательной ветви может происходить только от нагретого конца этой ветви вдоль неё к холодному концу. Она не может происходить в положительную ветвь, поскольку переходу электронов в положительную ветвь препятствует потенциальный барьер нагретого спая термоэлемента (рис. 3, температура Т2). Аналогично, дырки в положительной ветви могут диффундировать вдоль неё от нагретого конца.

Перемещение носителей заряда, связанное с их диффузией, нарушает электрическую нейтральность в ветвях термоэлемента. На нагретых концах ветвей термоэлемента образуется недостаток основных носителей заряда (нескомпенсированные ионизированные примесные атомы), а на противоположных концах образуется избыток основных носителей заряда. Зонная диаграмма «горячего» спая имеет вид, изображенный на рис. 3, (температура Т2).

Появление контактной составляющей термоЭДС, αк, является следствием температурной зависимости контактной разности потенциалов в местах контактов p- и n-полупроводников. Контактная разность потенциалов φк2 на горячем спае понижается вследствие смещения уровней Ферми в ветвях к середине запрещенной зоны. Зонная диаграмма «холодного» спая, находящегося, например, при температуре Т1=300К, имеет вид изображенный на рис. 3, б. При нормальной температуре для кремния величина контактной разности потенциалов φк составляет около 0,7 В. Контактные разности потенциалов на горячем и холодном спаях направлены в противоположные стороны, причем φк1 > φк2. Разность

φк =φк1 - φк2

совпадает с полярностью диффузионной составляющей термоЭДС и увеличивает её.

Явление Зеебека

Фононная составляющая термоЭДС, αфон, возникает в термоэлементе вследствие увлечения носителей заряда квантами тепловой энергии - фононами, движущимися от нагретых концов ветвей. В результате столкновений фононов с носителями тока фононы увлекают за собой электроны в отрицательной ветви и дырки в положительной ветви.

Коэффициент полезного действия термогенератора определяется из выражения

где λ=0,16 - коэффициент теплопроводности; α - коэффициент термоЭДС, мВ/К; σ – электропроводность полупроводника, 1/Ом·м.