Г Л А В А 7. Термоэлектрические и гальваномагнитные явления 233

Г Л А В А 7

Термоэлектрические и гальваномагнитные явления в полупроводниках

(термоэлектрические явления (эффекты Зеебека и Пельтье); гальваномагнитный эффект Холла)

При создании полупроводниковых приборов большое практическое применение получили термоэлектрические и гальваномагнитные явления, которые будут рассмотрены ниже. В подобных приборах используется зависимость электрофизических свойств полупроводников и полупроводниковых контактов от таких внешних возмущающих факторов, как температура и напряженность электромагнитного поля.

7.1. Термоэлектрические явления

К термоэлектрическим явлениям относятся три группы взаимосвязанных явлений, получивших имена авторов: явление Зеебека, Пельтье и Томсона.

7.1.1. Явление Зеебека

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из двух полупроводников p-иn- типа проводимости, имеющих общий металлический контакт. Полагаем, что материалы поверхностей металлического контакта подобраны таким образом, что работы выхода из металлов покрытий, φ_м, и контактирующих с ними полупроводников, φ_п, одинаковы, то есть разность φ_мп=φ_м-φ_п=0. В получившихся контактах отсутствуют слои обогащения или обеднения, нет изгиба зон. Контакты такого рода называютнейтральными.

Энергетическая зонная диаграмма такой цепи в состоянии теплового равновесия изображена на рис. 7.1. Между электронным и дырочным полупроводниками вследствие различных работ выхода электронов из контактирующих металлов существует потенциальный барьер величиной φ_к, препятствующий диффузии электронов изn-области контакта вp-область и дырок изp-области контакта вn-область. Однако, это не свидетельствует о выпрямляющих свойствах такого контакта, поскольку дрейфовые носители тока, возникающие при подключении внешнего источника с любой полярностью, туннелируют через тонкие потенциальные барьеры между металлами, преодолевая при этом небольшие потенциальные барьеры, соответствующие энергии ионизации примесных уровней в контактирующих полупроводниках.

Всостоянии теплового равновесия общий ток через структуру при подключенной активной нагрузкеR_нравен нулю.

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, возникает термоэлектродвижущая сила (термоЭДС), если места контактов поддерживаются при различных температурах Т₁иТ₂.

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

U=(T₂-T₁), (7.1)

где - коэффициент термоЭДС, составляющий дляSiоколо 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.

Схема полупроводниковой термобатареи, состоящей из двух термоэлементов, изображена на рис. 7.2.

Коэффициент термоЭДС, α, складывается из трех составляющих:

α= α_диф+ α_к+ α_фон, (7.2)

где α_диф– составляющая термоЭДС, обусловленная диффузией носителей тока от нагретого спая; α_к– составляющая термоЭДС, обусловленная температурной зависимостью контактной разности потенциалов, возникающей между полупроводникамиp- иn- типа проводимости; α_фон- составляющая термоЭДС, возникающая вследствие увлечения носителей заряда квантами тепловой энергии – фононами.

Зонная диаграмма полупроводниковой термобатареи, изображенной на рис. 7.2, с контактами, находящихся при различных температурах, показаны на рис. 7.3.

Появление диффузионной составляющей термоЭДС, α_диф, 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. 7.3, 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. 7.3, (температура Т₂).

Наклон границ зон показывает уменьшение концентраций основных носителей в горячей области спая, находящейся при температуре Т₂.

Появление контактной составляющей термоЭДС, α_к, является следствием температурной зависимости контактной разности потенциалов в местах контактовp- иn-полупроводников. Контактная разность потенциалов φ_к2на горячем спае понижается вследствие смещения уровней Ферми в ветвях к середине запрещенной зоны. Зонная диаграмма «холодного» спая, находящегося, например, при температуреТ₁=300К, имеет вид изображенный на рис. 7.3,б. При нормальной температуре для кремния величина контактной разности потенциалов φ_ксоставляет около 0,7 В. Контактные разности потенциалов на горячем и холодном спаях направлены в противоположные стороны, причем φ_к1> φ_к2. Разность

φ_к =φ_к1- φ_к2

совпадает с полярностью диффузионной составляющей термоЭДС и увеличивает её.

Фононная составляющая термоЭДС, α_фон, 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

, (7.3)

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