2. ТермоЭдс (Термоэлектродвижущая Сила)
ТермоЭДС ( ) — это электродвижущая сила, возникающая в термопаре (термоэлементе) в результате эффекта Зеебека.
Полная
термоЭДС, возникающая в цепи, состоящей
из двух разнородных проводников
и
при температурах контактов
и
,
определяется как:
Где
— коэффициент
термо-ЭДС
(или термоэлектрическая мощность) пары
материалов
и
.
Формула для коэффициента:
Коэффициент термо-ЭДС пары является
разностью индивидуальных коэффициентов
термо-ЭДС каждого материала:
Коэффициент
показывает, какая ЭДС возникает на
одном контакте при разности температур
в
.
Измеряется в
или
.
Важность полупроводников: Полупроводники обладают термо-ЭДС, в сотни раз превышающей термо-ЭДС металлов, благодаря низкой концентрации носителей заряда и возможности управления их типом ( - или -проводимость).
3. Термопара
Термопара (или термоэлектрический преобразователь) — это устройство, использующее эффект Зеебека для измерения температуры или для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
Устройство
Термопара представляет собой замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных проводников или полупроводников ( и ), соединённых в двух точках:
Рабочий спай (Горячий контакт): Контакт, помещаемый в среду, температуру которой нужно измерить ( ).
Свободный спай (Холодный контакт): Контакт, поддерживаемый при известной, постоянной температуре ( , обычно
или
).Измерение: Возникающая в цепи термоЭДС ( ) измеряется вольтметром.
Принцип работы
Поскольку
прямо пропорциональна разности
температур
,
измеряя
и зная постоянную опорную температуру
,
можно определить искомую температуру
.
Применение
Измерение температуры: Наиболее распространённое применение — измерение температуры в широком диапазоне (от криогенных до тысяч градусов Цельсия) в промышленности и лабораториях.
Термогенераторы: Используются для преобразования тепловой энергии в электрическую (например, для питания спутников и глубоководных аппаратов, где есть разница температур).
Термохолодильники (Эффект Пельтье): Хотя эффект Пельтье обратен эффекту Зеебека, термопары могут использоваться для охлаждения при пропускании через них тока.
Эффект Пельтье. Эффект Томсона.
Эффекты Пельтье и Томсона — это два из трёх основных термоэлектрических явлений (вместе с эффектом Зеебека), которые описывают взаимосвязь между электрическим током и тепловыми процессами в проводниках.
1. Эффект Пельтье
Эффект Пельтье — это явление выделения или поглощения тепла, происходящее на контакте (спае) двух разнородных проводников или полупроводников при прохождении через него электрического тока.
Он является обратным к эффекту Зеебека.
Механизм
При прохождении тока через контакт двух разных материалов ( и ):
Разные энергии электронов: Средняя энергия электронов, участвующих в переносе тока, в материале и материале различна (это связано с разницей в уровне Ферми и работе выхода).
Выравнивание энергии: При переходе электронов с более низкого энергетического уровня на более высокий (например, из материала с более низким уровнем Ферми в материал с более высоким) электронам требуется дополнительная энергия, которая отбирается у кристаллической решётки — контакт охлаждается.
Передача энергии: При обратном переходе (с высокого уровня на низкий) электроны отдают избыточную энергию решётке — контакт нагревается.
Количественные характеристики
Количество теплоты
Пельтье (
),
выделяемой или поглощаемой за время
на контакте, пропорционально силе тока
:
Где
— коэффициент Пельтье (или абсолютный
коэффициент Пельтье), который зависит
от природы контактирующих материалов
и температуры.
Взаимосвязь с Зеебеком
(Соотношение Томсона): Коэффициент
Пельтье связан с коэффициентом термо-ЭДС
(
)
следующим образом:
Где
— абсолютная температура контакта (в
Кельвинах).
Применение
Эффект Пельтье лежит в основе работы модулей Пельтье , которые используются для:
Термоэлектрического охлаждения (например, в портативных холодильниках, для охлаждения компьютерных процессоров).
Термоэлектрического нагрева (хотя это менее эффективно, чем резистивный нагрев).
2. Эффект Томсона
Эффект Томсона (открыт Уильямом Томсоном, лордом Кельвином) — это явление дополнительного выделения или поглощения тепла в объёме однородного проводника или полупроводника при одновременном протекании через него электрического тока и наличии градиента температуры (перепада температуры вдоль проводника).
Механизм
В однородном проводнике с градиентом температуры:
Градиент энергии: Электроны в горячей части имеют большую среднюю энергию, чем в холодной.
Ток и градиент: При прохождении электрического тока, если электроны (носители) движутся из горячей области в холодную, они отдают избыточную кинетическую энергию решётке, вызывая дополнительный нагрев (помимо тепла Джоуля-Ленца).
Обратный ток: Если электроны движутся из холодной области в горячую, они поглощают энергию решётки для ускорения, вызывая охлаждение проводника.
Смена знака: В отличие от тепла Джоуля-Ленца (
),
тепло Томсона (
)
меняет знак при изменении направления
тока (
).
Количественные характеристики
Объёмная плотность
тепловой мощности Томсона (
)
в проводнике с током
и градиентом температуры
определяется как:
Где — коэффициент Томсона (зависит от материала и температуры), измеряется в .
Теплота Томсона ( ) — это тепло, выделяемое или поглощаемое сверх обычного тепла Джоуля-Ленца.
Значение
Эффект Томсона, как
правило, слаб и не используется для
практических целей. Однако он имеет
фундаментальное теоретическое
значение, поскольку связывает
коэффициенты Зеебека и Пельтье,
обеспечивая термодинамическую
согласованность всех трёх термоэлектрических
эффектов.
Где
— абсолютный коэффициент термо-ЭДС.
р-n переход. Полупроводниковые диод и триод. Вольтамперные характеристики.
1. p-n переход — это область контакта (граница раздела) двух полупроводников с разным типом проводимости: -типа (дырочная проводимость, акцепторные примеси) и -типа (электронная проводимость, донорные примеси).
Образование
Диффузия: При контакте носители заряда начинают диффундировать через границу:
Электроны из -области (основные носители) переходят в -область.
Дырки из -области (основные носители) переходят в -область.
Рекомбинация и Запирающий слой: Вблизи границы электроны и дырки рекомбинируют. В результате формируется обеднённый (или запирающий) слой, лишенный свободных носителей.
Контактное поле: В обеднённом слое остаются только неподвижные ионы примесей: положительные доноры в -области и отрицательные акцепторы в -области. Это разделение зарядов создаёт сильное контактное электрическое поле, которое направлено от к и препятствует дальнейшей диффузии основных носителей. Поле формирует потенциальный барьер
.
2. Полупроводниковый Диод и его Вольтамперная Характеристика (ВАХ)
Полупроводниковый диод
— это двухэлектродный прибор, основанный
на единственном
переходе. Его основное свойство —
вентильная проводимость (выпрямление
тока).
А. Вольтамперная Характеристика (ВАХ)
ВАХ диода описывает зависимость тока ( ) через переход от приложенного внешнего напряжения ( ).
(
— ток насыщения,
— постоянная Больцмана,
— температура,
— коэффициент идеальности).
Б. Прямое Смещение (Проводимость)
К
-области
подключается положительный полюс
источника (
),
к
-области
— отрицательный.
Внешнее поле направлено навстречу контактному, оно уменьшает потенциальный барьер.
Основные носители (дырки из , электроны из ) легко преодолевают уменьшенный барьер, впрыскиваясь в соседнюю область. Сопротивление перехода мало, ток резко возрастает (экспоненциальный рост).
В. Обратное Смещение (Запирание)
К
-области
подключается отрицательный полюс
источника (
),
к
-области
— положительный.
Внешнее поле направлено согласно контактному, оно увеличивает потенциальный барьер и расширяет запирающий слой.
Основные носители не могут преодолеть высокий барьер. Протекает лишь очень маленький обратный ток насыщения ( ), обусловленный неосновными носителями (тепловым рождением пар в обеднённом слое), который практически не зависит от напряжения.
При очень большом обратном напряжении происходит пробой перехода (резкий рост тока из-за лавинной ионизации или туннельного эффекта).
3. Полупроводниковый Триод (Транзистор)
Полупроводниковый транзистор (биполярный) — это трёхэлектродный прибор, который состоит из двух близко расположенных p-n переходов и используется для усиления электрических сигналов.
Транзистор может быть
структуры
или
.
Рассмотрим
транзистор. Он имеет три
области:
Эмиттер (E, -тип, сильно легирован)
База (Б, -тип, слабо легирована, очень тонкая)
Коллектор (К, -тип, умеренно легирован)
Транзистор работает в активном режиме, когда:
Эмиттерный переход (E-Б) смещён в прямом направлении.
Коллекторный переход (К-Б) смещён в обратном направлении.
Принцип Усиления:
Инжекция: Прямое смещение эмиттерного перехода заставляет электроны (основные носители эмиттера) инжектироваться в тонкую базу.
Транзит: Благодаря тому, что база очень тонкая, большинство электронов (до 98-99%) не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода.
Ускорение: Коллекторный переход смещён в обратном направлении, создавая сильное электрическое поле. Это поле затягивает электроны из базы в коллектор.
Усиление: Небольшое изменение тока базы (
)
приводит к большому изменению тока
коллектора (
).
Поскольку
,
транзистор позволяет управлять большим
током с помощью малого тока:
Где
— коэффициент усиления по току
(достигает десятков или сотен).