21.15. Термоелектрорушійна сила

У 1821 році Зеебек виявив, що у замкненому колі з двох різнорідних провідників, контакти яких знаходяться при різних температурах (див. Мал.238) виникає електрорушійна сила, яку назвали термоелектрорушійною - ТЕРС. Основними процесами, що створюють ТЕРС , є такі:

1. Дифузія електронів. В околиці контакту з більшою (меншою) температурою виникають електрони з енергіями більшими (меншими) ніж енергія Фермі. Це створює градієнт концентрації і потік гарячих електронів у напрямку холодного контакту ( потік холодних електронів у напрямку гарячого контакту).

2. Зміна рівнів Фермі від температури. Внутрішня контактна різниця потенціалів, що визначається рівнями Фермі, різна у гарячого й холодного контактів і їх різниця, що не дорівнює нулю, як це було б при однакових температурах, дає відповідний вклад у ТЕРС.

3. Утягування електронів потоком фононів. Теплові коливання кристалічної решітки більш інтенсивні біля гарячого контакту, що створює потік фононів у напрямку холодного контакту. Останні, взаємодіючи з електронами, надають їм відповідного направленого руху. Відбувається накопичення електронів біля холодного і збіднення їх біля гарячого контакту.

Таким чином створюється стороннє силове поле не електричного походження, яке направлене назустріч градієнту температури, тобто від гарячого до холодного контакту. Такого ж роду процеси відбуваються у замкненому колі з n- та р-напівпровідників. У першому випадку напруженість силового поля направлена, як і у випадку металів, по градієнту поля, а в другому випадку - у протилежному напрямку.

Розрахунки показують, що величина термоелектрорушійної сили у замкненому колі визначається різницями потенціалів на контактах 1 та 2

і за формулою (5) можна записати

.

Величина - коефіцієнт термоелектрорушійної сили, характерний для кожної з пар металів. Цей класичний результат збігається з квантово-механічним для малих різниць температур спаїв . Однак із більшеннямТЕРС перестає лінійно залежати від, а змінюється доволі складним чином аж до зміни полярності. Характерним є спай залізо-мідь. Якщо один спай підтримувати при, то при температурі другого спаю при, ТЕРС становиться рівною 0. При температурі меншійполярність має один знак, а при більшій – інший.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) термопар із металів складає ~ 0.1% у той час як термопари з напівпровідників мають ККД ~ 15% і у принципі може бути підвищеним. Проте цей ефект знайшов широке застосування у приладах, що вимірюють температуру.

21.16. Напівпровідниковий діод

При утворенні контакту р- та n-напівпровідників через нього виникає дифузія та рекомбінація носіїв струму в обох областях. Дифузія виникає внаслідок різної концентрації електронів та дірок у сполучених р- та n-областях. При дифузії вільного електрона з n-області там залишається додатній іон донорної домішки (від нього саме відірвався цей електрон) і в р-області він займає вакансію зв’язку акцепторної домішки, перетворюючи її у від’ємний іон . Такий процес називається рекомбінацією електрона та дірки. Слід окремо зауважити, що під час рекомбінації у контактному прошарку зникають носії струму. Під рекомбінацією дірки у n-області слід розуміти виникнення вакансії зв'язку між атомами у ній і зайняття її електроном донора. Це означає зникнення електрона й дірки, як носіїв струму, й утворення знову ж таки додатного іона донорної домішки в n-області й від’ємного іона акцепторної домішки в p-області.

Таким чином, границя n- і р-області збіднюється носіями струму, а зарядами іонів домішок створюється внутрішнє електричне поле з напруженістю , направленою від n- до р-області. Це поле протидіє дифузії носіїв струму через контакт. У якийсь час зростає до такої величини, що дифузія електронів та дірок припиняється (див. Мал.239).

При накладанні зовнішнього поля з напруженістю , яка співпадає по напрямку з , рух електронів та дірок як носіїв струму ще більше гальмується і зворотній струм майже відсутній аж до зовнішньої напруги, при якій напівпровідник пробивається - атоми іонізуються. Таке включення напруги ( ‘+’ на n-область і ‘-’ на р-область ) називається зворотнім (див. Мал.240 б)). При накладанні зовнішнього поля з напруженістю, яка протилежна по напрямку до, рух електронів та дірок відновлюється з моменту часу, колистане > і спостерігається прямий струм струм>>. Таке включення напруги ( ‘+’ на р-область і ‘-’ на n-область ) називається прямим (див.Мал.240 а)). Зовнішня різниця потенціалів при якій починається прямий струм дорівнює величині потенціального бар'єру V.

Відношення при однаковій величині напруги, що створює ці струми, називаєтьсякоефіцієнтом випрямлення. Ця величина змінюється при зміні величини напруги. Таким чином, контакт р-n напівпровідників має односторонню провідність електричного струму. Ця властивість зникає коли температура діода підвищується до такої, що власна провідність стає більшою ніж домішкова.