6.2. Эффект Эттингсгаузена

Эффект Эттингсгаузена сопутствует эффекту Холла и состоит в том, что при пропускании тока через проводник, помещенный в поперечное магнитное поле (рис. 6.2), в направлении, перпендикулярном магнитному полю и току, возникает градиент температуры.

Н аибольшую величину этот эффект имеет в собственных полупроводниках. В результате эффекта Холла электроны и дырки в таких полупроводниках отклоняются в одну и ту же сторону, следовательно, у одной грани образца (А) концентрация электронов и дырок оказывается выше равновесной. У этой грани рекомбинация преобладает над термогенерацией. У другой грани (В), наоборот, концентрация носителей заряда ниже равновесной, и там тепловая генерация преобладает над рекомбинацией. Вследствие этого тепло расходуется на генерацию электронно-дырочных пар в одной части образца и выделяется в результате их рекомбинации в другой части образца. В нем возникает разность температур Т₁ – Т₂.

Эффект Эттингсгаузена наблюдается и в примесных полупроводниках. В этом случае причиной его возникновения является различие времен свободного пробега носителей заряда, обладающих разными скоростями и вследствие этого различными скоростями дрейфа «холодных» и «горячих» носителей.

Согласно формуле

е₀vB = е₀E_x,

холловское поле Е_х компенсирует действие силы Лоренца лишь для носителей заряда, движущихся с некоторой средней дрейфовой скоростью. Носители, дрейфующие быстрее, отклоняются в сторону действия силы Лоренца, дрейфующие медленнее – в противоположную сторону. Какие из этих носителей будут более «горячими» зависит от преобладающего механизма их рассеяния. Например, если преобладает рассеяние на тепловых колебаниях кристаллической решетки, «горячие» электроны имеют меньшую подвижность по сравнению с «холодными» и поэтому они будут отклоняться в сторону грани А, и эта грань будет нагреваться. Грань В, к которой отклоняются «холодные» электроны, будет охлаждаться.

Эффект Эттингсгаузена может применяться в устройствах кондиционирования воздуха, охлаждения, термостатирования, то есть там, где требуется перекачка тепла.

6.3. Эффект Зеебека

Эффект Зеебека, или термоэлектрический эффект, заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух различных полупроводников, места соединения которых находятся при разных температурах, возникает электрический ток. Как правило, одна ветвь, называемая положительной, имеет дырочную электропроводность, другая – отрицательная – имеет электронную электропроводность. Если разомкнуть такую цепь, то на концах ее возникает разность потенциалов U, которая называется термоэлектродвижущей силой. Величина этой разности потенциалов, зависящая от разности температур и вида материала, характеризуется коэффициентом:

,

который называется удельной термо-ЭДС и определяется изменением ЭДС при изменении температуры на один градус.

Возникновение термо-ЭДС можно объяснить тремя различными процессами, сущность которых состоит в следующем.

Первая составляющая обуславливается диффузией свободных носителей заряда от горячего контакта к холодному. При этом в той области полупроводника, где температура повысится, носители приобретут большую энергию и начнут уходить в те области, где температура ниже (рис. 6.3).

П еремещение основных носителей вызывает появление разности потенциалов, так как в нагретой области неподвижные заряды ионов примеси остаются нескомпенсированными, а в холодной части полупроводника образуется избыток носителей. В результате область с более высокой температурой приобретает потенциал со знаком, противоположным знаку основных носителей. Если в полупроводнике не все примеси ионизованы, это явление усложняется тем, что с повышением температуры растет концентрация носителей, вызывающая появление соответствующего диффузионного тока, однако результирующий эффект остается тем же.

Вторая составляющая – следствие температурной зависимости контактной разности потенциалов в замкнутой цепи. Если оба контакта термоэлемента (рис. 6.4) находятся при одной и той же температуре, то контактные разности потенциалов в контактах С и D равны и не дают результирующей термо-ЭДС Если же температура контактов различна, то в связи с температурной зависимостью положения уровня Ферми в запрещенной зоне величина контактной разности потенциалов будет тоже различна.

В цепи термоэлемента появляется вторая составляющая термо-ЭДС Она может быть одинакова или даже больше первой составляющей.

Третья составляющая термо-ЭДС появляется в термоэлементе вследствие увлечения электронов (дырок) фононами, то есть квантами тепловой энергии. Если в ветвях термоэлемента имеется градиент температуры, то будет существовать направленное движение фононов от горячего спая к холодному. В результате столкновений с носителями заряда фононы увлекают за собой в отрицательной ветви термоэлемента электроны, а в положительной – дырки. При низких температурах третья составляющая термо-ЭДС может быть в десятки и сотни раз больше первых двух.

Термо-ЭДС термоэлемента зависит от температуры горячего Т_гор и холодного Т_хол спаев и от состава материалов, образующих ветви термоэлемента. В небольшом интервале температур можно, с достаточной для практических целей точностью, считать, что термо-ЭДС пропорциональна разности температур и коэффициенту термо-ЭДС

.

Таким образом, в термоэлементах может происходить непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую.