6.4. Эффект Пельтье

Эффект Пельтье заключается в том, что при прохождении электрического тока через контакт двух полупроводников в нем в зависимости от направления тока выделяется или поглощается тепло.

Количество выделяемого или поглощаемого тепла пропорционально току, протекающему через переход, и некоторому коэффициенту П₁₂, называемому коэффициентом Пельтье:

.

Коэффициент Пельтье зависит от природы материала, из которого изготовлены ветви термоэлемента. Особенно сильно явление Пельтье проявляется в полупроводниках, которые состоят из ветвей с чередующейся дырочной и электронной электропроводностью.

Рассмотрим природу этого эффекта на примере n-p-n полупроводника, приведенного на рис. 6.5. Пусть к левой n-области подключен положительный контакт источника, а к правой – отрицательный. При выбранном направлении тока на контакте 1 свободные электроны и дырки, возникшие в результате теплового хаотического движения, двигаются под действием поля в противоположные стороны, обедняя контакт носителями заряда. При ионизации атома для переброса электрона из заполненной зоны в свободную и образование дырки в валентной зоне была затрачена некоторая энергия. При прохождении тока через контакт 1 электроны и дырки, уходящие от контакта, унесут эту энергию с собой и контакт будет охлаждаться.

Н аоборот, контакт 2 будет нагреваться, так как к нему с обеих сторон подходят электроны и дырки. В результате контакт обогащается носителями разного знака и происходит их рекомбинация с выделением энергии в виде тепла. В результате при пропускании тока термоэлемент работает как своеобразный тепловой насос, забирая часть тепловой энергии на контакте 1 и выделяя эту энергию на контакте 2.

Связь между коэффициентом Пельтье и коэффициентом термо-э.д.с. выражается соотношением

П₁₂ = αТ.

6.5. Эффект Томсона

Эффект Томсона заключается в том, что если вдоль однородного полупроводника существует градиент температуры, то при прохождении тока в объеме материала, кроме тепла Джоуля, выделяется или поглощается тепло, количество которого пропорционально количеству протекающего электричества и перепаду температур:

.

Коэффициент τ_Т называется коэффициентом Томсона.

П усть между контактами полупроводника (рис. 6.6) существует разность температур dT. Наличие градиента температуры вызывает термоэлектрическую электродвижущую силу, определяемую уравнением Зеебека dU = αdT, которая обеспечит в этой цепи прохождение тока dI.

При этом на одном из контактов выделяется тепло Пельтье в количестве П`dI, а на другом поглощается количество тепла, равное ПdI. В результате в цепи выделяется тепло Пельтье, и если коэффициент П` мало отличается от П, то количество этого тепла выражается следующей формулой:

.

Наличие электрического тока и градиента температур приводит к тому, что в полупроводнике выделяется тепло за счет эффекта Томсона, равного за 1 секунду:

.

Эти термодинамические явления можно считать обратимыми, поскольку они зависят от направления тока и градиента температуры, но, кроме них, имеют место и необратимые процессы выделения джоулева тепла, пропорционального квадрату тока dI². При малых токах эти эффекты можно не учитывать, тогда на основании закона сохранения энергии можно записать следующее:

,

откуда находим:

.

Учитывая, что П = αТ, получим:

.

Таким образом, коэффициенты α, П, τ_Т, характеризующие термоэлектрические свойства данного вещества, связаны между собой термодинамическими соотношениями.

Контрольные вопросы

1. В чем состоит эффект Холла?

2. Как определяется коэффициент Холла для полупроводников с одним и двумя типами носителей заряда?

3. Какие параметры полупроводника можно определить, исследуя эффект Холла?

4. В чем состоит эффект Эттингсгаузена?

5. Что является причиной эффекта Эттингсгаузена в собственных полупроводниках?

6. Что является причиной этого эффекта в примесных полупроводниках?

7. Как, используя эффект Холла, определить тип полупроводника?

8. В чем состоит эффект Зеебека?

9. Какими эффектами объясняется возникновение термо-ЭДС?

10. В чем состоит эффект Пельтье?

11. Какая связь между удельной термо-ЭДС и коэффициентом Пельтье?

12. В чем состоит эффект Томсона?

13. Как связаны коэффициенты Пельтье, Томсона и удельная термо-ЭДС?