Термоэлектрические явления в полупроводниках

К важнейшим термоэлектрическим явлениям в полупроводниках относятся эффекты Зеебека, Пельтье и Томпсона. Сущность явления Зеебека состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных полупроводников или полупроводника и металла, возникает ЭДС, если между концами этих материалов существует разность температур. На рис. 10.7 представлена цепь из двух спаев. Один конец спая нагрет до температу­ры T₁,а другой – до T₂. пусть T₂ > T₁. При этом в цепи обнаружи­вается электродвижущая сила – термоЭДС, которая в этом случае равна

E=α(T₂ - T₁) (10.18)

где α – коэффициент термоЭДС, который определяется материала­ми двух ветвей.

Рис. 10.7. Возникновение термоЭДС в цепи из двух спаев.

Рассмотрим на примере одно­родного полупроводника механизм образования термоЭДС, у которого один из концов нагрет боль­ше, чем второй. У горячего конца носители заряда будут иметь более высокие энер­гии и скорости, чем у холодно­го. Кроме того, у горячего кон­ца полупроводника свободных носителей окажется больше, чем у холодного. Поэтому поток свободных носителей от горячего конца к холодному будет больше, чем от холодного к горячему. А так как концентрация свободных электронов и дырок в полупроводнике или их подвижности не одинаковы, то концы полупроводников окажутся противоположно заряженными.

В электронном полупроводнике основными носителями заряда являются электроны, поток их от горячего конца к холодному будет больше, чем от холодного к горячему. В резуль­тате этого на холодном конце будет накапливаться отрицательный заряд, на горячем оставаться некомпенсированный положитель­ный. У дырочного полупровод­ника на холодном конце возникнет положительный заряд. Таким образом, по знаку термоЭДС можно судить о типе электропроводно­сти полупроводника.

Эффект, обратный явлению Зеебека, называют эффектом Пель­тье. Он состоит в том, что при прохождении тока через контакт двух разнородных полупроводников или полупроводника и металла происходит поглощение или выделение теплоты в зависимости от направления тока.

Количество теплоты, выделяемой или поглощаемой в контакте пропорционально значению протекаемого тока I:

Q_П = П/t, (10.19)

где Q_П – теплота Пельтье; t – время прохождения тока; П –коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих ма­териалов, температуры и направления тока.

Эффект Томпсона заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении тока в однородном материале, в котором существует градиент температур. Наличие градиента температур в полупроводнике, как мы выяснили раньше, приводит к образованию термоЭДС. Если направление внешнего электрического поля будет совпадать с электрическим полем, обусловленным термоЭДС, то не вся энергия, поддерживающая ток, обеспечивается внешним ис­точником, часть работы совершается за счет тепловой энергии са­мого полупроводника, в результате чего он охлаждается.

При смене направления внешнего электрического поля оно бу­дет совершать дополнительную работу, что приведет к выделению теплоты дополнительно к теплоте Джоуля.

Теплота Томпсона Q_Т равна

Q_Т = τ(Т₂ – Т₁)tI, (10.20)

где τ – коэффициент Томпсона.