Туннельный эффект

Эффекты Пельтье и Зеебека

Если в месте контакта двух специально подобранных разнородных материалов создать разность температур, то между этими материалами возникнет ЭДС. Это свойство носит называние эффекта Зеебека, а обратное явление появления разности температур при протекании электрического тока именуют эффектом Пельтье. В качестве материалов могут выступать два металла, но при этом будет мала развиваемая ими термо-ЭДС. Чтобы получить большую величину термо-ЭДС, в качестве материалов используют пары полупроводников с электронным и дырочным типами проводимостей.

Если один участок материала будет нагрет больше, чем другой, то электроны вследствие теплового движения будут перемещаться в направлении к менее нагретому участку. При этом из-за диффузии одна область материала будет перенасыщена электронами, а другая, наоборот, бедна ими, в результате чего между ними возникнет термо-ЭДС, и при подключении нагрузки потечёт электрический ток. Он будет противодействовать перераспределению электронов в материале.

Эффект Пельтье. Если через контакт специально отобранных полупроводников пропускать электрический ток, то в результате его действия, перемещаясь из одного полупроводника в другой, электроны, которые находились в более высокой энергетической зоне, попадают в полупроводник, в котором станут занимать более низкую энергетическую зону, а избыточная энергия перейдёт в тепло. Т.е. имевшие большую энергию электроны вынуждены отдать часть энергии, что вызовет тепловыделение. При этом температура той части системы, которую покидают электроны, уменьшается. А температура другой части, в которую они поступают, наоборот увеличивается. При активном отводе тепла от нагреваемого участка температура охлаждаемого участка станет ещё ниже.

Принцип действия элементов Пельтье основан на эффекте Пельтье, а элементов Зеебека, – на эффекте Зеебека. Элементы Зеебека применяют в качестве датчиков температуры. Некоторые элементы Пельтье позволяют охладить предназначенные для этого участки полупроводника до меньшей температуры, чем ноль градусов Цельсия. К достоинствам элементов Пельтье и Зеебека относят компактность, отсутствие механических частей и шума при функционировании, высокую надёжность. Недостаток – крайне низкий КПД компонентов.

Туннельный эффект был открыт японцем Лео Эсаки, который в 1973 году получил за него Нобелевскую премию, а практический образец туннельного диода был изготовлен ещё в 1958 году. Туннельный эффект, который относят к группе квантовых эффектов, заложен в основу принципа действия туннельных диодов.

Рисунок 12 – Вольт - амперная характеристика туннельного диода

Туннельный диод обладает очень тонким электронно-дырочным переходом, который образован вырожденными полупроводниками. Толщина электронно-дырочного перехода не должна превышать 10 нм. Роль полупроводника может играть кремний, антимонид галлия, арсенид галлия и др. Вольтамперная характеристика туннельного диода изображёна на рисунке 12.

При увеличении приложенного к диоду постоянного напряжения в прямом включении, прямой ток до определённой величины практически линейно возрастает.

При дальнейшем увеличении подведённого к диоду постоянного напряжения из-за высокой внутренней напряжённости поля, достигающей 10⁸ B/м, происходит разгон электронов, которые в момент попадания в тонкий электронно-дырочный переход не успевают остановиться и прошивают его насквозь, подобно движению в туннеле, практически без уменьшения энергии. В электронно-дырочном переходе в результате квантовых эффектов имеет место снижение напряжённости поля и уменьшение прямого тока через туннельный диод почти вплоть до полного прекращения. Это указывает на отрицательное дифференциальное сопротивление, которое равно приращению постоянного напряжения, приложенному у p-n переходу, делённому на отрицательное приращение постоянного тока. Туннельным эффектом называют квантовый процесс преодоления частицами электронно-дырочного перехода по причине высокой напряжённости поля без существенного изменения энергии. А участок отрицательного дифференциального сопротивления позволяет осуществлять генерацию, преобразование или усиление сигналов сверхвысоких частот за счёт потребляемой от источника питания энергии. Действительно, малошумящие каскады с отдельными промышленно изготавливаемыми туннельными диодами усиливают сигналы с частотой примерно 80 ГГц, и даже несколько более высокой. Столь высокое быстродействие легко объяснить чрезвычайно быстрым преодолением электронами электронно-дырочного перехода.

При последующем повышении приложенного к туннельному диоду постоянного прямого напряжения носители заряда диффундируют сквозь электронно-дырочный переход. Вследствие этого происходит повышение прямого тока при увеличении прямого напряжения, что не имеет отличий от прямой ветви вольтамперной характеристики обычного электронно-дырочного перехода.

При обратном включении туннельного диода дырки не испытывают трудностей в преодолении электронно-дырочного перехода и проникновения в область электронного типа, следовательно, туннельные диоды не обладают свойством односторонней проводимости.