|
Термоелектричні явища: Зеєбека, Пельтьє, Томсона та їх використання
Згідно з другим законом Вольта, в замкнутому колі, що складається з декількох металів, що перебувають при однаковій температурі, е. р. с. не виникає, тобто не відбувається збудження електричного струму. Проте, якщо температура контактів не однакова, то в колі виникає електричний струм, який називається термоелектричним. Явище збудження термоелектричного струму (явище Зеєбека), а також тісно пов'язані з ним явища Пельтье і Томсона називаються термоелектричними явищами. 1. Явище Зеєбека (182 р.): в замкнутому колі, що складається з послідовно з'єднаних різнорідних провідників, контакти між якими мають різну температуру, виникає електричний струм. Розглянемо замкнуте коло, що складається з двох металевих провідників 1 і 2 з температурами спаїв T1 (контакт А)і Т2(контакт В), причому Т1 > Т2(рис. 32.2). Рис. 32.2 Встановлено, що в замкнутому колі для багатьох пар металів (наприклад, Сu – Bi, Ag – Сu, Аu – Сu) е. р. с. прямо пропорційна різниці температур в контактах: Ця е. р. с. називається термоелектрорушійною силою. Напрям струму при Т1 > Т2на рис. 32.2 показаний стрілкою. Термоелектрорушійна сила, наприклад для пари металів мідь – константан, для різниці температур 100 K становить всього 4,25 мВ. Причину виникнення термоелектрорушійної сили видно вже з формули , що визначає внутрішню контактну різницю потенціалів на межі двох металів. Справа полягає в тому, що положення рівня Фермі залежить від температури. Тому, якщо температури контактів різні, то різними будуть і внутрішні контактні різниці потенціалів. Таким чином, сума стрибків потенціалу відмінна від нуля, що і приводить до виникнення термоелектричного струму. Відзначимо також, що при градієнті температури відбувається і дифузія електронів, яка теж обумовлює термо-е. р. с. Явище Зеєбека не суперечить другому принципу термодинаміки, оскільки в даному випадку внутрішня енергія перетвориться в електричну, для чого використовується два джерела теплоти (два контакти). Отже, для підтримування постійного струму в колі, що розглядається, необхідно підтримувати постійність різниці температур контактів: до більш нагрітого контакту безперервно підводити теплоту, а від холодного – безперервно її відводити. Явище Зєєбека використовується для вимірювання температури. Для цього застосовуються термоелементи, або термопари – датчики температур, що складаються з двох сполучених між собою різнорідних металевих провідників. Якщо контакти (звичайно спаї) провідників, що створюють термопару, перебувають при різних температурах, то в колі виникає термоелектрорушійна сила, яка залежить від різниці температур контактів і природи використовуваних матеріалів. Чутливість термопар буде вищою, якщо їх сполучити послідовно. Ці з'єднання називаються термобатареями (або термостовпчиками). Термопари застосовуються як для вимірювання надмалих різниць температур, так і для вимірювання дуже високих і дуже низьких температур (наприклад, усередині доменних печей або рідких газів). Точність визначення температури за допомогою термопар складає, як правило, декілька кельвін, а у деяких термопар вона досягає 0,01 К. Термопари мають ряд переваг порівняно зі звичайними термометрами, а саме: мають велику чутливість і малу інерційність, дозволяють проводити вимірювання в широкому інтервалі температур і допускають дистанційні вимірювання. Явище Зєєбека у принципі може бути використано для генерації електричного струму. Так, вже зараз к.к.д. напівпровідникових термобатарей досягає приблизно 18 %. Отже, удосконалюючи напівпровідникові термоелектрогенератори, можна досягти ефективного прямого перетворення сонячної енергії в електричну. 2. Явище Пельтьє (1834 р.) полягає в тому, що при проходженні через контакт двох різних провідників електричного струму, залежно від його напряму, крім джоулевої теплоти, виділяється або поглинається додаткова теплота. Таким чином, явище Пельтьє є оберненим відносно явища Зєєбека. На відміну від джоулевої теплоти, яка пропорційна квадрату сили струму, теплота Пельтьє пропорційна першому ступеню сили струму і змінює знак при зміні напряму струму. Розглянемо замкнуте коло, що складається з двох різнорідних металевих провідників 1 і 2 (рис. 32.3), по яких пропускається струм (його напрям в даному випадку вибраний співпадаючим з напрямом термоструму (на рис. 32.2 за умови Т1 > Т2)). Згідно зі спостереженнями Пельтьє, спай А, який при явищі Зеєбека підтримувався б при більш високій температурі, тепер охолоджуватиметься, а спай В – нагріватиметься. При зміні напряму струму спай А нагріватиметься, а спай В – охолоджуватиметься. Рис. 32.3 Пояснити явище Пельтьє можна таким чином. Електрони по різні боки спаю мають різну середню енергією (повну – кінетичну плюс потенціальну). Якщо електрони (напрям їх руху заданий на рис. 32.3 пунктирними стрілками) пройдуть через спай В і потраплять в область з меншоюенергією, то надлишок своєї енергії вони віддадуть кристалічним граткам, і спай нагріватиметься. В спаї А електрони переходять в областьз більшою енергією, забираючи тепер енергію, якої не вистачає, у кристалічних граток, і спай охолоджуватиметься. Явище Пельтье використовується в термоелектричних напівпровідникових холодильниках. 3. Явище Томсона (1856 р.) полягає в тому, що при проходженні струму по нерівномірно нагрітому провіднику має відбуватися додаткове виділення (поглинання) теплоти, аналогічної теплоті Пельтьє. Це явище можна пояснити таким чином. Оскільки в більш нагрітій частині провідника електрони мають більшу середню енергію, ніж в менш нагрітій, то, рухаючись у напрямі зменшення температури, вони віддають частину своєї енергії граткам, внаслідок чого відбувається виділення теплоти Томсона. Якщо ж електрони рухаються у бік зростання температури, то вони, навпаки, поповнюють свою енергію за рахунок енергії граток, внаслідок чого відбувається поглинання теплоти Томсона.
ЛЕКЦІЯ 33 Контакт електронного і діркового напівпровідників (р-п-перехід) 1. Електронно-дірковий перехід (р-п-перехід) Границя стикання двох напівпровідників, один з яких має електронну, а другий – діркову провідність, називається електронно-дірковим переходом(р-п-переходом).Ці переходи мають велике практичне значення, оскільки вони лежать в основі роботи багатьох напівпровідникових приладів. Перехід не можна здійснити просто механічним з'єднанням двох напівпровідників: його створюють або при вирощуванні кристалів, або при їх відповідній обробці. Наприклад, для отриманняр-п-переходу на кристал германію п-типунакладається індієва "таблетка" (рис. 33.1, а). Ця система нагрівається приблизно при 500 °С у вакуумі або в атмосфері інертного газу; атоми індія дифундують на деяку глибину в германій. Потім розплав поволі охолоджують. Оскільки германій, що містить індій, має діркову провідність, то на границі розплаву, що закристалізувався, і германію п-типу утворюється р-п-перехід (рис. 33.1, б).
Рис. 33.1 2. Фізичні процеси, що відбуваються в р-п-переході Електрони з п-напівпровідника, де їх концентрація вище, будуть дифундувати в р-напівпровідник, де їх концентрація нижче. Дифузія ж дірок відбувається у зворотному напрямі – у напрямі р п. В п-напівпровіднику через вихід електронів поблизу межі залишається некомпенсований позитивний об'ємний заряд нерухомих іонізованих донорних атомів. В р-напівпровіднику через вихід дірок поблизу межі утворюється негативний об'ємний заряд нерухомих іонізованих акцепторів (рис. 33.2). Ці об'ємні заряди утворюють поблизу границі подвійний електричний шар, поле якого, направлене від п-області до р-області, перешкоджає подальшому переходу електронів у напрямі п р і дірок у напрямі р п . Якщо концентрації донорів і акцепторів в напівпровідниках п- і р-типу однакові, то товщина шарів, в яких локалізуються нерухомі заряди, однакова. Рис. 33.2 Провідність p-n-переходу Товщина шару p-n-переходув напівпровідниках складає приблизно 10-6 – 10-7 м, а контактна різниця потенціалів – десяті частки вольт. Носії струму здатні подолати таку різницю потенціалів лише за температури в декілька тисяч градусів, тобто за звичайних температур рівноважний контактний шар є замикаючим(характеризується підвищеним опором). Опір замикаючого шару можна змінити з допомогою зовнішньою електричного поля. Якщо прикладене до p-n-переходузовнішнє електричне поле направлено від n-напівпровідникадо р-напівпровідника (рис. 33.3,а), тобто співпадає з полем контактного шару, то воно викликає рух електронів в n-напівпровіднику і дірок в p-напівпровіднику від межі p-n-переходу в протилежні сторони. В результаті замикаючий шар розшириться і його опір зросте. Рис. 33.3 Напрям зовнішнього поля, що розширює замикаючий шар, називається замикаючим (зворотним). В цьому напрямі електричний струм через p-n-перехідпрактично не проходить. Струм в замикаючому шарі в замикаючому напрямі утворюється лише за рахунок неосновних носіїв струму (електронів в р-напівпровідникуі дірок в n-напівпровіднику). Якщо прикладене до p-n-переходузовнішнє електричне поле направлено протилежно полю контактного шару (рис. 33.3,б), то воно викликає рух електронів в n-напівпровідникуі дірок в р-напівпровідникудо границі p-n-переходуназустріч один одному. В цій області вони рекомбінують, товщина контактного шару і його опір зменшуються. Отже, в цьому напрямі електричний струм проходить крізь p-n-перехідв напрямі від р-напівпровідникадо n-напівпровідника; цей напрям називається пропускним (прямим). Таким чином, p-n-перехідмає односторонню (вентильну) провідність. Напівпровідникові діоди Напівпровідниковий діод – це напівпровідниковий пристрій, що містить один p-n-перехід. |
|
|