Важной особенностью, открывающей широкие перспективы применения полупроводников, является получение с их помощью холода и тепла более экономичными путями.
Такое использование полупроводников основано на термоэлектрических явлениях, обратных наблюдающимся в термоэлементах. Ток, возникающий в замкнутой цепи термоэлемента, охлаждает горячий спай и наоборот, подогревает холодный спай. При пропускании же тока через термоэлементы в обратном направлении выделяется тепло в горячем спае и отнимается тепло от холодного. Один и тот же спай двух проводников при одном направлении тока нагревается, а при другом охлаждается. Пользуясь этим, можно охлаждать воздух в холодильном шкафу, в который помещён охлаждаемый спай металла. Для этого в термоэлементе поддерживают температуру нагреваемого спая, близкую к комнатной, отводя от него выделяемую теплоту в окружающую среду; при этом другой спай значительно охлаждается, а через него охлаждается и окружающий воздух.
Применяя для этой цели полупроводники, характеризующие достаточно высокой величиной к.п.д. термоэлемента, можно получить в холодильном шкафу необходимые низкие температуры. Например, полупроводники из сплавов висмута, селена, теллура и сурьмы обеспечивают в термоэлементе разность температур около 60°C, а в сконструированном с помощью таких полупроводников холодильном шкафу поддерживается температура минус 16°C.
Этим же явлением можно воспользоваться и для отопления зданий. Пропуская электрический ток через термоэлектрическую цепь, помимо обычного нагрева всего проводника, охлаждают один спай и нагревают другой, т.е. переносят тепло от одного спая к другому. Академик А.Ф.Иоффе рассчитал, какое количество тепла будет при этом выделено. От охлаждаемого спая отнимается некоторое количество тепловой энергии
Q0=αT0It,
где α – термоэлектродвижущая сила, в;
T0 – абсолютная температура холодного спая;
I – величина тока, а;
t – длительность прохождения тока, сек.
Соответственно в тёплом спае, абсолютную температуру которого обозначим через Т 1, выделяется тепловая энергия Q 1:
Q1=αT1It.
Эта тепловая энергия Q 1 больше теплоты Q0, в отношении:
Q 1/ Q0= Т 1/ T0.
Если ограничиться рассмотрением процесса на обоих спаях, то их можно описать следующим образом: электрический ток отнимает от холодного спая теплоту Q0 и передаёттеплому спаю большее количество тепла Q1, добавляя недостающую энергию в виде электрической энергии W. К теплоте Q0, отнимаемой от холодного спая, добавляется энергия W, и сумма их Q0 +W= Q1 выделяется на тёплом спае.
Из приведенных данных о величинах Q0 и Q1 видно, что отношение затрачиваемой электрической энергии W к теплоте Q1, которая освобождается на теплом спае, равно:
W/Q1=Q1Q0/Q1=T1T0/T.
Если абсолютная температура теплого спая Т 1=300°, что соответствует +27°C, а температура Т 0=270° или -3°C, то
W / Q 1=30/300=0,1,
Отсюда следует, что для передачи в тёплое помещение при температуре 2727°C100 кал тепла можно было бы использовать 90 кал, взятых от холодной среды (например, от внешнего воздуха) и добавить всего 10 кал за счёт электроэнергии.
Поскольку такое извлечение тепла из внешнего холодного воздуха или водного резервуара легко и доступно, возникает заманчивая возможность, затрачивая всего 10% от вносимого в помещение тепла за счёт электроэнергии, отапливать помещение практически за счёт извлекаемого снаружи тепла. Но процесс в термоэлектрической батарее не ограничивается только выделением и поглощением тепла на спаях. Вдоль ветвей самой термобатареи возникает поток тепла от теплого спая к холодному, который противодействует переносу тепла в обратном направлении, сопровождающему прохождение тока. Кроме того, часть электрической энергии превращается в тепло в обеих ветвях термоэлемента. В результате наличия этих двух процессов использование электроэнергии резко снижается; приходится добавлять не 10% электроэнергии, а около 60%; но и такой результат представляет значительный интерес: затрата электроэнергии составляет только около половины теплоты, поступающей в помещение, а остальная половина доставляется более холодным наружным воздухом или проточной водой при температурах, близких к нулю.
Чем меньше разность Т 1- Т 0 по сравнению с Т 1, тем выгоднее окажется термоэлектрическая батарея по сравнению с электрической печью сопротивления.
Термоэлектрическая батарея обладает и другим важным преимуществом. Если изменить направление тока на противоположное, то на наружных спаях начнёт выделяться теплота Q0, а нагревавшие помещение спаи будут отнимать теплоту Q1, охлаждая помещение. В жаркое время года та же термобатарея может охлаждать воздух. Регулируя величину и направление тока в батарее, можно поддерживать в помещении одинаковую температуру при любых температурах внешнего воздуха.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полупроводники – это сравнительно новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач.
Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.
Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.
В настоящее время насчитывается свыше двадцати различных областей, в которых с помощью полупроводников разрешаются важнейшие вопросы эксплуатации машин и механизмов, контроля производственных процессов, получения электрической энергии, усиления высокочастотных колебаний и генерирования радиоволн, создания с помощью электрического тока тепла или холода, и для осуществления многих других процессов.
Литература
1. Д.А.Браун.-Новые материалы в технике. -Издательство ˝Высшая школа˝, М.- 1965,194с.
2. А.с. 281651 СССР МПК Н 01 5/00. Полупроводниковый генератор/
Б.С.Муравский. В.И.Кузнецов. Заявл. 03.12.68., Опублик.
21.03.73. Бюл.N7.
3. Кнаб О.Д. БИСПИН - новый тип полупроводниковых приборов//
Электронная промышленность. 1989. N8
4. Шалимова К.В. "Физика полупроводников" Изд. "Энергия" 1976
5. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных
схем./Москва, Энергия, 1973.
6. Муравский Б.С. Черный В.Н. Яманов И.Л. Потапов А.Н. Жужа М.А.
Неравновесные электронные процессы в транзисторных структурах
с туннельно-прозрачным окислом //Микроэлектроника. 1989. т.1
7. Муравский Б.С. Кузнецов В.И. Фризен Г.И. Черный В.Н. Исследо-
вание кинетики поверхностно-барьерной неустойчивости тока.//
Физика и техника полупроводников. 1972. т.6. N11
8. Стриха В.И. Теоретические основы контакта металл-полупрово-
дник.// Киев. "Наукова думка", 1974.
9. А.с. 1438537 СССР, МКИ Н01L 29/42 Поверхностно-барьерный ге-
нератор/ Б.С.Муравский, А.Н.Потапов, И.Л.Яманов. Заявл.
30.12.86.
10. Бессарабов Б.Ф., Федюк В.Д., Федюк Д.В., Диоды, тиристоры,
транзисторы и микросхемы широкого применения. Справочник. /
Воронеж. ИПФ "Воронеж" 1994.
1 Шалимова К.В. "Физика полупроводников" Изд. "Энергия" 1976
2.Браун Д.А..-Новые материалы в технике. -Издательство ˝Высшая школа˝, М.- 1965,194с.
1 Стриха В.И. Теоретические основы контакта металл-полупроводник.// Киев. "Наукова думка", 1974.
1 Шалимова К.В. "Физика полупроводников" Изд. "Энергия" 1976
1 Стриха В.И. Теоретические основы контакта металл-полупрово- дник.// Киев. "Наукова думка", 1974.
1 Стриха В.И. Теоретические основы контакта металл-полупроводник.// Киев. "Наукова думка", 1974.
1 Кнаб О.Д. БИСПИН - новый тип полупроводниковых приборов//Электронная промышленность. 1989. N8
1 Шалимова К.В. "Физика полупроводников" Изд. "Энергия" 1976