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. 8.7 пред­ставлена цепь из двух спаев. Один конец спая нагрет до температу­ры Т₁, а другой — до Т₂, пусть Т₂ > Т₁. При этом в цепи обнаружи­вается электродвижущая сила — термоЭДС, которая в этом случае равна

(8.19)

где альфа — коэффициент термоЭДС, который определяется материала­ми двух ветвей.

Рассмотрим механизм образования термоЭДС на примере одно­родного полупроводника, у которого один из концов нагрет боль­ше, чем второй. Свободные носи­тели заряда у горячего конца будут иметь более высокие энер­гии и скорости, чем у холодно­го. Кроме того, у горячего кон­ца полупроводника свободных носителей окажется больше, чем у холодного. В силу этих при­чин поток свободных носителей от горячего конца к холодному будет больше, чем от холодного к горячему.

Если концентрация свободных электронов и дырок

в полупроводнике или их подвижности не одинаковы, то концы полупроводников окажутся противоположно заряженными.

В электронном полупроводнике основными носителями заряда, как известно, 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 нескомпенсированный положительный. Возникшее электрическое поле будет вызывать поток электро­нов от холодного конца к горячему. Стационарное состояние уста­новится при равенстве этих электронов. 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,

где Q„— теплота Пельтье; / — 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.